隧道总体设计 重点

绪论

隧道的类型划分

1)按用途分（常用分类方法）

交通隧道：提供运输的孔道和通道，主要有：铁路隧道、公路隧道、水底隧道、地下铁道、人行地道、航运隧道。

水工隧道：是水利工程和水利发电枢纽的一个重要组成部分。主要包括：

?引水隧道：把水引入水电站发电机组产生动力资源。

?尾水隧道：把发电机组排出的废水送出去的隧道。

?导流隧道：（泄洪隧道）：疏导水流

?排沙隧道：用于冲刷水库中淤积的泥沙而修建的隧道

市政隧道：是城市中为安置各种不同市政设施的地下孔道。主要有：给水隧道、污水隧道、管路隧道、线路隧道、人防隧道。

(例如：综合管网、海底设施隧道等)

矿山隧道：其作用主要是为采矿服务的。主要有：运输巷道、给水隧道、通风隧道。

2)按隧道长度分

公路

?特长隧道： L>3000 m

?长隧道：3000 m ≥L>1000 m

?中长隧道：1000 m ≥L>500 m

?短隧道：L≤500 m

铁路

?特长隧道L＞10000 m

?长隧道10000＞L＞3000 m

?中长隧道3000＞L＞500m

?短隧道L<500m

3)按断面面积分

特大断面隧道：断面积在100m2 以上

大断面隧道：断面积在50~100m2 之间

中等断面隧道：断面积在10~50m2 之间

小断面隧道：断面积3~10 m2 以下

极小断面隧道：断面积3m2 以下

按隧道所处的地理位置划分

山岭隧道、水底隧道、城市隧道

按隧道的施工方法划分

钻爆法隧道、明挖法隧道、

机械法隧道、沉埋法隧道

按地层分(经过的地层)

岩石(软、硬)隧道、土质隧道

第二章隧道总体设计

1、隧道方案选择

1）按地形条件选择：

绕行方案

优点：技术要求小，投资省，工期短；

缺点：线路延长，弯道增多，形成高大边坡；

只有在确认对运营不会造成不良影响时才考虑使用。

路堑方案

优点：造价低，施工速度快；

缺点：路堑病害多，破坏植被；

应以不形成高大边坡为原则

隧道方案

优点：线路平缓顺直、缩短线路、节省运输时间、最大限度的保护了自然贮备、维修养

护简单

缺点：造价高、施工进度慢

当线路遇到地形高程障碍时，应该优先考虑隧道方案。

长短隧道：

短隧道群

优点：工作面多、技术难度较低、施工进度快

缺点：线路延长、洞口易形成高大边坡、隧道结构偏压留下病害隐患

长隧道

优点：线路短、安全

缺点：同上

单线双线隧道：

双线隧道

优点

隧道对周边环境的影响宽度小，选线时易于安排布置

总的洞室段面开挖面积较小

开挖跨度较大，工作面较宽敞，利于作业

施工通风环境较好

维修养护较方便

缺点

断面跨度大，所受围岩压力也就大，不利于围岩的稳定，对支护的要求较高

列车活塞风效应差，因而运营通风效果受到影响

单线隧道

优缺点正好相反

越岭隧道选择垭口的方法

利用小比例尺地形图(如军用地图)、航空照片、卫星照片等；

根据线路的航空线方向和克服越岭高程的不同要求进行大面积选线，录求可供越岭的几个垭口位置； 然后进行可能通过的垭口、沟谷的比选。

垭口比选的原则

优先考虑在路线总方向上或其附近的低垭口，此时垭口在两侧具备有良好展线的横坡时，一般越岭隧道较短。

虽远离线路总方向，但垭口两侧有良好的展线条件，又不损失越岭高程的垭口。

隧道一般选在分水岭垭口两边河谷标高相差不多，并且两边河谷平面位置接近处。

工程地质和水文地质条件良好的垭口。

越岭隧道标高选择

一般隧道标高越高，隧道长度越短，相应施工工期也短，但两端展线长度增加，且线路拔起高度大，运营条件差，线路通过能力降低；

低标高隧道则与之相反，施工难度增加，施工期较长。因此，在选择越岭隧道标高时，考虑运营条件的改善和通过能力的提高，宜采用低标高方案，但必须进行地形、地质、施工、运营、经济等多种因素综合比较确定最优隧道标高。

