隧道相关知识

隧道相关知识——一、基础知识一、隧道隧道是地下通道。设计给交通或其他用途使用，通常用来穿山越岭，若施做于地面下称作地下隧道。隧道可能给行人、自行车、一般道路交通、机动车、铁路交通、或运河使用。一些隧道只运送水或其他特定服务。开挖隧道有数种模式。深度浅的隧道可先开挖后覆盖。潜盾隧道是地下持续开挖。二、隧道的分类隧道的种类很多，按用途分，有铁路隧道、公铁两用隧道、地铁隧道等；按断面形状分，有圆形隧道、拱形隧道、卵形隧道、矩形隧道等；按位置分，有傍山隧道、越岭隧道、水底隧道和地下隧道等；按衬砌结构分，有之墙式衬砌隧洞、曲墙式衬砌隧道、曲边墙叫仰拱衬砌隧道等；按隧道内铁路线路数分，有单线隧道、双线隧道和多线隧道等。隧道的长度小于500延长米，称之为短隧道；在500-3000延长米之间，称之为中长隧道；在3000-10000延长米之间，称之为长隧道；而10000延长米以上的，称之为特长隧道。对于公路隧道的划分：隧道分类特长隧道长隧道中隧道短隧道隧道长度L＞3000m3000≥L≥10001000＞L＞250L≤250三、隧道相关名词1、隧道净空：指隧道衬砌的内轮廓所包围的空间。隧道建筑限界:指包围“基本建筑界限”外部的轮廓线。基本建筑限界：指线路上各种建筑物和设备均不得侵入的轮廓线。机车车辆限界：指机车车辆最外轮廓的限界尺寸。四者关系：铁路隧道净空是根据隧道建筑限界确定的，而隧道建筑限界是根据基本建筑限界制定的，基本建筑限界又是根据机车车辆限界制定的。2、限界：是一种规定的轮廓线，这种轮廓线以内的空间是保证列车安全运行所必需的。建筑限界：是建筑物不得侵入的一种限界。3、仰拱：为保证整体强度,在设计时通常要求在隧道顶底部衬砌一定厚度的混凝土。4、围岩：指隧道开挖后其周围产生应力重分布范围内的岩体，或指隧道开挖后对其稳定性产生影响的那部分岩体。5、常见几个力学名词初始应力：指岩体在天然状态下所具有的内在应力。构造应力：由于构造运动的作用，使得岩体内积存了一定的应力，称构造应力。岩体的质量指标ROD：以岩芯未破坏岩块的总长与所取岩芯总长L的比值来决定,以百分数表示。围岩压力：从狭义上指围岩作用在支护结构上的压力。松动压力：由于开挖而松动或坍塌的岩体以重力形式直接作用在支护结构上的压力。形变压力：是由于围岩变形受到与之密贴的支护如锚喷支护等的抑制，而使围岩与支护结构在共同变形过程中，围岩对支护结构施加的接触压力。膨胀压力：当岩体具有吸水、应力解除等膨胀性特征时，由于围岩膨胀所引起的压力。冲击压力：是在围岩中积累了大量的弹性变形能以后，由于隧道的开挖，威严的约束被解除，能量突然释放所产生的压力。弹性抗力：指由于支护结构发生向围岩方向的变形而引起的围岩对支护结构的约束反力。6、新奥法：即奥地利隧道施工新方法，是以喷射混凝土锚杆作为主要支护手段，通过监测控制围岩的变形，充分发挥围岩的自承能力的施工方法。四、新奥法施工的基本原则（1）少扰动，是指在进行隧道开挖时，要尽量减少对围岩的扰动次数、强度、范围和持续时间。（2）早支护,是指开挖后及时施做初期锚喷支护，使围岩的变形进入受控制状态。（3）勤量测，是指以直观、可靠的量测方法和量测数据来准确评价围岩（或围岩加支护）的稳定状态，或判断其动态发展趋势，以便及时调整支护形式、开挖方法，确保施工安全和顺利进行。（4）紧封闭，一方面是指采取喷射混凝土等防护措施，避免围岩因长时间暴露而导致强度和稳定性的衰减（尤其是对易风化的软弱围岩）；另一方面是指要适时对围岩施做封闭性支护，这样做不仅可以及时阻止围岩变形，而且可以使支护和围岩能进入良好的共同工作状态。