隧道工程

第一章绪论隧道分类：1、按用途分（常用分类方法）(1)交通隧道(2)水工隧道(3)市政隧道(4)矿山隧道2、按隧道长度分（公路隧道规范）：(1)特长隧道：L3000m(2)长隧道：3000m≥L1000m(3)中长隧道：1000m≥L500m(4)短隧道：L≤500m3、按断面面积分：(1)特大断面隧道：断面积在100m2以上(2)大断面隧道：断面积在50~100m2之间(3)中等断面隧道：断面积在20~50m2之间(4)小断面隧道：断面积20m2以下4、按隧道所处的地理位置划分：(1)山岭隧道(2)水底隧道(3)城市隧道第二章隧道的勘察1、隧道勘察的三个阶段：可行性勘察；初步勘察；详细勘察。2、隧道勘察的主要方法：（1）收集研究既有资料（地形地貌、地质情况、区域水文情况、特殊地质、不良地质、植被及环境、地震资料、类似工程经验、其他资料）（2）调查与测绘自然概况；工程地质调查（*直接观测*访问群众）；工程地质测绘（调查测绘的内容：地形、地貌；地层、岩性；地质构造、地表水和地下水；特殊地质、不良地层；地震、工程经验；施工条件；施工方法）（3）勘探3、隧道勘察的主要手段：挖探、简易钻探、钻探、地球物理勘探4、地质勘察（1）可行性勘察目的是为可行性研究提供所需的地质资料。（2）初步勘察目的是为选择隧道方案作出工程地质论证（或条件）；任务是选择隧道位置。内容主要有地形、地貌；地质构造；地层岩性；特殊地质、不良地质。主要手段以调查和测绘为主，配合物探，并充分利用以往地质资料。（3）详细勘察目的是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。主要手段有坑探、钻探、物探。5、水文勘察隧道水文的两种现象：涌水、枯水（1）为了预测涌水，要通过对构造裂隙、地下水露头的调查，判明含水层、透水层、隔水层的范围及其与隧道的关系和影响程度；调查地下水的类型及其与地表水的相互补给关系，地下水的动态变化规律；调查地下水的流量、流向及水质等。（划线部分为涌水调查内容）（2）枯水调查主要内容：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。第三章隧道总体设计第一节隧道选址一、越岭隧道选址1、越岭隧道平面位置的选择（1）、垭口：当线路必须跨越分水岭时，分水岭的山脊线上总会有高程较低处，称之为垭口。（垭口是选定越岭隧道线路方案的控制点）（2）垭口选择着重考虑因素：①优先考虑在路线总方向上或其附近的低垭口，此时垭口在两侧具备有良好展线的横坡时，一般越岭隧道较短。②虽远离线路总方向，但垭口两侧有良好的展线条件，又不损失越岭高程的垭口。③隧道一般选在分水岭垭口两边河谷标高相差不多，并且两边河谷平面位置接近处。④工程地质和水文地质条件良好的垭口。(3）越岭隧道标高选择：①标高越高，隧道长度越短，相应施工工期也短，但两端展线长度增加，且线路拔起高度大，运营条件差，线路通过能力降低；②标高方案时运营条件的改善和通过能力的提高，但低标高隧道则与之相反，施工难度增加，施工期较长。因此，但必须进行地形、地质、施工、运营、经济等多种因素综合比较确定最优隧道标高。2、傍山隧道的选址（1）傍山隧道选择着重考虑因素：①傍山隧道在埋深较浅的地段，一定要注意洞身覆盖厚度问题。②考虑河岸冲刷对山体和洞身稳定的影响。③考虑既有建筑物对洞身稳定的影响。④线路沿山嘴绕行应与直穿山嘴的隧道方案进行比较。（2）不良地质段的隧道位置选择：不良地质系指滑坡、错落、崩塌、岩堆、危岩、落石、岩溶、陷穴、泥石流、流砂、断层、涌水及第四纪堆积层等不良地段。(书上是：滑坡、错落；松散堆积层；泥石流)（3）隧道洞口位置的选择一般原则和要求：⑴洞口应尽可能地设在山体稳定、地质较好地下水不太丰富的地方；⑵洞口不宜设在垭口沟谷的中心或沟底低洼处，不要与水争路；⑶洞口应尽可能设在线路与地形等高线相垂直的地方，使隧道正面进入山体，洞门结构物不致受到偏侧压力；⑷、当线路位于有可能被淹没的河滩上或水库回水影响范围以内时，隧道洞口标高应在洪水位以上。