傍山隧道的位置选择要点

保证最小覆盖层厚

尽量内靠

注意周围既有建筑对隧道稳定的影响

尽可能“裁弯取直”

应根据地形地质，河流冲刷情况以及洞外的相关工程和运营条件等综合考虑。

2）按地质条件选择：

单斜构造

1水平或缓倾角岩层

当隧道通过坚硬的厚层岩层时，较为稳定。若通过很薄的岩层，则施工时顶部易产生掉块现象，此时，以不透水的坚硬岩层作顶板为最好。

2陡倾角岩层单斜构造

陡倾角岩层一般有偏压和不均匀压力存在。当有软弱夹层伴以有害节理切割时，易产生坍方和顺层滑坡。当隧道中线可能沿两种不同岩性的岩层走向通过时，应避免将隧道置于两种不同的岩层软弱构造(破碎)带。而宜将隧道置于岩性较好的单一岩层中

3直立岩层

隧道通过直立岩层时，其中线宜垂直于岩层的走向穿过，切忌与岩层面平行，否则层间的垂直错动可能使隧道产生沿线路纵向的裂缝，这对结构的危害是很大的。应将隧道纵轴线设计

成与层理面垂直，或争取最大的交角

尽量避开层间软弱结构面

当层状岩层较薄，并有软弱夹层，伴有微量地下水活动时，亦可产生不对称压力，在隧道开挖过程中，易产生坍塌，甚至会导致大的坍力，致使地面形成“天窗”。

褶皱构造与隧道位置的选择

在褶曲构造的地区在施工时极易发生掉块或坍方，对工程产生不利影响。此外，地下水积聚凹底，也将增加施工的困难。隧道穿过褶曲构造时，选在背斜中要比在向斜中有利。如果恰在褶曲的两翼，将受到偏侧压力。

当隧道通过褶皱构造时应尽量避免将隧道置于背斜，或向斜的轴部。而应将隧道置于翼部，则隧道所处的地质条件类似单斜构造。

不良地质：滑坡

山体可能沿某软弱面滑动or层状倾斜岩层沿某个软弱面滑动

处理措施

尽量避开滑坡地段。

多年静止的死滑坡或者古滑坡，不得已时，可以把隧道置于滑坡体之内，但要进行上部剪裁，下部支档 如果对滑坡面的位置已经了解清楚，可以把隧道置于滑坡面以下的稳定岩体中。

崩塌

山坡陡峻的地段，山体裂隙受风化而崩解，成块地从斜坡翻滚坠落。

不要把隧道置于地表不厚的傍山位置。

岩堆

岩石经过风化作用，分解和剥离成为大小不一的块体，从山坡上方滚下。或冲刷夹持而堆积在山坡坡脚处，形成松散堆积体。隧道通过这类地区，开挖时极易发生坍方，给施工带来困难

