《隧道总体设计》PPT课件.ppt

第三章 隧道总体设计,3.1 隧道选址3.2 隧道的几何设计3.3 衬砌内轮廓线及几何尺寸拟定3.4 道路隧道勘测设计文件的内容和组成,3.1 隧道选址1、公路隧道选址的基本原则必须与公路总体设计相协调适应(交通量、公路等级等)隧道位置应选择在稳定的地层中；,(4)越岭隧道应进行较大范围的方案选择，进行全面的技术、经济比较，选择在地质条件较好的地段穿越；(5)沿河傍山隧道，其位置宜向山侧内移，避免一侧洞壁过薄产生偏压；(6)选择隧道位置时，应注意洞口位置和有关工程的处理，一般宜采取“早进洞，晚出洞”原则。,2、隧道方案与自然条件的关系当地的工程地质与水文地质条件、地形地貌条件、气象条件，一般而言是隧道方案主要考虑的问题。另外，还有工程的难易程度、经济、工期要求，甚至还有政治、经济、军事与地区发展都有关。根据隧道轴线与地形的关系，主要有：(1)坡面正交型；(2)坡面斜交型；(3)坡面平行型；(4)尾部进入型；(5)深入谷地型。,3、越岭隧道的选址 越岭隧道的位置:选择垭口,确定隧道高程(1)越岭隧道平面位置的选择 采用直线或大半径曲线为好；优选考虑在路线总方向上或其附近的低垭口，展线好，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；工程地质和水文地质条件良好的垭口。,(2)越岭隧道标高的选择在越岭位置选定后，越岭标高影响展线及越岭隧道方案：隧道标高越高，隧道越短，施工期短，两端展线长度增加，运营条件差；隧道标高低，隧道加长，施工期长，运营条件较好;选择越岭隧道标高时，综合考虑施工、运营等多因素比较确定最优隧道标高。(3)越岭隧道选址尚应考虑以下原则：逢山穿洞，宁长勿短，早进晚出-避免洞口深挖；宁里勿外，宁深勿浅，避软就硬-避免不良地质；,按地质条件进行选择-单斜构造与隧道位置的选择水平或缓倾角岩层 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陡倾角岩层 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动；在此情况下，如以明洞通过时应慎重对待,缓倾角岩层隧道位置的选择,当隧道中线可能沿两种不同岩性的岩层走向通过时，地层滑动将使隧道结构受到很大的剪力，以致把结构物损坏。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；如果隧道恰在层间软弱面的上方，地层滑动会使隧道的某一段发生横向推移，而与邻段断开。因此一定要尽可能避开软弱结构面，特别是不要把隧道中线设成与软弱结构面的走向一致或平行，至少要成一定的交角。,软弱结构面地带隧道位置的选择,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，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”,直立岩层中隧道位置的选择,-褶皱构造与隧道位置的选择褶皱构造有向斜和背斜两种基本类型，当隧道通过褶皱构造时，应尽量避免将隧道置于向斜或背斜的轴部(a)、(b)，而应将隧道置于翼部(c)，则隧道所处的地质条件类似单斜构造,当对隧道通过向斜和背斜轴部作比较时，则背斜较向斜略好，若向斜轴部处于含水层中，地下水积聚凹底，洞身开挖所出现的涌水及坍塌将比背斜严重，也将增加施工的困难。,褶皱构造隧道位置的选择,4、傍山隧道选址为改善线形，提高车速，缩短里程，节省时间，常修建傍山隧道。傍山隧道一般埋藏较浅，容易造成各种病害；山坡亦常有滑坡，松散堆积，泥石流等不良地质现象，地质情况较为复杂。选择傍山隧道时应注意：（1）傍山隧道的洞身覆盖厚度问题。为保持山体稳定和避免偏压产生，隧道位置宜往山体内侧靠-宁里勿外,傍山隧道最小覆盖层厚度 t(m),（2）要考虑河岸冲刷对山体和洞身稳定的影响，如图所示。（3）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的可能坍塌和施工便道对洞身稳定的影响。如图所示。（4）线路沿山嘴绕行应与直穿山嘴的隧道方案进行比较。,河岸受冲刷对洞身位置影响示意图,道路对洞身稳定的影响示意图,沿河傍山绕行方案 沿着山体自然弯曲傍山绕行，如果地形条件尚能允许，则可采用。