隧道工程第4章隧道结构构造全解课件.ppt

第四章,隧道结构构造,主要内容,4.3 附属建筑物,4.1 初砌构造,4.2 洞门与明洞,1 外部支护, 整体式混凝土衬砌 砌石衬砌 拼装式衬砌 喷射混凝土支护,2 内部支护, 锚杆 注浆,3 混合支护, 喷锚支护 复合式衬砌,4.1 衬砌构造,一、整体式混凝土衬砌,工艺流程：立模灌筑养生拆模,优点：, 对地质条件和施工条件适应性较强 易于按需要成型 整体性好 抗渗性强, 需要养生时间 受力较慢,缺点：,1、直墙式衬砌,适用条件：,地质条件较好的、级(、类)围岩。,围岩压力以竖向为主，几乎没有或仅有很小的水平侧向压力。,半衬砌,适用于：,地质条件极好，整体岩层坚固；,几乎无水平侧压力，也无地下水侵入。,可不设边墙，但应把两侧岩壁表面喷浆敷面。,地质较差，岩体松散破碎，强度不高；有地下水；侧向水平压力也相当大。,2、曲墙式衬砌,适用于：,连拱四线铁路隧道,二、装配式混凝土衬砌,优点：, 可立即承受围岩压力 工厂化、机械化，改善劳动条件 不需临时支撑可节省大量材料及劳力 速度快，工期短，造价低,缺点：, 接缝多，整体性差， 抗渗性差，防水困难 需要足够的拼装空间 制备构件尺寸上要求精度高,因隧道施工工业化和机械化发展而出现了装配式隧道衬砌，目前多在使用盾构法施工的城市地下铁道中应用。,三、锚喷支护,喷射混凝土加设锚杆和金属网构成的一种支护形式，简称“喷锚支护”，是目前常用的一种围岩支护手段。,1 作用原理,形成一种柔性衬砌结构，与围岩合成一体，共同作用，充分调动或发挥围岩的自稳能力,喷射混凝土充填裂隙、封闭围岩壁面，靠喷层与围岩的粘结力及自身的抗剪能力组成一个新的承载结构体系 通过锚杆的悬吊效应、组合梁效应 、加固效应以发挥围岩自承能力,适应软弱和膨胀性地层隧道开挖及可用于整治坍方和隧道衬砌的裂损。,2 锚喷支护类型, 锚杆支护喷射混凝土支护喷射混凝土锚杆联合支护喷射混凝土与锚杆及钢筋网联合支护以上类型加设型钢支撑（或格栅）而成的联合支护,3 优点,充分发挥围岩的自承能力，因而有效地利用洞内净空施工简便，提高作业安全性和作业效率，使坑道断面缩小，从而减少了开挖量，也节省圬工,四、复合式衬砌,在不同的时间分层先后施作，它可以是两层、三层或更多的层 ，目前实践的都只外衬和内衬两层，因此又称之“双层衬砌”,基本组成：外衬、防水层、内衬,常用公路隧道级围岩复合衬砌结构,复合衬砌防水层, 保护围岩和加固围岩，促进围岩的应力调整，充分发挥围岩的自承作用,衬砌结构受力状态：,外衬受力状态, 在较坚硬的围岩地段，由于围岩具有自承能力，它与初期支护组合在一起能起到永久建筑物的作用，所以二次衬砌只是用来提高安全度的； 在围岩比较软弱地段，则内、外衬砌是共同承载；而在一些特殊地质地段中(坍方、大变形)，二次衬砌的承载作用是主要的，它不仅稳定围岩的变形而且在整个衬砌结构中占有主导地位。,内衬受力状态, 改善受力条件，相对单层同厚度模筑衬砌，承载能 力提高2030 防止外层衬砌风化，使喷层内钢筋网和锚杆端部免于锈蚀 表面光洁平整，利于通风防水效果好,优点：,缺点：, 造价较高，施工较复杂,五、支护结构基本要求,支护结构的基本作用在于保证隧道断面的使用净空，防止岩体质量恶化；承受可能的各种荷载，使隧道支护体系有足够的安全度。因此，任何一种类型的支护结构都应具有与上述作用相适应的构造、力学特性和施工可能性。按现代支护理论，理想支护结构应满足如下基本要求：,必须与周围岩体大面积地牢固接触，即保证支护一围岩作为一个统一的支护体系而共同工作 。