第2章隧道工程勘测设计ppt课件.ppt

第二章 隧道工程的 勘测设计,2,2.1 隧道工程勘察,2.2 隧道位置选择,2.3 隧道线路设计,隧 道 工 程 SUI DAO GONG CHENG,2.4 隧道横断面设计,第一节 隧道工程勘察,隧道勘察的三个阶段,隧道勘察的主要方法,隧道勘察的主要手段,地质勘察,水文勘察,建筑环境评价,隧道勘察的目的：,查明隧道所处位置的工程地质条件和水文地质条件,为规划、设计、施工提供资料,对存在的岩土工程问题、环境问题进行分析评价提出合理的设计和施工建议,隧道施工和运营对环境保护的影响提出意见,张在明 中国工程院院士中国地质勘察大师,王思敬 中国工程院院士中国地质勘察大师,一.隧道勘察的三个阶段可行性勘察；初步勘察；详细勘察。,1.可行性研究勘察,预可行性研究,工程可行性研究,桥隧可行性研究现状,侧重于收集与研究已有的文献资料,在分析已有资料的基础上，通过踏勘，实地调查，大致查明地质情况,居于形式偏多,初步勘察,收集资料,工程地质选定隧道线位,初步勘察资料整理,取得隧道所在位置的初步总平面布置地形图及有关工程性质，规模的文件,初勘工作的任务是选择经济合理、技术可行的最优隧道位置方案,工程地质勘察的原始资料，包括调查、测绘、勘探、试验等资料,2.初步勘察：,3.详细勘察：,详细勘察,目的,任务,步骤,为线位布设和编制施工图设计提供完整的工程地质资料,在初勘基础上，进一步查明隧道沿线地质特征和不良地质规模、大小范围,(1)前期的准备工作；(2)沿线地质勘察；(3)试验；(4)资料整理；(5)编写详勘报告,隧道勘察的三个阶段,隧道勘察的主要方法,隧道勘察的主要手段,地质勘察,水文勘察,建筑环境评价,第一节 隧道工程勘察,1.收集研究既有资料,地形地貌:区域地貌类型及主要特征地质情况:地层、地质构造、岩性、土质等区域水文情况：地下水的类型、分布、埋深等,特殊地质：膨胀岩土、黄土不良地质：分布，发育与活动特点等植被及环境:如气候、水文、植被、土壤等；,需要收集哪些资料？,二.隧道勘察的主要方法,地震资料:历史情况，地震烈度、地震破坏情况等气象资料：如气温、降水、蒸发、温度、积雪等,其他资料：相关的法令、法规、方针和政策等内容,类似工程经验:区内已有公路、铁路等其它土建工程的工程地质问题及其防治措施等；,需要收集哪些资料？,2.调查与测绘,充分说明 隧道通过地段的地形状况,充分说明 隧道通过地段地质条件,充分说明 隧道通过地段自然条件,充分说明 隧道通过地段施工条件,调查与测绘要弄清楚什么问题？,（1）自然概况 以地形地貌特征为主的概况。,（2）工程地质调查,*直接观测,*访问群众,（3）工程地质测绘 1)野外测绘方法,2）有航摄资料的方法 遥感技术是根据电磁波辐射（发射、吸收、反射）的理论，应用各种光学、电子探测器，对远距离目标进行探测和识别综合技术，可用于工程地质调查测绘。,航摄资料,航摄资料,航摄资料,隧道勘察的三个阶段,隧道勘察的主要方法,隧道勘察的主要手段,地质勘察,水文勘察,建筑环境评价,第一节 隧道工程勘察,三.隧道勘察的主要手段,一、挖探：23米,二、简易钻探：310米,三、钻探：冲击钻、回转钻等,四、地球物理勘探,一、挖探 trial pits,优点:直观,取原状样缺点:一般23m,地下水以下危险,挖 探：23米,二、简易钻探：310米,简易钻探：310米,钻探的取芯,钻探的取芯,钻探的取芯,三、钻探：冲击钻、回转钻等,常用的办法,可达100m以下划分地层确定地下水取样可以结合原位试验,钻探 Exploration Drilling,三、钻探：冲击钻、回转钻等,深水钻探,钻机可以悬挂9150m长的钻杆延伸到海洋底部8235m深的地方,因为水深大不能锚定系留，必须使用DPS（Dynamic Positioning System-动态定位系统）。