1、中南大学隧道与地下工程系中南大学隧道与地下工程系隧 道 工 程第 2 章 隧道主体建筑结构（一）（一）1交通隧道结构由主体建筑和附属建筑组成第 2 章 隧道主体建筑结构主体建筑：为保持隧道的稳定，保证行车安全 运行修建的 包括：洞身衬砌+洞门结构附属建筑：保证车辆安全运行和正常使用的 附加设施 （第3章介绍）23第 2 章 隧道主体建筑结构4隧道净空与限界的概念隧道建筑限界的确定曲线隧道净空加宽51. 隧道净空的概念 指衬砌内轮廓线所包括的空间。2. 隧道净空(内轮廓)应满足的要求 保证车辆行使安全满足隧道建筑限界的要求。 使结构受力的合理状态，即要结合衬砌结构的受力 特点，内轮廓应该是圆顺的
2、。 经济合理：即不致过分超挖，节省劳动力及费用。 从以上几点可以看出，隧道建筑限界对于决定隧道净空，起着关键作用。6 隧道建筑限界是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。 总的来说，隧道建筑限界是指衬砌内缘不能侵入的轮廓线。7 (1)机车车辆及相应设备(脱轨器、接触电线等)的限界 (2)货物装载限界： 超限货物装载限界高度尺寸 5.3000m 货物上跳振幅 0.0465m 高度=5.50m 安全量 0.1505m 超限货物装载限界半宽尺寸 2.2250m 横向振幅 0.1705m 半宽=2.44m 安全量 0.0445m (3)附属建筑
3、限界（如无人行道、排水管、电缆槽等）。8机车车辆限界机车车辆限界：满足我国各种型号 的铁路机车所需的最大断面铁路建筑接近限界：全国铁路线上所有 建筑物都不允许侵入的净空范围隧道净空铁路建筑接近限界隧道建筑限界9 以下两图是我国现行常规铁路“隧道建筑限界”的国家标准GB146.283，它按牵引类型及线路数目分类为： 蒸汽、内燃隧限1甲：单线6.00m(高)4.88m(宽) 乙：双线6.00m(高)8.88m(宽) 电力 隧限2甲：双线6.55m(高)4.88m(宽) 乙：双线6.55m(高)8.88m(宽)10隧限1：蒸汽及内燃牵引的单线、双线铁路隧道限界图11隧限2：电力牵引的单线、双线隧道限
4、界图12200km/h客货共线电力牵引铁路建筑限界（单位：mm）200km/h及以上客运专线铁路建筑接近限界（单位：mm）1314 行车道宽度（W） 侧向宽度（L） 人行道（R）或检修道（J） 当设置人行道时，含余宽（C） 车道数15161718 (1)车辆通过曲线，转向架中心点沿线路运行，车辆由于不能弯曲而保持矩形形状。 两 端 向 曲 线 外 侧 偏移 ，中间向曲线内侧偏移 。d外d内119 (2)曲线外轨超高，车辆向曲线内侧倾斜，车辆限界控制点在水平方向向内移动一个距离d内2 曲线隧道净空的加宽值： 内侧加宽： 外侧加宽： 总加宽：1Wdd内1内22Wd外1212WWWddd内内外202
5、1=8ldR内车辆转向架中心距离，18mlR曲线半径14050=dR内=150HEd内2H隧道限界控制点自轨面起的高度,cmE外轨超高值,cm22=8LldR外L车辆长度，26m2226184400=1008dRR外21128450=+=2.7 (cm)ddddER总内内外20.76 (cm)vER 式中：v铁路远期行车速度，km/h R曲线半径，m22偏直线隧道中心线dd内隧道中心线加宽后加宽后d外内轮廓线直线隧道隧道内轮廓线 断面加宽后，隧道中线向曲线内侧偏移了一个距离 ，单线隧道偏移值为： d偏2外内偏ddd23 及 计算与单线加宽值相同，另外，内外侧线中线间需加宽当外侧线路外轨超高大于
6、内侧线路外轨超高时d内d外)(21508450cmEHRd中H 车辆外侧顶角距内轨顶面的高度，取360cmE 外侧线路的外轨超高值，cm )(2 . 18450cmERd中加宽值24内轨顶面245+d内曲墙衬砌内轮廓直墙衬砌内轮廓内侧线路中线外侧线路中线245+d890+d400+d偏内d偏外d中外隧道中线2200中外内偏内dddd2200中外内偏外dddd双线铁路中线偏移25 按计算值W予以加宽。 (1)自圆曲线终点至缓和曲线中点，并向直线方向方向延长13m，采用圆曲线加宽断面。 (2)其余缓和曲线段，并自缓和曲线起点向直线段延长22m，采用加宽值的一半。 (3)不同加宽值衬砌断面的衔接，可
