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隧道构造设计

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一、衬砌

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衬砌形式

整体模式混凝土衬砌 —当地浇筑混凝土衬砌

预制衬砌-将衬砌分成几个部件，在现场或工厂预制，然后运到坑内，用机械组装成一个接一个的衬砌。

喷射锚支护-喷射混凝土 还有锚杆、金属网和钢架 共同支护

复合衬里-衬里和衬里，所以也叫“双层衬里”

喷锚支护

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衬砌的适用条件

整体模式混凝土衬砌 — 对地质条件适用性强，易于按需成型，完整性好，抗渗性强，适用于木模板、钢模板或衬砌模板车等多种施工条件

装配式衬砌 — 组装成环后立即受力，便于机械化施工，改善劳动条件，节约劳动力。目前主要用于城市地下铁路，采用盾构法施工。

喷锚支护 — 喷锚支护是目前常用的围岩支护手段，适用于各种围岩地质条件，但如果作为永久衬砌，一般考虑Ⅰ、Ⅱ采用等级围岩良好、完整、稳定的区域。

复合式衬砌 — 适用于多种围岩地质条件的合理结构形式， 它有着广阔的发展前景。

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衬砌的一般结构要求

混凝土和钢筋混凝土

隧道工程中使用的混凝土强度等级不得低于C15

孔门采用混凝土整体灌注，其强度不得低于C20

衬砌段的强度等级不得低于C20，孔门不得低于C15

片石混凝土

在岩层较好地段的边墙衬砌中，可采用片石混凝土(片石掺量不得超过总体积的20%)。

当起拱线以上1m以外有超挖时，其超挖部分也可用片石混凝土回填。

所选石材应坚硬，其强度等级不得低于MU40，有裂缝、易风化的石材不得使用。

石材和混凝土预制块

用强度等级不低于M10的水泥砂浆砌筑石材或混凝土预制块。石材的强度等级不得低于MU60，不得使用裂纹和易风化的石材。混凝土预制块的强度等级不得低于MU20。

喷射混凝土

喷射混凝土的强度等级为C20，硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥应优先使用

喷射钢纤维混凝土中的钢纤维应采用普通碳钢，等效直径为0.3～0.5㎜方形或圆形截面的长度应为20～25㎜

锚杆

锚杆杆体应使用20 Mnsi钢筋也可采用Q235钢筋；缝管锚杆应采用16 Mnsi钢管也可采用Q235钢管；锚杆直径应为18～22㎜，Q235钢板可用于垫板。

装配式材料

对于衬砌材料，可采用钢筋混凝土大型预制块、钢筋肋铸铁预制块等预制材料

铁路隧道净空及要求

直线隧道净空

机车车辆限界 — 它是指机车车辆最外轮廓的限制尺寸

基本建筑限制 — 指线路上各种建筑物和设备不得入侵的轮廓线

隧道建筑限制 — 它是指“基本建筑边界”外围的轮廓线

直线隧道净空— 比“隧道建筑边界”略大，还考虑了衬砌结构的合理应力形状(拱采用三心圆，边墙采用直墙或曲墙)，施工方便。

基本建筑限制

最大超限货物装载限制

隧道限-1A，隧道限-1B

隧道限-2A和隧道限-2B

单线电力牵引铁路隧道衬砌内轮廓

双线电力牵引铁路隧道衬砌内轮廓

净空加宽曲线隧道

加宽原因

当车辆通过曲线时，转向框架中心点沿线运行，但车辆本身不能随线路弯曲而保持其矩形。因此，两端偏移到曲线外侧（d外），中间偏移到曲线内侧（d内1）。

车辆通过曲线时的平面图

由于曲线外轨超高，车辆向曲线内侧倾斜，车辆限制上的控制点在水平方向上向内移动一个距离(d内2)。

计算加宽值

- 计算单线曲线隧道加宽值

• 车辆中间部分向曲线内侧偏移d内1

式中l — 车辆转向架的中心距离为18m；

