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隧道工程讲义第一讲绪论一、隧道的基本概念及工程概述隧道的施工方法，隧道的支护结构，隧道的防排水系统，隧道的附属结构，隧道的路基。二、隧道的种类及其作用1.隧道的定义：1970年OECD（世界经济合作与发展组织）隧道会议从技术方面将隧道定义为：以任何方式修建，最终使用于地表面以下的条形建筑物，其空间内部净空断面在2m2以上者均为隧道。2.隧道的种类：1）地质条件：土质隧道和石质隧道2）埋置深度：浅埋隧道和深埋隧道3）横断面积大小：极小断面隧道（2~3m2）；小断面隧道（3~10m2）；中等断面隧道（10~50m2）；大断面隧道（50~100m2）；特大断面隧道（100m2）4）隧道长度：短隧道（铁路隧道规定：L≤500m；公路隧道规定：L≤250m）；中长隧道（铁路隧道规定：500mL≤3000m；公路隧道规定：250mL≤1000m）长隧道（铁路隧道规定：3000mL≤10000m；公路隧道规定：1000mL≤3000m）特长隧道（铁路隧道规定：L10000m；公路隧道规定：L3000m）5）隧道所在的位置：山岭隧道；水底隧道和城市隧道6）用途：交通隧道；水工隧道；市政隧道；矿山隧道3.隧道的作用1）交通隧道：铁路隧道；公路隧道；水底隧道；地下铁道；航运隧道；人行地道。2）水工隧道：引水隧道；排水隧道；导流隧道或泄洪隧道；排砂隧道。3）市政隧道：给水隧道；污水隧道；管路隧道；线路隧道；人防隧道。4）矿山隧道：运输巷道；给水隧道；通风隧道。三、隧道的发展历程1.隧道工程的历史隧道的生产和发展过程与人类的文明历史相呼应的，大致可以分为四个时代：第一个时代：原始时代，公元前3000年前的新石器时代，主要用兽骨等工具开挖出洞穴而加以利用。第二个时代：古代时期，公元前3000年到5世纪止，文明黎明时代，这是一个为生活和军事防御目的而利用隧道的时代。例如：我国长沙的楚墓，洛阳的汉墓等，埃及金字塔的地下工程建设，古代巴比伦王朝修建的一条1km长的横断幼发拉底河连接宫殿和寺院的水底隧道。罗马时代也修建了很多隧道，有的至今还在使用。第三个时代：中世纪时代。约从5世纪到14世纪的1000年左右。这个时期为欧洲文明的低潮时期，但是由于对金属的需求，进行了矿石开采。第四个时代：近代和现代。从16世纪以后的产业革命开始的时代。由于炸药的发明和应用，加速了地下工程的发展。如：矿物开采、运河隧道、地下铁道、上下水道等，使地下空间利用的范围迅速扩大。3.我国隧道工程的发展和成就A.长隧道B.不良地质条件下修建的隧道4.国外隧道的发展情况地铁，轻轨，联合掘进机，欧洲预切施工法，冻结法，日本静态破碎剂进行安全无公害爆破，地下工程沉陷问题已经取得了可喜的成绩。总体来看，隧道结构还比较粗大厚实，施工环境恶劣，工人劳动强度大，工程进度较和工程造价较高。围岩性质还没有摸透，施工技术水平和管理方法还比较落后，人力和物力的消耗和浪费都较大。第二讲隧道勘测隧道勘测1.隧道勘测的一般规定1）制定勘测计划2）勘测资料应完备3）勘测的两个阶段（设计阶段的勘测和施工阶段的勘测）4）评价隧道工程对环境可能造成的影响。2.调查测绘1）隧道工程调查的内容（1）自然概况（2）工程地质特征（3）水文地质特征（4）不良地质地段（5）地震基本烈度等级（6）气象资料（7）施工条件（8）工程环境评价报告2）地形、地质调查（1）施工前各阶段的地形与地质调查内容（2）施工中地质调查应完成的任务（3）施工前三阶段勘察的目标内容a.可行性研究勘察（包括预可行性研究和工程可行性研究）b.初步勘察（选择隧道位置和初步确定围岩类别）c.详细勘察d.水文勘察3）详勘应提供的资料，即隧道工程测绘遵守的规定（1）按设计阶段要求搜集或测绘地形图、纵断面图、横断面图；（2）测绘资料的图纸内容需反映隧道所在地的工程地质和水文地质情况；（3）在隧道洞口和辅助坑道口的附近，按规定设置必要的平面控制点和水准点；（4）测绘资料符合规定的精度要求。