,要允许围岩及支护结构产生有限制的变形，以充分发挥围岩的承载作用而减少支护结构的受力，但又必须保证支护结构及时施作。,六、衬砌结构一般规定,隧道衬砌材料，应具有足够的强度和耐久性，在某些环境中，还必须具有抗冻、抗渗和抗侵害性。,衬砌结构伸缩缝、沉降缝,隧道衬砌一般不设伸缩缝，但严寒地区的整体式衬砌、锚喷衬砌或复合式衬砌应在洞口和易受冻害地段设置伸缩缝。,在对隧道衬砌有不良影响的软硬地层分界处应设置沉降缝。,衬砌结构材料,1、定义,在隧道洞口用圬工砌筑并加以一定建筑装饰的支挡结构物。,2、洞门作用, 减少洞口土石方开挖量 稳定边坡 引离地表流水 装饰洞口,一、洞门,4.2 洞门与明洞, 洞口环框式洞门 端墙式洞门 翼墙式洞门 柱式洞门 台阶式洞门 斜交洞门 削竹式(喇叭式)洞门,3、洞门结构类型,适用：类或级围岩，地形陡峻而又无排水要求,（1）洞口环框式洞门,作用：不承载，加固洞口 减少雨后洞口滴水 简单装饰,风火山隧道,适用：地形开阔，岩质基本稳定的 级围岩。,结构特点：能有效抵抗山体纵向推力。,（2）端墙式洞门,端墙,端墙式洞门,乌石山隧道,端墙作用：支护洞口仰坡，并将仰坡水流汇集排出,适用：山体纵向推力较大,洞口地质较差的级及以上的围岩，增加洞门的抗滑动和抗倾覆能力。,（3）翼墙式洞门,南昆线二梓坡隧道,翼墙式洞门,翼墙式洞门,检查梯,昆仑山隧道,特点：可以在端墙中部设置两个断面较大的柱墩，以增加端墙的稳定性。,(4)柱式洞门,适用：地形较陡，地质条件较差，仰坡可能下滑，而又受地形或地质条件限制，不能设置翼墙时。,连拱隧道柱式洞门,二郎山隧道,适用：傍山侧坡地区，洞门一侧边坡较高时作用：减小仰坡高度及外露坡长，减少开挖量。,（5）台阶式洞门,莲花山隧道台阶式洞门,台阶式洞门,（6）斜交洞门,适用：线路方向与地形等高线斜交时。特点：将洞门做成与地形等高线一致，使洞门左右可以仍保持近似对称，但衬砌洞口段和洞门相对于线路呈斜交形式。,（7）削竹式洞门及喇叭口式,削竹式在公路隧道中被普遍使用 高铁减缓高速列车空气动力效应，洞门与洞身整体砌筑； 适用：洞口段有较长的明洞衬砌，由于洞门背后一定范围内是以回填土为主，山体的推滑力不大；地形相对比较对称和不太陡峻。 特点： 1 洞口边仰坡开挖量少 2 减少对植被的破坏和有利于保护环境 3 适用各种围岩类别,削竹式洞门,削竹式洞门,削竹式洞门,削竹式洞门,削竹式洞门施工现场,青岛黄岛开发区嘉陵江路嵩山隧道,明洞-明挖法修建的隧道。,开挖方式： 大开挖 明拱暗墙,二、明洞,明洞位置示意图,适用条件：, 隧道的进出口处； 地质条件差且覆盖层薄，暗挖法难进洞； 洞口路堑边坡有落石而危及行车安全时； 铁路、公路、河渠必须在铁路上方通过且不宜做立交桥或涵渠。,1 拱式明洞(通常所说的明洞均指这种) 路堑式 路堑对称式 路堑偏压式 半路堑式 半路堑偏压斜墙式 半路堑单压耳墙式 2 棚式明洞 盖板式 悬臂式,明洞结构类型,施工,1 拱式明洞 结构特点 （1）整体性好，承载能力强。 （2）除对称型外，外墙承载强度大于内墙。 衬砌形式：整体式衬砌。 结构材料：素混凝土、钢筋混凝土，以后者居多。2 棚式明洞 结构特点 （1）承载能力比拱式明洞弱； （2）内墙承载强度大于外墙。 