尽量避开设置明洞穿越岩堆

宜把隧道位置放在岩堆以下的稳定岩体之中。

泥石流

首先应判明泥石流的成因、规模、发展趋势，以决定隧道方案的可行性。

应避免把隧道放在冲积扇范围以内，以免堵塞隧道洞口；

或建明洞，使泥石流在明洞顶通过。

溶洞

当隧道通过岩溶地区时．应力求避免穿越岩溶严重发育的网状洞穴区。

不能避开时，选择使隧道通过岩溶地段为最短。以安全的工程措施穿越。

不良水文地质的影响

地下水是隧道工程的大敌，发育的地下水往往是引起施工塌方，或运营病害的重要原因

处理：避开富水地区；加强排水措施

2洞口位置选定的原则——早进晚出的原则

总原则：在决定隧道洞口位置时，为了施工及运营的安全，宁可早一点进洞，晚一点出洞

影响洞口位置的因素

边仰坡的稳定：适当延伸洞口，以减低边仰坡高度

工程造价：尽量缩短隧道长度，延长路堑长度

二者有矛盾：只有在确保边仰坡稳定的前提下，才能考虑工程造价

所谓早和晚是相对的，并不意味着进洞越早越好，出洞越晚越好，衡量的尺度只要是边仰坡的坡率和高度。洞口位置选择的地质和地形要求

洞口应尽可能地设在山体稳定、地质较好，地下水不太丰富的地方；

不应设在排水困难的沟谷低洼中心，不要与水争路。

理由：

(1)沟谷地势狭窄，不利施工；

(2)不利防洪、排水；

(3)洼地一般地质条件较差。

洞口应尽可能设在线路与地形等高线正交处,使隧道正面进入山体，洞门结构物不致受到偏侧压力；

线路与等高线斜交无法避免时：

◆可采用斜交洞门，但围岩类别应不小于Ⅲ级。且斜交角度一般不小于45

当线路位于有可能被淹没的河滩上或水库回水影响范围以内时，隧道洞口标高应在洪水位以上

为洞口稳定和安全,边坡及仰坡均不宜开挖过高, 不使新开出的暴露面太大。

当隧道穿过悬崖陡壁时，可贴壁进洞；

当隧道穿过悬崖陡壁时，岩壁稳定且落石或坍塌不可能时，一般不宜刷动原坡面，破坏地表植被，暴露风化破碎岩层，使洞口处于不利地位。

若洞顶危岩活石难以清除，或支护上有落石掉块危机行车安全时，应延伸洞口接长明洞至能坍落影响范围以外3～5m。

当洞口地形平缓时

由于选定洞口位置有较大的伸缩范围此时，此时应结合洞外填方路堑施工难易、路堑排水支农要求、弃碴场地、施工力量及机械设备等情况全面考虑。

洞口位置选择的一般原则和要求

洞口以外应当留有生产活动的场所。

总之，选定隧道洞口位置时，首先要按照地质条件控制边坡和仰坡的高度和坡面长度，其次是避开不良地质区域和排水影响，最后才从经济方面进行比较。

3隧道几何设计

1）隧道平面设计

隧道平面线形，一般采用直线、避免曲线。

如必须设置曲线时，应尽量采用大半径曲线，并确保视距要求。

双洞间距问题

对于高速公路、一级公路的隧道应设计为上、下行分离的独立双洞;

最小净距按对两洞结构彼此不产生有害影响的原则，结合隧道平面线形、围岩地质条件、断面形状和尺寸、施工方法等因素确定。

围岩类别 I II III IV V VI

最小净距（m） 4.0×B 3.5×B 2.5×B 2.0×B 1.5 × B 1.0 × B

2）隧道纵断面设计

隧道中心线在垂直面上的投影应综合考虑行车安全性、营运通风规模、施工作业效率和排水要求。

隧道的纵坡类型：单向坡&人字坡

隧道的纵坡：不小于0.3％，也不大于3 ％。

单向坡

优点

可以争取高程，有利于自然通风，低位洞口出渣有利，因它是往上坡方向掘进，空车上坡，重车下坡，水自然排出。

缺点

不利于高位洞口段施工

适用于：紧坡地段——指需要在较短的距离内拔高较大的高程。

人字坡

优点

与山坡的自然坡形一致、隧道两端都是往上坡施工，因而掘进、排水都有利。

缺点

施工废气自然集聚于工作面，不利于通风、运营时，废气也会聚集在坡顶。

适用于: 不需要争取高程的越岭隧道。

控制隧道纵坡大小的主要因素

※通风问题

※排水问题

纵坡坡度大小

最小坡度：隧道规范要求纵坡应不小于0.3％，以利排水

最大坡度：并不大于3％，且控制在2%以下为好，这是因为当坡度大于2%时，汽车上坡时排放的有害物质会急剧增加，为通风效果考虑，宜将坡度控制在2%以内。

单向通行时，设置向下的单坡对通风有利。因为汽车下坡时，发动机处于低功率状态，产生的有害气体少，但坡度不要大于3%，否则施工时，高位洞口的施工会有困难。

隧道如双向对头掘进，为施工排水，可采用“人”字坡。

对采用自然通风的隧道，坡度宜尽量采用大值，但也不能大于3%。

采用人字坡的隧道，隧道两端的出渣与排水都有利，但通风较差，所以一般将坡度控制在1%以下。

综合考虑排水和通风，以不妨碍排水的缓坡为宜

3）隧道净空断面与横断面设计

隧道断面设计需要解决什么问题？

根据围岩压力和支护结构等因素求取最经济值

隧道净空：隧道衬砌的内轮廓线所包围的空间,包括隧道建筑限界、通风、照明及其它所需要的面积。

建筑限界：为了保证隧道内各种交通的正常运行与安全，而规定在一定宽度和高度范围内不得有任何障碍物的空间范围。隧道衬砌等任何建筑物不得侵入的一种限界。

隧道净空除了包括隧道建筑限界以外，还包括通风管道、照明设施、防灾设备、监控设备。运行管理等附属设备所需要的足够空间，以及富余量和施工允许误差等。

隧道建筑限界设计规范规定：

①限界高度，二级公路以上等级取5.0m; 三、四级公路取4.5m.