在不得已时，只得大劈坡，或高层填土，上设御土墙，下设护坡护岸，有时还须跨谷建桥，有时为防滚石坠落，还需设置防护明洞 隧道直穿方案 如果在平面障碍的前方，开凿隧道，穿山而过，虽然初期工程略大一些，但线路顺直平缓，工程单一，可不设急弯，没有陡坡，路线行程缩短，运营条件改善，而且不受山坡坍方落石的威胁如下图所示。从长远的利益来看，隧道方案往往是比较合理的。,5、不良地质地段隧道位置的选择 研究地质条件的重要性：不论是沿河（溪）线还是越岭线，地质条件对隧道位置的选择往往起决定性作用。好的地层，对施工和营运均有利，亦可节省投资。对岩性不好的地层、断层破碎带、含水层等不良地段应避免穿越，以免增大投资，造成施工与营运的困难，影响隧道安全，留下后患。若不能绕避而必须通过时，应采取可靠的工程处理措施，以确保隧道施工及营运安全。,5、不良地质地段隧道位置的选择 常见不良地质条件有滑坡、崩坍、松散堆积、泥石流、岩溶及含盐、含煤、地下水发育等地质条件。(1)、滑坡、错落 滑坡、错落对隧道的危害很大，在隧道通过滑坡地区时，必须查明滑坡类型范围、深度、滑动方向等。一般应避开滑坡体或错动体，或在可能滑动面以下一定深度通过。如图所示。,(2)、松散堆积层堆积层常处在暂时稳定状态。一旦扰动，稳定即会丧失而造成崩坍。在这种地质条件下隧道应避开不稳定、松散的堆积层，使洞身处于基岩中，并具有足够的安全厚度。如图甲的位置上。,滑坡地区隧道位置选择示意图,松散堆积层中隧道位置选择示意图,(3)、泥石流 隧道通过泥石流地段时，应结合地质情况考虑泥石流沟的改道和最大下切深度，确保洞口和洞身的安全。隧道洞顶距基岩面或最大下切面要有一定的覆盖厚度，如图(b)乙的位置，隧道洞口应避开泥石流沟及泥石流可能扩展的范围。有困难时，可修建一段明洞，使泥石流在明洞顶通过。,隧道通过泥石流时的位置选择示意图,断裂构造，接触带与隧道位置的选择在选择隧道位置时，切忌沿着(或靠近平行)断层带或破碎带修建隧道，特别是对于区域性大断裂，尤应注意绕避。当隧道线路必须通过断层带时，应尽量使线路与断层走向正交，同时应避开严重破碎带，并应使通过断层的地段最短。,断裂构造地带隧道位置的选择,(4)、溶洞地区,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、巨大空洞区及有利于岩溶发育的构造带，尽量避开洞身置于碳酸盐岩与非碳酸盐岩(可溶岩与非可溶岩)的接触带。当不可能时，应选择在较狭窄地段，以垂直或大角度穿过，使通过岩溶地段为最短。,瓦斯地区隧道开挖时，有害气体如甲烷(CH4)和二氧化碳(CO2)逸出；轻则致人窒息，重则引起爆炸，危害甚大。选择隧道位置时，最好能避开。不得已时，应做好通风稀释的措施。黄土地区黄土具有干燥时甚坚固，遇水容易剥落和遭受侵蚀的特征。选择隧道时应避开沟壑及地下水活动和地面陷穴密集的地区。,-不良水文地质的影响 地下水 地下水多是由地表水的渗透或地下水源补给的它们的存在，使岩石软化、强度降低，层间夹层软化或稀释，促成了层间的滑动。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。地温 地球核心有巨大的热量隧道如果埋置很深，地温太高，将会降低施工效率。隧道通过高温、高热地段，会给施工带来困难选择隧道位置时，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。,6、隧道洞口位置的选择 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、通风设施等）综合考虑。,（1）洞口部分在地质上通常是不稳定的。一般应设在山体稳定，地质条件好，排水有利的地方。隧道宜长不宜短，应“早进洞，晚出洞”，尽量避免大挖大刷，破坏山体稳定。（2）洞口不宜设在沟谷低洼处和汇水沟处，一般宜将洞口移到沟谷地质条件较好的一侧有足够宽度的山嘴处，如图中的B线。,（3）当洞口处为悬崖陡壁时，根据地质情况采用贴壁或采用接长明洞的办法，将洞口堆到坍方范围以外35m处.（4）洞口地形平缓时，一般也应早进洞晚出洞。这时洞口位置选择余地较大，应结合洞外路堑、填方、弃渣场地、工期等具体确定。需要时可接长明洞，以确保施工和运营安全。,（5）考虑洞口边仰坡不致开挖过高和洞口段衬砌结构受力，洞口位置宜与地形等高线大体上正交。特别是在土质松软、岩层破碎、构造不利的傍山隧道，更应注意。道路隧道一般不宜设计斜交洞门。若为斜交时，应尽可能加大斜交角度（一般不小于450），或采取工程措施，以降低垂直等高线方向的开挖高度。