隧道工程第3章-隧道主体结构

《隧道工程》第3章隧道主体结构第3章隧道主体结构3.3隧道衬砌材料3.4隧道洞身衬砌结构——重点/掌握3.5隧道洞门结构——重点/掌握3.6隧道明洞结构3.1隧道净空与界限3.2隧道衬砌断面设计3.1隧道净空与限界本节主要内容隧道净空与限界的概念隧道建筑限界的确定曲线隧道净空加宽隧道净空：隧道衬砌内轮廓线所包围的空间，根据“隧道建筑限界”确定的。隧道建筑限界：为了保证隧道内各种交通的正常运行与安全，而规定在一定宽度和高度范围内不得有任何障碍物的空间范围。3.1隧道净空与限界隧道净空与限界的基本概念3.1.1隧道净空与限界的基本概念3.1.2铁路隧道建筑限界3.1隧道净空与限界铁路隧道建筑限界机车车辆或超限货物车辆的接近限界隧道建筑限界隧道净空铁路建筑接近限界35603000356060003000850040001110121022501875轨面22502440（单线）4000140024402000100010001500150024402440（双线）行驶蒸汽机或内燃机车的单（双）线隧道限界3.1隧道净空与限界铁路隧道建筑限界6550400024403000425024403000425040004000850022501875111012102250轨面1250240020005501000150023001400（单线）1700100015002300（双线）新建或改建行驶电力机车的单（双）线隧道限界3.1隧道净空与限界铁路隧道建筑限界3.1.3公路隧道建筑限界建筑限界组成部分：行车道宽度(W)路缘带(S)侧向宽度(L)人行道(R)或检修道(J)当设置人行道时，含余宽(C)车道数3.1隧道净空与限界公路隧道建筑限界各级公路隧道建筑限界基本宽度（m）公路分类公路等级地形行车道宽度（单洞）W侧向宽度人行道R检修道(一侧)J隧道建筑限界净宽路缘带S余宽C设检修道或不设人行道设人行道汽车专用公路高速平原微丘7.500.750.500.7510.75重丘7.500.500.500.7510.25山岭7.500.500.250.759.757.000.500.250.759.25一级平原微丘7.500.500.500.7510.25山岭重丘7.000.500.250.759.25二级平原微丘8.00/0.250.759.25山岭重丘7.500.250.758.75一般公路二级平原微丘9.000.250.759.5010.5山岭重丘7.000.257.508.50三级平原微丘7.000.250.757.508.50山岭重丘7.000.257.508.50四级平原微丘7.000.257.50山岭重丘7.00/4.500.257.50/5.003.1.4曲线隧道净空加宽铁路隧道加宽原因3.1隧道净空与限界曲线隧道净空加宽3.1隧道净空与限界曲线隧道净空加宽3.1.4曲线隧道净空加宽铁路隧道加宽原因3.1隧道净空与限界曲线隧道净空加宽内2内2车辆长度（）车辆前后转向架间距（l）曲线半径（R）Dd内线路中心线车辆中心线d外单线铁路隧道加宽示意图；Rld821内单线铁路隧道加宽计算（1）车辆中间部分向曲线内侧的偏移l—车辆转向架中心距，取18mR—曲线半径，单位m)(405010081821cmRRd内则：3.1隧道净空与限界曲线隧道净空加宽)(1502cmEHd＝内（2）外轨超高使车体向曲线内侧倾斜偏移)(76.02cmRVEH—隧道限界控制点自轨面起的高度，cmE—外轨超高值，其最大不超过15cm，且150Earctgd内2系将相应的隧道建筑限界绕内侧轨顶中心转动角度：)(7.22cmEd＝内故可近似取3.1隧道净空与限界曲线隧道净空加宽RlLd822外)(44001008182622cmRRd＝外（3）车辆两端向曲线外侧的偏移L—标准车辆长度，我国为26m，则ERRERdddd7.2845044007.2405021＝＋＋外内