學習情境四-隧道結構構造

1、學習情境四隧道結構構造,隧道工程,學習情境四 隧道結構構造,§4.1 洞身襯砌§4.2 洞門§4.3 明洞§4.4 豎井、斜井§4.5 內(nèi)裝、頂棚及路面§4.6 隧道的防水與排水,隧道結構構造,,主體構造物,附屬構造物,,洞身襯砌,洞門構造物,,洞身襯砌洞身襯砌的平、縱、橫斷面的形狀由道路隧道的幾何設計確定,襯砌斷面的軸線形狀和厚度由襯砌計算決定,明洞,,,,通風,

2、照明,排水、消防、通訊等,4.1 洞身襯砌一、襯砌結構的類型：1、防護襯砌（飾面襯砌） 防護襯砌的作用是防止坑道圍巖的風化。適用于I級圍巖，在圍巖極不容易風化及無局部掉塊的情況下，亦可不加防護，一般在圍巖表面噴射不大于5cm的砼層。,2、直墻式襯砌※ 適用場合：直墻式襯砌型式通常用于巖石地層垂直圍巖壓力為主要計算荷載、水平圍巖壓力很小的情況。一殷適用于I，II級圍巖，有時也可用于IV級圍巖 ※ 拱部形狀： ①坦三

3、心圓拱(r1> r2) ②或尖三心圓拱 (r2< r1) ③割圓拱（r1＝r2＝r）,直墻式襯砌,連拱邊墻或柱式邊墻,※ 圍巖完整性比較好的I、II級圍巖，邊墻可以采用連拱或柱，稱為連拱邊墻或柱式邊墻※ 大拱腳薄邊墻襯砌：適用于I、II級圍巖，邊墻可用噴射砼做成，亦可用砼整體澆灌。此類襯砌可使拱腳穩(wěn)固的直接支承在兩側圍巖上，以改善拱圈的受力條件，減少邊墻的開挖及襯砌圬工數(shù)量，降低造價。,大拱腳薄邊墻

4、襯砌,曲墻式襯砌,3、曲墻式襯砌 ※ 適用范圍：適用于IV級以上圍巖，水平壓力大或除了垂直壓力外，還有底鼓壓力的情況。①地質(zhì)條件較差，為抵御底鼓壓力，配以仰拱使襯砌形成環(huán)狀封閉結構；②基礎地基較好，可采用無仰拱的曲墻式襯砌。4、噴混凝土襯砌、噴錨襯砌及復合式襯砌,噴錨襯砌與復合襯砌,①要求用光面爆破開挖，使洞室周邊平順光滑，成型準確，減少超欠挖。適當?shù)臅r間噴混凝土，即為噴混凝土襯砌；②根據(jù)實際情況，需要安裝錨桿的則先裝設錨桿，再噴

5、混凝土，即為噴錨襯砌；③如果以噴混凝土，錨桿或鋼拱支架的一種或幾種組合作為初次支護對圍巖進行加固，維護圍巖穩(wěn)定防止有害松動。待初次支護的變形基本穩(wěn)定后，進行現(xiàn)澆混凝土二次襯砌，即為復合式襯砌。,偏壓襯砌示意圖,5、偏壓襯砌 ※ 適用情況：當山體地面坡陡于1:2.5，線路外側山體覆蓋較薄，或由于地質(zhì)構造造成的偏壓，襯砌為承受這種不對稱圍巖壓力而采用。,6、喇叭口隧道襯砌 在山區(qū)雙線隧道，有時為繞過困難地形或避開復雜地質(zhì)地段，減少