R — 曲线半径（m）

车辆通过曲线时的横截面图

车辆两端向曲线外侧偏移d外

式中 L— 我国标准车辆长度为26m。

超高的外轨使车身向曲线内侧倾斜d内2

式中H—— 隧道限界控制点自轨面起高度

E —— 曲线外轨的最大值不超过15㎝，且

在我国铁路标准设计中，d内2系将相应的隧道建筑限制在内轨顶中心旋转arctg

可以在d内近似取2=2.7.7E （㎝）。

单线曲线隧道净空的加宽值为：

内侧加宽：

外侧加宽：

总加宽：

计算双线曲线隧道加宽值：

内加宽值W1和外加宽值W2与单曲线隧道加宽值的计算相同。即

内侧加宽：

外侧加宽：

当外线外轨超高于内线外轨超高时

式中 H—— 车辆外侧顶角距内轨顶面高度360㎝；

E—— 外线外轨超高值（㎝）；

R—— 曲线半径（m）。

其它情况时

总加宽

曲线隧道中线与线路中线之间的偏移距离

如图3-10所示，隧道中线与线路中线的偏移距离d为：d =（W1－ W2） （㎝）

如图3-11所示，从内线中线到隧道中线的距离为d1= 200－（W1－ W2－ W3） （㎝）

双线曲线隧道外线中线至隧道中线的距离为

d2= 200 （W1－ W2 W3） （㎝）

扫一扫，视频讲解计算步骤

单线曲线隧道中线偏移

曲线隧道与直线隧道衬砌的连接方法

《铁路隧道设计规范》规定，位于曲线段的隧道可分为两段加宽，即从圆曲线延伸至缓和曲线中点，直线延伸13m，圆曲线加宽段（按W值加宽）；其他缓和曲线，从直接缓解分界点延长到直线段22m，用缓解曲线中点加宽截面，其加宽值为圆曲线的一半(按W/2加宽)

双线曲线隧道中线偏移

曲线隧道与直线隧道衬砌的连接

公路隧道净空

W—车道宽度；

S—道路两侧的路缘带宽度；

C—余宽，计算行车速度时≥0.500km/hm，0.25m小于100km/h；

H—净高，一条公路采用净高，高速公路、一级、二级公路为5.0m；三、四级公路4.5m；

E—建筑边界顶角宽度为L≤1m时，E=L；当L＞1m时，E=1m；

L—侧向宽度、高速公路、一级公路的侧向宽度为硬路肩宽度(L1或L2)，其他各级公路的侧向宽度为0.25m；

公路隧道建筑限制

隧道衬砌的其他结构要求

一般情况下，单线隧道洞口应设置不小于5m长的模筑混凝土衬砌，双线和多线隧道应适当加长；

围岩较差段的衬砌应延伸到围岩较好的区域～10m；

偏压衬砌段应延伸至一般衬砌段5m以上；

无仰拱的隧道应为底板，单线隧道厚度不小于20㎝，双线隧道厚度不小于25㎝；

变形缝应设置在对衬砌有不良影响的硬软地层分界处；

当电力牵引隧道长度大于2000m且位于隧道群和车站两端时，为使接触网具有良好的工作和维护条件，应根据需要设置接触网补偿下锚的衬砌段。

加强与主隧道连接处的衬砌设计，如运行通风洞、联络通道等。

二、孔体支撑结构的结构

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整体模式混凝土衬砌

直墙式衬砌

适用于地质条件较好的铁路隧道围岩分类Ⅱ、Ⅲ有时也可用于级围岩Ⅳ级围岩；

围岩压力主要是垂直的，几乎没有或只有很小的水平侧向压力 ；

衬砌由上拱圈组成. 两侧的垂直边墙和下部的底部分组成三部分 ；

单线直墙衬砌

在良好的地质条件下，为了节省砌体，直墙衬砌在结构上采取了一些改进措施。例如，在整体岩层坚固的情况下，几乎没有水平侧压力或地下水入侵，可采用大拱脚喷涂混凝土（或砂浆）侧墙衬砌；

地质条件好，侧压小，但不宜用大拱脚喷混凝土(或喷砂浆)侧墙衬砌。为了节省侧墙砌体，可以简化侧墙

大拱脚喷混凝土边墙衬砌

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曲墙式衬砌

适用于地质差、岩石松散破碎、强度低、地下水、侧向水平压力大Ⅳ、Ⅴ和Ⅵ级围岩情况 • 由顶拱圈、侧曲边墙和底仰拱(或铺底)组成 • 除在Ⅳ级围岩无地下水，基础无沉降时无仰拱，仅平铺底外，一般设仰拱 。