⑸、为洞口稳定和安全,边坡及仰坡均不宜开挖过高,不使新开出的暴露面太大。⑹、若洞口附近遇有水沟或水渠横跨线路时，应慎重处理，设置桥涵净空不宜太小，以免后患。⑺、若洞口前方岩壁陡立，基岩裸露，此时，最好不刷动原生坡面；⑻、洞口以外应当留有生产活动的场所。第二节隧道的几何设计1、隧道平面设计隧道平面线形，一般采用直线、避免曲线。如必须设置曲线时，应尽量采用大半径曲线，并确保视距要求。2、隧道纵面设计（1）控制隧道纵坡大小的主要因素：①通风问题②排水问题③行车安全性④施工作业效率（2）隧道规范要求纵坡应不小于0.3％（排水），并不大于3％（排气）（但是过江或水底隧道不遵循）3、隧道净空断面与横断面设计（1）隧道净空：隧道衬砌的内轮廓线所包围的空间，包括隧道建筑界限、通风及其他所需的断面积。（2）建筑限界：是为保证隧道内各种交通的正常运行与安全，而规定的一定宽度和高度规范内不得有任何障碍物的空间界限。（3）墙效应：隧道边墙给驾驶员带来唯恐与之冲撞的心理影响。（4）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（5）紧急停车带的设置间距不宜大于750m。第三节衬砌内轮廓线及几何尺寸拟定（1）隧道衬砌：它是一种超静定支护结构,是隧道的主体建筑物（2）衬砌断面设计主要解决内轮廓线、轴线和厚度三个问题。（3）衬砌断面:①衬砌内轮廓线：是衬砌的完成线，在内轮廓线之内的空间为隧道的净空断面。②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。该线又称为最小开挖线。③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。第四章隧道围岩工程性质、分级与围岩压力第一节概述1、隧道与建筑同是地面的结构体系，但它们在存在的环境和力学作用机理等方面存在明显差异。2、（1）围岩压力：是指隧道开挖后，围岩作用在隧道支护上的压力，是隧道支撑或衬砌结构的主要荷载之一。其性质、大小、方向以及发生和发展的规律，对正确地进行隧道设计与施工有很重要的影响。（2）地质环境：隧道工程所赋存的地质环境的内涵很广，包括地层特征、地下水状况、开挖隧道前就存在于地层中的原始地应力状态、地温梯度等。第二节隧道围岩的工程性质1、隧道围岩：是指隧道周围一定范围内，对隧道稳定性能产生影响的岩体2、围岩的工程性质包括三个方面：物理性质；水理性质；力学性质。3、岩体的变形性质：（1）岩体的受压变形：（2）岩体的剪切变形三种方式：A.沿结构面滑动；B.结构面不参与作用，沿结构体岩石断裂；C.在结构面影响下，沿岩石剪断。4、岩体的强度包括：抗压强度和抗剪强度。5、破坏准则：摩尔库伦准则6、隧道围岩失稳破坏：脆性破坏、块状运动、弯曲折断破坏、松动解脱、塑性变形和剪切破坏100×单位钻孔长度以上岩芯累计上岩10cm（％）＝RQD第三节隧道围岩分级及其应用1、隧道围岩分级是正确惊醒隧道设计与施工的基础。我国隧道围岩分级主要分六级，其中I~V级为岩质围岩，IV~VI级为土质围岩。2、隧道围岩分级的因素指标及其选择：⑴单一的岩性指标A.岩石的抗压和抗拉强度、弹性模量、泊松比等物理力学参数B.岩石的抗钻性、抗爆性等工程指标⑵综合岩性指标A.岩体的弹性波传播速度B.岩石质量指标(RQD)ABC岩体岩石软弱结构面0（1）压密阶段（OA）（2）弹性阶段（AB）（3）塑性阶段（BC）（4）破裂和破坏阶段（CD）容易看出岩体并非单纯的弹性体或者塑性体，而是复杂的弹塑性体(a)块状运动(b)弯曲折断(c)松动解脱(d)塑性变形岩石质量指标分级认为：90％RQD优质；75％RQD90％良好；50％RQD75％好；25％RQD50％差；RQD25％很差C.