6、工程量，可將一條雙幅公路隧道分建為二個單線隧道或二條單線并建為一條雙幅的情況，（或車站隧道中的渡線部分），襯砌產(chǎn)生了一個過渡區(qū)段，這部分隧道襯砌的斷面及線間距均有變化，相應成了一個喇叭型，稱為喇叭口隧道襯砌。,嗽叭口隧道襯砌示意圖,二、支護結構,支護結構,,初期支護(一次支護),永久支護(二次支護，二次襯砌),,一次支護是為了保證施工的安全、加固巖體和阻止圍巖的變形,,二次支護是為了保證隧道使用的凈空和結構的安全而設置的永久性襯砌結構,

7、,整體式襯砌,復合式襯砌,拼裝式襯砌,錨噴式襯砌,1、整體式襯砌※ 該種襯砌類型是傳統(tǒng)的襯砌結構形式。不考慮圍巖的承載作用，主要是通過圍巖的結構剛度來抵御地層的變形，承受圍巖的壓力?！?采用就地整體模注現(xiàn)澆砼，適用較廣，截面可以是等截面或是變截面。,※ IV級以上圍巖，地基松軟，往往側壓力較大，故宜采用曲墻帶仰拱的襯砌。,設置仰拱,,,使結構及時封閉，提高整體承載力和側墻抵抗側壓力的能力,抵御結構下沉變形，調(diào)整圍巖和襯砌的應

8、力狀態(tài),作用,※ 嚴寒地區(qū)隧道，不管圍巖等級如何，只要有地下水存在，襯砌型式仍應采用曲墻式襯砌，并在施工中根據(jù)情況設置伸縮縫※ 為了避免圍巖和襯砌的應力集中，造成圍巖壓力增加和襯砌的局部破壞，應注意襯砌內(nèi)外輪廓的圓順，避免急劇彎曲和棱角。,2、復合式襯砌 復合式襯砌是由初期支護和二次支護組成的，是目前隧道工程常采用的襯砌形式。初期支護：是限制圍巖在施工期間的變形，達到圍巖的暫時穩(wěn)定，初期支護應按主要承載結構設計；二次

9、支護：是提供結構的安全儲備或承受后期圍巖壓力，二次支護在Ⅲ級及以上圍巖時按安全儲備設計；在Ⅳ級及以下圍巖時按承載(后期圍壓)結構設計，并均應滿足構造要求。 ※ 設計方法：目前以工程類比為主，理論驗算為輔。結合施工，通過測量、監(jiān)控取得數(shù)據(jù)，不斷修改和完善設計； ※ Ⅳ級及以下圍巖或可能出現(xiàn)偏壓時，應設置仰拱。,※ 仰拱的重要性 ① 解決基礎承載力不夠，減少下沉：防止底鼓的隆起變形，調(diào)整襯砌應力的作用； ② 封閉圍巖，制止圍巖

10、過大的松弛變形，將圍巖塑性變形和形變壓力控制在允許范圍，提高結構的整體承載力； ③ 增加底部和墻部的支護抵抗力，防止內(nèi)擠而產(chǎn)生剪切破壞?！?兩層襯砌之間宜采用緩沖、隔離的防水夾層，即隔離層。 ① 當初支產(chǎn)生形變及形變壓力時，隔離層允許其有少量的變形，可降低形變壓力； ② 當初支支護力不夠時，可將少量形變壓力均勻的傳布到二襯上，依靠二襯制止其繼續(xù)變形，且不使初襯出現(xiàn)裂縫時，二襯也出現(xiàn)裂縫。,③ 具有防水效果，且可減少二次襯砌混凝土

11、的收縮裂縫。 ※ 預留初期支護變形量：在確定開挖尺寸時，應預留必要的初期支護變形量以保證初期支護穩(wěn)定后，二次襯砌的必要厚度3、噴錨襯砌 ※ 錨噴支護作為隧道的永久性襯砌，一般考慮是在Ⅲ級及以上圍巖中采用；在Ⅳ級及以下圍巖中，采用錨噴支護經(jīng)驗不足，可靠性差； ※ 在層狀圍巖中，采用噴錨支護效果較好； ※ 噴錨支護作為柔性支護，變形量較大，其外輪廓線宜預留稍大的空間（20cm）； ※ 為了使開挖時外輪廓線圓順，盡可能