连拱式 边墙衬砌

图为单线非电气化铁路隧道衬砌Ⅴ由五心圆曲线组成的级围岩直线断面曲墙衬砌标准图。

单线非电气化铁路隧道衬砌

双线或三线隧道的孔体衬砌可采用单孔式，四线隧道可采用双孔式。单孔衬砌应满足双线或三线隧道衬砌的净空要求。

双孔式 四线隧道衬砌

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装配式衬砌

优点

组装成环后，无需养生时间即可承受围岩压力；

预制构件可在工厂批量生产，在洞内机械化组装，从而改善劳动条件；

在组装过程中，不需要拱、模板等临时支撑，以节省大量的支撑材料和劳动力；

由于机械化，组装速度提高，工期缩短，成本可能降低。

应满足的条件

强度足够耐用；

能立即承受荷载；

装配简单，构件类型少，形式简单，尺寸统一，工业化制造和机械化组装方便；

组件尺寸和重量适用于组装机械的能力；

有防水设施

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喷锚支护

喷涂混凝土支护层

喷射混凝土的混合材料为：标号不小于325的普通硅酸盐水泥、颗粒不大于16mm的坚硬耐用卵石或砾石、无土壤或杂物的河砂，加少量冷凝剂

喷涂层的厚度一般不小于125px，最厚度不大于625px，

在松软的岩层中，可以加入金属网或钢支撑，使其结合成钢筋混凝土层

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锚杆

锚杆是插入围岩岩体的杆形构件 ；

采用锚杆体或杆端锚头的膨胀作用，或灌浆粘结，将锚杆固定在岩体内；

增加了岩体的紧密性，增强了抗剪性，起到了组合、悬挂、挤压加固的作用，提高了围岩的自稳性。

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复合式衬砌

外衬(也称初衬)— 使用能达到早强度的喷射混凝土和锚杆，使柔性衬里不仅能使围岩变形，还能防止其变形发展过快

内衬(又称二次衬砌)— 内衬可采用喷射混凝土层的柔性结构，也可采用较厚的模具混凝土

防水层 — 软聚氯乙烯薄膜、聚异丁烯片、聚乙烯片等防水卷材可用于内外衬砌之间的防水层，或喷涂乳化沥青等防水剂

最适合复合衬砌Ⅱ～Ⅵ在级围岩中使用，但在下列情况下，应谨慎对待。必要时应补充相应的加固措施。

拱顶以上的覆盖厚度小于隧道直径时

有明显偏压时；

在无自稳能力的未胶结砂砾地层中；

在大膨胀地层中；

在大涌水的地层；

在严重冻害的地区中时。

三、明洞的构造

明洞位置示意图 路堑式拱形明洞

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拱式明洞

路堑式拱形明洞

路堑式拱形明洞位于两侧都有高边坡的路堑中；

路堑式拱形明洞适用于路堑边坡处于对称或接近对称，边坡岩层基本稳定，仅防边坡有少量坍塌、落石，或用于隧道洞口岩层破碎，覆盖层较薄而难以用暗挖法修建隧道时；

承受对称荷载，拱、墙均为等截面，边墙为直墙式。

偏压直墙式拱形明洞

适用于两侧边坡高差较大的不对称路堑。

承受不对称荷载，拱圈为等截面，边墙为直墙式，外侧边墙厚度大于内侧边墙的厚度。

偏压斜墙式拱形明洞

适用于地形倾斜，低侧处路堑外侧有较宽敞的地面供回填土石，以增加明洞抵抗侧向压力的能力。

承受偏压荷载，拱圈为等截面，内侧边墙为等厚直墙式，外侧边墙不等厚斜墙式。

半路堑单压式拱形明洞

受单侧的压力，结构内轮廓与隧道一致，左右对称，结构截面左右不同，内侧边墙为等厚直墙，外墙需要相对地加大，而且必须把基础放在稳固的基岩上；

拱圈也可能采用变截面，以抵抗单侧的压力。

当外侧地形低下，不能保持回填土的天然稳定坡度，或是按天然稳定坡度则边坡将延伸很远时，可以在结构的外墙顶上，接高一段挡墙，用以拦截土石的流走，称之为耳墙式拱形明洞

当外侧边墙基底地质不好，不足以承受外墙传来的压力而必须把基础放到下方较深的基岩上时，外墙可以延伸直达基岩，成为内、外墙不同，内短外长的形式，称为长腿式拱形明洞

如果明洞外侧覆盖土不厚，还可以掏成侧洞，使露天的光线可以射进来，外界的新鲜空气可以流进来，改善了明洞内的环境条件 。

耳墙式拱形明洞

长腿式拱形明洞 连拱形外墙明洞

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棚洞

