隧道工程 前四章教案

绪 论

1.隧道的基本概念和作用

⑴隧道

隧道是一种地下工程结构物，通常是指修筑在地下或山体内部，两端有出入口，供车辆、行人、水流及管线等通过的地下通道。

隧道工程是指从事研究和建造各种隧道的规划、勘测、设计、施工和养护的一门应用科学和工程技术，它是土木工程的一个分支。 ⑵隧道的分类

①按围岩性质分：山岭隧道（岩石隧道），软土隧道。 ②按用途分：

交通隧道：铁路隧道，公路隧道，地铁隧道，航运隧道，人行隧道等。 矿山隧道：运输巷道，通风巷道，水仓，各类硐室等。 水工隧道：引水隧道，尾水隧道等。 市政隧道：污水隧道，管线隧道等。 ⑶隧道的构成

①主体建筑物：洞身衬砌、洞门。

②附属建筑物：通风、照明、防排水、安全设施等。 ⑷本课程的主要教学内容

公路隧道、铁路隧道，包括隧道勘测设计，隧道施工技术和运营管理等基本知识。

2.隧道工程的发展

⑴最早的隧道

世界：古代文明时期（公元前2180～2160年前后） 古巴比伦城 幼发拉底河下修筑的人行隧道； 公元前36年，意大利婆西里勃隧道。 中国：东汉明帝永平九年（公元66年） 陕西省汉中县褒谷口内，“石门”隧道； 宋末元初，安徽亳州古地下道。 ⑵最长的隧道

世界：戈特哈尔德隧道全长57.600km，超过日本青函海底铁路隧道53.850 km纪录）；

挪威洛达尔公路隧道：24.500 km.

中国：西康铁路秦岭铁路隧道：18.400+19.500 km； 太行山隧道：27.839km；

渝长公路铁山坪公路隧道：5.424 km； 正在建设的辽宁引水隧道长度85.300km。

⑶最高的隧道

中国青藏铁路风火山隧道：1.333 km，海拔4905m。 该隧道创多项世界之最： ①海拔最高：+4905m；

②覆盖层最薄：局部仅 3m , 最大100m； ③地质条件最差.

④冰冻区最长、冻土层最厚：150m；

集含土冰层、饱冰冻土和千年冰川于一体的永冻土隧道。 ⑷隧道的展望

世界：日韩隧道正在筹划：

日本下关—韩国釜山，长度约100公里； 中国：渤海湾隧道：

烟台—大连，长度约80公里； 台湾海峡隧道：

北线、中线和南线三个方案，长度120～150公里。

3.隧道工程施工技术

⑴古代隧道施工技术 人工开凿，劳动强度大。 ⑵近代隧道施工技术

火药的发明使隧道施工技术得到了一定的发展。 炸药的发明和应用使隧道施工技术得到了迅速发展。 ⑶现代隧道施工技术

钻眼机械和爆破技术的应用使隧道施工机械化得到了普遍的应用。 隧道施工机械化掘进是目前隧道施工的主要发展方向。 ⑷隧道施工技术展望

钻爆技术将不断得到改进和完善。

TBM法将是隧道施工技术的未来发展方向。

4.《隧道工程》课程学习和考核方法

⑴《隧道工程》课程学习方法

注意理论和实践相结合，在课堂听课的基础上，通过阅读大量参考文献来充实学习内容。 通过作业或思考题等进行练习和复习所学内容。

教师通过质疑等方式了解学生学习情况，及时帮助学生掌握所学内容。 ⑵《隧道工程》课程考核方法

本课程平时采用作业、考勤、质疑等方式对平时学习进行考核。 本课程采用课程报告进行考核。

本课程成绩＝平时考勤×30％＋课程研讨×20％＋课程报告×50％。

5.《隧道工程》参考文献

a) 王毅才．隧道工程．北京：人民交通出版社 b) 陈秋南．隧道工程．北京：机械工业出版社 c) 冯卫星．铁路隧道设计．成都：西南交通大学出版社 d) 翁家杰．地下工程．北京：煤炭工业出版社 e) 公路隧道设计规范．北京：人民交通出版社 f) 公路隧道施工技术规范．北京：人民交通出版社 g) 铁路隧道技术规范．北京：中国铁道出版社

h) 铁路工程设计技术手册《隧道》．北京：中国铁道出版社 i) 现代隧道技术，期刊

1 隧道结构与设计

1.1 隧道勘测设计

1.1.1 隧道勘测设计程序

1.三阶段勘测设计工作程序 2.二阶段勘测设计工作程序 3.一阶段勘测设计工作程序 4.勘测设计程序选择

※ 对地形地质情况复杂，工程规模宏大，技术要求高、施工困难的工程项目，采用三阶段勘测设计程序。? ※ 对于工程规模一般、地形地质比较简单、施工技术不复杂，采用两阶段勘测设计程序。? ※ 对于工程简单、施工容易、原则明确，地形地质明了，采用一阶段勘测设计程序。?

1.1.2 隧道勘测设计内容

1.隧道的工程调查 ⑴文献资料收集

地形资料，地质资料，工程资料，气象资料，其他资料。 ⑵地形地质的调查 初步调查，地质详查。 ⑶气象调查

包括降雨、降雪、气温、风向、风速、雾、雪崩、洪水等。 ⑷环境调查

自然环境、地物、生活环境等。 ⑸施工条件调查

施工设备、施工条件、工程条件、国家及地方各种法令法规、有关手续等。 2.隧道定位及洞口位置选择 ⑴隧道定位

在多个方案中，通过技术、经济比较而最终确定。 确定步骤：首先在1:50000～1:25000地形图上比较确定；

然后在1:5000地形图上比选确定。

规模较小时，可直接在1:5000地形图上比选。 比选考虑的因素：经济合理，技术可行，符合实际。

方案比较要点：线形适当(平面顺适、纵坡均衡、横面合理)，顺应地形，施工容易，协调环境。 ①设置越岭隧道

理想的越岭线路位置是：偏离主线路方向较小、距离短、线路顺直、选用垭口标高与主线路高差小、两侧展线少、主要技术指标和地质条件都较好的位置。

垭口选择：隧道位置通常是选在接近线路控制点间航空距离最短、高差最小和两端引线的地形、地质条件等都较好的垭口处。

标高选定：全面衡量，从技术和经济两方面，尤其是在今后长远运营条件上，做出综合的比较，以作出合理的决定。 ②设置傍山隧道

傍山隧道又称河谷隧道，理想的傍山线路位置是：确保傍山隧道外山体边坡的稳定，最大限度地缩短隧道长度。

平面定位：根据山体岩石稳定性确定隧道位置，基本原则是“宁里勿外”，并注意控制隧道长度。 标高确定：满足桥隧的合理连接和泄洪等要求。 ③城市水底隧道

考虑城市港湾和河流有航运要求，需要设置城市水底隧道。一般根据城市道路发展的规划、旅游等要求。线路设计应保证线形、坡度、视距等相关要求。 ⑵隧道线形

①隧道平面线形以采用直线或大半径曲线为好； ②隧道纵坡通常不应小于0.3%，并不大于3%； 考虑通风时，最大纵坡应在2%以下。 根据施工方向，纵坡可设为一面坡或人字坡。 ③隧道引线应采用通视好的线形，纵坡与隧道一致。 ⑶洞口位置

①洞口部分通常岩石条件不稳定，因此洞口位置应考虑避开滑坡、崩塌、泥石流等不良地质段； ②洞口位置不应设在沟谷低洼处和汇水处； ③在隧道穿过悬崖陡壁时，应注意岩壁的稳定性； ④洞口地形平缓时，一般也应早进洞、晚出洞。