内总则总加宽值：3.1隧道净空与限界曲线隧道净空加宽偏直线隧道中心线dd内隧道中心线加宽后加宽后d外内轮廓线直线隧道隧道内轮廓线2外内偏＝ddd（4）单线隧道(结构)中线与线路中线偏移距离3.1隧道净空与限界曲线隧道净空加宽)(21508450cmEHRd中)(8450cmRd中双线铁路隧道加宽计算d内及d外计算与单线加宽值相同当外侧线路外轨超高大于内侧线路外轨超高时H—车辆外侧顶角距内轨顶面的高度，取360cmE—外侧线路的外轨超高值，cm)(2.18450cmERd中故其余情况时:第1节隧道净空与限界曲线隧道净空加宽内轨顶面245+d内曲墙衬砌内轮廓直墙衬砌内轮廓内侧线路中线外侧线路中线245+d890+d400+d偏内d偏外d中外隧道中线2200中外内偏内－＋＝dddd2200中外内偏外＋＋＝dddd双线隧道中线偏移3.1隧道净空与限界曲线隧道净空加宽d－圆曲线地段隧道中线偏移距离；R－圆曲线半径。缓和曲线中点加宽断面缓和曲线起点直线断面缓和曲线中点缓和曲线终点隧道中线线路中线R圆曲线加宽断面22m13mdd/2曲线铁路隧道加宽平面设计3.1隧道净空与限界曲线隧道净空加宽公路隧道，当曲线半径≤250m时，应在曲线内侧加宽。公路隧道平曲线加宽取值参考相关教材。彭立敏主编《隧道工程》P33。公路隧道加宽设计3.1隧道净空与限界曲线隧道净空加宽思考题：1、确定隧道建筑限界需要考虑哪些因素？2、比较铁路隧道与公路隧道在建筑限界与曲线加宽等方面的异同？3.1隧道净空与限界思考题3.2隧道衬砌横断面设计本节主要内容隧道衬砌断面设计的主要内容和步骤铁路隧道衬砌断面设计公路隧道衬砌断面设计3.2.1隧道衬砌横断面设计1设计基本内容★内轮廓线★轴线★厚度2设计步骤★确定隧道类型相应建筑限界★根据围岩初步拟定截面厚度★断面优化、强度检算并评价内轮廓线3.2隧道衬砌断面设计隧道衬砌横断面设计2、设计内轮廓线的原则衬砌的内轮廓线应尽可能地接近建筑限界，力求开挖和衬砌的数量最小。衬砌内表面力求平顺，考虑衬砌施工的简便。3、隧道衬砌断面的轴线：应当尽量与断面压力线重合，使各截面主要承受压应力。(1)、当衬砌受径向分布的水压时，轴线以圆形最好；(2)、主要承受竖向压力或同时承受不大的水平侧压力时，可采用三心圆拱和直墙式衬砌；(3)、当承受竖向压力和较大侧压力时，宜采用五心圆曲墙式衬砌；(4)、当有沉陷可能受底压力时，宜加设仰拱的曲墙式衬砌。3设计注意事项★隧道内轮廓必须符合隧道建筑净空限界。★内轮廓线应尽量减小洞室的体积。★结构轴线应尽可能地符合压力线。★采用的施工方法能确保断面形状及尺寸有利于隧道的稳定。4设计目的★满足限界要求★满足受力要求★材料最省3.2隧道衬砌断面设计隧道衬砌横断面设计经验表明：承受径向分布的静水压力时，圆形承受竖向荷载为主，圆弧形或尖拱形承受较大侧压力，曲墙式衬砌底鼓压力，应施筑仰拱3.2隧道衬砌断面设计隧道衬砌横断面设计隧道中心线隧道内轮线轴线实际开挖线外轮廓线超挖-欠挖3.2隧道衬砌断面设计隧道衬砌横断面设计3.2隧道衬砌断面设计隧道衬砌横断面设计超挖欠挖5铁路隧道内轮廓线有统一的标准图。6公路隧道内轮廓线各地标准不同，有单心圆、坦三心圆和尖三心圆，标准不统一。2004年的《公路隧道规范》，建议了内轮廓的标准图：即拱部为单心圆拱，侧墙为大半径圆弧，仰拱与侧墙间用小半径圆弧连接。3.2隧道衬砌断面设计隧道衬砌横断面设计3.2隧道衬砌断面设计隧道衬砌横断面设计公路隧道与铁路隧道的主要区别：①铁路隧道建筑限界是固定统一的，而公路隧道的建筑限界则不定。②公路隧道的附属设施比铁路隧道多且要求高，且每一座隧道均会因交通流量和长度不同而要求不同。