12、減少圍巖中的應力集中錨噴襯砌的內(nèi)輪廓線，宜采用曲墻式的斷面形式；,※ 錨噴襯砌內(nèi)表面不太平整順直，美觀性差，影響司機在行車中視覺感觀，應根據(jù)需要考慮內(nèi)裝。 ※ 不宜采用錨噴支護作為永久襯砌的情況 ① 在某些不良地質(zhì)、大面積涌水地段和特殊地段不宜采用錨噴襯砌作為永久襯砌； ② 對襯砌有特殊要求的隧道或地段，如洞口地段，要求襯砌內(nèi)輪廓很整齊、平整； ③ 有很高的防水要求的隧道； ④ 寒冷和嚴寒地區(qū)有凍害的地方(錨噴襯砌抗凍脹

13、能力較差) ⑤ 圍巖及覆蓋太薄，且其上已有建筑物，不能沉落或拆除者 ⑥ 地下水有侵蝕性，可能造成噴射混凝土和錨桿材料的腐蝕,4.2 洞門1、概述 洞門是隧道兩端的外露部分，也是聯(lián)系洞內(nèi)襯砌與洞口外路塹的支護結構 ※ 洞門的主要作用 ① 保證洞口邊坡的安全和仰坡的穩(wěn)定； ② 匯集在洞口附近的仰、邊坡上的地表水，并引離隧道，減少洞口土石方開挖量； ③ 作為隧道的標志性建筑物，應與隧道的規(guī)模、使用特性以及周圍建筑物、

14、地形條件等要相協(xié)調(diào) 。,2、洞門的型式及適用條件(1) 端墻式洞門 適用于巖質(zhì)穩(wěn)定的Ⅲ級以上圍巖和地形開闊的地區(qū)，是最常使用的洞門型式 (2) 翼墻式洞門 適用于地質(zhì)較差的Ⅳ級以下圍巖，以及需要開挖路塹的地方。翼墻式洞門由端墻及翼墻組成。翼墻是為了增加端墻的穩(wěn)定性，同時對路塹邊坡也起支撐作用。其頂面一般均設置水溝，將端墻背面排水溝匯集的地表水排至路塹邊溝內(nèi)。,端墻式洞門,翼墻式洞門,(3) 環(huán)框式洞門 當

15、洞口巖層堅硬、整體性好、節(jié)理不發(fā)育，路塹開挖后仰坡極為穩(wěn)定，并且沒有較大的排水要求時采用,環(huán)框式洞門,※ 當洞口為松軟的堆積層時，通常應避免大刷仰、邊坡，一般宜采用接長明洞 ※ 環(huán)框上方及兩側仍應設置排水溝渠，以排除地表水，防止漫流(4) 遮光棚式洞門 當洞外需要設置遮光棚時采用，遮光構造物有開放式和封閉式之分，前者遮光板之間是透空的，后者則用透光材料將前者透空部分封閉,3、隧道洞門構造 ⑴ 洞門仰坡坡腳至洞門墻背后的水

16、平距離不小于1.5m，水溝溝底與襯砌拱頂外緣的高度不應小于1.0 m，洞門墻頂應高出仰坡腳0.5m以上。 ⑵ 洞門墻基基底埋入土質(zhì)地基的深度不應小于1.0m，嵌入巖石地基的深度不應小于0.5m ，墻基底埋設的深度應大于墻邊各種溝、槽基礎底埋設的深度； ⑶ 松軟地基上的基礎，當?shù)鼗鶑姸炔蛔銜r，可采用擴大，加固基礎等措施。,4.3 明洞 當隧道埋深較淺，上覆巖(土)體較薄，難采用暗挖法時，則應采用明挖法來開挖隧道。用這種明

