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学习情境四 隧道结构构造,隧道工程,学习情境四 隧道结构构造,§4.1 洞身衬砌 §4.2 洞门 §4.3 明洞 §4.4 竖井、斜井 §4.5 内装、顶棚及路面 §4.6 隧道的防水与排水,隧道结构构造,,主体构造物,附属构造物,,洞身衬砌,洞门构造物,,洞身衬砌洞身衬砌的平、纵、横断面的形状由道路隧道的几何设计确定,衬砌断面的轴线形状和厚度由衬砌计算决定,明洞,,,,通风,照明,排水、消防、通讯等,4.1 洞身衬砌 一、衬砌结构的类型： 1、防护衬砌（饰面衬砌） 防护衬砌的作用是防止坑道围岩的风化。适用于I级围岩，在围岩极不容易风化及无局部掉块的情况下，亦可不加防护，一般在围岩表面喷射不大于5cm的砼层。,2、直墙式衬砌 ※ 适用场合：直墙式衬砌型式通常用于岩石地层垂直围岩压力为主要计算荷载、水平围岩压力很小的情况。一殷适用于I，II级围岩，有时也可用于IV级围岩 ※ 拱部形状： ①坦三心圆拱(r1> r2) ②或尖三心圆拱 (r2< r1) ③割圆拱（r1＝r2＝r）,直墙式衬砌,连拱边墙或柱式边墙,※ 围岩完整性比较好的I、II级围岩，边墙可以采用连拱或柱，称为连拱边墙或柱式边墙 ※ 大拱脚薄边墙衬砌：适用于I、II级围岩，边墙可用喷射砼做成，亦可用砼整体浇灌。此类衬砌可使拱脚稳固的直接支承在两侧围岩上，以改善拱圈的受力条件，减少边墙的开挖及衬砌圬工数量，降低造价。,大拱脚薄边墙衬砌,曲墙式衬砌,3、曲墙式衬砌 ※ 适用范围：适用于IV级以上围岩，水平压力大或除了垂直压力外，还有底鼓压力的情况。①地质条件较差，为抵御底鼓压力，配以仰拱使衬砌形成环状封闭结构；②基础地基较好，可采用无仰拱的曲墙式衬砌。 4、喷混凝土衬砌、喷锚衬砌及复合式衬砌,喷锚衬砌与复合衬砌,①要求用光面爆破开挖，使洞室周边平顺光滑，成型准确，减少超欠挖。适当的时间喷混凝土，即为喷混凝土衬砌；②根据实际情况，需要安装锚杆的则先装设锚杆，再喷混凝土，即为喷锚衬砌；③如果以喷混凝土，锚杆或钢拱支架的一种或几种组合作为初次支护对围岩进行加固，维护围岩稳定防止有害松动。待初次支护的变形基本稳定后，进行现浇混凝土二次衬砌，即为复合式衬砌。,偏压衬砌示意图,5、偏压衬砌 ※ 适用情况：当山体地面坡陡于1:2.5，线路外侧山体覆盖较薄，或由于地质构造造成的偏压，衬砌为承受这种不对称围岩压力而采用。,6、喇叭口隧道衬砌 在山区双线隧道，有时为绕过困难地形或避开复杂地质地段，减少工程量，可将一条双幅公路隧道分建为二个单线隧道或二条单线并建为一条双幅的情况，（或车站隧道中的渡线部分），衬砌产生了一个过渡区段，这部分隧道衬砌的断面及线间距均有变化，相应成了一个喇叭型，称为喇叭口隧道衬砌。,嗽叭口隧道衬砌示意图,二、支护结构,支护结构,,初期支护(一次支护),永久支护(二次支护，二次衬砌),,一次支护是为了保证施工的安全、加固岩体和阻止围岩的变形,,二次支护是为了保证隧道使用的净空和结构的安全而设置的永久性衬砌结构,,整体式衬砌,复合式衬砌,拼装式衬砌,锚喷式衬砌,1、整体式衬砌 ※ 该种衬砌类型是传统的衬砌结构形式。不考虑围岩的承载作用，主要是通过围岩的结构刚度来抵御地层的变形，承受围岩的压力。 ※ 采用就地整体模注现浇砼，适用较广，截面可以是等截面或是变截面。