7、以采用错台或在1米范围内逐渐过渡的形式进行。26d圆曲线地段隧道中线偏移距离；R圆曲线半径。缓和曲线中点加宽断面缓和曲线起点直线断面缓和曲线中点缓和曲线终点隧道中线线路中线R圆曲线加宽断面22m13mdd/227类别半径(m) 加宽值(m)汽车轴距加前悬(m)2502002001501501001007070505030302525202015150.40.60.81.01.21.41.82.22.5280.60.70.91.21.52.035.3+8.80.81.01.52.02.52.1 隧道限界与净空28第 2 章 隧道主体建筑结构2.1 隧道限界与净空2.2 隧道衬砌断面设计2.3 隧
8、道洞身支护结构2.4 隧道洞门结构2.5 隧道明洞结构29本节主要内容：隧道衬砌断面设计内容和步骤铁路隧道衬砌断面设计公路隧道衬砌断面设计隧道衬砌断面厚度30 隧道衬砌为超静定结构，不能通过计算直接得到断面形状和截面尺寸，需依据经验和相关规范推荐方案初步拟定，再通过强度检算进行调整。初步拟定衬砌形状和尺寸需考虑的因素：（1）衬砌内轮廓线（2）结构轴线（3）衬砌厚度31（1）隧道内轮廓必须符合隧道建筑净空限界 （基本要求）（2）内轮廓线应尽量减小洞室的体积 （经济）（3）结构轴线应尽可能地符合压力线 （受力合理）（4）采用的施工方法能确保断面形状及尺寸有利于隧道的稳定 （围岩稳定）32（1）根据
9、隧道类型确定相应建筑限界（2）根据围岩初步拟定截面形状和厚度（3）断面优化、强度检算并评价内轮廓线（单位：cm）（单位：cm）hbfaa213o道碴面 内轨顶面ooorrrrbc boh:轨顶面至拱顶高度f:拱顶至拱脚矢高b:衬砌拱部净宽之半a:内径r2的圆心o2至o1 的水平和垂直距离 r1:拱圈第一个内径r2:第二个内径1:第一段圆曲线的终 点截面与竖直面的夹角2:拱脚截面与竖直面 的夹角33frar221cosbar22sin211sinrar上式含b、f、1、a、r1、r2、2共7个参数先给定b、f、1及a值后，再解出r1、r2及2。曲线地段需要加宽时，保持r2及2不变，1仍取45，b
10、值根据加宽要求也是已知，故未知参数f、a、r1仍可求解。（单位：cm）（单位：cm）hbfaa213o道碴面 内轨顶面ooorrrrbc bo（1）拱圈部分343DH1CO曲 墙衬砌r3计算图 )cossin(23131113bHbHr2390（2）曲墙部分35小结(1)衬砌内轮廓线(标准化)(2)衬砌外轮廓线(可变化)(3)衬砌截面厚度(可变化) (4)内轮廓线与厚度影响结构轴线(5)外轮廓线决定是否变截面衬砌，亦影响结构轴线36(1)铁路隧道建筑限界是固定统一的，而公路隧道的建筑限 界则不定(2)公路隧道的附属设施比铁路隧道多且要求高，且每一 座隧道均会因交通流量和长度不同而要求不同(3)
11、断面设计的优化就具有必要性(4)规范推荐断面形式（标准化趋势）3738目前公路隧道以单心圆、坦三心圆两种断面应用最为普遍。39计（1）单心圆衬砌内轮廓线40（2）内轮廓线几何关系2221)25(SBARd2222)275(SBARd)()400(2223jSBARd)J)()(1224ESBAHRd)REJ)()(2226jESBAHRd5d)LEJ1227)400(SBARd6d1()SBJ1228)25(SBARdHARh17d 012dSCWSB022djSCWSB0RLCJd0LLCJd4160(, )TXd dA2216(400)()RASBd)(2)(21SSXS2121RS)(2