3.公路隧道几何设计 ⑴平面线形

根据《公路工程技术标准》规定进行设计，同时应照顾隧道的特点。

平面线形原则上采用直线，避免曲线，必须设置曲线时，其半径不宜小于不设超高的平面曲线半径，并应符合视距要求。 ⑵纵断线形

隧道纵坡以不妨碍排水的缓坡为宜。

公路隧道控制坡度的主要因素是通风问题，一般在2％以下，大于3％是不可取的。 不存在通风问题的隧道，可以按普通道路设置纵坡。 为考虑排水，隧道不应采用平坡，一般用0.3～0.5％的坡度。 ⑶净空断面

隧道净空是指隧道衬砌的内轮廓线所包围的空间。它包括公路建筑限界、通风及其他所需要的断面积。

隧道公路建筑限界和横断面

各级公路隧道建筑限界基本宽度 (单位: m)

公 路 分 类 公 行车道宽度 路 地 形 等 W 级 平原微丘 高 汽 车 速 专 用 公 路 一 级 二 级 一 般 公 二 级 三 平原微丘 山岭重丘 平原微丘 山岭重丘 平原微丘 山岭重丘 平原微丘 山 岭 7.00 7.50 7.00 8.00 7.50 9.00 7.00 7.00 0.50 0.50 0.50 / 0.25 0.50 0.25 0.25 0.25 0.25 0.75 0.25 0.25 0.75 7.50 7.50 8.50 8.50 0.75 0.75 0.75 0.75 0.75 9.25 10.25 9.25 9.25 8.75 9.50 10.50 7.50 0.50 0.25 0.75 9.75 重 丘 7.50 0.50 0.50 0.75 10.25 7.50 0.75 0.50 R 0.75 10.75 (单洞) 路缘带S 余 宽C 道 J 不设人行道 行道 行 (一侧) 设检修道或设人 侧向宽度 人 检修道隧道建筑限界净宽 路 级 四 级 山岭重丘 平原微丘 山岭重丘 7.00 7.00 7.00/4.50 0.25 0.25 0.25 7.50 7.50 7.50/5.00 8.50

①隧道数目与车道数目

一般为对向两车道；交通量大时可采用两条隧道，每个隧道内为单向一车道； 不宜设置对向交通的三车道；

大于四车道时，应修建多个隧道，每个隧道内各为单向两车道。 ②隧道内错车场

单车道隧道，距离较长时，应在洞口两端设置错车场。短隧道在进口能看到出口时，在洞口两端设置错车场。

③隧道内加宽带

长隧道（超过2km），一般在150～170m的间隔上设置加宽带，其宽度为2.5m，长度为25m。 ④隧道内自行车道和人行道

一般隧道，尤其是1.0km以下的隧道，考虑行人和自行车，人行道宽度0.75或1.0m，自行车宽度1.0m。有迂回路时，自行车和人不应通过隧道。 ⑤隧道联合布置

特殊条件下，隧道内可考虑行车道、人行道、自行车道、通风管道、电缆管线等联合布置，以充分利用隧道断面。 ⑷断面设计 ?衬砌内轮廓线

根据隧道净空断面要求确定。 ?衬砌外轮廓线

根据内轮廓线和衬砌厚度确定。 ?实际开挖线

根据外轮廓线和开挖误差要求确定。 ⑸平行隧道或其他结构物间距 平行隧道的中心距

若将地层作为完全弹性体时，其距离为最大开挖宽度的两倍。 在粘土等软土地层中，其距离一般为开挖宽度的五倍。

实际设计时还要考虑施工方法的影响。钻爆法大一些，机械掘进法小一些。 ⑹隧道引线

隧道洞口以外的引线部分，设计应保证有足够的视距，另外应考虑接近洞口的桥梁、路堤等的要求。 4.公路隧道勘测设计文件内容 1)沿线隧道概况 2)工程地质

3)气象、环境和有关法令政策 4)施工条件

5)隧道方案（2个以上） 6)通风、照明、排水方案建议 7)存在问题及解决方法

8)隧道线路方案平面图，方案比较说明

9)隧道线路地质平面图、地质构造、水文、地物、地貌 10)隧道纵断面图 11)洞口地形平面图 12)洞口纵、横断面图 13)辅助坑道等地形 14)明洞纵、横断面图 15)长大隧道分工点施工说明

1.2 隧道结构构造

公路隧道结构构造由主体构造物和附属构造物组成。

主体构造物是为了保持岩体稳定和行车安全而修建的人工永久建筑物，一般指洞身和洞门构造物。 附属构造物是为了运营管理、维修养护、给水排水、供电、通风、照明、通讯、安全等而修建的构造物。

1.2.1 隧道衬砌结构

1.现浇混凝土整体式衬砌

目前应用最广泛的隧道衬砌结构，对地质条件适应性强，易于成形，适合多种施工方法，承载能力大，必要时还可以加入钢筋。具体有两种形式：直墙式和曲墙式。

直墙式：R1>R2: 坦三心拱； R1

隧道装配式衬砌结构，主要用于软土隧道盾构法施工时的衬砌支护，其强度大，承载能力好。 3.锚喷衬砌

锚喷衬砌结构，主要用于山岭隧道施工第一次支护，一般都必须结合二次衬砌（支架、混凝土）等。 锚喷衬砌类型有：喷混凝土、喷混凝土加锚杆、喷混凝土加锚杆加金属网。 4.砌块衬砌

砌块衬砌结构，主要是料石和混凝土块，用于山岭隧道衬砌，一般其围岩条件较好，或隧道规模较小的情况。 5.矩形衬砌

矩形衬砌结构，主要采用钢筋混凝土结构，目前主要用于明挖隧道衬砌，沉管隧道管段预制等。 6.衬砌材料

混凝土、钢筋混凝土、喷射混凝土、锚杆、料石等。

1.2.2 隧道洞门结构

1.端墙式洞门

用于岩石稳定的IV类以上围岩和地形开阔地区。

2.翼墙式洞门

用于地质条件较差的III类以下围岩。 3.环框式洞门

用于洞口岩石坚硬、整体性好、路堑稳定，无较大排水要求的情况。 4.遮光棚式洞门

隧道洞口需要设置遮光棚时，结合遮光棚修建洞门。 一般有开放式和封闭式两种。 5.建筑物洞门

隧道洞口与建筑物相结合，可以结合建筑物修建洞门，其形式多样。

1.2.3 隧道明洞结构

1.拱式明洞

?路堑式拱形明洞 ?半路堑式拱形明洞 2.棚洞

1.2.4 隧道内装、顶棚及路面

1.内装

要求：保持墙面亮度，提高能见度，吸收噪声。 内装材料：

?应当光洁、颜色明亮、减少眩光； ?不易污染、容易清洗； ?美观、便于更换和修复； ?吸收噪声。 常见内装材料：

?块状混凝土材料，（用于一般情况、且要求不高）

?饰面板、镶板等质地致密材料，（无污染、易清洗、吸噪声） ?瓷砖镶面材料，（效果较好）

?油漆材料，（对衬砌表面要求高，且不能吸收噪声） 2.顶棚

是背景的一部分，设置好可增加路面亮度。

自然通风，可采用拱顶：半横向或全横向通风，可采用平顶。 3.路面 基本要求：

应具有抵御水的冲刷和含有化学物质的侵蚀能力； 路面坡度应利于迅速排除清洗用水； 要保持横向抗弯，确保车体稳定； 容易修补；

路面反射率高，颜色明亮，以获得良好的照明效果。 路面材料： 混凝土和沥青 4.噪声的消减

影响噪声的因素有：

车速、车流组成、交通量、坡度、车辆技术状态等。 噪声的消除方法： 设置吸声材料。

1.2.5 隧道附属设施

主要内容：

通风设施、照明设施、安全设施、防排水设施等。 1. 紧急停车带的设置

隧道内一般500～800m设置一处。汽车专用隧道取500m。混合交通隧道可取800m。

紧急停车带的有效长度，一般考虑全挂车可以进入需20m，最低值为15m。宽度一般为2.5~3.0m。隧道内的缓和路段施工复杂，所以通常是将停车带两端各延长5m左右即可。 常见尺寸为2.5×25m。 2.防排水设施设置