,※ IV级以上围岩，地基松软，往往侧压力较大，故宜采用曲墙带仰拱的衬砌。,设置仰拱,,,使结构及时封闭，提高整体承载力和侧墙抵抗侧压力的能力,抵御结构下沉变形，调整围岩和衬砌的应力状态,作用,※ 严寒地区隧道，不管围岩等级如何，只要有地下水存在，衬砌型式仍应采用曲墙式衬砌，并在施工中根据情况设置伸缩缝 ※ 为了避免围岩和衬砌的应力集中，造成围岩压力增加和衬砌的局部破坏，应注意衬砌内外轮廓的圆顺，避免急剧弯曲和棱角。,2、复合式衬砌 复合式衬砌是由初期支护和二次支护组成的，是目前隧道工程常采用的衬砌形式。 初期支护：是限制围岩在施工期间的变形，达到围岩的暂时稳定，初期支护应按主要承载结构设计； 二次支护：是提供结构的安全储备或承受后期围岩压力，二次支护在Ⅲ级及以上围岩时按安全储备设计；在Ⅳ级及以下围岩时按承载(后期围压)结构设计，并均应满足构造要求。 ※ 设计方法：目前以工程类比为主，理论验算为辅。结合施工，通过测量、监控取得数据，不断修改和完善设计； ※ Ⅳ级及以下围岩或可能出现偏压时，应设置仰拱。,※ 仰拱的重要性 ① 解决基础承载力不够，减少下沉：防止底鼓的隆起变形，调整衬砌应力的作用； ② 封闭围岩，制止围岩过大的松弛变形，将围岩塑性变形和形变压力控制在允许范围，提高结构的整体承载力； ③ 增加底部和墙部的支护抵抗力，防止内挤而产生剪切破坏。 ※ 两层衬砌之间宜采用缓冲、隔离的防水夹层，即隔离层。 ① 当初支产生形变及形变压力时，隔离层允许其有少量的变形，可降低形变压力； ② 当初支支护力不够时，可将少量形变压力均匀的传布到二衬上，依靠二衬制止其继续变形，且不使初衬出现裂缝时，二衬也出现裂缝。,③ 具有防水效果，且可减少二次衬砌混凝土的收缩裂缝。 ※ 预留初期支护变形量：在确定开挖尺寸时，应预留必要的初期支护变形量以保证初期支护稳定后，二次衬砌的必要厚度 3、喷锚衬砌 ※ 锚喷支护作为隧道的永久性衬砌，一般考虑是在Ⅲ级及以上围岩中采用；在Ⅳ级及以下围岩中，采用锚喷支护经验不足，可靠性差； ※ 在层状围岩中，采用喷锚支护效果较好； ※ 喷锚支护作为柔性支护，变形量较大，其外轮廓线宜预留稍大的空间（20cm）； ※ 为了使开挖时外轮廓线圆顺，尽可能减少围岩中的应力集中锚喷衬砌的内轮廓线，宜采用曲墙式的断面形式；,※ 锚喷衬砌内表面不太平整顺直，美观性差，影响司机在行车中视觉感观，应根据需要考虑内装。 ※ 不宜采用锚喷支护作为永久衬砌的情况 ① 在某些不良地质、大面积涌水地段和特殊地段不宜采用锚喷衬砌作为永久衬砌； ② 对衬砌有特殊要求的隧道或地段，如洞口地段，要求衬砌内轮廓很整齐、平整； ③ 有很高的防水要求的隧道； ④ 寒冷和严寒地区有冻害的地方(锚喷衬砌抗冻胀能力较差) ⑤ 围岩及覆盖太薄，且其上已有建筑物，不能沉落或拆除者 ⑥ 地下水有侵蚀性，可能造成喷射混凝土和锚杆材料的腐蚀,4.2 洞门 1、概述 洞门是隧道两端的外露部分，也是联系洞内衬砌与洞口外路堑的支护结构 ※ 洞门的主要作用 ① 保证洞口边坡的安全和仰坡的稳定； ② 汇集在洞口附近的仰、边坡上的地表水，并引离隧道，减少洞口土石方开挖量； ③ 作为隧道的标志性建筑物，应与隧道的规模、使用特性以及周围建筑物、地形条件等要相协调 。