17、挖法修筑的隧道結構，通常稱明洞。 ※ 明洞具有地面、地下建筑物的雙重特點：①作為地面建筑物用以抵御邊坡、仰坡的坍方、落石、滑坡、泥石流等病害；②作為地下建筑物用于深路塹、淺埋地段不適宜暗挖隧道時而取代隧道的作用；③用于在與公路、灌溉渠立交處，以減少建筑物之間的干擾。 ※ 明洞的結構形式應根據(jù)地形、地質(zhì)、經(jīng)濟、運營安全及施工難易等條件進行選擇，采用最多的是拱形明洞和棚式明洞,1、 拱形明洞 隧道進出口兩端的接長明

18、洞或在路塹邊坡不穩(wěn)定地段修建的獨立明洞等，多采用拱形明洞的形式 ，拱形明洞整體性好，能承受較大的垂直壓力和側壓力 ※ 路塹對稱型 適用于洞頂?shù)孛嫫骄?，路塹兩側地質(zhì)條件基本相同，原山坡有少量坍塌、落石以及隧道洞口巖層破碎，洞頂覆蓋較薄，難以暗挖法修建隧道的地段,路塹對稱型明洞,路塹偏壓型明洞,※ 路塹偏壓型 適用于兩側山坡高差較大的路塹，高側邊坡有坍塌，落石或泥石流；低側邊坡明洞墻頂以下部分為挖方，且能滿足外側邊墻

19、嵌入基巖要求的地段 ※ 半路塹偏壓型 適用于半路塹靠山側邊坡較高，有坍塌、落石或泥石流等不良地質(zhì)現(xiàn)象，而外側地面較為寬敞和穩(wěn)定，上部填土坡面線能與地面相交以平衡山側壓力的地段,半路塹偏壓型明洞,半路塹單壓型明洞,※ 半路塹單壓型 適用于靠山側邊坡或原山坡有坍塌、落石等情況，外側地形陡峻無法填土地段 ※ 拱形明洞的邊墻，一般采用直墻。當半路塹型單壓明洞外墻尺寸較厚(可達3—5m)為節(jié)省圬工量，通常在漿砌片石的外墻

20、上每隔3—4m開設孔洞一個 ※ 采用偏壓拱型明洞時，要特別注意處理好外墻基礎，以防止因外墻下沉而引起拱圈開裂。故外墻必須設置于穩(wěn)固地基上，如有困難，則可用樁基(或加深基礎)及加固地基等方法進行處理,2、棚式明洞 當山坡坍方，落石數(shù)量較少，山體側壓力不大，或因受地質(zhì)、地形條件的限制，難以修建拱形明洞時，可采用棚式明洞 棚式明洞的類型主要取決于外側邊墻的結構形式。通常有墻式、剛架式，柱式和懸臂式(不修建外墻時)等※

21、墻式棚洞(墻式棚式明洞) 適用于邊坡存在坍塌、落石的地段，橫向斷面類似橋跨結構，內(nèi)墻除起擋墻作用外，還承受頂板下傳垂直荷載；外墻只承受頂板下傳垂直荷載 ※ 剛架式柵洞 適用于邊坡小量落石，或在連接兩座隧道間需建明洞時，為改善隧道通風條件下而被采用 ，外墻結構為連續(xù)框架；因此對地基承載力要求較高。,※ 柱式棚洞 適用于少量落石，地基承載力高，或基巖埋藏淺的地段。外墻采用獨立柱和縱梁方式，結構簡單，預制吊裝

22、方便，但整體穩(wěn)定性較差 ※ 懸臂式棚洞 當山坡較陡，坡面有少量落石，且外側地基不良或不宜設基礎時，可采用懸臂式棚洞,柱式棚洞,懸臂式棚洞,3、明洞基礎 ※ 明洞墻基應有一定的嵌入深度，并應設在凍結線以下25cm，保證一定的護基寬度；※ 當兩側邊墻地基軟硬不均時，應采取措施加以處理，以免引起過大的沉降和不均勻沉陷，使明洞結構產(chǎn)生裂縫或破壞 ① 基巖不深時可加深基礎，設置于基巖上； ② 采用鋼筋混凝土或混凝土仰拱；