设置原因：隧道漏水，路面积水。 设置方法：

隧道防水采用：“截、堵、排”综合治理的办法。 避：

从地质调查开始，避开富含水层地区。 截：

切断涌向隧道的水流，如设置截水沟，截水导坑等。 堵：

隧道内设置防水层，包括外敷防水层，内敷防水层，衬砌内表面喷射混凝土，在衬砌背后注浆等。 新奥法施工进行复合衬砌时，可采用夹层防水等。 排：

利用盲沟、泄水管、渡槽、中心排水沟或排水侧沟等排水。

1.3 公路隧道辅助设计

1.3.1 公路隧道通风设计

公路隧道通风设计所考虑的主要问题有： ?气中有害物质的容许浓度； ?新风量的确定方法； ?判断自然通风的能力； ?通风方式及通风设备选择。 1.空气中有害物质的容许浓度 有害物质主要是CO和烟雾。 ⑴CO的容许浓度

?①有人员的工作室或休息室为 24 ppm； ?正常营运时为 150 ppm；

?发生事故时，短时间(15分钟以内)为 250 ppm ⑵烟雾的容许浓度

概念：烟雾浓度用光的透过率表示。透过率是光线在污染空气中的透过量与在洁净空气中的透过量之比。

烟雾浓度 (k) 与透过率 (τ) 的关系为： k??lg?

隧道通风中，把 l =100m，τ取容许透过率，通过计算得出的 k 值称为烟雾容许浓度。

1l [k]??1lg[?] 100 我国公路隧道设计规范规定隧道内烟雾浓度容许值为： ①高速公路，一、二级公路隧道为：7.5×10－3(m－1)， ②三、四级公路隧道为：9.0×10－3(m－1)。 2.新风量计算

隧道内所需通风量，是根据稀释隧道内空气中的有害物浓度达到允许浓度时所需的新鲜空气量确定的。 ⑴隧道内稀释CO所需的新鲜空气量

QCO?K?fv?f1?fh?qCO?N?G?L?106?CO (m3/h)

式中 N—通过隧道的车辆高峰小时交通量，(辆/h)； L—隧道长度，km； δ

CO—允许浓度，ppm；

fv—速度修正系数：40-60km/h取1； 20km/h取1.15； 30km/h取1.05； 70km/h卡车取1.3，小车取1.15； 大于80km/h小车取1.25；

f1—坡度修正系数：坡度为0取1， 从0~3‰，每减少或增加1‰，f1减少或增加0.05； fh—海拔高度修正系数，按表2－6采用； G—车重，t；

K—风量附加系数，K=1.1～1.2；

qCO—汽车每吨公里一氧化碳产生量，m3/(t·km)。

汽车平均CO产生量，与汽车行驶的燃烧消耗率呈线性关系，其平均值为： mi?0.315f?0.019 式中 mi—汽油车的CO排放量，m3/km； f—燃料消耗率，l/km。

汽车每吨公里一氧化碳产生量： qCO?mi⑵隧道内稀释烟尘所需的新鲜空气量 QF?K?f1?fh?G

qr?G?D?L (m3/h)

k式中 D—柴油车密度，辆/km；D=M/V

M—柴油车所占百分比折算出的柴油车交通量，辆/h； V—隧道设计车速，km/h。

G—柴油车车重，t； qr—柴油车产烟量，m3/h·t； k—烟尘允许浓度，m1；

－

K、f1、fh、L意义同前。

比较QCO和QF，以其大者为隧道所需通风量。 3.通风风压计算

通风压力是克服隧道通风阻力，使空气在隧道中流动的动力。在隧道通风中通过计算通风阻力来确定通风压力，并作为选择通风方式及风机的依据。 通风阻力分为摩擦阻力和局部阻力。 ⑴摩擦阻力

摩擦阻力是风道周壁与风流互相摩擦以及风流中空气分子间的扰动和摩擦而产生的阻力。

LV2 Hm??? (Pa)

d2g式中 L—管道长度，m；

V—流体在管道中的平均流速，m/s； g—重力加速度，m/s2； γ—流体重率，N/m3；

λ—达西系数，决定于管道粗糙度，无因次(≈0.24)；

d—管道水力直径，m；d=S/U， S为风道断面积，m2；U为风道周长，cm。 摩擦阻力也叫沿程阻力。通常摩擦阻力要占总阻力的80～90%。 ⑵局部阻力

风流经隧道的某些局部地点——突然扩大缩小、转弯、交岔以及障碍物等，由于速度或方向发生突然的变化，导致风流本身产生剧烈的冲击，形成紊乱的涡流，造成这种冲击涡流的阻力即称为局部阻力。

V2 Hi??i? (Pa)

2g式中 ξi—局部阻力系数，隧道入口ξ入=0.5；出口ξ出=1；断面由S1(m)扩大到S2(m)，ξ大=(1?2

2

S12)；S2断面由S1(m2)缩小到S2(m2)，ξ风设计参考书给出。

小

=0.5(1?S13/4)；隧道转弯ξ转，分岔ξ汇、ξ分等局部阻力系数由有关通S2 局部阻力在总阻力中所占的比重与通风方式有关，纵向通风所占比重很小，一般在10～20%之间，因此不需单独计算，而是计算出摩擦阻力后，按经验考虑一个系数(增大10～20%)；在横向通风中，局部阻力就需要单独计算。 ⑶总阻力

总阻力=摩擦阻力＋局部阻力 4.通风方式选择

公路隧道通风方式主要有：

自然通风

机械通风

⑴自然通风

长度在200m以下，甚至200～500m的对向交通隧道，在一定的交通量以下可以考虑用自然通风。大体上可以用下列经验公式作为区分自然通风与机械通风的限界。 L·N≥600 采用机械通风 L·N＜600 采用自然通风 ⑵纵向式通风

纵向式机械通风是从一个洞口直接引进新鲜空气，由另一洞口把污染空气排出的方式。此时，隧道内沿纵向流动的空气速度，可以认为从入口至出口都是匀速的。这种方式，空气污染浓度，由入口向出口方向成直线增加。

全横向式 混合式

半横向式

排风式 送风式

纵向式 射流式 风道式和喷咀式 竖井排风式

纵向通风有多种型式，如射流式通风、风道式通风和集中排气式通风。纵向通风主要用于山岭隧道通风。

①射流式通风

射流式通风是在车道空间上方直接吊设射流式通风机，进行通风的方式。射流式通风，对向交通时一般适用于1000m以下的隧道，单向交通时，可达2000m左右。如果交通量小，即使隧道很长仍可运用。 射流式通风设备费用低,但噪声较大。 ②有竖井的纵向式通风