,2、洞门的型式及适用条件 (1) 端墙式洞门 适用于岩质稳定的Ⅲ级以上围岩和地形开阔的地区，是最常使用的洞门型式 (2) 翼墙式洞门 适用于地质较差的Ⅳ级以下围岩，以及需要开挖路堑的地方。翼墙式洞门由端墙及翼墙组成。翼墙是为了增加端墙的稳定性，同时对路堑边坡也起支撑作用。其顶面一般均设置水沟，将端墙背面排水沟汇集的地表水排至路堑边沟内。,端墙式洞门,翼墙式洞门,(3) 环框式洞门 当洞口岩层坚硬、整体性好、节理不发育，路堑开挖后仰坡极为稳定，并且没有较大的排水要求时采用,环框式洞门,※ 当洞口为松软的堆积层时，通常应避免大刷仰、边坡，一般宜采用接长明洞 ※ 环框上方及两侧仍应设置排水沟渠，以排除地表水，防止漫流 (4) 遮光棚式洞门 当洞外需要设置遮光棚时采用，遮光构造物有开放式和封闭式之分，前者遮光板之间是透空的，后者则用透光材料将前者透空部分封闭,3、隧道洞门构造 ⑴ 洞门仰坡坡脚至洞门墙背后的水平距离不小于1.5m，水沟沟底与衬砌拱顶外缘的高度不应小于1.0 m，洞门墙顶应高出仰坡脚0.5m以上。 ⑵ 洞门墙基基底埋入土质地基的深度不应小于1.0m，嵌入岩石地基的深度不应小于0.5m ，墙基底埋设的深度应大于墙边各种沟、槽基础底埋设的深度； ⑶ 松软地基上的基础，当地基强度不足时，可采用扩大，加固基础等措施。,4.3 明洞 当隧道埋深较浅，上覆岩(土)体较薄，难采用暗挖法时，则应采用明挖法来开挖隧道。用这种明挖法修筑的隧道结构，通常称明洞。 ※ 明洞具有地面、地下建筑物的双重特点：①作为地面建筑物用以抵御边坡、仰坡的坍方、落石、滑坡、泥石流等病害；②作为地下建筑物用于深路堑、浅埋地段不适宜暗挖隧道时而取代隧道的作用；③用于在与公路、灌溉渠立交处，以减少建筑物之间的干扰。 ※ 明洞的结构形式应根据地形、地质、经济、运营安全及施工难易等条件进行选择，采用最多的是拱形明洞和棚式明洞,1、 拱形明洞 隧道进出口两端的接长明洞或在路堑边坡不稳定地段修建的独立明洞等，多采用拱形明洞的形式 ，拱形明洞整体性好，能承受较大的垂直压力和侧压力 ※ 路堑对称型 适用于洞顶地面平缓，路堑两侧地质条件基本相同，原山坡有少量坍塌、落石以及隧道洞口岩层破碎，洞顶覆盖较薄，难以暗挖法修建隧道的地段,路堑对称型明洞,路堑偏压型明洞,※ 路堑偏压型 适用于两侧山坡高差较大的路堑，高侧边坡有坍塌，落石或泥石流；低侧边坡明洞墙顶以下部分为挖方，且能满足外侧边墙嵌入基岩要求的地段 ※ 半路堑偏压型 适用于半路堑靠山侧边坡较高，有坍塌、落石或泥石流等不良地质现象，而外侧地面较为宽敞和稳定，上部填土坡面线能与地面相交以平衡山侧压力的地段,半路堑偏压型明洞,半路堑单压型明洞,※ 半路堑单压型 适用于靠山侧边坡或原山坡有坍塌、落石等情况，外侧地形陡峻无法填土地段 ※ 拱形明洞的边墙，一般采用直墙。当半路堑型单压明洞外墙尺寸较厚(可达3—5m)为节省圬工量，通常在浆砌片石的外墙上每隔3—4m开设孔洞一个 ※ 采用偏压拱型明洞时，要特别注意处理好外墙基础，以防止因外墙下沉而引起拱圈开裂。故外墙必须设置于稳固地基上，如有困难，则可用桩基(或加深基础)及加固地基等方法进行处理,2、棚式明洞 当山坡坍方，落石数量较少，山体侧压力不大，或因受地质、地形条件的限制，难以修建拱形明洞时，可采用棚式明洞 棚式明洞的类型主要取决于外侧边墙的结构形式。