4）长隧道、特长隧道和地质条件复杂的隧道调查工作查明区域地质构造及工程地质、水文地质条件。5）设计阶段地质调查6）施工阶段地质调查A．核定地质构造、岩性等，判断有无地下水；、B．及时预测和解决施工中遇到的工程地质及水文地质问题；C．为验证修改设计提供依据。每次爆破以后开挖工作面观察并素描的主要内容有：a.地层、岩石分布、岩层走向、倾角；b.固结程度、风化及变质程度、软硬程度；c.裂隙方向及频率、充填物及性质；d.断层位置及走向、倾角、破碎程度；e.涌水位置及涌水量；f.坍塌位置及形态。7）工程评价及处理措施A．围岩自稳性；B．隧道涌水量、涌水压力、突然涌水等；C．岩土膨胀压力；D．滑坡、偏压；E．围岩状态和土压特性；F．高地应力区应力场；G．瓦斯、岩溶、人为坑洞等。第三讲隧道位置的选择一、概述根据地形条件，在绕行方案、路堑方案、隧道方案等比较中，选择线路平缓顺直、病害少、维修简单、缩短线路、节省运输时间，并且最大限度地减少道路修建对自然植被的破坏。隧道位置选择的原则：二、按地形及地质条件进行选择洞身位置1.按地形条件进行选择1）高程障碍：（1）绕行方案优点：工程容易，工期较短，工程费用也较少。缺点：势必延长路线，增加日后长期的运程；路线弯道增多，曲线半径也可能减少，对后续技术改造带来困难。从长远利益来看，这一方案不可取。（2）深堑方案优点：展线长度比绕行方案略短。缺点：急弯陡坡仍然很多。（3）隧道方案优点：它能使线路平缓顺直，缩短运程，战争时期将是良好的掩护所。缺点：修建隧道可能工程要大一些，工期也会长一些，造价也可能更大。2）平面障碍（1）沿河傍山绕行方案（2）越岭隧道直穿方案2.按地质条件进行选择1）单斜构造与隧道位置的选择单斜构造的岩层大体平行且有同一倾角。常见的工程地质问题为不均匀的地层压力、偏压、顺层滑动等现象，故隧道中线以垂直走向穿越最为有利。（1）水平或缓倾角岩层（2）陡倾角岩层（3）直立岩层2）褶皱构造与隧道位置的选择3）断裂构造、接触带与隧道位置的选择4）不良地质的影响在地质条件进行隧道位置选择时，最重要的影响因素是不良地质。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、褶皱、涌水及第四纪堆积层等不良地段。（1）滑坡地区A．采用隧道避开滑坡时，应使隧道洞身埋藏在滑床（可能活动面）以下一定厚度的稳固地层中，以确保施工及运营过程中滑坡滑动时不致影响隧道安全；当隧道通过古滑坡体时，应充分预计到不致因施工开挖和运营中认为因素导致古滑坡体的复活。B．当隧道或明洞必须通过滑坡体时，应在查明滑坡的成因、性质、类型、构造的基础上，采取上部减载，下部支挡，抗滑桩（墙），地表及地下排水，加强衬砌结构等工程措施，在能确保滑坡稳定的情况下，才允许隧道或明洞通过。C．当隧道穿山坡进洞，通过不稳定并有软弱夹层的岩体时，多有引起山体滑动的可能。当隧道通过时，宜避开软弱面（夹层）而将其置于可能滑动面以下一定深度处并应有足够的覆盖厚度，对可能产生的危害必须采取相应的工程措施，以防患于未然。（2）岩堆、崩塌、错落、堆积层以及危岩落石地区（3）泥石流当采用隧道与明洞方案比较时，一般以隧道方案通过较为安全可靠，在决定隧道位置时应使洞身置于基岩中或稳定的地层内，其顶板覆盖厚度应充分考虑如下因素对隧道产生的最不利影响：A．预计河床（主河谷和本沟）最大下切及侵蚀基准面对隧道的影响；B．泥石流可能的改道和变迁对洞身的影响；C．充分预计隧道防排水的处理难以达到要求或泥石流沟床顶板塌顶等危害最不利情况时的影响；D．施工爆破可能带来的危害，如顶板塌陷引起超载等对施工、衬砌结构安全等的影响。（4）溶洞地区（5）瓦斯地区（6）黄土地区5）不良水文地质影响（1）地下水（2）地温三、按线路类别进行选择1．越岭线上隧道位置的选择越岭线路的特点是要克服很大的高差，线路长度和平面位置又取决于线路纵坡。越岭隧道主要应解决的问题是：垭口的选择、过岭高程的确定、垭口两侧线路展线方案的布局，这三者是相互联系又相互影响的。