3隧道线路及断面设计

1隧道线路及断面设计•第一节隧道位置的选择•第二节隧道洞口位置的选择•第三节隧道平、纵断面设计•第四节隧道横断面设计•第五节高速铁路隧道单洞双线和双洞单线方案选择2第一节隧道位置的选择隧道是山区线路穿越山岭时用来克服高程障碍的一种建筑物。影响因素：区域工程地质条件、水文地质条件、地形地貌条件，工程难易程度，投资的数额，工期的要求，现有的施工技术水平，今后运营条件。基本原则：早进晚，宁里勿外，宁深勿浅，避软就硬。31、越岭隧道的选址选择垭口、确定隧道高程(1)越岭隧道平面位置的选择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。※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。45(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。62、河谷线上隧道（傍山隧道）位置的选择铁路沿河傍山而行时称之为河谷线。这种线路左右受到山坡和河谷的制约，上下受到标高和限制坡度的控制，比选方案时，可能移动的幅度不大。但是，虽然摆动的幅度很有限，可对工程的难易、大小都有关系。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。7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d(m)围岩类别最小覆盖层厚度(m)单线双线Ⅳ4~67~9Ⅲ7~1010~15Ⅱ11~2016~308（a）不利的结构面倾向（b）有利的结构面倾向结构面倾向对隧道位置的影响当地层结构面倾向山一侧时，地层比较稳定，覆盖厚度可以酌减。当地层结构面倾向河流一侧时，覆盖厚度宜予加大。9（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。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103、地形地质条件对隧道位置的影响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。11※地形的影响1）高程障碍绕行方案—当附近地形开阔，山坡地带宽敞时，克服高程障碍的一个比较简易的办法是避开前方的山峰，迂回绕行而过；深堑方案—当地形比较开阔，有山谷台地可支展线时，就可以尽量地把线路展长，坡度用足以争取把线路标高抬起到可能的高度。然后把高程尚有不足之处，在山顶部位开凿深路堑通过；隧道方案—当地形紧迫，山坡陡峭，不具备上述条件时，开凿隧道，穿山而过，就成为唯一可行，而且是比较有利的方案。122）平面障碍•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。13隧道直穿方案示意图14※地质条件的影响1）单斜构造•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15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16•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，甚至会导致大的坍方，致使地面形成“天窗”直立岩层中隧道位置的选择172）褶皱构造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，而应将隧道置于翼部，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183）断裂构造，接触带在选择隧道位置时，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194）不良地质常见不良地质条件：滑坡、崩塌、岩堆、泥石流、溶洞、含瓦斯和地下水发育等地质条件。20•滑坡地区山坡地区，由于地下水的活动，或是河流冲刷坡脚，以及人为切坡等原因，山坡土体在重力作用下，沿某一软弱面有整体下滑的趋势．形成了滑坡。隧道通过这种地段时，将会受到突然的土体推力，有时会把结构物挤压破坏，或是剪切断开。如果对滑坡面的位置已经了解清楚，可以把隧道置于滑被面以下的稳定岩体中。如果确知滑坡是多年静止了的滑坡或古滑坡，则在不得已时，也可以把隧道置于滑坡体之内，但要在上部减载和加强排水。滑坡地带的隧道位置选择21•崩塌地区山坡陡峻的地段，山体裂隙受风化而崩解，脱离母岩，成块地从斜坡翻滚坠落。它的出现是突然的，冲击力很大，不易防范。选择隧道位置时，最好不要沿这类山坡通过。不得巳时，应当尽可能地把隧道置于山体之中，穿过稳定的岩层。岩体崩塌的情形不太严重，而洞口又必须落在崩场地区时．则可设置一段明洞来解决。崩塌地区的隧道22•岩堆地区岩石经过风化作用，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较平缓处或坡脚处，形成无黏结力的堆积体。