衬砌形式：现浇件、预制件 结构材料：钢筋混凝土,明洞结构特点及衬砌材料,4.3 隧道附属建筑,主要内容隧道防排水设施铁路隧道附属建筑公路隧道附属建筑,1 公路隧道设计规范一般规定,隧道防排水应遵循“防、排、截、堵相结合，因地制宜，综合治理”的原则，保证隧道结构物和运营设备的正常使用和行车安全。隧道防排水设计应对地表水、地下水妥善处理，洞内外应形成一个完整通畅的防排水系统。,一、防排水设施,2 治水原则与措施, 防：防水混凝土；防水层（内贴、外贴） 排：暗管；忙沟 截：截水天沟；裂缝堵塞 堵：注浆,防水层,（1） 排水沟,3、隧道内排水建筑物,排水沟与电缆沟横断面图, 铁路隧道沟底纵坡与线路纵坡一致，一般不得小于3，横向排水坡不应小于2%。, 公路隧道沟底纵坡与线路纵坡一致，一般不得小于0.5%，横向排水坡不应小于1%。,隧道排水沟,排水沟基本形式,（2） 盲沟,盲沟的作用是在衬砌与围岩间通过过水通道，并使之汇入泄水孔，主要用于引导较为集中的局部渗流水。,弹簧软管盲沟引排局部水,弹簧软管环向盲沟,化学纤维渗滤布盲沟引排大面积渗水,10.08,二、 铁路隧道附属结构, 避车洞 电力及通讯设施 运营通风设施,1、避车洞,（1）概念,列车通过隧道时，为保证洞内人员及维修设备安全，在隧道两侧边墙上交错均匀地修建了洞室，用于躲避列车，故称之为避车洞。,根据避车洞室的大小，其分为大避车洞和小避车洞。,大避车洞：存放维修设备与材料,小避车洞：方便人员躲避列车, 大避车洞布置, 碎石道床每侧每隔300m布置一个 整体道床每侧每隔420m布置一个, 隧道长度在300m以下可不布置大避车洞, 隧道长度在300400m时，在隧道中间布置一个,（2）避车洞布置,注：隧道长度300m以下时，如果两端洞口接桥或路堑，当桥上无避车台或路堑两边侧沟外无平台时，应与隧道一并考虑布置大避车洞。, 单线隧道每侧每隔60m布置一个小避车洞 双线隧道每侧每隔30m布置一个小避车洞, 小避车洞布置, 隧道内大、小避车洞应交错设置于两侧边墙内，大避车洞之间设小避车洞 不得将避车洞设于衬砌断面变化处、不同衬砌类型衔接处或变形缝处 隧道行人较多，或曲线半径小，视距较短时，小避车洞还可适当加密, 整体布置原则,碎石道床,整体道床,避车洞布置图, 直线段且有人行道时避车洞底面与人行道顶面齐平, 采用碎石道床的曲线段隧道上，在各种不同的超高值E时，线路内侧和外侧的避车洞底面低于内轨顶面的高度分别为h1及h2, 直线段无人行道时避车洞底面与道碴顶面 (或侧沟盖板顶面)齐平，采用整体道床时，与道床面齐平,（3）避车洞底部标高,设置原则：便于维修小车和人员避入,避车洞底部标高示意图,(4) 避车洞净空大小,避车洞基本尺寸, 避车洞衬砌类型与隧道衬砌类型相适应,2 电力及通讯设施,电缆槽用混凝土浇筑，槽内铺以细砂做垫层，保护穿越隧道的照明、通讯、信号及电力等电缆。, 电缆槽在转折处，应以半径不小于1.2m的曲线联接，以免电缆弯曲而折断, 隧道长度大于500m时，需在设有电缆槽的同侧大避车洞内设置余长电缆槽,（1）电缆槽,（2）信号继电器和无人增音站洞,根据铁路隧道设计规范的相关规定设置即可。,（1）自然通风,利用洞内的自然风（由洞口间的温度差、大气压力差引起）和列车运行所引起的活塞风以达到通风的目的。,优点：简单，节能,缺点：, 隧道两洞口的高差较小，总的热压差不足，不能 形成有效风速、风压 双向行车时活塞风效应受到影响,运营通风设施,3、运营通风设施,（2）机械通风,铁路隧道设计规范规定：, 内燃机车牵引的单线隧道，长度2km以上宜设置, 电力机车牵引的单线隧道，长度8km以上宜设置 (若行车密度较低、自然风条件较好可适当加长), 双线隧道应根据行车密度、自然条件等具体情况，选定设置机械通风的隧道长度和通风方式 对内燃机牵引的双线隧道，当隧道长度L(km)行车密度N(对/d)100时，应设置机械通风,铁路隧道机械通风一般采用纵向式通风。