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 程第第 1 1 章章 隧道工程勘测设计隧道工程勘测设计张运良张运良1第 1 章 隧道工程勘测设计 隧道工程的勘测设计一般分为两阶段进行： 初测阶段：初步设计提供资料，应完成的勘测工作有：初步设计提供资料，应完成的勘测工作有：隧道所在地区自然条件的调查、隧道工程对周围环境影响的调隧道所在地区自然条件的调查、隧道工程对周围环境影响的调查、工程地质及水文地质的勘查、地形测量、导线测量等。查、工程地质及水文地质的勘查、地形测量、导线测量等。 定测阶段：是根据有关单位批准的初步设计文件及审核是根据有关单位批准的初步设计文件及审核意见，在初测基础
2、上进一步核对、落实、深化相关勘测资料，意见，在初测基础上进一步核对、落实、深化相关勘测资料，对复杂地质问题给出可靠性结论，为施工图设计提供资料。对复杂地质问题给出可靠性结论，为施工图设计提供资料。 对于长大隧道对于长大隧道或地形、地质条件复杂的隧道，或地形、地质条件复杂的隧道，应采用两应采用两阶段勘测；阶段勘测；对于地形及地质条件较简单的中、短隧道可以考虑对于地形及地质条件较简单的中、短隧道可以考虑采用一阶段勘测。采用一阶段勘测。2第 1 章 隧道工程勘测设计3本节主要内容：隧道勘测的基本内容自然地理概况调查地质调查环境调查气象调查4 通过多种方案的比选，确定隧道的平面、纵断面线形。隧道勘测的
3、基本内容 调查隧道穿越地段的地质、地貌、环境生态等自然条件，它们与隧道工程有着密切的关系。5地形图 1/500001/25000 主要用于线路规划 1/50001/1000 主要用于隧道方案的比选重要的长大隧道也可以考虑采用航空照片或卫星照片地质图和说明书。1/2000001/50000比例尺的地质图长大隧道还应参考航空照片以及遥感资料6 在隧道附近的土建工程往往可以提供不少资料，如道路边坡的岩石露头和其它土木工程所记录的工程地质与水文地质资料。这些资料可以由施工记录和工程报告总结等文件中得到。 气温、气压、降水、水温、地温等从气象台站和各种资料期刊、汇编、年鉴等处获得7用地：工程用地和施工用
4、地 调查既有建筑：居民住宅、通讯设施、 排水设施、交通设施等环境资料：自然环境，文物古迹、 自然保护区、居民环境等， 隧道所在地区历史上的暴雨、台风、地震、滑坡等发生的规模、频度8(1)工程地质特征(2)水文地质特征(3)不良地质和特殊地质现象(4)地震烈度(5)有害气体和放射性物质9(1)地形地质的初步调查 (2)地质详查 (1)传统手段：钻探法 (2)物探：电阻与弹性波法 (3)其他技术：遥感 10数字实时成像地质雷达 地质钻探 1112(3)设计及施工时应注意的问题及对进一步调查的 建议(1)概述 地下水对隧道施工与运营都会产生较大的影响和危害 (2)地形地质说明 (4)相关图纸 13线
5、路地形图 (比例1/20001/5000)；洞口附近地形图(比例1/500)，沿线路中线每侧各 100米的范围进行；地质平面图；地质纵断面图(比例1/5001/2000)；洞口附近地质纵断面图(比例1/200)以及洞口附近 地质横断面图若干。 14隧道线路平面图实例15隧道纵断面图实例16隧道洞口位置地形平面图实例1718 动、植物的生态状况：种类、密度、分布、季节性变化地表水、地下水状况 土地利用状况：用途、面积范围等 文物古迹、风景区等 已有构建物：通讯设施、民房、地下管网等 废气、噪声、振动、地面下沉等，对居住环境、自然资源和已有地物的影响19 降雨: 年、月平均、日最大、小时最大降雨量
6、 降雪: 最大降雪日、最大积雪量、积雪期、 最大日降雪量、雪密度、雪温 气温、地温：年平均气温、绝对最高最低气温、日温差； 冻结期、冻结深度、多年冻土深度、水温 风向、风速：频率分布(年间、月间、日间) 雾：发生日数(频度、滞留时间及其能见度) 洪水：洪水量、水位、时期 20第 1 章 隧道工程勘测设计21本节主要内容：概述越岭隧道位置的选择傍山(河谷)隧道位置的选择不良地质地段隧道位置的选择22 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。23 主导因素： 工程地质和水文
7、地质条件，因为它往往控制着线路方案的取舍和隧道位置的选择 地形条件也是选定隧道位置的重要条件之一。（1）社会条件：政治、经济、国防对自然环境的影响例如:新龙门隧道（2）自然条件：工程地质、水文地质、地形、地貌等24新龙门隧道25进行全面的政治、经济、技术的综合比较来确定在隧道位置选择时，首先应查清：工程地质及水文地质情况 根据：不同地形特点结合：线路技术标准 通车期限 工程造价 施工及运营条件 节省土地等因素26 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。1.2.2 越岭隧道位置的选择
8、 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越岭隧道。用于缩短线路，克服高程障碍。271.2.2 越岭隧道位置的选择28 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，即称垭口垭口。1.2.2 越岭隧道位置的选择平面位置与立面位置的选择(1)平面位置的选择 选择垭口2930 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。1.2.2 越岭隧道位置的选择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