12、1222ARAS3000 A6000 d其它参数见限界要求 迭代求解 面积最小为最优66()d (3)独立变量：(4)约束条件：42（1）坦三心圆内轮廓线 43211121RS222221RSaAAS)(21!24271211)()400(dSBAR30001 A40021 AA6000 d)(21222223ARASTAAddX),(2107 （2）独立变量)(2)(4321SSSSXS（3）基本几何方程（4）约束条件 其余参数约束条件见限界要求参数求解 需假定A1及A2，其余同单心圆优化。44(1)单线铁路隧道拱顶厚度一般为3060(2)双线铁路隧道衬砌拱顶厚度为4080(3)仰拱厚度一般
13、稍小于拱顶的厚度(4)衬砌可以等厚，也可将拱脚和边墙较拱顶加厚20%50%衬砌截面最小厚度()建筑材料种类建筑材料种类隧道和明洞衬砌隧道和明洞衬砌洞门端墙、翼墙洞门端墙、翼墙和洞口挡土墙和洞口挡土墙拱拱 圈圈边边 墙墙仰仰 拱拱混混 凝凝 土土2020202020203030片石混凝土片石混凝土50505050浆砌粗料石或混凝土块浆砌粗料石或混凝土块303030303030浆砌块石浆砌块石30303030浆砌片石浆砌片石5050505045问题（思考题）：1 1、确定隧道建筑限界需要考虑哪些因素？、确定隧道建筑限界需要考虑哪些因素？2 2、比较铁路隧道与公路隧道衬砌断面，影响断面形状、比较铁路
14、隧道与公路隧道衬砌断面，影响断面形状 有哪些因素？有哪些因素？3 3、如何运用数学优化知识使断面满足各方面要求？、如何运用数学优化知识使断面满足各方面要求？46第 2 章 隧道主体建筑结构2.1 隧道限界与净空2.2 隧道衬砌断面设计2.3 隧道洞身支护结构2.4 隧道洞门结构2.5 隧道明洞结构47本节主要内容：洞身支护结构主要类型整体式衬砌结构装配式衬砌结构喷锚支护结构复合式衬砌结构连拱隧道与小间距隧道衬砌洞身支护结构要求48 隧道洞室开挖，围岩被扰动，为保持围岩的稳定，确保施工与运营安全，隧道必须施作支护结构，即隧道衬砌。支护结构的型式分为： 从外部支撑坑道围岩的支护方式，如：(1)整体
15、式混凝土衬砌 (2)拼装式衬砌 (3)喷射混凝土支护49 对围岩进行加固以提高其稳定性，如：(1)锚杆支护 (2)喷射混凝土支护(3)注浆加固 将内部和外部支护混合一起的衬砌，如：(1)喷锚支护 (2)复合式衬砌50指就地灌注的混凝土衬砌，也称模筑混凝土衬砌。立模灌筑养生拆模(1)对地质条件和施工条件的适应性较强(2)易于按需要成型 (3)整体性好 (4)抗渗性强(1)需要养护时间 (2)受力较慢51模筑混凝土衬砌52轨顶面直墙式衬砌拱圈直边墙铺底适用条件：(1)地质条件较好的、 级围岩(2)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53直墙式衬砌半衬砌半衬砌(1)地质条件极好，
16、整体岩层坚固(2)几乎无水平侧压力，也无地下 水侵入适用条件：注：可不设边墙，但应把两侧岩 壁表面喷浆敷面54 内轨顶面曲墙式衬砌拱圈曲边墙仰拱适用条件：(1)地质较差，岩体松散 破碎，强度不高(2)侧向水平压力较大(3)有地下水仰拱的概念与作用：55 因隧道施工工业化和机械化发展而出现的，这种衬砌先是在工厂(或现场)预制成若干构件，然后运入隧道内，用机械将这些构件拼装成一环接一环的衬砌。目前多在使用盾构法施工的城市地下铁道中应用。 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565758 接缝多，整体性差 抗渗性差，防水困难 需要
17、足够的拼装空间 制备构件尺寸上要求精度高 随着隧道工程技术的发展，在克服以上缺点后，拼装式衬砌将是一个很有前途的衬砌形式。例如，已通车的广深港客运专线狮子洋隧道，就是采用的这种衬砌结构。59 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。u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；u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u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60 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+锚杆