3.2隧道衬砌断面设计隧道衬砌横断面设计（单位：cm）（单位：cm）hbfaa213o道碴面内轨顶面ooorrrrbcφφφbo单线铁路隧道内轮廓的相关参数两车道隧道标准内轮廓断面a)标准断面b)紧急停车带断面R1-拱部圆弧半径R2-侧墙圆弧半径R3-侧墙与仰拱连接段圆弧半径R4-仰拱圆弧半径H1-路面至起拱线的高度H2-侧墙结构高度H2’-设仰拱时的侧墙结构高度（侧墙与仰拱连接点至起拱线的高度）q1-起拱线与R2的夹角q1’-设仰拱时起拱线与R2的夹角q2-隧道结构中心线与R4的夹角q3=90°-(q1’+q2)R5-紧急停车带拱部圆弧半径q4-半径为R5的拱部圆弧段夹角R1-拱部与侧墙连接段圆弧半径q5-半径为R1的圆弧段夹角。三车道隧道标准内轮廓断面a)标准断面b)紧急停车带断面R1-拱部圆弧半径R2-拱部与侧墙连阶圆弧半径R3-侧墙圆弧半径R4-侧墙与仰拱连阶段圆弧半径R5-仰拱圆弧半径H1-路面至起拱线的高度H2-侧墙结构高度H2’-设仰拱时的侧墙结构高度（侧墙与仰拱连接点至起拱线的高度）q1-起拱线与R3的夹角q1’-设仰拱时起拱线与R2的夹角q2-隧道结构中心线与R5的夹角q3=90°-(q1’+q2)q4-半径为R1的拱部圆弧段夹角q5-半径为R2的圆弧段夹角7衬砌截面厚度随所处地质条件和水文地质条件不同而有较大变化，并且与隧道的跨径，荷载大小，衬砌材料以及施工条件等有关。根据以往经验，拱圈可以采取等截面，也可采取在拱脚部分加厚20—50％的变截面。仰拱厚度一般略小于拱顶厚度。3.2隧道衬砌断面设计隧道衬砌横断面设计7衬砌截面厚度铁路规范规定衬砌截面最小厚度(㎝)建筑材料种类隧道和明洞衬砌洞门端墙、翼墙和洞口挡土墙拱圈边墙仰拱混凝土20202030片石混凝土5050浆砌粗料石或混凝土块303030浆砌块石3030浆砌片石5050单线铁路隧道拱顶厚度一般为30～60㎝双线铁路隧道衬砌拱顶厚度为40～80㎝。仰拱厚度一般稍小于拱顶的厚度。衬砌可以等厚，也可将拱脚和边墙较拱顶加厚20%～50%。3.2隧道衬砌断面设计隧道衬砌横断面设计3.3隧道衬砌材料本节主要内容隧道衬砌材料的要求隧道衬砌材料的种类隧道衬砌材料的选用修建隧道衬砌的材料，应具有足够的强度和耐久性；在某些环境中，还必须具有抗冻、抗渗和抗侵害性；此外，还应满足就地取材，降低造价，施工方便及易于机械化施工等要求。3.3.1衬砌材料要求3.3隧道衬砌材料隧道衬砌材料要求3.3隧道衬砌材料隧道衬砌材料要求1混凝土与钢筋混凝土混凝土强度等级，对于直墙式衬砌不低于C15，曲墙式衬砌及Ⅳ级围岩直墙式衬砌不低于C20.钢筋混凝土材料主要用在明洞衬砌及地震区、偏压、通过断层破碎带或淤泥、流砂等不良地质地段的隧道衬砌中，其强度等级不低于C20。在特殊情况下可采用旧钢轨或焊接钢筋骨架进行加强。3.3.2衬砌材料种类优点：整体性和抗渗性好，便于机械化施工；缺点：不能立即承载，需较多的模板。3.3隧道衬砌材料隧道衬砌材料的种类2喷射混凝土喷射混凝土材料用在喷锚支护中，早期强度和密室性较高，能很快支护围岩。水泥标号不低于325号，并优先选用普通硅酸盐水泥;细骨料采用中砂或粗砂，砂的含水率宜控制在5%～7%;粗骨料采用卵石或砾石，粒径不应大于15mm。3.3隧道衬砌材料隧道衬砌材料的种类3锚杆、钢架、钢筋网锚杆杆体直径宜为20～32mm，用的水泥砂浆强度不低于M20，常和喷射混凝土一起使用，即喷锚支护。钢架是为了加强支护刚度，在初期支护和二次衬砌中放入的型钢(H型、工字钢等)或格栅钢架(又叫花钢拱)，也可用钢管或钢轨。钢筋网材料采用HPB235，直径为6～12mm，常放在喷射混凝土中。3.3隧道衬砌材料隧道衬砌材料的种类4片石混凝土为了节省水泥，在岩层较好地段的边墙衬砌，可采用片石混凝土（片石的掺量不应超过总体积的20％）。此外，当起拱线以上1m以外部位有超挖时，其超挖部分也可用片石混凝土进行回填。选用的石料要坚硬，其抗压强度不应低于30MPa，严禁使用风化片石，以保证其质量。现在要求必须用同等强度的混凝土回填。3.3隧道衬砌材料隧道衬砌材料的种类5块石或混凝土块块石强度不低于MU60，混凝土强度等级不低于MU20。优点