9、。(1)平面位置的选择31 然后进行可能通过的垭口、沟谷的比选。1.2.2 越岭隧道位置的选择 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；(1)平面位置的选择321.2.2 越岭隧道位置的选择33 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。1.2.2 越岭隧道位置的选择例如：成昆线沙木拉打隧道的比选线路方案隧道长（km）高程（m）线
10、路长（km）沙木拉打6.421882243141.5瓦 吉 木14.519502077109.3小 相 岭19.517821815109.3阳糯雪山25.81760180083.5341.2.2 越岭隧道位置的选择351.2.2 越岭隧道位置的选择36 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)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，就会出现不同长度的隧道方案。1.2.2 越岭隧道位置的选择37 凉
11、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。1.2.2 越岭隧道位置的选择(2)立面位置的选择选择高程 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；381.2.2 越岭隧道位置的选择391.2.2 越岭隧道位置的选择40 山区铁路（或公路）除越岭地段以外，线路大多是
12、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傍山隧道，也有称之为河谷线隧道。1.2.3 傍山(河谷)隧道位置的选择41傍山(河谷)隧道实例42 (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)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； (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。1.2.3 傍山(河谷)隧道位置的选择43 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
13、道位置宜往山体内侧靠，一般要求隧道外侧最小覆盖厚度应不小于下表中的数值。(1)保证最小覆盖层厚1.2.3 傍山(河谷)隧道位置的选择44偏偏压隧道外侧拱肩山体最大覆盖厚度压隧道外侧拱肩山体最大覆盖厚度t(m)地地面面坡坡1：m线别围岩级别围岩级别示意图示意图石石土土1；0.75双线7.07.0* * * *1：1单线* *5.05.010.010.018.018.0双线7.07.0* * * *1：1.25双线* * *18.018.0* *1：1.5单线* *4.04.08.08.016.016.0双线7.07.011.011.016.016.030.030.01：2单线* *4.04.06
14、.06.012.012.0双线* *10.010.014.014.025.025.01：2.5单线* * *5.55.510.010.0双线* * *13.013.020.020.0注：注：1. 级围岩的级围岩的t值可通过计算确定；值可通过计算确定； 2. 、级围岩的级围岩的t值应扣除表面风化破碎层和坡积层厚度；值应扣除表面风化破碎层和坡积层厚度； 3.“*”表示缺少统计资料，设计时可通过工程类比或经验设计取值。表示缺少统计资料，设计时可通过工程类比或经验设计取值。45 河岸存在中冲刷现象或河道窄、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
15、能时，最好设在稳定的岩层中。(2)尽量内靠1.2.3 傍山(河谷)隧道位置的选择46 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 1.2.3 傍山(河谷)隧道位置的选择47 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” 1.2.3 傍山(河谷)隧道位置的选择481.2.3 傍山(河谷)隧道位置的选择491.2.3 傍山(河谷)隧道位置的选择5
16、0 常见的不良地质条件主要是指： 滑坡、崩坍、松散堆积、泥石流、岩溶及含盐、含煤地层、地下水发育等地质现象。1.2.4 不良地质地段隧道位置的选择 大量工程实践表明：不论是河谷线还是越岭线。在具体选定隧道位置时都必须详细研究地质条件的影响，力求使隧道在较好的地质条件下通过，尽量减少不良地质条件的影响是极力重要的。511.2.4 不良地质地段隧道位置的选择52（2）层状倾斜岩层沿某个软弱面滑动1.2.4 不良地质地段隧道位置的选择（1）山体可能沿某软弱面滑动5354 悬崖陡壁地区，日久风化、产生张开节理和裂隙，不要把隧道置于地表不厚的傍山位置。1.2.4 不良地质地段隧道位置的选择55 岩石经风
17、化作用，分解和剥离成为大小不一的块体，从山坡上方滚下，或冲刷夹持而堆积在山坡坡脚处，形成松散堆积体。隧道通过这类地区，开挖时极易发生坍方，给施工带来困难。这时宜把隧道位置放在岩堆以下的稳定岩体之中。1.2.4 不良地质地段隧道位置的选择56 应避免把隧道放在冲积扇范围以内，以免堵塞隧道洞口，或建明洞，使泥石流在明洞顶通过。1.2.4 不良地质地段隧道位置的选择571.2.4 不良地质地段隧道位置的选择尽量避免或要有足够的安全距离。58 （1）地下水 不宜从多水地区通过（隧道内建桥）； （2）高地温1.2.4 不良地质地段隧道位置的选择 隧道在通过煤层时会遇到甲烷(CH4)、二氧化碳(CO2)等