18、+钢筋网联合支护 以上类型加设型钢支撑或格栅拱架而成的联合支护 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61锚杆结构图示626364 复合式衬砌是将衬砌分为多层施作，目前大多采用内外两层衬砌。 即：外衬+防水层+内衬内衬（二次衬砌）外衬（初期支护）模注混凝土衬砌喷射混凝土支护模注混凝土衬砌喷射混凝土+锚杆支护模注混凝土衬砌格栅钢构拱架+喷锚支护65662.复合式衬砌结构图67 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 （1）初期支护受力状态（2）二次衬砌受力状态 地质情况较好时，初期
19、支护与围岩承载比例大，二次衬砌用来提高安全度； 在围岩比较软弱地段，则内、外衬砌是共同承载； 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。68缺点优点(1) 改善受力条件，相对单层同厚度模筑衬砌，承载能力提高2030(2) 防止外层衬砌风化，使喷层内钢筋网和锚杆端部 免于锈蚀(3) 表面光洁平整，利于通风(4) 防水效果好造价较高，施工较复杂69 连拱隧道，就是将两隧道之间的岩体用混凝土取代，或者说是将两隧道相邻的边墙连接成一个整体，形成双洞拱墙相连的一种结构形式。中间的连接部分通常称为中墙。 在公路路线上下行分离困难或洞外地形条件复杂、土地紧张、拆迁数量大、桥隧相连等情
20、况下，可采用连拱隧道衬砌结构。在山区铁路中，许多中小车站的(三线或四线)股道不得不延伸至隧道内时，也多采用连拱隧道的结构型式。7071 (1)适用于地形复杂，线路布设极为困难的情况； (2)洞口接线难度小，尤其应用于城市中时，可大大减少 拆迁，降低工程费用。 (3)较深挖高边坡稳定，由此可减少营运中的安全隐患。 (4)便于公路桥隧和铁路站隧相连。 (5)可保持路线线形流畅，且断面造型美观。 (1)增加了中墙结构，使造价相对独立双洞高。 (2)开挖时分块多，工程进度较慢。 一般只适用于长度不超过500m的短隧道。72连拱隧道实例73连拱隧道实例74连拱隧道实例75 由于连拱隧道的工程造价、施工难
21、度、施工周期均比双线双洞隧道大得多，为此，在工程实践中衍生出一种新的结构形式小间距隧道。 小间距隧道就是将联接两隧道之间的中隔墙用中夹的岩柱来代替，中夹岩柱宽度介于连拱隧道和双线隧道之间,一般小于1.5倍隧道开挖断面的宽度（15m）；中夹岩柱需采取相应的加固支护措施。767778 (1)必须与周围岩体大面积地牢固接触，即保证支护 围岩作为一个统一的支护体系而共同工作。(2)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。 79 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。 隧道各个部分的材料强度要求见教材的表2-4、表2-5。 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。80本讲重点（思考题）：1. 1.隧道建筑限界的确定依据和横断面设计方法。隧道建筑限界的确定依据和横断面设计方法。2.2.铁路铁路曲线隧道加宽的原因是什么？如何加宽？曲线隧道加宽的原因是什么？如何加宽？3.3.隧道衬砌有哪些类型？各自的适用条件是什么？隧道衬砌有哪些类型？各自的适用条件是什么？4.4.衬砌结构的衬砌结构的仰拱仰拱如何改善其受力条件？如何改善其受力条件？81作业：p54 第1、2、3题