23、 ③ 采用鋼筋混凝土底板，修筑整體式基礎； ④ 亦可采用樁基或加固地層等措施。,4、明洞填土 明洞頂設計填土厚度，應根據(jù)山坡病害的情況，預計明洞頂可能出現(xiàn)的坍塌量及將來明洞所要起的作用來確定 ※ 厚度：鐵路新規(guī)范確定為l.50m。公路隧道跨度一般比鐵路單線隧道跨度大，公路系統(tǒng)設計施工經(jīng)驗少，養(yǎng)護力量弱，故規(guī)定不小于2. 0m； 明洞頂填土橫坡以能順暢排除坡面水為原則，不小于2%※ 明洞拱背和墻背的

24、回填，應符合以下要求：⑴ 拱腳用貧砼或漿砌片石回填；⑵ 邊墻背后超挖部分，宜用片石砼或水泥砂漿砌片石密實回填；⑶ 背回填料的內(nèi)摩擦角應不低于圍巖的計算摩擦角或設計回填料的計算摩擦角，否則：,① 導致實際墻背的側壓力較計算的要大，影響結構安全；② 較好的圍巖與襯砌之間有低摩擦角的回填“軟弱夾層”，會增加土壓力和減小彈性抗力，技術、經(jīng)濟效益方面都是不適宜的 4.4 豎井、斜井1、豎井,豎井斷面規(guī)劃示例示意圖（尺寸單位：mm）,※

25、 位置選擇： 必須考慮地形、地質(zhì)，與主坑道的銜接，完工后的處理等條件來決定。特別是設在山谷部分的豎井多數(shù)延長短，要研究防止井口附近地表水和泥沙的流入措施,2、斜井※ 位置選擇：,斜井實際使用的斷面示意圖,① 洞口設置在地形簡單，地質(zhì)良好，涌水量不大，能保證洞外碴罐、卷揚機安裝等洞外設備布置的用地需要；② 與主坑道連接要合適，長度盡可能短，能提供適合運輸方式的坡度;,③ 在規(guī)劃坡度和斷面時，重要的是要注意不給主坑道的作

26、業(yè)造成障礙和制約 。,4.5 內(nèi)裝、頂棚及路面 1、內(nèi)裝 為了確保行車安全，在道路隧道中必須采取措施，使墻面亮度在長期的運營中保持在必要的水平以上，墻面須用適當?shù)牟牧霞右詢?nèi)裝處理，其作用如下： ① 改善隧道內(nèi)環(huán)境，起誘導作用； ② 提高墻面的反射率，增強照明效果； ③ 吸收噪音（通風機＆汽車行駛發(fā)出的噪音等）。(1)、常用的內(nèi)裝材料 ① 塊狀混凝土材料； ② 飾面板、鑲板等質(zhì)地致密材料；,③ 瓷磚鑲面材

27、料； ④ 油漆材料。(2)、內(nèi)裝材料應具有如下性質(zhì) ① 耐火性，在高溫條件下仍能維持原狀，不燃燒、不分解有害成分等；②耐蝕性，長期在油垢及有害氣體作用下不變質(zhì)，在洗滌劑等化學物質(zhì)作用下不被侵蝕；③不怕水，大多數(shù)隧道都存在漏水問題，在水的浸泡下，在潮濕環(huán)境中不變質(zhì)、不霉爛； ④ 材料來源廣泛，價格相對便宜，隧道是大型構造物，用材量很大，價格高昂的材料不適于作隧道內(nèi)裝,⑤ 能吸收噪音；⑥ 顏色淡，易清潔；⑦具有阻燃性。2