隧道机械通风所需动力与隧道长度的立方成正比，所以隧道越长就越不经济。因此可以在隧道中间设置竖井进行分段纵向通风。

对向交通的隧道，竖井宜设置在中间；单向交通时，则应稍靠近出口侧。

对向交通时，适用于3000m以下的隧道，单向交通时，适用1500m以下的隧道。 ③半横向式通风

新鲜空气经送风管直接吹向汽车的排气孔高度附近，对排气直接稀释，污染空气是在隧道上部扩散，经过两端洞门排出洞外。

半横向通风时，送风式的中性点多半移至入口之外。排风式的中性点，则靠近出口，污染浓度和对向交通时一样，中性点附近污染浓度最高。

半横向通风适用于3000m以下的隧道。但不能有效利用活塞作用。 ④全横向式通风

在长大隧道、重要隧道、水底隧道、城市隧道为了使隧道内不产生过大的纵向风速，采用全横向式通风。这种通风方式同时设置送风管道和排风管道，隧道内基本上不产生沿纵向流动的风，只有横方向的风流动。

全横向式通风方式，隧道内空气的污染浓度的分布沿全隧道大体上是均匀的。 全横向式通风方式造价较高，目前主要用于长大隧道、越江隧道、城市隧道等。 5.通风设备选择 ⑴通风机的类型

通风机有两类，即离心式通风机和轴流式通风机。

轴流式：体积小、风量大、风压低、噪音大、造价高，可倒转。 离心式：升压容易、噪音小、不能倒转。 ⑵通风机的选择

通风机选择是根据风量和风压，对应风机特性曲线进行选择，确定合理的功率及转数。

例：通过计算 风压为：400Pa，风量为50m3/s。如何选择风机？

可选择 风机口径:υ2500mm， 风机转数：400rpm，电机功率：40kW ⑶通风附属设备

主要内容是风道、风筒以及通风控制设施等。 6.中梁山隧道通风工程设计

成渝高速公路中梁山隧道由两条隧道组成，隧道海拔高度400m，隧道基本情况见下表：

隧道名称 中梁山隧道 右线 3103m 1.27％ 成都－重庆 根据隧道通风方式的适用条件：半横向式通风一般适用于长度为1000～3000m的隧道。 （一）技术标准 1.隧道内卫生标准 ⑴CO允许浓度

正常营运时，δCO＝150ppm；

交通阻塞时，短时间（15min）以内，δCO＝250ppm。 ⑵烟尘允许浓度

正常营运时，kCO＝0.0075m－1； 交通阻塞时，kCO＝0.0090m－1 。 2.隧道内纵向风速 Ve≤8m/s。

线别 左线 隧道长度 3160m 路线坡度 1.30％ 行车方向 重庆－成都

3.设计交通量

双洞昼夜交通量为20022辆/d，左右线单洞各为10011辆/d；设计小时交通量按日交通量的10％计，

即为1001辆/h。 4.设计行车速度

正常营运时， VT＝60 km/h； 交通阻塞时， VT＝10 km/h。 5.交通组成

小型车 18％， 大型车 82％； 汽油车 83％， 柴油车 17％；

满载车 75％， 空 车 25％。 （二）隧道内所需通风量（左线） 全隧道Q＝546m3/s

东西端区段风量Q’＝2×137m3/s ，风压1850Pa， 风机轴功率2×296kW。 （三）工程设计

中梁山隧道采用半横向式通风，在隧道拱部采用风渠送风，车道排风纵向流出洞外；在风渠中部设中隔板将全隧道拱部分成两个独立的通风区段，每个通风区段的吊顶板上每隔5m设一对送风口，并在每端设风机房一座，风机经外风道与风渠相连，布置如图。 （四）工程特点

1.隧道内一旦发生火灾时，送风机改为逆转而成为吸出式，同时火灾点附近的送风口闸门全部打开，其他的送风口闸门则关闭；这样，风流只能从火灾点附近的送风口进入风渠，从而防止了火灾蔓延。 2.由于只有一个专门的通风渠，其工程投资，设备费与营运管理费均较横向式低。

3.送风渠道和车道之间保持一定的压差，以抵销车辆活塞风和自然风的影响，从而保证了均匀送风，使得沿车道长度有害气体的浓度均匀分布。

4.存在问题是：不能有效运用活塞风；增设风渠使隧道断面增大而增加了工程量；出现火灾若风渠烧坏则通风系统被破坏，救援和恢复运营比较困难；通风工程土建施工复杂，工期较长。

1.3.2 公路隧道照明设计

公路隧道的照明，是为了把必要的视觉信息传递给司机，防止因视觉信息不足而出现交通事故。 黑洞效应和黑框效应是隧道照明主要考虑的问题。

对于能通视、交通量较小，行人密度不大的短隧道，可不设白天照明设施；长度超过100m的高速公路，一、二级公路隧道，应设置白天的照明设施。

1.照明区段的划分

隧道照明基本上可分为引入段、适应段、过渡段、基本段、出口段五个区段。各段长度是以在特定车速下考虑有2s时间的适应过程中汽车行走的路程确定的。

避免车辆驶进隧道时产生“黑洞效应”和驶出隧道时产生“黑框效应”，在隧道洞外设置植被或建筑物以降低洞外亮度, 这一措施称为减光措施，所设置的建筑物称为减光建筑。 ⑴引入段

在隧道照明区段中，引入段为进入洞口(设置减关建筑物时，则为其入口)的第一段，即进入隧道后前2s行驶的区间。 ⑵适应段

在进入隧道后的第二个2s内，亮度下降应在1/2以内，这个照明区段称为适应段，该段是让司机对引入段最低亮度有一个进一步适应的过程，为下一段剧烈变化做准备。 ⑶过渡段

介于适应段与基本段之间的照明区段称为过渡段。其任务是解决从适应段高亮度到基本段低亮度的剧烈变化给司机构成的不适应现象，使之能有充分的适应时间。 ⑷基本段

基本段照明的基本任务是满足司机在行车视距以远处能识别20×20×20cm2的试验物体的轮廓。

基本照明及夜间照明亮度

设计车速 / km/h 80 60 40 20及以下 路面平均亮度 / cd/m2 4.5 2.3 1.5 1.0 换算平均照度 / lx 混凝土路面 60 30 20 15 沥青路面 100 50 35 20 亮度曲线

基本段 出 口 段 引入段 适应段 过渡段 白天照明渐变梯度图（双向交通） 区段照明长度及路面最低亮度

设计车速 / km/h 80 60 40 20及以下 引入段 适应段 过渡段 亮度/ cd/m2 40~4.5 30~2.3 20~1.5 1.0 入口照明 区段总长度/ m 120 85 55 距离/ m 亮度/ cd/m2 距离/ m 亮度/ cd/m2 距离/ m 40 25 15 80 50 30 1.5 40 30 20 80~46 50~30 30~20 1.0 40 30 20 注：本表以洞外亮度4000cd/m2为基准。

2.照明设计 ⑴光源

第一代光源：白炽灯－－发光效率低，隧道中一般不采用。

第二代光源：荧光灯－－显色好，表面亮度低，有利于减少眩光，光线均匀，隧道中常用。 高压水银灯－－强点光源，在需要高亮度的 入口照明区可考虑常用。 第三代光源：金属卤化物灯