通常有墙式、刚架式，柱式和悬臂式(不修建外墙时)等 ※ 墙式棚洞(墙式棚式明洞) 适用于边坡存在坍塌、落石的地段，横向断面类似桥跨结构，内墙除起挡墙作用外，还承受顶板下传垂直荷载；外墙只承受顶板下传垂直荷载 ※ 刚架式栅洞 适用于边坡小量落石，或在连接两座隧道间需建明洞时，为改善隧道通风条件下而被采用 ，外墙结构为连续框架；因此对地基承载力要求较高。,※ 柱式棚洞 适用于少量落石，地基承载力高，或基岩埋藏浅的地段。外墙采用独立柱和纵梁方式，结构简单，预制吊装方便，但整体稳定性较差 ※ 悬臂式棚洞 当山坡较陡，坡面有少量落石，且外侧地基不良或不宜设基础时，可采用悬臂式棚洞,柱式棚洞,悬臂式棚洞,3、明洞基础 ※ 明洞墙基应有一定的嵌入深度，并应设在冻结线以下25cm，保证一定的护基宽度； ※ 当两侧边墙地基软硬不均时，应采取措施加以处理，以免引起过大的沉降和不均匀沉陷，使明洞结构产生裂缝或破坏 ① 基岩不深时可加深基础，设置于基岩上； ② 采用钢筋混凝土或混凝土仰拱； ③ 采用钢筋混凝土底板，修筑整体式基础； ④ 亦可采用桩基或加固地层等措施。,4、明洞填土 明洞顶设计填土厚度，应根据山坡病害的情况，预计明洞顶可能出现的坍塌量及将来明洞所要起的作用来确定 ※ 厚度：铁路新规范确定为l.50m。公路隧道跨度一般比铁路单线隧道跨度大，公路系统设计施工经验少，养护力量弱，故规定不小于2. 0m； 明洞顶填土横坡以能顺畅排除坡面水为原则，不小于2% ※ 明洞拱背和墙背的回填，应符合以下要求： ⑴ 拱脚用贫砼或浆砌片石回填； ⑵ 边墙背后超挖部分，宜用片石砼或水泥砂浆砌片石密实回填； ⑶ 背回填料的内摩擦角应不低于围岩的计算摩擦角或设计回填料的计算摩擦角，否则：,① 导致实际墙背的侧压力较计算的要大，影响结构安全； ② 较好的围岩与衬砌之间有低摩擦角的回填“软弱夹层”，会增加土压力和减小弹性抗力，技术、经济效益方面都是不适宜的 4.4 竖井、斜井 1、竖井,竖井断面规划示例示意图（尺寸单位：mm）,※ 位置选择： 必须考虑地形、地质，与主坑道的衔接，完工后的处理等条件来决定。特别是设在山谷部分的竖井多数延长短，要研究防止井口附近地表水和泥沙的流入措施,2、斜井 ※ 位置选择：,斜井实际使用的断面示意图,① 洞口设置在地形简单，地质良好，涌水量不大，能保证洞外碴罐、卷扬机安装等洞外设备布置的用地需要； ② 与主坑道连接要合适，长度尽可能短，能提供适合运输方式的坡度;,③ 在规划坡度和断面时，重要的是要注意不给主坑道的作业造成障碍和制约 。,4.5 内装、顶棚及路面 1、内装 为了确保行车安全，在道路隧道中必须采取措施，使墙面亮度在长期的运营中保持在必要的水平以上，墙面须用适当的材料加以内装处理，其作用如下： ① 改善隧道内环境，起诱导作用； ② 提高墙面的反射率，增强照明效果； ③ 吸收噪音（通风机＆汽车行驶发出的噪音等）。 (1)、常用的内装材料 ① 块状混凝土材料； ② 饰面板、镶板等质地致密材料；,③ 瓷砖镶面材料； ④ 油漆材料。 (2)、内装材料应具有如下性质 ① 耐火性，在高温条件下仍能维持原状，不燃烧、不分解有害成分等； ②耐蚀性，长期在油垢及有害气体作用下不变质，在洗涤剂等化学物质作用下不被侵蚀； ③不怕水，大多数隧道都存在漏水问题，在水的浸泡下，在潮湿环境中不变质、不霉烂； ④ 材料来源广泛，价格相对便宜，隧道是大型构造物，用材量很大，价格高昂的材料不适于作隧道内装,⑤ 能吸收噪音； ⑥ 颜色淡，易清洁； ⑦具有阻燃性。 