跨越分水岭是无法绕行的，惟一的方法就是以隧道通过。选择越岭隧道的位置时，应在附近较大范围内，对各个垭口普遍进行调查，弄清各个垭口的高程和垭口处的地质和水文地质条件。还要对垭口两侧的沟谷地势，山体厚薄，山坡台的分布情况，做出详细的调查。然后，选择一个最恰当的垭口把隧道定在最合适的高程上。1）隧道平面位置的选择垭口：当线路必须跨越分水岭时，分水岭的山脊线上总会有一些高程较底处，称之为垭口。垭口是选定越岭隧道线路方案的控制点。选择垭口时，可由面到线，由线到点，由近到远，由底到高，寻找可能穿越的各个垭口进行研究。…….除了考虑平面位置外，还要考虑垭口两端沟谷的分布情况和台地的开敞程度，主沟高程是否相差不大和沟谷是否靠近，以便设计必要的展现。2）隧道立面位置的选择2．河谷线上隧道位置的选择第四讲隧道方案比较和隧道洞口位置的选定一、隧道方案比较（一）隧道方案与明堑比较1.经济和技术上的比较2.安全条件比较（二）隧道方案与跨河建桥方案的比较（三）双线单隧道和单线两隧道的比较（四）长隧道与短隧道群方案的比较（五）对相关工程的考虑二、隧道洞口位置的选定（一）选择洞口位置的原则几点经验：1.洞口应尽可能地设在山体稳定、地质比较好地下水不太丰富的地方。避开不良地质，如遇不良地质地段，宜早进洞或加接明洞，还可以设柔性钢丝网防护，对于有些大型危石或集中落石地区，根据具体情况分别采用清除、支顶、锚杆、锚索加固等措施处理，保证隧道运营安全。2.洞口不宜设在垭口沟谷中心或沟底低洼处，不要与水争路。洞口最好放在沟谷一侧，让出沟心，流出泄水的通路。3.洞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，洞门结构物不至于受到偏侧压力。切忌隧道中线与地形等高线平行。4.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，并加上波浪高度，以防洪水倒灌到隧道中去。5.为了保证洞口的稳定和安全，边坡及仰坡均不宜开挖过高，不宜使山体扰动太甚，也不宜新开出的暴露面太大。6.若洞口附近遇有水沟或水渠横跨线路时，应慎重处理，当线路横沟进洞时，设置桥涵净空不宜太小，以免后患。7.若洞口前方岩壁陡立，基岩裸露，此时，最好不刷动原生坡面，不挖开山体。可以贴壁进洞，只把洞门墙留出一定的空挡，用以挡截小量的剥落碎块即可。8.洞口以外必须留有生产活动的场所。（二）用作图方法确定进洞里程和洞口边、仰坡开挖线。第五讲隧道平纵断面设计和净空断面横断面设计一、公路隧道的平面线形和纵断面线形（一）隧道的平面设计隧道的平面线形除应满足《公路工程技术标准》规定以外，还应考虑到由于隧道内的运营和养护条件比洞外明线差的特点，应适当提高线形标准。当必须设置曲线时，其半径也不宜小于不设超高的平面曲线半径。有两个问题应当引起注意：小半径曲线，超高。如果设置小半径曲线，会产生视距问题，为确保视距，势必要加宽隧道断面。设置超高时，车辆倾斜，也会导致断面的加宽。隧道断面加宽，一方面要增加工程费用，另一方面使施工变得困难。加宽后的断面不统一，以及不同断面之间的相互过渡都给隧道施工带来困难。由于隧道内一般是禁止超车的，只能采用停车视距，设计时根据停车视距可以换算出设置曲线时的不加宽最小平面曲线半径。曲线隧道即使不加宽，在测量、衬砌、内装、吊顶等工序上也会变得复杂。此外，曲线隧道增加了通风阻抗，对自然通风不利。单向行驶的长隧道，如果在出口一侧放入大半径平曲线，面向驾驶者的出口墙壁亮度是逐渐增加的。尤其是当出口处阳光可以直接射入，以及洞门面向大海等亮度高的场合，此时曲线线形反而是设计所希望的。如果长大隧道需要利用竖井、斜井通风时，在线形上应考虑便于设置。（二）隧道纵断面设计公路隧道的纵坡以不妨碍排水的缓坡为宜。隧道内线路坡度可设置为单向坡（越岭线路的展线及沿河线隧道中）或人字坡（越岭隧道）。（优缺点：施工，通风，排水）控制隧道纵坡主要因素之一是通风问题，一般把纵坡控制在2%为好。（为何？）当隧道采用单坡时，纵坡不宜大于3%。