,正交洞门平面示意图,斜交洞门平面示意图,（6）长大隧道在洞门附近应考虑施工场地、弃渣场以及便道等的位置。（7）洞口附近有居民点时，考虑提前进洞，尽可能减少附近地上构筑物，地下埋设物与隧道的相互影响，及减少对环境（农业、交通、居民生活）的影响。（8）洞口路肩应高出设计洪水位（包括浪高）以上0.5m，以免洪水浸入隧道。,（9）考虑通风设备排出的废气和噪声对周围环境的影响程度和解决办法。（10）考虑设置防雪工程、防风工程和防路面冻害工程的必要性。总之，隧道洞口和洞身是不可分的整体，在位置选择时不能顾此失彼，应该同样的重视。,3.2 隧道几何设计,1、隧道的平面设计,1、隧道的平面设计(1)、隧道平面是指隧道中心线在水平面上的投影。隧道是线路的组成部分，线形至少满足公路工程技术标准规定；(2)、平面设计的任务：决定隧道的平面位置，选定洞口位置及洞内各种地下管线埋设位置；,(3)、平面设计的基本要求 原则上采用直线，避免曲线，若必须设置时，宜大于不设超高的平曲线半径，并应满足停车视距的要求；隧道平面线形应考虑行驶安全，在洞口不应使用小半径的引线与隧道衔接；隧道内尽量避免设反曲线。,(4)、曲线隧道的不利因素：行车视距问题；加宽断面问题，造成变截面隧道，施工难度大；曲线隧道内装修复杂；增加通风阻抗，对自然通风不利；,2、隧道纵断面设计 隧道纵断面是指 沿隧道中心线展开的垂直面上的投影。(1)、纵坡类型 人字坡隧道 上行单坡隧道 下行单坡隧道(2)、控制隧道纵坡大小的主要因素 通风问题 排水问题,(3)、纵坡坡度大小及其影响 隧道纵坡坡度范围：0.3%-3%；纵坡坡度与通风的关系，要求1%以下，大于2%，排量迅速增加；与排水的关系，纵坡越大 水流越快；纵坡坡度与施工运营的关系，采用大竖曲线半径和竖曲线长度；综合通风和排水考虑，纵坡为不防碍排水的缓坡为宜。,人字坡隧道,下行单坡隧道,3、隧道横断面设计 下图所示断面形状和尺寸应根据围岩压力求得最经济值,(1)、隧道净空：指隧道衬砌的内轮廓线所包围的空间，包括通风、照明、消防、通讯等设备所占空间；(2)、隧道建筑限界：是为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限界；(3)、隧道行车限界：保证隧道中行车安全，在一定高度和宽度范围内任何物体不得 侵入的限界；(4)、墙效应：隧道边墙给驾驶员造成危险的心理影响，行车偏左减少行车道；,(5)、加宽带：大于2公里隧道，设紧急停车带，宽2.5m，长2540米，间隔750米；大于10公里隧道设U型回车道；(6)、净高：高速公路、一级公路5米，二级以下公路4.5米；(7)、建筑限界顶角宽：小于等于1米；(8)、两相邻隧道最小间距问题：由于地质条件的关系，隧道宽度过大则不经济，施工上也增加难度，所以高速公路、一级公路一般应设计为上，下行分离的两座独立隧道。两相邻隧道最小净距视围岩类别，断面尺寸、施工方法、爆破震动影响等因素确定。,从理论上，两相邻隧道应分别置于围岩压力相互影响及施工影响范围之外。因此还需根据经验通过工程类比分析确定。“一般为30m”。两相邻隧道最小间距,公路隧道横断面净空图,公路隧道横断面示意图（尺寸单位：m）,4、隧道接线,4、隧道接线(1)、隧道洞口的连接线平面及纵断面线形应与隧道线形相配合，保证有足够的视距和行驶安全；(2)、隧道两端平面线形与路线线形相一致，必须有一定的连接线长度过渡；(3)、隧道两端的接线纵坡应有一段距离与隧道纵坡保持一致，以满足设置竖曲线和保证各级公路停车或会车视距的要求；(4)、当隧道净宽大于所在公路的路基宽度时，两端接线应有不短于50m的同隧道等宽的加宽段，并设计过渡段加以衔接。,3.3 衬砌内轮廓线及几何尺寸拟定 什么是隧道衬砌？(Lining)它是一种超静定支护结构，是隧道的主体建筑物。,1、衬砌断面设计主要解决内轮廓线、轴线和厚度三个问题。,2、设计内轮廓线的原则衬砌的内轮廓线应尽可能地接近建筑限界，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。3、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。(1)、当衬砌受径向分布的水压时，轴线以圆形最好；(2)、主要承受竖向压力或同时承受不大的水平侧压力时，可采用三心圆拱和直墙式衬砌；(3)、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；(4)、有沉陷可能受底压力时，宜加设仰拱的曲墙式衬砌。