高压钠灯－－适合洞外广场使用。

低压钠灯－－高光效、强点光源，不能连续设置。

隧道中使用应选用功率小，布置小间距的办法。 ⑵灯具

包括光源与照明附件（灯罩）的总称。 灯具使用应能限制眩光；

灯具应有一定的保护角，以避免直接眩光。 灯具布置

可采用对称排列、交错排列和中间排列等。

灯具间隔S和悬挂高度H之间的关系为： 对称排列：S≤2.5H

交错排列和中间排列: S≤1.5H ⑶照明计算 ①逐点计算照度 Ep???sh2?ep

式中 Σep—各灯对P点产生的相对照度之和； α—所用灯具特定的系数，在等照度图上给出；

?s—每盏路灯光源的光通量，l m；

h—路灯的安装高度，m。 ②平均照度计算 Eav??Ep n式中 Ep—路面上有规律分布的每个点的照度， n—计算点的总数。

思考题

1.隧道勘测设计的主要内容是哪些？ 2.隧道洞口位置选择主要注意哪些问题？ 3.常用隧道的衬砌类型及适用条件如何？ 4.如何选择隧道通风设备？

5.我国道路隧道照明区段是如何划分的？

2 山岭隧道工程

2.1 隧道围岩分类与围岩压力计算

2.1.1 隧道围岩分类

岩石是经过地质作用形成的由一种或多种矿物组成的天然集合体。岩石可分为岩浆岩、沉积岩和变质岩三大类。

岩石中，由结构面切割出的完整块体称为岩块。 由岩块和结构面组成的复杂地质体称为岩体。

围岩是隧道周围的岩体或土体。未经人为扰动(如挖掘、开采等)的岩体称为原岩。开挖后隧道周围发生应力重新分布的岩体称为围岩。 1.影响隧道围岩稳定性的因素

① 围岩的完整状态，或围岩的破碎程度； ② 结构面的性质； ③ 结构面的组合状态；

④ 原始应力状态（自重应力，构造应力或地应力）； ⑤ 岩石本身的强度； ⑥ 地下水的影响； ⑦ 施工因素。

对围岩的理论研究表明，围岩本身具有一定的自承载能力，充分发挥围岩的自承载能力，会大大降低隧道支护成本。

隧道开挖后，适当控制围岩的变形，对隧道的维护具有重要的意义。 2.常用围岩分类方法

①以岩石强度或岩芯质量等单一指标为基础的分类方法； 普氏系数分类法

岩石质量指标(RQD)分类法 ②以岩体结构或构造为主的分类方法； 中科院地质研究所岩体分类 煤炭系统围岩分类

铁路隧道围岩分类 水工隧道围岩分类

③以结构面参数或声波参数为基础的分类方法； 节理岩体地质力学分类法， 日本新奥法设计阶段围岩分类 3.铁路隧道围岩分类 ⑴围岩分类 分类指标：

①围岩主要工程地质条件

包括岩石饱和抗压强度、层理、节理等结构面。结构特征和完整状态。 ②围岩开挖后的稳定状态

以单线铁路隧道(跨径5 m)开挖后的情况为标准。

③围岩弹性纵波速度

岩体的整体性越好，其弹性纵波速度越快。 划分情况： Ⅰ类：主要为土层；

Ⅱ类：主要为硬质土层及松散岩石； Ⅲ类：主要为软岩； Ⅳ类：主要为普通岩石； Ⅴ类：主要为稳定性较好的岩石； Ⅵ类：主要为稳定性好的硬质岩石。

铁路隧道围岩分类

围 岩 主 要 工 程 地 质 条 件 类别 主 要 工 程 地 质 特 征 完整状态 硬质岩石，饱和单轴抗压极限强度Rc>60MPa：受地质呈巨块状 Ⅵ 构造影响轻微，节理不发育，无软弱结构面(或夹层)；整体结构 层状岩层为厚层，层间结合良好 生岩爆 坍塌，可能产>4.5 (单线) 围岩稳定，无Vp/km?s-1 结构特征和 围岩开挖后 的稳定状态 围岩弹性纵波速度硬质岩石，Rc>30MPa：受地质构造影响较重，节理发育，有少量软弱结构面(或夹层)和贯通微张节理，但其产状呈大块状 及组合关系不致产生滑动；层状岩层为中层或厚层，层砌体结构 Ⅴ 间结合一般，很少有分离现象；或为硬质岩石偶夹软质岩石 软质岩石，Rc≈30MPa：受地质构造影响轻微，节理不发育；层状岩层为厚层，层间结合良好 硬质岩石，Rc>30MPa：受地质构造影响严重，节理发育，呈巨块状 整体结构 暴露时间长，可能会出现局部小坍塌，侧壁稳定，层间结合差的平缓岩层，顶板易冒落 3.5～4.5 拱部无支护有层状软弱结构面(或夹层)，但其产状及组合关系尚不致产生滑动；层状岩层为薄层或中层，层间结合差，多Ⅳ 有分离现象；或为硬、软质岩石互层 本稳定，爆破软质岩石，Rc=5MPa～30MPa：受地质构造影响较重，呈大块状 节理较发育；层状岩层为薄层、中层或厚层，层间结合砌体结构 一般 硬质岩石，Rc>30MPa：受地质构造影响很严重，节理很发育，层状软弱面(或夹层)已基本破坏 软质岩石，Rc=5MPa～30MPa：受地质构造影响严重，节理发育 Ⅲ 1、2呈大块状土：1. 略具压密或成岩作用的粘性土及砂性土 压密结构；3呈2. 黄土(Q1 ，Q2) 巨块状整体结3. 一般钙质、铁质胶结的碎、卵石土、大块石土 构 石质围岩位于挤压强烈的断裂带内，裂隙杂乱，呈石夹Ⅱ 土或土夹石状 松散结构 处理不当会呈角砾碎石状 围岩易坍塌，1.0～2.0 稳定 壁有时失去呈碎石状 压碎结构 拱部无支护呈块石碎石状 时可产生较镶嵌结构 大的坍塌，侧1.5～3.0 坍塌 震动过大易呈块石碎石状 时可产生小镶嵌结构 坍塌，侧壁基2.5～4 出现大坍塌，非粘性土呈松一般第四系的半干硬～硬塑的粘性土及稍湿至潮湿的一般碎、卵石土、圆砾、角砾土及黄土(Q3 ，Q4) 散结构，粘性土及黄土呈松软结构 侧壁经常小坍塌，浅埋时易出现地表下沉(陷)或坍塌至地表 石质围岩位于挤压极强烈的断裂带内，呈角砾、砂、泥呈松软结构 松软体 粘性土呈易蠕Ⅰ 动的松软结构；水一齐涌出，软塑状粘性土及潮湿的粉细砂等 砂性土呈潮湿松散结构 浅埋时易坍塌至地表 的土<1.5) 塌变形，有水时土砂常与<1.0 (饱和状态围岩极易坍