棚式明洞常见的结构形式有盖板式、刚架式和悬臂式三种。

盖板式棚洞

盖板式棚洞是由内墙、外墙及钢筋混凝土盖板组成的简支结构；

外墙不受侧向压力，仅承受梁和盖板的竖向荷载时，它要求的地基承载力较小 ；

当外侧基岩较浅，地基基础承载力较大时，可采用立柱式。

盖板式棚洞

刚架式棚洞

当地形狭窄，山坡陡峻，基岩埋置较深而上部地基稳定性差时，可采用刚架式外墙，此时称明洞为刚架式明洞（有时也可采用长腿式明洞）；

侧刚架、内侧重力式墩台结构、横顶梁、底横撑及钢筋混凝土盖板组成。并做防水层及回填土石处理。

悬臂式棚洞

适用于稳固而陡峻的山坡，外侧地形难以满足一般棚洞的地基要求，落石不太严重的情况 ；

内墙为重力式，上端接筑悬臂式横梁，其上铺以盖板，在盖板的内端设平衡重来维持结构受外荷载作用下的稳定性 。

悬臂式棚洞

四、洞门结构的构造

洞门（隧道门的简称，通常也泛指隧道门及明洞门）是隧道洞口用圬工砌筑用以保护洞口、排放流水并加以建筑装饰的支挡结构物。

对于铁路隧道，隧道的长度就是其进出口洞门墙外表面与线路内轨顶面标高线交点之间的距离；

对于公路隧道，隧道的长度就是其进出口洞门墙外表面与路面的交线同路线中线交点间的距离。

洞门的作用

减少洞口土石方开挖量

稳定边仰坡

引离地面流水

装饰洞口

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洞门结构的类型

隧道门

隧道门指修建在不设明洞的隧道洞口的支挡结构物，包括环框式洞门、端墙式洞门、翼墙式洞门、柱式洞门、台阶式洞门、斜洞门和耳墙式洞门等

明洞门

明洞门主要配合明洞结构类型设计，明洞有拱形明洞和棚洞之分，相应明洞门也分拱形明洞门和棚式明洞门两大类

棚式明洞门

环框式洞门

环框式洞门，即只镶饰隧道衬砌两端部分

适用于隧道洞口仰坡极为稳固，岩层坚硬，节理不发育，不易风化，地形陡峻而又无排水要求的地段

环框式洞门

端墙式洞

适用于自然山坡陡峻，洞门地形开阔，岩层较为坚硬完整，山体压力很小，开挖坡度1：0.3～1：0.5的洞口地段

起御土墙的作用，而且能支持洞口正面上的仰坡，并将从仰坡溜下来的地面水，汇集到排水沟中去

端墙式洞

端墙的构造要求

端墙的高度约在11.0m上下

端墙厚度应按挡土墙的方法计算，但不应小于：浆砌片石—0.5m；片石混凝土—0.5m；混凝土、块石—0.3m；钢筋混凝土—0.2m。

端墙宽度与路堑横断面相适应

柱式洞门

适用于洞口地形较陡，地质条件较差，岩层有较大侧压力，仰坡有下滑的可能性的地段

柱式洞门工程量较翼墙式洞门大，造价较高，施工也较为复杂

柱式洞门

翼墙式洞门

当洞口地质较差，山体纵向推力较大时，可以在端墙式洞门以外，增加单侧或双侧的翼墙（挡墙），成为翼墙式洞门

翼墙式洞门的正面端墙一般采用等厚的直墙，微向后方倾斜，斜度为1：10

翼墙式洞门

耳墙式洞门

耳墙式洞门即带耳墙的翼墙式洞门,将翼墙式洞门端墙两侧各接出一个耳墙至边坡内，呈带耳墙的结构，形成耳墙式洞门

对于排泄仰、边坡地表汇水，阻挡洞顶风化剥落体，效果良好，并可大大减少对坡面的冲刷

洞口显得宽敞，结构式样比较美观，而且对于边、仰坡坡度不一致的洞口，设计时亦便于处理

耳墙式洞门

台阶式洞门

当洞门处于傍山侧坡地区，地面横坡较陡，洞门一侧边坡较高时，为了减小仰坡高度及外露坡长，可以将端墙一侧顶部改为逐步升级的台阶形式，以适应地形的特点，减少仰坡土石开挖量。这种洞门也有一定的美化作用

台阶式洞门

斜交式洞门

当线路方向与地形等高线斜交时，为了避免出现此种现象，通常应将隧道洞门做成近于平行地形等高线方向设置，使洞门左右可以仍保持近似对称，修建成斜交隧道门，简称斜洞门。这样将使衬砌洞口段和洞门相对于线路呈斜交形式 。在松软地层中，不宜采用斜洞门 。

拱形明洞门

拱形明洞门可分为路堑式和半路堑式两类。路堑式明洞门有端墙式（常用柱式）和翼墙式两种，与一般隧道门形式相类似

柱式拱形明洞门路堑式 翼墙式拱形明洞门路堑式

半路堑式明洞门

多用于傍山线路，其山侧与原地层相接，为了适应傍山、横向地面坡陡的地形，一般也多以台阶形式加高端墙，并在山侧设置挡墙支挡边坡，降低开挖高度

台阶式拱形明洞门（半路堑式） 台阶式拱形明洞门（偏压式）

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