,JOIDES Resolution,四、地球物理勘探物探,基本原理：利用岩土体材料的导电性和导磁性，根据接收信号判断地层缺陷及力学性质。,地球物理勘探(物探Geophysical Exploration),物探:根据密度、导电性等物理性质的差别，勘测地层分布、地质构造和地下水位置方法:重力场,磁电场,声,弹性波,放射性勘探,地震勘探(规范,剪切波速)优点:简单迅速缺点:间接判断,范围较大.,物探根据岩土物理性质不同的分类：,电法勘探隧道常用,电磁法勘探（地质雷达）隧道常用,地震勘探隧道常用,声波探测,重力勘探,磁力勘探,放射性勘探,是利用高频电磁脉冲波的反射探测地层结构和地下埋藏物体的电磁装置；,SIR-300型地质雷达,电磁法勘探,通过发射天线向地下辐射宽带的脉冲波，在地下传播遇到不同介质介电参数和导电率存在差异时在界面上发生反射。,物探的现场,物探的曲线,隧道勘察的三个阶段,隧道勘察的主要方法,隧道勘察的主要手段,地质勘察,水文勘察,建筑环境评价,第一节 隧道工程勘察,地质勘察,地质初勘,地质详勘,为隧道位置选择提供工程地质条件,为隧道施工图设计提供地质条件,四.地质勘察：,地质初勘,目的任务,基本内容,主要手段,选定隧道位置,查明控制隧道方案的工程地质问题,以调查与测绘为主，配合物探,地质初勘：,地质详勘,目的任务,基本内容,主要手段,根据批准的初步设计，对选定隧道位置详勘，为施工图设计服务,对主要的重大工程地质问题作出可靠结论,坑探、钻探、物探,地质详勘：,槽探,挖探,地质断面图,地质钻孔图,隧道勘察的三个阶段,隧道勘察的主要方法,隧道勘察的主要手段,地质勘察,水文勘察,建筑环境评价,第一节 隧道工程勘察,五.水文勘察,恶化围岩稳定状态导致施工困难增大工程造价,造成工业用水和饮用水困难,隧道内涌水,地表枯水,必须进行调查预测,涌水调查,内容：调查地下水的类型及其与地表水的相互补给关系；调查地下水的流量、流向及水质等,预测地下水的涌水量,利用钻探成果判断涌水情况,地下水涌水调查：,查明涌向隧道的地下水的范围,枯水调查,目的：明确由于修建隧道工程而使地下水及供水受到影响，造成工业用水及居民饮水困难等,主要内容：地下水的利用状况、地下水季节性变化以及雨后变化、植被情况等,枯水调查：,与隧道涌水有关联的物探调查,隧道勘察的三个阶段,隧道勘察的主要方法,隧道勘察的主要手段,地质勘察,水文勘察,建筑环境评价,第一节 隧道工程勘察,六.建筑环境评价,目的：明确环境现状，不因修建工程而使环境恶化，研究有关对环境影响的内容及其程度；提出防止破坏环境的措施等。,1 对现有生态环境保护的项目（1）水资源保护；（2）植被保护；（3）特殊区(名胜古迹、温泉、风景等)保护；（4）环境污染的保护(污水、烟尘、噪声、有害物等)（5）弃碴处理；,2 隧道工程周围环境现状的调查,地物地貌调查：洞口附近居民住宅，单位分布及规模,地形地质调查：地形特征、地质构造及不稳定地层类型,大气质量调查：气象资料，大气污染现状,水质调查：水源类型、供水量及方式、水源补给情况,噪声振动调查：运输装卸及爆破产生的噪声,生态资源调查：森林、草场、水域面积；野生动物,打浦路隧道复线工程环境影响,3 预测环境影响,大气：预测隧道运营后，大气中废气对人的影响程度，预测方式是扩散模式,水质：隧道内排出的施工及运营水等,振动与噪声：根据地形、植被情况进行预测,地表沉陷：与地质、断面、施工、支护等有关,动物与植物：隧道排出的废气、噪声等,自然景观：隧道洞门与周围环境的有机协调,4 环境影响的评价 隧道工程的修建对当地环境会造成什么样的影响？根据掌握情况，对照影响指标进行评价。