28、、頂棚※ 色彩的選擇：頂棚用漫反射材料可以避免產(chǎn)生眩光，其顏色的明亮程度直接影響到路面亮度(淺色的，避免弦光) ※ 美化隧道，并且起視覺誘導作用※ 頂棚可做成平頂或者拱頂：①在自然通風或誘導通風時，可以用拱頂；②在半橫向或橫向通風時可以用平頂?！?頂棚以上可以作為通風道和供管理人員使用的通道，因此設計荷載可按(據(jù)國外資料)10MPa考慮,3、路面⑴ 路面材料主要有兩種：砼和改性瀝青；⑵ 路面材料應具備如下性能： ① 路面

29、材料應具有抵御水沖刷和含有化學物質(zhì)的水的浸蝕能力 ; ② 車輛在隧道內(nèi)的減速及制動次數(shù)較高，路面材料應具有較高的抗側滑的能力； ③ 抗裂性、耐久性； ④ 容易修補。⑶ 路面與車道分隔線等交通標志之間應保證有明顯的亮度對比和鮮明的顏色對比 ⑷路基應具有足夠的承載力，尤其要求在有豐富地下水的條件下也能滿足要求，這就要求有良好的排水設施,4、噪聲的消減 ※ 隧道內(nèi)噪聲水平應保持在60分貝以下；※ 采取的措施： ① 內(nèi)裝材

30、料的制作； ② 墻面材料的制作； ③ 路面材料的制作；※ 利用原理： 主要利用聲波的反射原理,4.6 隧道的防水與排水 水對隧道的危害：※ 降低圍巖穩(wěn)定性：C、φ值，引起支護困難，費用增加；※ 地下、地上水位下降及水環(huán)境的改變，影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生活用水；或被迫停工，影響工程進展等；※ 水進入隧道后，造成洞內(nèi)通風、照明、供電等設備銹蝕，使路面積水或結冰，造成打滑，危及行車安全 隧道綜合治水原則：,隧道

31、,,洞內(nèi),洞外,,原則,防(隔)、排、截、堵,1、截水 就是在隧道以外將地表水和地下水疏導截流，使不進入隧道工程范圍內(nèi)。措施：上游泄水洞、井點降水、開溝疏導等,截水措施,2、堵水措施 以襯砌混凝土為基本防水層，以其它防水材料為輔助防水層，阻隔地下水，使之不能進人隧道內(nèi)的防水措施，必要時還可以采用注漿堵水措施。堵水措施可以較好地保護地下水環(huán)境。※ 基本措施： ① 噴射混凝土堵水，采用防水材料； ② 塑料

32、板堵水：在初支后、二次支護前鋪設； ③ 模筑混凝土襯砌堵水：模筑混凝土本身就具有一定的抗?jié)B阻水性能，對于施工縫，沉降縫，伸縮縫處，可采用止水帶； ④ 注漿堵水：超前注漿、事后注漿?！?注漿方式：,①前進式； ②后退式； ③一次全孔注漿方式注漿液：①水泥漿； ②水泥-水玻璃； ③丙烯酰胺類漿液3、排水措施 人為設置排水系統(tǒng)，將地下水排出隧道 ※ 基本措施： ⑴ 設置盲溝：作用是在襯砌與圍巖

33、之間提供過水通道，并使之匯入泄水孔，主要是用來引導較為集中的局部滲流水。主要有：①彈簧軟管盲溝；②化學纖維滲濾布盲溝。 ⑵ 排水溝：根據(jù)線路坡度、路面形式、水量大小等因素確定的。洞內(nèi)排水溝可設置成單側、雙側、中心式三種形式 。,彈簧軟管盲溝引排局部滲水,滲濾布盲溝匯集引排大面積滲透,排水盲溝、泄水管、渡槽、路側排水溝,中心排水溝、防凍水溝,⑶ 泄水孔： 泄水孔是設于襯砌邊墻下部的出水孔道，它將盲溝流來的水直接泄入隧道內(nèi)