2、顶棚 ※ 色彩的选择：顶棚用漫反射材料可以避免产生眩光，其颜色的明亮程度直接影响到路面亮度(浅色的，避免弦光) ※ 美化隧道，并且起视觉诱导作用 ※ 顶棚可做成平顶或者拱顶：①在自然通风或诱导通风时，可以用拱顶；②在半横向或横向通风时可以用平顶。 ※ 顶棚以上可以作为通风道和供管理人员使用的通道，因此设计荷载可按(据国外资料)10MPa考虑,3、路面 ⑴ 路面材料主要有两种：砼和改性沥青； ⑵ 路面材料应具备如下性能： ① 路面材料应具有抵御水冲刷和含有化学物质的水的浸蚀能力 ; ② 车辆在隧道内的减速及制动次数较高，路面材料应具有较高的抗侧滑的能力； ③ 抗裂性、耐久性； ④ 容易修补。 ⑶ 路面与车道分隔线等交通标志之间应保证有明显的亮度对比和鲜明的颜色对比 ⑷路基应具有足够的承载力，尤其要求在有丰富地下水的条件下也能满足要求，这就要求有良好的排水设施,4、噪声的消减 ※ 隧道内噪声水平应保持在60分贝以下； ※ 采取的措施： ① 内装材料的制作； ② 墙面材料的制作； ③ 路面材料的制作； ※ 利用原理： 主要利用声波的反射原理,4.6 隧道的防水与排水 水对隧道的危害： ※ 降低围岩稳定性：C、φ值，引起支护困难，费用增加； ※ 地下、地上水位下降及水环境的改变，影响农业生产和生活用水；或被迫停工，影响工程进展等； ※ 水进入隧道后，造成洞内通风、照明、供电等设备锈蚀，使路面积水或结冰，造成打滑，危及行车安全 隧道综合治水原则：,隧道,,洞内,洞外,,原则,防(隔)、排、截、堵,1、截水 就是在隧道以外将地表水和地下水疏导截流，使不进入隧道工程范围内。措施：上游泄水洞、井点降水、开沟疏导等,截水措施,2、堵水措施 以衬砌混凝土为基本防水层，以其它防水材料为辅助防水层，阻隔地下水，使之不能进人隧道内的防水措施，必要时还可以采用注浆堵水措施。堵水措施可以较好地保护地下水环境。 ※ 基本措施： ① 喷射混凝土堵水，采用防水材料； ② 塑料板堵水：在初支后、二次支护前铺设； ③ 模筑混凝土衬砌堵水：模筑混凝土本身就具有一定的抗渗阻水性能，对于施工缝，沉降缝，伸缩缝处，可采用止水带； ④ 注浆堵水：超前注浆、事后注浆。 ※ 注浆方式：,①前进式； ②后退式； ③一次全孔注浆方式 注浆液： ①水泥浆； ②水泥-水玻璃； ③丙烯酰胺类浆液 3、排水措施 人为设置排水系统，将地下水排出隧道 ※ 基本措施： ⑴ 设置盲沟：作用是在衬砌与围岩之间提供过水通道，并使之汇入泄水孔，主要是用来引导较为集中的局部渗流水。主要有：①弹簧软管盲沟；②化学纤维渗滤布盲沟。 ⑵ 排水沟：根据线路坡度、路面形式、水量大小等因素确定的。洞内排水沟可设置成单侧、双侧、中心式三种形式 。,弹簧软管盲沟引排局部渗水,渗滤布盲沟汇集引排大面积渗透,排水盲沟、泄水管、渡槽、路侧排水沟,中心排水沟、防冻水沟,⑶ 泄水孔： 泄水孔是设于衬砌边墙下部的出水孔道，它将盲沟流来的水直接泄入隧道内的纵向排水沟。泄水孔的施作，有两种方法： ① 在立边墙模板时，就安设泄水管，并特别注意使其里端与盲沟接通，外端穿过模板。泄水管可用钢管，竹管，塑料管、蜡封纸管等。这种方法主要用于水量较大时。 ②当水量较小时，则可以待模筑边墙混凝土拆模后，再根据记录的盲沟位置钻泄水孔。泄水孔的位置应按设计要求设置。,