,5 环境保护措施的探讨,(1)水资源的保护措施,(2)对污水的防治措施,(3)对粉尘污染防治措施,(4)对有毒有害气体、物质的防治措施,(5)对噪声控制措施,(6)对振动的防治,2.1 隧道工程勘察,2.2 隧道位置选择,2.3 隧道线路设计,隧 道 工 程 SUI DAO GONG CHENG,2.4 隧道横断面设计,在山区修建铁路或高等级公路时，隧道的比重往往是很大的，因此，选择合理的隧道位置不仅是选线的重要组成部分，同时也关系着施工难易、工期长短、造价大小、运营安全和运输效率。,2.2.1 概述,1.隧道位置选择的重要性,第二节 隧道位置的选择,2.2.2 按地形条件选择,一.越岭隧道,1.概念通过山区的交通干线往往要翻越分水岭，从一个水系进入另一个水系，这段线路称之为越岭线，线路为穿越分水岭而修建的隧道称为越岭隧道。用于缩短线路，克服高程障碍。,第二节 隧道位置的选择,越岭隧道地段，一般山峦起伏，地形陡峻，工程地质和水文地质条件均较复杂，交通运输条件也比较困难，施工及弃碴场地狭窄，隧道施工往往控制全线或部分地段的工期。,垭口的概念：当线路必须跨越分水岭时，分水岭的山脊线上高程较低处，即称垭口。,2.选择越岭隧道的两大要素,平面位置与立面位置的选择,(1)平面位置的选择 选择垭口,第二节 隧道位置的选择,垭口两侧沟谷引线工程大小、展线难易情况、线路顺直 与否，也是方案综合比选的一个重要方面。,(1)考虑重点,垭口的地形和地质条件的好坏和隧道的长短。因为二 者关系到施工的难易、工期的长短和运营的安全等问 题。,第二节 隧道位置的选择,然后进行可能通过的垭口、沟谷的比选。,(2)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；,第二节 隧道位置的选择,成昆线从大渡河水系的牛日河进入安宁河水系的孙水河，需穿越小凉山分水岭，该岭与两侧高差约900余米，线路需克服越岭的巨大高差，越岭地段计有沙木拉打、瓦吉木、小相岭、阳糯雪山四个垭口。,例如：成昆线沙木拉打隧道的比选,第二节 隧道位置的选择,第二节 隧道位置的选择,隧道位置高，隧道长度短，施工工期短，但两端展线长，线路拔起高度大，通过能力小，运营条件差；隧道位置低，则与前者相反，但施工难度增加。宜采用低位置方案，但必须进行多种因素综合比选。,2.选择越岭隧道的两大要素,(2)立面位置的选择选择高程,越岭隧道立面位置的选择是指隧道越岭标高的选择。垭口不同，越岭标高不同，就会出现不同长度的隧道方 案。,第二节 隧道位置的选择,凉风垭方案(采用方案)：在雷神坡方案的基础上，进一步压低越岭位置的较好方案。越岭隧道长4270米，拔起高度小、展线短、线路较顺直。,例如：川黔线上的凉风垭隧道即为较为典型的例子。为穿越娄山山脉分水岭的越岭隧道，根据地形特点，选择了三个主要方案进行比较：,马鞍山方案：越岭隧道长2810米，位置较高，线路需克服较大高差。,雷神坡方案：越岭隧道长3490米，位置较马鞍山方案较低，线路状况大为改善，但该处为一大断层，地质条件不利；,第二节 隧道位置的选择,第二节 隧道位置的选择,第二节 隧道位置的选择,凉风垭隧道,越岭线上，地形起伏陡峻，在展线时还可能需要修建专门的展线隧道,山区铁路（或公路）除越岭地段以外，线路大多是沿河傍山而行，在地势陡峻的峡谷地段，常需修建的隧道即为傍山隧道，也有称之为河谷线隧道。,二.傍山(河谷)隧道,1.傍山隧道的概念,第二节 隧道位置的选择,(4)河道狭窄，水流湍急冲刷力强，对山坡稳定和隧道安全威胁较大。,2.傍山隧道的特点,(1)依山傍水修建时，施工中容易破坏山体平衡，造成各种病害；,(2)因是在山体表层范围内修建隧道，常常遇到崩塌、滑坡、错落、松散堆积及泥石流等不良地质现象，地质情况较为复杂；,(3)一般埋深较浅，属浅埋隧道和短隧道群，洞身覆盖薄、易产生不对称的偏压情况；,第二节 隧道位置的选择,傍山隧道在浅埋地段，要注意洞身覆盖厚度问题。