隧道工程 前四章教案.docx

1、隧道工程 前四章教案绪 论1.隧道的基本概念和作用隧道 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。 隧道的分类 按围岩性质分：山岭隧道（岩石隧道），软土隧道。 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。隧道的构成 主体建筑物：洞身衬砌、洞门。 附属建筑物：通风、照明

2、、防排水、安全设施等。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.隧道工程的发展最早的隧道 世界：古代文明时期（公元前21802160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。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

3、：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。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： 海拔最高：+4905m； 覆盖层最薄：局部仅 3m , 最大100m； 地质条件最差. 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。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120150公里。3.隧道工程施工技术古代隧道施工

4、技术 人工开凿，劳动强度大。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。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。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。 隧道工程

5、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.

6、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。地形地质的调查 初步调查，地质详查。气象调查 包括降雨、降雪、气温、风向、风速、雾、雪崩、洪水等。环境调查 自然环境、地物、

7、生活环境等。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1:500001:25000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。 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

8、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。 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。 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、

9、坡度、视距等相关要求。隧道线形 隧道平面线形以采用直线或大半径曲线为好； 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。 隧道引线应采用通视好的线形，纵坡与隧道一致。洞口位置 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； 洞口位置不应设在沟谷低洼处和汇水处； 在隧道穿过悬崖陡壁时，应注意岩壁的稳定性； 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

10、径不宜小于不设超高的平面曲线半径，并应符合视距要求。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0.30.5的坡度。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

11、.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9.000.250.759.5010.50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

12、7.00/4.500.257.50/5.00 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。 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。 隧道内加宽带 长隧道（超过2km），一般在150170m的间隔上设置加宽带，其宽度为2.5m，长度为25m。 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

13、通过隧道。 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。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。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。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

14、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、

15、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：R1R2: 坦三心拱； R1R2: 尖三心拱； R1=R2: 割(切)圆拱。 曲墙式：由6段圆弧构成。 直墙式：应用于III类以上围岩； 曲墙式：应用于III类以下围岩。2.装配式衬砌 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

16、（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

17、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

18、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500800m设置一处。汽车专用隧道取500m。混合

19、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2.53.0m。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2.525m。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

20、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。CO的容许浓度 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 () 的关系为： 隧道通风中，把 l =100m，取容许透过率

21、，通过计算得出的 k 值称为烟雾容许浓度。 我国公路隧道设计规范规定隧道内烟雾浓度容许值为： 高速公路，一、二级公路隧道为：7.5103(m1)， 三、四级公路隧道为：9.0103(m1)。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。隧道内稀释CO所需的新鲜空气量 (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；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

22、；f1坡度修正系数：坡度为0取1， 从03，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26采用；G车重，t；K风量附加系数，K=1.11.2；qCO汽车每吨公里一氧化碳产生量，m3/(tkm)。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：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： 隧道内稀释烟尘所需的新鲜空气量 (m3/h)式中 D柴油车密度，辆/km；D=M/VM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/ht；k烟尘允许浓度

23、，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。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。 (Pa)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； 流体重率，N/m3； 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。

24、摩擦阻力也叫沿程阻力。通常摩擦阻力要占总阻力的8090%。 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。 (Pa)式中 i局部阻力系数，隧道入口入=0.5；出口出=1；断面由S1(m2)扩大到S2(m2)，大=；断面由S1(m2)缩小到S2(m2)，小=0.5；隧道转弯转，分岔汇、分等局部阻力系数由有关通风设计参考书给出。 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1020%之间，因此不需单独计算，而是计算出摩擦阻力后，按经验

25、考虑一个系数(增大1020%)；在横向通风中，局部阻力就需要单独计算。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：自然通风纵向式射流式风道式和喷咀式竖井排风式机械通风半横向式送风式排风式全横向式混合式自然通风 长度在200m以下，甚至200500m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。 LN600 采用机械通风 LN600 采用自然通风纵向式通风 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

26、方式，空气污染浓度，由入口向出口方向成直线增加。 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。 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。 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3

27、000m以下的隧道，单向交通时，适用1500m以下的隧道。 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。 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

28、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。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:2500mm， 风机转数：400rpm，电机功率：40kW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：隧道名称线别隧道长度路线坡度行车方向中梁山隧道左线31