⑵岩石等级划分

根据岩石饱和抗压极限强度和耐风化能力划分： 极硬岩、硬质岩、软质岩、极软岩。 ⑶围岩受地质构造影响程度划分

较轻级、较重级、严重级、很严重。 ⑷围岩节理（裂隙）发育程度划分

节理不发育、节理较发育、节理发育、节理很发育。 ⑸层状岩层的层厚划分

厚层：＞0.5m 中层：0.1～0.5m 薄层：＜0.1m 铁路隧道围岩分类不适用于特殊围岩，如膨胀性岩层、冻土等。

2.1.2 隧道围岩压力

1.隧道围岩压力 围岩压力概念：

围岩对支护结构施加的荷载称为围岩压力。

岩体力学中，把由于开挖而引起的围岩或支护结构上的力学效应统称为广义的围岩压力。 工程实践中，把作用在支护结构上的这部分围岩压力称为狭义的围岩压力。

围岩压力的大小，不仅与岩体的初始地应力状态、岩体的物理力学性质和岩体结构有关，同时还与工程性质、支护结构类型及支护时间等因素有关。

隧道开挖过程中，围岩压力的变化形式与岩体的特征有十分密切的关系。围岩压力可表现为四类形式： ⑴松动压力

由于开挖而引起围岩松动或坍塌的岩体以重力形式作用在支护结构上的压力称为松动压力，亦称散体压力。 ⑵变形压力

开挖必然引起围岩变形，支护结构为抵抗围岩变形而承受的压力称为变形压力。 ⑶冲击压力

冲击压力是围岩中积累的大量弹性变形能，受开挖的扰动，这些能量突然释放所产生的巨大压力。 ⑷膨胀压力

某些岩体由于遇水后体积发生膨胀，从而产生膨胀压力。

膨胀压力与变形压力的基本区别在于它是围岩吸水膨胀引起的。

一般情况下，隧道开挖后，围岩压力包括： ①垂直压力，作用在隧道顶部； ②侧压力，作用在隧道的两侧； ③底压力，作用在隧道的底板。 2.隧道围岩压力确定

一般情况下，隧道围岩压力确定有三种方法： ① 直接量测，是比较切合实际的方法； ② 根据实际资料统计和总结，提出经验公式； ③ 在实践基础上，从理论上研究围岩压力估算办法。 ⑴深、浅埋隧道分界深度的确定

深埋隧道就是指隧道开挖引起的应力重新分布不涉及到地表的隧道，深、浅埋隧道分界深度 HP 为： HP＝(2～2.5)hq

式中 hq－荷载等效高度，hq＝0.45×2(6 -S )ω； S－隧道围岩类别；

ω－隧道宽度影响系数，ω＝1＋i (B-5)；

B－隧道宽度； i －B增减 1 m时围岩压力增减率；B<5m时，i=0.2；B=5~15m时，i=0.1. ⑵深埋隧道围岩压力的确定

用矿山法施工的深埋隧道，围岩压力按松驰荷载考虑，其垂直均布压力 q 为： q＝0.45×2

(6-S )

γω

式中 γ－隧道围岩容重； 其他符号意义同前。 水平均布压力 e 见下表：

水平围岩压力计算表

围岩类别 水平均布压力 Ⅵ～Ⅴ 0 Ⅳ <0.15q Ⅲ (0.15～0.3)q Ⅱ (0.3～0.5)q Ⅰ (0.5～1.0)q 深埋隧道围岩压力计算方法适用条件： ①隧道高宽比小于1.7 ；

②不产生膨胀力的围岩及偏压不显著的隧道 ； ③采用钻眼爆破法施工的隧道。 ⑶浅埋隧道围岩压力的确定

浅埋隧道施工时，有时会扰动整个覆盖层，容易发生坍塌现象，产生较大的围岩压力。 浅埋隧道围岩压力一般根据两种情况分别计算： ①埋深小于或等于等效荷载高度时

这种情况，隧道上覆岩层或土体考虑全部作用在隧道上，略去上覆岩层或土体与周围岩层或土体之间的阻力，这时垂直压力 q 为： q＝γH

式中 H－隧道埋深，指隧道顶至地面的距离。 侧向压力 e 按均布考虑时： e??(H?1?Ht)tan2(45??) 22式中 Ht－隧道高度； φ－围岩计算摩擦角。

围压类别 Ⅵ >78° Ⅴ 67~78° Ⅳ 55~66° Ⅲ 43~54° Ⅱ 31~42° Ⅰ ≤30° φ ②埋深大于等效荷载高度，小于深浅埋隧道分界深度时

这种情况，隧道上覆岩层或土体下滑时要考虑滑面阻力的影响，否则计算压力过大。

基本假定：

①土体中形成的破裂面是一条与水平成β角的斜直线。

②EFHG岩土体下沉，带动两侧三棱岩土体FDB、ECA下沉，整个土体ABDC下沉时，又要受到未扰动岩土体的阻力。

③AC、BD为假定破裂面，其内聚力为C，计算摩擦角为φ；另一滑面FH或EG则并非破裂面，该滑面的摩擦角为ζ，则ζ应小于φ。ζ取值为： Ⅳ～Ⅵ类围岩： ζ ＝0.9 φ Ⅲ 类围岩： ζ ＝(0.7～0.9) φ Ⅱ 类围岩： ζ ＝(0.5～0.7) φ I 类围岩： ζ ＝(0.3～0.5) φ 作用在支护结构上总的垂直压力 Q 为： Q＝W1－2Tsinζ

取三棱体BDF(或ACE)作为脱离体分析，按正弦定理有：

Tsin(???)?W2sin(90??(?????))

121?h2tan?

tan??tan?1 得： T?1?h2?2tan?(1?tan?(tan??tan?)?tan?tan?)cos?

tan??tan? 令： ??tan?(1?tan?(tan??tan?)?tan?tan?)

三棱体BDF重量：W2? 从而得： T?12??h2cos?

因而有： Q＝W1 －2Tsinθ＝ W1 －γh2λtanθ 因为： W1 ＝ BtHγ 忽略h与H之间的差异，可得： Q＝BtHγ －γH2λtanθ

＝γH ( Bt－Hλtanθ) 换算为均布荷载的形式为： Q??h(1?H?tan?)： Bt 水平侧压力仍由侧压力系数?求得：

?e1??h? ?

e??H??2

2.2 隧道衬砌结构计算

2.2.1 隧道衬砌结构受力特点与计算荷载

1.隧道衬砌受力特点

隧道埋设在地下围岩内，衬砌与围岩紧密接触，在外荷载作用下，衬砌会产生变形和约束，对围岩产生弹性抗力，由此改善衬砌结构的受力状况，因而衬砌与围岩之间互相制约，共同变形。 2.隧道衬砌结构计算理论

局部变形理论； 共同变形理论。 3.隧道衬砌结构上的荷载与分类 ⑴主动荷载 ①主要荷载

围岩压力、回填土荷载、衬砌自重、地下静水压力、车辆荷载等。 ②附加荷载

注浆压力、冻涨压力、混凝土收缩应力、温差应力、地震力等。 ⑵被动荷载 弹性抗力。

隧道衬砌结构计算主要考虑主动荷载中的主要荷载以及被动荷载，对于附加荷载一般作为特殊荷载考虑，往往是以一个附加系数形式进行简化处理。

2.2.2 隧道衬砌结构计算

1.曲墙式衬砌计算

曲墙式衬砌主要适用于I～III类围岩，在计算时，考虑到仰拱是最后修建，上部拱已受力，因而一般不考虑仰拱。 ⑴计算原理

基本假设条件及计算要点：

①墙基支承在弹性围岩上，底部摩擦力很大，墙脚无水平位移。 ②侧面弹性抗力分布假设为：

上零点b：上脱离边界?b≈40～60° 下零点a：墙底，该处无水平位移；

最大抗力h：最大跨度处，近似取ah弧=(2/3)ab弧： 抗力值为：

?cos2?b?cos2?i bh弧上：?i???cos2??cos2?bh????h??

?yi?2? ah弧上：?i??1?2??h???yh??

③围岩与衬砌之间的摩擦力由侧面弹性抗力引起。 si＝μσi

曲墙式衬砌计算是拱脚为弹性固定而两侧受围岩约束的无铰拱结构。

计算思路：

结构、荷载对称，从拱顶处切开，切开处剪力为零。在主动荷载、被动荷载作用下，拱顶相对转角及相对水平位移为零。 σh的求解：

根据 h 点的变形协调条件进行。

首先求出在主动荷载作用下h点的位移?hP，若h点的围岩弹性系数为K0。 则h点的最终位移为： 又

?h??hP??h?h?