为保持山体稳定和避免冲刷偏压、隧道位置宜往山体内侧靠。,3.傍山隧道的位置选择要点,(1)保证最小覆盖层厚,第二节 隧道位置的选择,河岸存在冲刷现象或河道窄、水流急，冲刷力强的地段，要考虑河岸受冲刷对山体和洞身稳定的影响，隧道位置宜往山体内侧靠一些，有可能时，最好设在稳定的岩层中。,(2)尽量内靠,第二节 隧道位置的选择,3.傍山隧道的位置选择要点,傍山隧道位置应考虑施工便道设置和既有公路的位置，应注意既有公路边坡可能坍塌和便道施工对洞身稳定的影响。,(3)注意周围既有建筑对隧道稳定的影响,第二节 隧道位置的选择,3.傍山隧道的位置选择要点,线路沿山嘴绕行应与直穿山嘴的隧道方案进行比较。如山嘴地段地形陡峻、地质复杂，河岸冲刷严重，以路堑或短隧道通过难以长期保证运营安全时，应尽可能用“裁弯取直”，以较长隧道方案通过。,(4)尽可能“裁弯取直”,第二节 隧道位置的选择,3.傍山隧道的位置选择要点,第二节 隧道位置的选择,第二节 隧道位置的选择,2.2.2 按地形条件选择,一.越岭隧道,1.概念通过山区的交通干线往往要翻越分水岭，从一个水系进入另一个水系，这段线路称之为越岭线，线路为穿越分水岭而修建的隧道称为越岭隧道。用于缩短线路，克服高程障碍。,第二节 隧道位置的选择,1.地质构造影响,地质情况：地质构造、岩体强度、水文地质条件、不良地质,(a)不利的结构面倾向；(b)有利的结构面倾向图1-3 结构面倾向对隧道位置的影响,单斜构造与隧道位置的选择,山坡表面,山坡表面,2.2.3 按地质条件选择,第二节 隧道位置的选择,图1-4 软弱结构面地带隧道位置的选择,(1)水平或缓倾角岩层(2)陡倾角岩层(3)直立岩层,图1-3 缓倾角岩层隧道 位置的选择,图1-5 直立岩层中的隧道位置选择,1.尽量避开层间软弱结构面2.隧道纵轴线与层理面垂直或形成交角。,图1-6 褶皱构造隧道 位置的选择,褶皱构造与隧道位置的选择,断层与隧道位置的选择,1.不选向斜选背斜2.避开断层或正交穿越。,(1)滑坡、错落地区,不良地质,置于滑坡面以下的稳定岩体中,滑坡2,滑坡1,滑坡3,(2)岩堆、崩坍、堆积层以及危岩落石地区,隧道移入山体稳定岩层之中,崩塌,火山岩堆2,岩堆1,岩堆3,岩堆4,堆积岩,宝成线略阳至广元段132 km，自1958年通车至1981年水害前，先后接长或增建明洞70座（处），计6km,80%以上皆因危岩、落石所致。1981年水害后，因危岩、落石又增加明、棚洞31座（处），计6.49km,尚不包括因支顶危岩及坡面防护平均每1m路基所费圬工16m3（已近于隧道每米衬砌圬工量），这足以说明防治危岩、落石的重要性。,实例,在选择隧道位置时，务必躲开泥石流泛滥区，如躲避不开，也应选在泥石流下切深度以下的基岩中。不可把洞口放在冲积扇范围以内。,(3)泥石流,冲积扇,泥石流1,泥石流2,(4)溶洞地区,设计时：一是选择在较狭窄地段，以垂直或大角度穿过，使通过岩溶地区最短；二是宜使隧道与岩溶间壁（特别是顶板和底板）有足够的岩壁厚度，或采取相应的工程措施。施工时必须特别注意采取措施，预防岩溶水的突然袭击。,选择隧道位置时，应尽可能避开。,如无法避开时，应探明溶洞的规模、性质和与隧道的位置关系，采取相应的设计、施工措施。,(5)瓦斯地区,(6)黄土地区,（7）地下水,（8）地温,选择隧道位置时，最好不从富水区中经过。不得已时，也要尽可能地把隧道置于地下水位以上的地方，或在不透水层中穿过。,选择隧道位置时，应尽可能不把隧道放在山体太深处。遇到部分地区埋深太大或高地温时，则应作好通风降温措施。