②当设置检修道或人行道时，不设余宽；当不设置检修道或人行道时，应设不小于25cm的余宽。

③隧道路面横坡，当隧道为单向交通时，采用单面坡，为双向交通时，可采用双面坡。一般可采用1.5%～

2.0％。

当路面为单面坡时，建筑限界底边线与路面重合；采用双面坡时，建筑限界底边线应水平置于路面最高处。隧道接线

保证有足够的视距和行驶安全

注视点和注视时间

开始注视的点称为注视点，从注视点到安全视距点所需时间称为注视时间。

从注视点到洞口采用通视线形极为重要。在洞口及其附近放入平面曲线或是竖曲线的变更点时，应以不妨碍观察隧道

隧道衬砌(Lining)

它是一种超静定支护结构,是隧道的主体建筑物。

衬砌断面设计主要解决内轮廓线、轴线和厚度三个问题。

断面设计的基本内容

衬砌内轮廓线：尽量贴近隧道建筑限界

衬砌截面厚度：尽量减小衬砌截面厚度

衬砌轴线：应满足受力要求

实际上拱轴线是由前两者决定的，故独立因素为内轮廓线和衬砌厚度

基本原则：当围岩的侧压力较小时，采用直墙式衬砌断面，当地质条件差时采用曲墙式断面。

主要设计步骤

确定隧道类型，选定相应的建筑限界

根据围岩类别初步拟定截面厚度

编制计算机程序，对拟定的衬砌断面进行优化计算比较，得出他们最优解时所对应的断面几何参数。

应用结构分析程序，对得出的衬砌结构断面最优解进行力学验算，并对有关结果做出评价。

1）设计内轮廓线的注意事项

衬砌的内轮廓线应尽可能地接近建筑限界，结构的任何部位不应侵入限界以内。同时，隧道内轮廓应考虑通风、照明、安全、监控等内部装修设施所必需的富余量

从经济的观点，内轮廓先应尽量减小洞室的体积，即使土石开挖量最省。力求开挖和衬砌的数量最小。衬砌内表面力求平顺，考虑衬砌施工的简便，使结构在受力及围岩稳定方面处于有利条件。

隧道衬砌断面的轴线应当尽量与断面压力线重合，使各截面主要承受压应力。若两线重合，结构的各个截面都只承受单纯的压力而无拉力，最理想。事实较难做到。一般结构的轴线接近于压力线，使各个截面上主要承受压力，而极少断面承受很小的拉力，充分利用混凝土材料的受压性能。

设计目的

衬砌内轮廓线应满足限界要求；满足受力要求；开挖量最优

当衬砌受径向分布的水压时，轴线以圆形最好；

衬砌主要承受竖向压力或同时承受不大的水平侧压力时，结构轴线上部采用圆弧形或尖拱形（三心圆拱），下部可以采用直墙式衬砌；

当承受竖向压力和较大侧压力时，宜采用五心圆曲墙式衬砌（上部采用圆弧形或者平供形，下部采用凸向外方的圆弧形，即曲墙）。

当有沉陷可能受底压力时，宜加设仰拱的曲墙式衬砌。

2）衬砌厚度

随所处地质条件和水文地质条件不同而有较大变化，并且与隧道的跨径，荷载大小，衬砌材料以及施工条件等有关。

根据以往经验，拱圈可以采取等截面，也可采取在拱脚部分加厚20—50％的变截面。仰拱厚度一般略小于拱顶厚度。

衬砌断面的形状①直墙式圆弧拱②三心圆拱③单圆拱

衬砌断面的轮廓线

①衬砌内轮廓线：是衬砌的完成线，在内轮廓

线之内的空间为隧道的净空断面。

②衬砌外轮廓线：指为保持净空断面的形状，衬砌必须有足够的厚度(或称最小衬砌厚度)的外缘线。该线又称为最小开挖线。

③实际开挖线

为保证衬砌外轮廓，开挖时往往稍大，尤其用钻爆法开挖时，实际开挖线不可避免的成为不规则形状。