围岩的自稳时间ts=常数×L－(1＋a)式中：L－隧道未支护地段的长度；a－视围岩情况在0～1之间变化，好的岩体可取a=0;极差的a=1围岩分为：稳定的、易掉块的、极易掉块的、破碎的、很破碎的、有压力的、有很大压力等七级(3)复合指标3、隧道围岩分级的方法（1）各种分级按分级的目的不同，有地质分级和工程分级；按分级的用途不同，有质量分级、稳定性分级、可钻性分级、爆破性分级等；按不同行业的分级，有水利水电工程围岩、公路隧道围岩、铁路隧道围岩、矿山巷道围岩、军工坑道围岩、喷锚规范围岩等。。。。。。。。。。（2）分级的方法：A.以岩石强度或物理指标为代表的分级方法B.以岩体构造、岩性特征为代表的分级方法C.以地质勘探手段相联系的分级方法D.组合多种因素的分级方法E.以工程对象为代表的分级法(3)我国公路隧道围岩分级出发点A.强调岩体的地质特征的完整性和稳定性；B.分级指标应采用定性和定量指标结合方式；C.明确工程目的和内容，并提出相应的措施；D.分级应简明，便于使用；E.考虑吸收其它围岩分级优点，并尽量和我国其它工程分级一致。⑷隧道施工围岩分级：施工阶段围岩分级的评定因素施工阶段围岩分级完整程度的分级指标第四节围岩压力的确定1、围岩压力是岩体受扰动产生应力重分配过程中的围岩变形受到支护结构的阻挡而在支护与围岩的接触面上所产生的压力。一般分为松动压力、变形压力、膨胀压力、冲击压力。2、围岩压力的产生：可用围岩的“成拱作用”来解释3、围岩压力的确定方法（计算题）⑴隧道开挖后，在围岩应力重分布过程中，顶板开始沉陷，并出现拉断裂纹，可视为变形阶段（a）；⑵顶板的裂纹继续发展并且张开，由于结构面切割等原因，逐渐转变为松动，可视为松动阶段（b）；⑶顶板岩体视其强度的不同而逐步坍塌，可视为坍塌阶段（c）；⑷顶板塌落停止，达到新的平衡，此时其界面形成一近似的拱形，可视为成拱阶段（d）。第五节影响围岩稳定性的因素1、地质因素的影响⑴岩土体结构状态⑵岩石的工程性质⑶地下水的作用和影响⑷围岩的初应力状态2、设计和施工因素（人为因素）⑴隧道的形状和尺寸⑵支护方法及时间⑶施工方法⑷隧道的埋深第五章隧道结构构造第一节洞身衬砌与洞门构造1、洞身衬砌的类型：形状类型：直墙衬砌；曲墙式衬砌；偏压衬砌；喇叭口衬砌；圆形断面衬砌；矩形断面衬砌组合类型：喷锚衬砌；复合衬砌2、洞门：洞门是隧道两端的外露部分，也是联系洞内衬砌与洞口外路堑的支护结构。3、洞门类型（1）端墙式洞门：适用于岩性较好的稳定的围岩；（2）翼墙式洞门：适用于地质较差的围岩以及需要开挖路堑的地方；（3）削竹式洞门：洞门岩层坚硬、整体性好、节理不发育，且不易风化，路堑开挖后仰坡极为稳定，并没有较大的排水要求；（4）遮光棚式洞门：当洞外需要设置遮光棚时。第三节明洞1、明洞：采用明挖法修筑的隧道结构2、明洞具有地面、地下建筑物的双重特点，既作为地面建筑物用以抵御边坡、仰坡的塌方、落石、滑坡、泥⑴深埋隧道围岩压力的确定(工程类比法)围岩竖向匀布压力q按下式计算：q=0.45×2s-1×γω(kN/m2)式中：S—围岩级别，S＝4--6；γ—围岩容重，(kN/m3)；ω＝1+i(B-5)—宽度影响系数；B—隧道宽度,(m）；i—以B＝5m为基准，B每增减1m时的围岩压力增减率。当B5m，取i＝0.2；当B5m,取i＝0.1。适用条件①H/B1.7，式中H为隧道高度；②深埋隧道,IV—VI级围岩；③不产生显著偏压力及膨胀力的一般隧道；④采用钻爆法施工的隧道。⑵浅埋隧道围岩松散压力的计算①深、浅埋隧道的判定原则Hp＝（2～2.5）hq式中:Hp—深浅埋隧道分界深度;hq—荷载等效高度，按下式计算：hq＝q/γq—深埋隧道竖向均布压力kN／m2；γ—围岩容重（kN／m2）。在矿山法施工的条件下I～Ⅲ级围岩取Hp＝2hqⅣ～Ⅵ级围岩取Hp＝2.5hq习题：某公路隧道进口30米处围岩是V级，容重25kN/m3，开挖断面宽度12米，隧道上覆岩体厚度8米，试计算并判断该处隧道属深埋还是浅埋？石流等病害，又作为地下建筑物用于在深路堑、浅埋地段不适宜暗挖隧道时，取代隧道的作用。3、明洞常用类型：拱形明洞和棚式明洞。第四节隧道的防水与排水1、采取“截、堵、排相结合”