?h?K0?h

?hP1??h?K0

则 ??⑵求主动荷载作用下的衬砌内力 基本结构如图，未知力为X1P，X2P。

根据拱顶截面相对变位为零可得到力法方程，从而求出X1P 和 X2P。 求出 X1P，X2P 后，则可得到主动荷载作用下的衬砌结构内力： MiP= X1P + X2P ? yi + MiP0 NiP＝X2P cosφi + NiP0 ⑶求单位被动荷载作用下的衬砌内力

基本结构如图，未知力为X1σ，X2σ。求解方法同前。 由此可得到被动荷载作用下的衬砌结构内力： Miσ= X1σ + X2σ ? yi + Miσ Niσ＝X2σ cosφi + Niσ⑷隧道衬砌结构总内力

0

0

Mi = MiP + σh? Miσ Ni ＝ NiP + σh? Niσ 2.直墙式衬砌计算

直墙式衬砌主要适用于IV类以上比较稳定和坚硬的围岩，是我国目前常用的山岭隧道衬砌形式。 ⑴计算原理

基本假设条件及计算要点：

①直墙衬砌可以看作是一个支承在两个竖直的弹性地基梁上的拱圈，拱圈和边墙可以分别计算。 ②拱圈视为拱脚弹性固定的无铰拱。拱脚以上一定范围要计入弹性抗力的作用。 弹性抗力上零b：?b≈45～55°； 最大抗力点在拱脚d点，大小为：

?cos2?b?cos2?i?i???cos2??cos2? bd??d??hsin?d d点的位移?d????d? ??dK0， 可取?d??h

③边墙受力与变形和弹性地基梁相似，一般作为弹性地基上直梁计算。 直墙式衬砌是一个支承在两个竖直的弹性地基梁上的拱圈，计算结构如图所示。

关于边墙作为弹性地基上直梁计算时，边墙底部地基视为刚性(EJ=∞)，侧面视为弹性地基，按其换算长度αl大小分别确定为长梁(αl≥2.75)，短梁(1＜αl＜2.75)或刚性梁(αl≤1)，然后按照初参数方程来计算墙顶截面的位移及边墙各截面的内力(M，N )值。

换算长度?l中，l为梁的长度即边墙的高度；?为弹性地基梁的特征值，??4K0b，其中K0为侧向4EJ围岩弹性抗力系数，b为梁纵向计算宽度，一般情况取b=1，E为梁材料的弹性模量，J为梁截面惯性矩。 长梁(αl ≥2.75)：一端受力及变形对另一端影响较少； 短梁(1＜αl ＜2.75)：一端受力及变形要影响另一端； 刚性梁(αl ≤1)：不考虑梁本身的弹性变形。 ⑵拱圈计算

拱圈计算方法与曲墙式衬砌相同，计算简图如图所示。

计算时分别求出在主动荷载和单位被动荷载作用下的衬砌结构内力，最后用叠加原理求出拱圈的总内力。

Mi = MiP +σd ? Miσ Ni ＝NiP +σd? Niσ ⑶边墙计算

边墙计算按弹性地基上的直梁计算, 边墙 d 端作用有拱脚传来的外力Md、Hd和Vd，墙身作用有水平侧应力e。计算简图如图。

则墙顶所产生的转角β ①边墙为短梁时

d 及水平位移μd 计算结果为：

墙顶在单位弯矩Md=1单独作用下 墙顶转角： β1＝4α3(υ 水平位移： μ1＝2α2(υ

11+υ12A)/C 13+υ11A)/C

墙顶在单位水平力Hd=1单独作用下 墙顶转角：β2＝ 2α2(υ 水平位移：μ2＝2α (υ

13+υ11A)/C

10+υ13A)/C

墙顶在主动侧压力e单独作用下 墙顶转角：

?e???(?4??3A)e/C???(?4?????14?)?(?3?10)A??e/C ?l?l? 水平位移：

?e??(?14??15A)e/C?(?2???1?4A)?e/C 2?l2其中：A?6KK0?h?33，

C?K(?9??10A)

?1~?15是以?x为变量的双曲三角函数。

这样，由基本结构传来的拱部荷载使墙顶产生的转角及水平位移为： 墙顶转角： βd＝Mdβ1+ Hdβ2+β 水平位移： μd＝Mdμ1+ Hdμ2+μ ②边墙为长梁时

边墙为长梁, 梁顶受力及变形对墙底无影响, 这种衬砌一般用于较好的围岩中。墙顶单位荷载作用下的转角及位移为： β1＝4α β2＝2α

3 /K 2 /K

e e

μ1＝2α

2 /K

μ2＝2α /K

14+υ16A)/C

βe＝-α(υ4+υ3A)/C μe＝-α (υ 总转角和位移计算方法同上。 ③边墙为刚性梁时

边墙为刚性梁，边墙本身不产生弹性变形，只有刚体位移，内力计算不考虑。 给定条件：无侧压(e = 0), d点作用力Md和Hd，位移βd和μ

①边墙为短梁时，距墙顶为x的任一截面内力为：

d求出后，即可获得墙的内力和位移。

KK1?M????????M??H?2d3d4d1d23?2?22?4??KK?H???????3?Md??4?Hd?1d2d? ?2?4?2?32??????????M2???H2??d4d1d2d3?KK?2???????1??M2???H??d1d2d3d4?2?KK? ②边墙为长梁时，距墙顶为x的任一截面内力为：

1?M?M??H?8d7d????H??Md?2??8?Hd?5 ?

?4?32?2???MdK?6?HdK?7?2?22????M??H?6d5d?KK?

2.2.3 隧道衬砌截面强度检算

隧道和明洞衬砌在算出内力后，根据设计规范规定，混凝土和砌石衬砌截面按破损阶段进行强度检算。即根据材料的极限强度，计算出偏心受压构件的极限承载力，然后与构件实际内力相比较，即可得出截面的抗压(或抗拉)强度安全系数K。最后检算所得的安全系数是否满足相应规范所要求的数值。即：

K?N极限N≥K规

式中 N极限—截面的极限承载力(轴力)；

N—截面的实际轴力；

铁路《隧规》所规定的强度安全系数值

荷载 种类 混凝土 石 料 抗压 2.4 2.7 主要荷载 抗拉 3.6 / 主要荷载+附加荷载 抗压 2.0 2.3 抗拉 3.0 / 另外隧道衬砌还应考虑偏心和抗裂两个方面要求。

2.2.4 隧道衬砌计算存在问题

①计算费工费时；

②计算没有考虑修筑方法；

③计算不可能考虑到地质条件的千变万化；

④计算中有一定的假设，造成结果具有一定的局限性。

2.3 山岭隧道施工

2.3.1 山岭隧道施工方法

山岭隧道施工方法选择依据： ◎地质与水文条件； ◎断面大小及形状； ◎隧道长度；

◎隧道衬砌或支护形式及其隧道埋深； ◎施工技术与装备； ◎工程工期。

一般宜优先选用全断面法和正台阶法，对地质条件变化较大的隧道，选择施工方法时要考虑有较大的适应性，以便在围岩变化时易于变换施工方法。 1.全断面一次开挖法

全断面一次开挖法是利用钻眼爆破法或全断面掘进机，在整个设计断面上一次向前挖掘推进的施工方法。从发展趋势看，全断面一次开挖法将是优先被考虑的施工方法。

全断面一次开挖法施工设备主要包括：凿岩台车、装载机、出渣机、活动模板、衬砌台车等。 全断面一次开挖法的优点：

?可充分利隧道空间，使用大型高效设备，加快施工进度； ?断面一次挖成，施工组织与管理比较简单； ?能较好地发挥深孔爆破的优越性；

?通风、运输、排水等辅助工作及各种管线铺设工作较便利。 全断面一次开挖法的缺点：

?需要使用笨重而昂贵的凿岩台车或钻架； ?一次投资大；

?由于使用了大型机具，需要有相应的施工便道、组装场地、检修设备以及能源等； ?当隧道较长、地质情况多变而必须改换其它施工方法时需要较多时间； ?多台钻机同时工作时的噪音极大。 全断面一次开挖法适用条件：