（早进洞、晚出洞）短进尺、弱爆破、勤支护、早成环、勤量测五、隧道围岩等级划分1、隧道围岩公路隧道围岩分级围岩级别围岩或土体主要定性特征围岩基本质量指标（BQ）或修正的围岩基本质量指标[BQ]Ⅰ坚硬岩，岩体完整，巨整体状或巨厚层状结构550Ⅱ坚硬岩，岩体较完整，块状或厚层状结构较坚硬岩，岩体完整，块状整体结构550～451Ⅲ坚硬岩，岩体较破碎，巨块（石）碎（石）状镶嵌结构较坚硬岩或较软硬岩层，岩体较完整，块状体或中厚层结构450～351Ⅳ坚硬岩,岩体破碎,碎裂结构较坚硬岩,岩体较破碎～破碎,镶嵌碎裂结构较软岩或软硬岩互层,且以软岩为主,岩体较完整～较破碎,中薄层状结构350～251土体：1.压密或成岩作用的粘性土及砂性土2.黄土(Q1、Q2)3.一般钙质、铁质胶结的碎石土、卵石土、大块石土Ⅴ较软岩，岩体破碎；软岩，岩体较破碎～破碎；极破碎各类岩体。碎、裂状、松散结构≤250一般第四系的半干硬至硬塑的黏性土及稍湿至潮湿的碎石土，卵石土、圆砾、角砾土及黄土（Q3、Q4）。非粘性土呈松散结构、黏性土及黄土呈松软结构Ⅵ软塑状粘性土及潮湿、饱和粉细砂层、软土等注：本表不适用于特殊条件的围岩分级，如膨胀性围岩、多年冻土等。2、围岩分级的主要因素公路隧道围岩分级的综合评判方法采用两步分级，并按以下顺序进行：(1)根据岩石的坚硬程度和岩体完整程度两个基本因素的定性特征和定量的岩体基本质量指标（BQ），综合进行初步分级。(2)对围岩进行详细定级时，应在岩体基本质量分级基础上，考虑修正因素的影响修正岩体基本质量指标值。(3)按修正后的岩体基本质量指标[BQ]，结合岩体的定性特征综合评判，确定围岩的详细分级。3岩石坚硬程度1、岩石坚硬程度可按下表定性划分。岩石坚硬程度的定性划分名称定性鉴定代表性岩石硬质岩坚硬岩锤击声清脆，有回弹，震手，难击碎；浸水后，大多无吸水反应未风化～微风化的花岗岩、正长岩、闪长岩、辉绿岩、玄武岩、安山岩、片麻岩、石英片岩、硅质板岩、石英岩、硅质胶结的砾岩、石英砂岩、硅质石灰岩等较坚硬岩锤击声较清脆，有轻微回弹，稍震手，较难击碎；浸水后，有轻微吸水反应1弱风化的坚硬岩；2未风化～微风化的熔结凝灰岩、大理岩、板岩、白云岩、石灰岩、钙质胶结的砂页岩等软质岩较软岩锤击声不清脆，无回弹，较易击碎；浸水后，指甲可刻出印痕1强风化的坚硬岩；2弱风化的较坚硬岩；3未风化～微风化的凝灰岩、千枚岩、砂质泥岩、泥灰岩、泥质砂岩、粉砂岩、页岩等软岩锤击声哑，无回弹，有凹痕，易击碎；浸水后，手可掰开1强风化的坚硬岩；2弱风化～强风化的较坚硬岩；3弱风化的较软岩；4未风化的泥岩等极软岩锤击声哑，无回弹，有较深凹痕，手可捏碎；浸水后，可捏成团1全风化的各种岩石；2各种半成岩2岩石坚硬程度定量指标用岩石单轴饱和抗压强度（Rc）表达。Rc一般采用实测值，若无实测值时，可采用实测的岩石点荷载强度指数Is（50）的换算值，即按下式计算：Rc=Is（50）0.753Rc与岩石坚硬程度定性划分的关系，可按表3.2.1-2确定。Rc与岩石坚硬程度定性划分的关系Rc(MPa)6060～3030～1515～55坚硬程度坚硬岩较坚硬岩较软岩软岩极软岩3.2.2岩体完整程度1岩石完整程度可按表3.2.2-1定性划分。表3.2.2-1岩体完整程度的定性划分名称结构面发育程度主要结构面的结合程度主要结构面类型相应结构类型组数平均间距（m）完整1～21.0好或一般节理、裂隙、层面整体状或巨厚层结构较完整1～21.0差节理、裂隙、层面块状或厚层状结构2～31.0～0.4好或一般块状结构较破碎2～31.0～0.4差节理、裂隙、层面、小断层裂隙块状或中厚层结构30.4～0.2好镶嵌碎裂结构一般中、薄层状结构破碎30.4～0.2差各种类型结构面裂隙块状结构0.2一般或差碎裂状结构极破碎无序很差散体状结构注：平均间距指主要结构面（1～2组）间距的平均值。2岩体完整程度的定量指标用岩体完整性系数(Kv)表达。Kv一般用弹性波探测值，若无探测值时，可用岩体体积节理数（Jv）按表3.2.2-2确定对应的Kv值。表3.2.2-2Jv与Kv对照表Jv(条/m3)33～1010～2020～35＞35Kv＞0.750.75～0.550.55～0.350.35～0.15＜0.153Kv与定性划分的岩体完整程度的对应关系，可按表3.2.2-3确定。