,概念：在通风机的作用下使风流沿着隧道全长方向流动的通风方式 。, 纵向式通风具体方式, 洞口风道式通风 喷嘴式通风 射流式通风 竖井、斜井式通风,洞口风道式通风, 洞口风道式通风,把通风机设置在隧道高洞口端处，通风道与隧道联通，当列车车尾一出洞口，立即开动通风机(抽风)。,适于列车运行密度大且不太长的隧道,缺点：结构复杂，施工工艺高，维修不便，设备效率不高, 喷嘴式通风,喷嘴式通风,它在隧道洞门衬砌上方设计一汇集新鲜空气的气室，开动通风机则洞外新鲜空气被压送到气室，积聚到一定压力时由喷咀以高速和极小的交角喷进隧道内，形成稳定风流。,布置方式：沿纵向每100150等距布置 集中布置在洞口,射流风机特点：, 射流式风机通风,射流式风机纵向通风, 体积小；风力大；可逆向；费用低；噪声大。, 竖井、斜井式通风,机械通风所需动力与隧道长度的立方成正比，因此在长隧道中，常常设置竖井进行分段通风。竖井用于排气，有烟囱作用，效果良好。,双向交通的隧道，因新风是从两侧洞口进入，竖井宜设于中间。,单向交通时，由于新风主要自入口一侧进入，竖井应靠近出口侧设置。,三、公路隧道附属结构, 内装、顶棚和路面 紧急停车带 横洞和预留洞室 运营通风设施 运营照明设施,1、内装、顶棚和路面,内装顶棚路面噪声的消减,块状混凝土饰面板、镶板瓷砖油漆,拱顶平顶,混凝土沥青,2、紧急停车带,目前，我国参照PIARC推荐值，规定2km以上隧道必须设置宽2.5m，长2540的紧急停车带，间隔750m 。,紧急停车带和方向转换场布置,行车方向分离的双洞公路隧道，当长度超过400m时宜设置行人横洞，长度超过800m时宜设置行车横洞。,3、横洞和预留洞室,公路隧道设计规范规定：,500m以上的高速公路隧道和一级公路隧道宜设置专用消防器材洞室。, 运营通风设施 运营照明设施,本章结束,衬砌台车,衬砌台车,管片拼装图,装配式衬砌内景,喷射混凝土,钢花拱,适用于路堑边坡对称或接近对称，边坡岩层基本稳定，仅防边坡有少量坍塌、落石，或用于隧道洞口破碎，覆盖层较薄而难以用暗挖法修建的隧道。,返回,适用：两侧边坡高差较大的不对称路堑。,特点：承受不对称荷载，拱圈为等截面，边墙外侧厚度视所处位置的地质和地形情况而定。,返回,此种明洞承受偏压荷载，拱圈和内侧边墙为等厚，外侧边墙为不等厚的斜墙式。,适用：外侧地面较宽敞，能回填土以形成反压边坡的条件。,返回,半路堑式拱形明洞：单压耳墙式,回填土是为了缓冲落石对衬砌的冲击而设的，它的厚度应视落石下坠的实际情况而定。一般不应小于3.4.5m,不小于1:3.4.5的流水坡,如果明洞外侧覆盖土不厚，还可以掏成侧洞，使露天的光线可以射进来，外界的新鲜空气也可以流进来,返回,明洞施工,返回,立模,明洞洞门图,返回,返回,适用：陡峻的稳定山坡，外侧地形难以满足一般棚洞的地基要求，且落石不太严重的情况。,返回,结构特点： 内墙为重力式，上端接悬臂式横梁，其上铺以盖板，在盖板的内端设平衡重来维持结构受外荷载作用下的稳定性。,（1）通风方式分类,3 运营通风设施, 公路隧道通风与照明设计规范规定,宜设置机械通风的条件：, 双向交通隧道：LN6105 单向交通隧道：LN2105 L 隧道长度，单位m； N 设计交通流量，辆/h。