,我国西北地区的一座隧道断层水曾达10000 t/d。贵昆线上一座隧道，在大雨之后，所有溶洞同时出水达50000 t/d。,实例,2.2.5 隧道洞口位置的选定,是隧道勘测设计的重要环节之一。洞口位置选择好坏，将直接影响隧道施工、造价工期和运营安全。,选择时要结合洞口的地形、地质条件、施工、运营条件以及洞口的相关工程(桥涵、通风设施)综合考虑。,第二节 隧道位置的选择,一.要避免单纯从经济观点(所谓“等价点”)来选定隧道洞口,等价点的概念：每米路堑的造价是随着路堑的挖深增大而显著增大的，当路堑挖深达到某一程度时，其每米造价就会与每米隧道的造价相等，甚至超过。因此认为在二者造价相等的点就是路堑转入隧道最经济合理的地方。,第二节 隧道位置的选择,2.2.5 隧道洞口位置的选定,1.洞口应尽可能设在山体稳定、地质较好处，不应设在排水困难的沟谷低洼中心。,二.洞口位置选定的原则和要求,总的原则：早进洞、晚出洞 目的：确保施工、运营的安全,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。,第二节 隧道位置的选择,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级。且斜交角度一般不小于45 接长明洞 采用台阶式洞门,2.洞口应尽可能设在线路与地形等高线正交处,第二节 隧道位置的选择,理由：不使山体受扰动太甚，不使新开出的暴露面太大,3.隧道洞口的路肩设计标高，应高于洪水设计标高,、级铁路、高速公路为100年一遇 级与其他公路为50年一遇 设计标高=水位+0.5(壅水+波浪),4.边坡、仰坡不宜开挖过高，以保证洞口安全,第二节 隧道位置的选择,5.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。,第二节 隧道位置的选择,6.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。,7.注重环境保护,第二节 隧道位置的选择,2.1 隧道工程勘察,2.2 隧道位置选择,2.3 隧道线路设计,隧 道 工 程 SUI DAO GONG CHENG,2.4 隧道横断面设计,隧道长度(起迄点)的计算 铁路：洞门外表面与内轨顶面的交点 公路：洞门外表面与路线中线的交点,概念：隧道平面是指隧道中心线在水平面的投影,隧道纵断面是中心线展直后在垂直面的投影,第三节 隧道线路设计,2.3.1 隧道线路平面设计,设计要点,第三节 隧道线路设计,1.在地形地质条件可能的情况下，应尽可能采用直线或大半径曲线，避免小半径曲线。2.铁路隧道中的曲线段，设置加宽和超高，公路隧道不设置。3.铁路隧道避免设反向曲线。4.当洞外明线出现曲线时，最好要使曲线的缓直点(或直缓点)距洞口一定距离(如公路隧道应保证停车视距)。5.公路隧道不设超高的最小曲线半径：表12。,2.3.2 隧道线路纵断面设计,1.设计要素,坡道形式 坡度大小 坡段长度 坡段间的衔接,第三节 隧道线路设计,单面坡多用于线路的紧坡地段或是展线地区及河谷隧道中，以利争取高程,2.3.2 隧道线路纵断面设计,2.坡道形式,两种：人字坡和单面坡,人字坡常出现在越岭隧道、长大隧道中,第三节 隧道线路设计,铁路3,2.3.2 隧道线路纵断面设计,3.坡度大小,(1)隧道内最大限制坡度,公路不大于3%，不小于0.3%,4.坡段长度,5.坡段连接,第三节 隧道线路设计,铁路隧道坡度宜长些，或不短于列车长度。,两个相邻坡段坡度的代数值不宜太大,1.隧道工程勘察的基本内容；地质调查后应提供的主要资料2.隧道选择时要考虑的主要因素3.隧道洞口位置选择的总原则与目的4.隧道纵坡的型式、适用条件、限制坡度,小 结,