表3.2.2-3Kv与定性划分的岩体完整程度的对应关系Kv0.750.75～0.550.55～0.350.35～0.150.15完整程度完整较完整较破碎破碎极破碎4岩体完整程度的定量指标Kv、Jv的测试和计算方法岩体完整性指标Kv，应针对不同的工程地质岩组或岩性段，选择有体表性的点、段，测试岩体弹性纵波速度，度应在同一岩体取样测定岩石纵波速度。按下式计算：Kv=(Vpm/Vpr)2式中：Vpm——岩体弹性纵波速度（km/s）Vpr——岩石弹性纵波速度（km/s）岩体体积节理数Jv（条/m3），应针对不同的工程地质岩组或岩性段，选择有代表性的露头或开挖壁面进行节理（结构面）统计。除成组节理外，对延伸长度大于1m的分散节理亦应予以统计。已为硅质、铁质、钙质充填再胶结的节理不予统计。每一测点的统计面积不应小于2m×5m。岩体值Jv应根据节理统计结果按下式计算Jv=S1+s2+……+Sn+Sk式中：Sn——第n组节理每米长测线上的条数；Sk——每立方米岩体非成组节理条数（条/m3）。3.2.3围岩基本质量指标（BQ）应根据分级因素的定量指标Rc值和Kv值，按式（3.2.3）计算：BQ=90+3Rc+250Kv（3.2.3）使用式（3.2.3）时，应遵守下列限制条件：1当Rc90Kv+30时，应以Rc=90Kv+30和Kv代入计算BQ值。2当Kv0.04Rc+0.4时，应以Kv=0.04Rc+0.4和Rc代入计算BQ值。围岩详细定级时，如遇下列情况之一，应对岩体基本质量指标（BQ）进行修正：1有地下水；2围岩稳定性受软弱结构面影响，且由一组起控制作用；3存在高初始应力。围岩基本质量指标修正值[BQ]，可按式（3.2.4）计算：[BQ]=BQ-100（K1+K2+K3）（3.2.4）式中：[BQ]——围岩基本质量指标修正值；BQ——围岩基本质量指标；K1——地下水影响修正系数；K2——主要软弱结构面产状影响修正系数；K3——初始应力状态影响修正系数。K1、K2、K3值，可分别按表3.2.3-1、表3.2.3-2、表3.2.3-3确定。无表中所示情况时，修正系数取零。表3.2.3-1地下水影响修正系数K1BQ地下水出水状态450450～351350～251250潮湿或点滴状出水00.10.2～0.30.4～0.6淋雨状或涌流状出水,水压0.1Mpa或单位出水量10L/min•m0.10.2～0.30.4～0.60.7～0.9淋雨状或涌流状出水,水压0.1Mpa或单位出水量10L/min•m0.20.4～0.60.7～0.91.0表3.2.3-2主要软弱结构面产状影响修正系数K2结构面产状及其与结构面走向与洞结构面走向与洞其它组合洞轴线的组合关系轴线夹角30°,结构面倾角30°～75°轴线夹角60°,结构面倾角75°K20.4～0.60～0.20.2～0.4表3.2.3-3初始应力状态影响系数K3BQ初始应力状态550550～451450～351350～251250极高应力区1.01.01.0～1.51.0～1.51.0高应力区0.50.50.50.5～1.00.5～1.0围岩极高及高初始应力状态的评估，可按表3.2.3-4规定进行。表3.2.3-4高初始应力地区围岩在开挖过程中出现的主要现象应力情况主要现象Rc/σmax极高应力1.硬质岩：开挖过程中时有岩爆发生，有岩块弹出，洞壁岩体发生剥离，新生裂缝多，成洞性差2.软质岩：岩芯常有饼化现象，开挖过程中洞壁岩体有剥离，位移极为显著，4甚至发生大位移，持续时间长，不易成洞高应力1.硬质岩：开挖过程中可能出现岩爆，洞壁岩体有剥离和掉块现象，新生裂缝较多，成洞性较差2.软质岩：岩芯时有饼化现象，开挖过程中洞壁岩体位移显著，持续时间较长，成洞性差4～7注:σmax为垂直洞轴线方向的最大初始应力。3.2.4各级围岩的物理力学参数宜通过室内或现场试验获取，无试验数据和初步分级时，可按表2.2选用(同铁路隧道)；岩体结构