,（2）机械通风的设置规定, 纵向射流式通风,双向交通时可用于长度1km以下的隧道 单向交通时可用于2km左右的隧道,（3）通风方式, 基本原理,同铁路隧道纵向射流通风, 风机设置,在同一个断面上设置一至两台风机，风机的纵向间距为70m左右，风机距洞口的距离可长些，可取100m。, 适用条件,射流风机, 带竖井的纵向式通风,竖井纵向通风示意图,竖井集中送排烟示意图,在长大隧道中，竖井用于排气时，起到了烟囱的作用，效果很好。, 半横向式通风,半横向通风示意图,1,3,2,4,它将新鲜空气经送风道直接吹向汽车的排气孔高度附近，直接稀释排气，污染空气在隧道上部扩散，经过两端洞门排出洞外。,半横向式通风及其特点, 全横向式通风,全横向通风示意图,它的特点是风在隧道的横断面方向流动，一般不发生纵向流动，因此有害气体的浓度在隧道轴线方向的分布均匀。该通风方式有利于防止火灾蔓延和处理烟雾。,1,2,3,4,5,6,全横向式通风及其特点,一般仅限公路隧道，根据隧道的具体条件和需要，由竖井与各种通风方式组合成为最合理的通风系统。,水底隧道 全横向式通风城市隧道 全横向式和半横向式山岭隧道 纵向式通风和半横向式, 混合式通风,（4）隧道类型与通风方式选择, 单向交通隧道设计风速不宜大于10m/s ，特殊情况可取12m/s ；,（5）通风风速与交通条件, 通风风速的要求, 双向交通的隧道设计风速不应大于8m/s；人车混合通行的隧道设计风速不应大于7m/s。, 交通条件的影响, 单向交通时，车速越大，大型车比例越高，车道的平均截面积与隧道的过风面积的比值越小，活塞作用越显著, 双向交通时风流效果互为抵消，几乎无活塞作用,（6）通风设计标准, CO设计浓度, 烟雾设计浓度,CO设计浓度,烟雾设计浓度K, 黑（白）洞效应 适应滞后现象 隧道烟雾能见度低 出洞口眩光,公路隧道中长度超过100m的高速公路、一、二级公路隧道设置昼夜不断的照明，对于能通视、交通量较小、行人密度不大的短隧道可不设白天的照明。,（1）隧道运营的视觉问题,4 运营照明设施,（2）隧道照明规定,P 洞口（或棚口） S 接近段起点 A 适应点 d 适用距离 L20(S) 洞外亮度L20(A) 适应点亮度 Lth 入口段亮度 Ltr1、Ltr2、Ltr3 过渡段亮度；Lin 中间段亮度 Dtr1、Dtr2、Dtr3 过渡段1、2、3分段长度,各照明段亮度与长度,（3）照明设置区段划分, 洞口接近段,在洞口前，从注视点到适应点之间的一段道路，在照明上称为接近段。, 入口段,指进入隧道洞口的第一段，如设置了遮阳棚等光过渡建筑，则其入口为该段的开始点。,司机开始注视之点称为注视点。继续接近洞口时，司机视野中外界景物会逐渐减少，当行驶至某位置时，外界景物会全部消失，在司机眼前看到的仅洞口，这时距洞口的距离约为10m，这点称为适应点。, 过渡段,介于入口段和中间段之间的区段。, 中间段,也称基本短，此时司机已适应洞内光线。,其任务是解决从入口段的高亮度到中间段的低亮度之间的的剧烈变化(可差数十倍)给司机造成的不适应现象，使之能有充分的适应时间。, 出口段,单向交通隧道中，应设置出口段照明，以便缓和白洞效应带来的不利影响,双向交通隧道中，无出口段照明, 遮阳棚, 在路基两侧种植常青树； 采用削竹式洞门形式； 大幅坡面绿化； 采用冷色调，反射率应小于0.17。,（4）接近段的减光建筑与减光措施, 减光建筑, 遮光格栅, 减光措施,