该法主要用于围岩稳定、坚硬、完整、开挖后不需临时支护的Ⅴ～Ⅵ类围岩的岩石隧道以及高度不

超过5m、断面不超过30m2的中小型断面隧道。

近几年来，随着施工技术的不断进步，大断面和全断面一次施工的隧道越来越多，施工断面已超过5 m2 隧道全断面施工机械化作业线配套 ⑴配套原则：

?要注意各施工工序所采用的设备综合能力的配套。

?各工序所采用的设备既要考虑到各工序的作业高度，又要考虑到各工序的协调。 ?施工机械应与施工方法相配套、与合理的进度相适应。设备数量要根据投资能力确定。 ?应充分考虑辅助坑道的设置、作用和功能。 ⑵配套实例： ?有轨装运时：

门架式(轨行)凿岩台车；立爪式、蟹爪式或铲斗后卸式装渣机；矿用大斗车或10～30m3梭式矿车；12t蓄电池式电机车或25t以上内燃机车；喷射机、混凝土搅拌输送车、混凝土输送泵、机械手、钢模台车等。 ?无轨运输时：

3臂或4臂轮胎式液压凿岩台车；3～4m3轮胎式或履带式装渣机；20～25t矿用自卸卡车；锚杆钻机、喷射机、混凝土输送车、混凝土泵、钢模台车等。 ?混合装运时：

两臂、3或4臂轮胎式液压台车；2m3或3m3轮胎式或履带式装渣机；15～20m3梭式矿车或矿用大斗车；10t以上电机车；支护同无轨装运。 2.分断面两次开挖法

分断面两次开挖法是将断面分成两个分层(或部分)，从上向下(或从下向上)或利用导坑在全长范围内或一个区段内逐个分层(部分)施工。开挖好一个分层(部分)再开挖另一个分层(部分)。 ⑴上半断面先行施工法

隧道上部的开挖过程与全断面一次开挖相同。但应修建斜坡道。

隧道下部开挖可采取垂直、倾斜或者水平的炮眼进行爆破，钻孔和装渣可同时进行。

特点：开挖面高度不大；不需笨重的钻架；遇松软地层时可迅速地改变为其它开挖方法；下分层开挖时运渣和钻孔可平行作业，进度快；下分层爆破效率高。但上下分层施工循环各自独立，与全断面一次开挖相比，工期增长； ⑵下半断面先行施工法

下半断面先行施工法在断面开挖完成后即可进行衬砌。上部断面可以站在渣堆上钻孔(水平孔)或从隧道地板向上钻垂直孔。在不采用对头施工的隧道中，下部掘通后，上部可从两个洞口组织钻孔和装渣作业。

特点：和上半断面先行施工法类似，但对衬砌施工、排水、排渣都更方便些。一般只在一定地质条件下及没有钻架或使用钻架不经济时使用。 ⑶先导洞后全断面扩挖法

该法先沿隧道的中线、按全长开挖导洞，然后再扩挖至设计断面。导洞可用掘进机或钻爆法挖掘。 优点：可进行连续的地质调查；便于对支护系统作进一步设计和后续工程的进行；能正确评价扩大作业的时间和费用；有利于通风以及涌水和瓦斯的预防与排放等。 实例：

①秦岭Ⅱ线隧道施工中先用钻爆法施工，掘进断面为26m2导洞，为秦岭Ⅰ线隧道进行地质预报及其全断面掘进机提供通风、排水、运输等辅助条件。

②米花岭隧道利用平导通过数个横通道与正洞相连后，不扩大工作面而进行下导洞快速开挖，然后进行全断面扩挖。 3.台阶法施工

台阶法是将隧道断面分成若干(一般为2～3)个分层，各分层呈台阶状同时推进施工。按台阶布置方式的不同，台阶法可分为正台阶和反台阶两种方法。 ⑴正台阶法

正台阶施工法是最上分层工作面超前施工，然后逐一挖掘下面各分层。 正台阶法特点及适用条件：

工序少，干扰小，上部钻孔可与装渣同时作业，必要时可以喷射混凝土或砂浆作为临时支护。采用锚喷作永久支护时更为适宜。

用于围岩稳定性较好(一般V、VI类围岩)、开挖后不需或仅需局部临时支护的隧道，并要求有较强能力的出渣设备。 ⑵反台阶法

反台阶法又叫上行分层施工法。该法施工能使工序减少，施工干扰小，下部断面可一次挖至设计宽度，空间大，便于出渣运输和布置管线，能节省大量材料。 适合于围岩稳定、不需临时支护的情况。 4.导坑法施工

导坑法以一个或多个小断面导坑超前一定距离开挖，随后逐步扩大开挖至设计断面，并相机进行砌筑的方法。

⑴中央下导坑先墙后拱法

中央下导坑先墙后拱法的施工顺序是先挑顶后开帮，在开帮的同时完成砌墙工作。

适用于围岩较稳定的隧道施工，一般为IV～VI类围岩石质隧道。 六部开挖法(漏斗棚架法)施工特点：

可容纳较多人员同时施工；以小型机械为主施工，利用棚架作脚手架；石渣可由漏斗口漏入车内，省力、速度快。衬砌是先墙后拱连续施工，整体性好。

但该法由于需要棚架，爆破也易损坏棚架和风水管路；围岩暴露时间较长，对施工安全不利。 ⑵中央下导坑先拱后墙法

中央下导坑先拱后墙法的施工顺序是先挑顶，在挑顶的同时完成砌拱工作，然后开帮，开帮后进行砌墙。

适用于V～VI类稳定围岩的隧道施工。

特点：施工效率高，速度快；具有漏斗架棚法开挖出渣的优缺点。地层变化时，改换其它方法比较容易。但衬砌整体性差。 ⑶中央上导坑施工法

中央上导坑施工法是首先开挖上导坑，进行拱的衬砌；然后进行两帮的开挖，两帮的开挖采用马口开挖，开挖后及时进行砌墙。

适用于III～IV类围岩的隧道施工。 特点：

◎拱圈衬砌及时，围岩暴露时间短。 ◎施工干扰大，进度慢。

◎衬砌整体性差，适合于围岩稳定性差及长度较短的隧道。 ⑷上下导坑施工法

上下导坑施工法是首先开挖下导坑，再开挖上导坑，利用下导坑出渣，并进行拱的衬砌；然后开挖下半断面，最后进行两帮的开挖，开挖后及时进行砌墙。 适用于III～IV类围岩的隧道施工。 特点

◎该方法的最大优点是下部各工序均在拱圈保护下进行,施工比较安全； ◎施工时有两个导坑，通风、排水、运输、管线布置等条件较好； ◎施工中能拉开工作面，便于使用小型工具。

◎施工方法适用范围广，遇到地质情况变化，变换施工方法较易。 ◎隧道衬砌整体性差，马口开挖影响进度且有可能引起拱圈下沉。 ◎施工工序多，干扰大，施工管理不便，上导坑人工扒渣劳动强度大。

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