隧道通过这类地区时，开挖极易发生坍方，给施工带来极大因难。这时，宜把隧道位置放在岩堆以下的稳定岩体之中。岩堆地区中的隧道23•泥石流地区山顶积聚的土壤和各种砾石、岩块受到洪水的浸融成为流体，顺山沟或峡谷而下，来势凶猛，破坏力极大。有时可能摧毁铁路路基，甚至掩埋铁路，堵塞隧道。因此，在选择隧道位置时，务必躲开泥石流泛滥区，如躲避不开，也应选在泥石流下切深度以下的基岩中。要查明泥石流洪积扇范围，不可把洞口放在洪积扇范围以内。•溶洞地区碳酸盐类岩石(如灰岩、白云岩)、可溶类岩石在水力和水的化学作用下溶蚀而形成各种岩溶现象，溶洞就是其中之一。溶洞可分为无水或有水，无填充或有填充溶洞。选择隧道位置时，应尽可能避开。如无法避开时，应探明溶洞的规模、性质和与隧道的位置关系，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。2425•地下水地区地下水多是由地表水的渗透或地下水源补给的。例如岩层裂隙中的裂隙水，或溶洞中储藏的岩溶水，它们有时是流动的，有时是静止的，有时还有压力水头。它们的存在，使岩石软化、强度降低，层问夹层软化或稀释，促成了层间的滑动。裂隙中的水在开挖时涌入坑道，使施工发生困难，给以后养护也带来无休止的灾害。选择隧道位置时．最好不从富水区经过。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。•瓦斯地区在煤系地层中，蕴藏着甲烷(CH4)和CO2等有害气体。隧道开挖时，有害气体逸出，轻则致入窒息，重则引起爆炸，危害甚大。选择隧道位置时，应尽量避开。不得已时，应做好通风稀释的措施。26•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。•高地温地区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。27第二节隧道洞口位置的选择隧道位置选定以后，隧道长度由它的两端洞口位置确定。隧道长度：其进出口洞门墙外表面与线路内轨顶面标高线交点之间的距离。总之，隧道洞口位置的选择，应根据地形、地质条件，考虑边坡、仰坡的稳定，结合洞外有关工程及施工难易程度，本着“早进晚出”的指导思想，全面综合地分析确定。281、选择洞口位置的原则：(1)洞口不宜设在坯口沟谷的中心或沟底低洼处，在一般情况下，垭口沟谷在地质构造上是最薄弱的环节，常会遇到断层带、古坍方、冲积土等不良地质。此外，地表流水都汇集在沟底，再加上洞口路堑开挖，破坏了山体原有的平衡，更容易引起坍方，甚至不能进洞。所以，洞口最好选在沟谷一侧。沟谷附近洞口平面位置示意图29(2)洞口应避开不良地质地段。(3)当隧道线路通过岩壁陡立．基岩裸露处时，最好不刷动或少刷动原生地表，以保持山体的天然平衡。缓坡洞口纵断面示意图30(4)减少洞口路堑段长度，延长隧道，提前进洞。对处于漫坡地形的隧道，其洞口位置变动范围较大，一般应采取延长隧道的办法，以解决路堑弃土及排水的困难。(5)洞口线路宜与等高线正交。使隧道正面进入山体，洞口结构物不致受到偏侧压力。对于傍山隧道因限于地形，有时无法与等高线正交，只能斜交进洞时，其交角不应太小(不小45°)，并根据具体情况，采取斜交洞门、台阶式正交洞门或修建一段明洞。(6)当线路位于有可能被水淹没的河滩或水库回水彤内范围以内时，隧道洞口标高应高出洪水位加波浪高度，以防洪水灌入隧道。31正交洞门平面示意图斜交洞门平面示意图32(7)为了保证洞口的稳定和安全，边坡及仰坡均不宜开挖过高。应根据开挖控制高度及坡度来决定洞口位置。33(8)当洞口附近遇有水沟或水渠横跨线路时，可设置拉槽开沟的桥梁或涵洞，以排泄水流。(9)当洞口地势开阔，有利于施工场地布置时，可利用弃碴有计划、有目的地改造洞口场地，以便布置运输便道、材料堆放场、生产设施用地及生产、生活用房等。另外，在桥隧相连时，应注意防止因弃碴乱堆造成桥孔堵塞或推坏桥梁墩台建筑物。(10)洞口以外必须留有生产活动的场所。34第三节隧道平、纵断面设计1、隧道平面设计(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；351）铁路隧道隧道内的线路最好采用直线，但是，如受到某些地形的限制，或是地质原因时，往往不得不采用曲线。直线隧道的优点线路顺直，列车可以快速通过，走行的距离也较短，有利于列车多拉快跑，提高线路的运营效率。36曲线隧道的缺点•曲线上的隧道，由于列车倾斜和平移，隧道建筑限界需要加宽，坑道的尺寸相应加大，不但增大了开挖土石数量，而且增加了衬砌的圬工量；•在不同曲率曲线上的隧道建筑限界加宽不同，隧道的断面是变化的，因而施工时，支护和衬砌的尺寸均不一致，技术上较为复杂；•列车运行在曲线隧洞内，空气阻力比直线隧道大，机车牵引力的损失大，降低了运营效率，甚至可能造成溜车事故；•列车在曲线上行驶，产生了离心力，再加上洞内空气潮湿，使得