18、有害气体，容易引起火灾、爆炸、最好避开，不得已时作好通风。59第 1 章 隧道工程勘测设计60本节主要内容：洞口位置选定的重要性洞口位置选定的原则和要求611.3.1 洞口位置选定的重要性 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。1.3 隧道洞口位置的选定 要避免单纯经济观点(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
19、者造价相等的点就是路堑转入隧道最经济合理的地方。 62 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。1.3.2 洞口位置选定的原则和要求总的原则：早进洞、晚出洞早进洞、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。1.3 隧道洞口位置的选定63 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1.3.2 洞口位置选定的原则和要求2.洞口应尽可能设在线路与地形等高线正交处64 理由：不使山体受扰动太甚，不使新开出的暴露
20、面太大1.3.2 洞口位置选定的原则和要求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 教材中表1-3列出了隧道设计规范允许的各级围岩洞口最大开挖高度与边仰坡坡率（见下表）65仰坡仰坡边坡边坡661.3.2 洞口位置选定的原则和要求隧道隧道 洞口边、仰坡控制高度洞口边、仰坡控制高度围岩分级 边、仰坡坡率贴壁1:0.31:0.51:0.51:0.75 1:0.751:11:1.25 1:1.251:1.5高度(m)15202520251518201518注：设
21、计开挖高度系从路基边缘算起。671.3.2 洞口位置选定的原则和要求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。68 若洞顶危岩活石难以清除，或支护上有落石掉块危机行车安全时，应延伸洞口接长明洞至能坍落影响范围以外35m。1.3.2 洞口位置选定的原则和要求5.当隧道穿过悬崖陡壁时，可贴壁进洞696.当洞口地形平缓时1.3.2 洞口位置选定的原则和要求 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
22、考虑。7.注重环境保护7071第 1 章 隧道工程勘测设计72本节主要内容：隧道线路平面设计隧道线路纵断面设计73 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：隧道平面平面是指隧道中心线在水平面的投影 隧道纵断面纵断面是中心线展直后在垂直面的投影1.4 隧道线路设计74 (3)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)。1.4.1 隧道线路平面设计 (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(曲线的缺点见教材)。 (2)隧道应尽量避免设反向曲线或复曲
23、线，以利于运营施工。 1.4 隧道线路设计75 (4)公路隧道线路平面 公路隧道因为行驶的车辆不同。必须设置曲线时，要求曲线半径不能太小，因为小半径曲线会产生视距问题，即司机的通视不好，容易出交通事故。 隧道内是禁止超车的，故不考虑超车视距要求；高速公路隧道和一级公路隧道应满足停车视距要求；其他各级公路隧道应满足会车视距要求。同时，从方便施工的角度考虑，也不宜采用设超高的平曲线(见下表)。 1.4.1 隧道线路平面设计 76公公路隧道不设超高的圆曲线最小半径路隧道不设超高的圆曲线最小半径(m) 设设计计速度速度 (km/h)路拱路拱12010080604030202.0%55004000250
24、015006003501502.0%75005250335019008004502001.4.1 隧道线路平面设计 771.4.2 隧道线路纵断面设计 坡道形式坡度大小坡段长度坡段连接78 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1.4.2 隧道线路纵断面设计 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791.4.2 隧道线路纵断面设计 (1)隧道内最大限制坡度 铁路3 公路不大于3%，不小于0.3%(2)铁路隧道内的坡度折减 湿度影响、空气阻力影响：见教材的表15801.4.2 隧道线路纵断面设计 对于铁路隧道，当列车经过变坡点时会产生附加力及附加速度，
25、如果隧道内变坡点过多，就容易使旅客感到不适。同时，过多的变坡点也会给运营维修养护增加困难。因此隧道内的坡度宜设计长些，或不短于列车长度。811.4.2 隧道线路纵断面设计 为了行车平顺，两个相邻坡段坡度的代数差值不宜太大。 从安全的观点出发，坡段间的代数差值ip不应大于重车方向的限坡值 ，否则就应在两个坡段之间插入一段缓和坡段。 当相邻坡度差大于一定限值时，设置缓和坡段已不解决问题，而应在变坡点处设置竖曲线，还要注意竖曲线不应与缓和曲线重叠。这些规定与洞外明线的要求是一样的。 具体方法可参见铁路选线知识相关内容。82小 结第 1 章 隧道工程勘测设计83思考题： 1.1.隧道工程勘察的基本内容是什么？隧道工程勘察的基本内容是什么？ 2. 2.地质调查后应提供的主要资料有哪些？地质调查后应提供的主要资料有哪些？ 3. 3.如何考虑地形条件对隧道位置的影响？如何考虑地形条件对隧道位置的影响？ 4. 4.越岭隧道选择时要考虑的主要因素是什么？越岭隧道选择时要考虑的主要因素是什么？ 5. 5.傍山隧道选择是要考虑的主要因素是什么？傍山隧道选择是要考虑的主要因素是什么？ 6. 6.隧道洞口位置选择的总原则与目的。隧道洞口位置选择的总原则与目的。 7. 7.解释隧道纵坡的形式、适用条件及限制坡度？解释隧道纵坡的形式、适用条件及限制坡度？