,4、隧道衬砌厚度 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2050的变截面。仰拱厚度一般略小于拱顶厚度。,隧道衬砌截面最小厚度（cm）,5、衬砌断面(1)、衬砌断面的形状 直墙式圆弧拱 三心圆拱 单圆拱,(2)、衬砌断面的轮廓线,衬砌内轮廓线：是衬砌的完成线，在内轮廓线之内的空间，即为隧道的净空断面。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。为保证衬砌的厚度，侵犯该线的山体必须全部除掉，木质临时支撑或木模板等也不应侵入，所以该线又称为最小开挖线。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。,超挖线，超挖部分的大小叫超挖量，一般不应超过10cm。实际上凸凹不平，这样10cm的限制线只能是平均线，它是设计时进行工程量计算的依据。施工中，尤其是用钻爆法施工时，很难掌握刚好达到平均线，常常比它还要大，造成了不必要的工程量.如何控制超挖，至今仍为一个难题。按设计要求所有超挖部分，都要用片石回填密实。由于施工上的困难，不容易作到密实。但这是设计及施工中都应着重强调的问题。,6、公路隧道衬砌内轮廓线的求法 主要步骤如下：(1)确定建筑限界；(2)确定弧形；(3)计算验证、调整。以上过程是个反复循环的过程,(1)圆形断面,隧道衬砌的内轮廓线的求法,(2)直墙式衬砌断面,(3)曲墙式衬砌断面,3.4 隧道勘测设计文件的内容 公路隧道勘测设计的成果是设计文件，应按交通部颁发的公路基本建设工程设计文件编制办法和公路隧道勘测规程的要求进行。,提出隧道勘测说明书其内容如下：1沿线隧道概况及自然概况；2工程地质及水文地质情况；3气象、环境和有关政策法令情况；4施工条件(包括施工场地、工程设备、给排水、动力、施工道路、弃渣场、建筑材料来源以及与附近建筑物或环境的关系等)；5隧道方案(2个或2个以上)的比选情况和在设计注意事项；6对运营通风、运营照明和防排水方式的选择建议；7存在问题以及解决办法的建议，有关协议、纪要等；,8.隧道线路方案平面图；比较方案(2条以上)应绘入图内，并附有方案比较说明，采用方案的理由；9隧道线路地质平面图；显示地质构造、岩层产状、不同地质的分界线，水文地质情况、地物、地貌等。10隧道纵断面图；显示隧道全貌，埋置深度，地质和水文地质以及线路条件，图上除注明里程、地面标高外，尚应注明设计坡度；设计标高及线路曲线要素。,11隧道洞口地形平面图显示边坡开挖情况，选定洞口位置，确定明洞长度，布置排水，施工场地及防护工程设施等，一般洞口地形平面图的施测范围为洞口前后及两侧各宽约60m左右，有不良地质现象时，其施测范围应酌情加宽；,施工图设计文件1隧道平面图：显示地质平面、隧道平面位置及路线里程和进出口位置等。设U形回车场、错车道、爬坡车道时，应显示其位置和长度。2隧道纵断面图：显示隧道地质概况、衬砌类型（有加宽或设U形回车场时，应显示加宽值及加宽段长度)、埋深、路面中心设计标高、有高路肩时显示路肩标高、设计坡度、地面标高、里程桩等。,3隧道进口(出口)纵横断面图：显示设置洞门处的地形、地质情况、边仰坡开挖坡度及高度等。4隧道进口(出口)平面图：显示洞门附近的地形、洞顶排水系统(有平导时，与平导的相互关系等)、洞门广场的减光设计等。5隧道进口(出口)洞门图：显示洞门的构造、类型及具体尺寸，采用建筑材料、施工注意事项，工程数量等。有遮光棚等构造物时，应显示其与洞身连结关系及完整的遮光棚构造设计图。6隧道衬砌设计图：显示衬砌类型、构造和具体尺寸、采用的建筑材料；施工注意事项、工程数量等。设回车场、错车道、爬坡车道时应单独设计。,7辅助坑道结构设计图。8运营通风系统的结构设计图。9运营照明系统的结构设计图。10监控与管理系统结构设计图。11附属建筑物的结构设计图。,思考题1不良地质段隧道选址主要应考虑哪些问题？2隧道平面设计应注意哪些问题？3隧道纵断面设计应注意哪些问题？4什么是隧道建筑限界？5什么情况下需设置仰拱？6隧道接线的平面及纵断面线形有何要求？7什么是衬砌内轮廓线，外轮廓线，实际开挖线？8.如何确定圆形、直墙式和曲墙式内轮廓线尺寸？9圆形衬砌、直墙式衬砌、曲墙式衬砌各适用于何种围岩类型？10.公路隧道设计文件主要包括哪些内容？,