第3章 隧道结构构造
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隧道的结构构造道路隧道结构构造由主体构造物和附属构造物两大类组成。
主体构造物是为了保持贮存岩体的稳定和行车安全而修建的人工永久建筑物,通常指洞身衬砌和洞门构造物。
洞身衬砌的平纵、横断面的形状由道路隧道的几何设计确定,衬砌断面的轴线形状和厚度由衬砌计算决定。
在山体坡面有发生崩坍和落石可能时,往往需要接长洞身或修筑明洞。
洞门的构造型式由多方面的因素决定,如岩体的稳定性、通风方式、照明状况、地形地貌以及环境条件等。
附属构造物是主体构造物以外的其他建筑物,是为了运营管理、维修养所、给水排水、供蓄发电、通风、照明、通讯、安全等而修建的构造物。
1、衬砌结构的类型山岭隧道的衬砌结构形式,主要是根据隧道所处的地质地形条件,考虑其结构受力的合理性、施工方法和施工技术水平等因素来确定的。
随着人们对隧道工程实践经验的积累,对围岩压力和衬砌结构所起作用的认识的发展,结构形式发生了很大变化,出现各种适应不同的地质条件的结构类型,大致有下列几类。
1)直墙式衬砌直墙式衬砌形式通常用于岩石地层垂直围岩压力为主要计算荷载、水平围岩压力很小的情况。
对于道路隧道,直墙式衬砌结构的拱部,可以采用割圆拱、坦三心圆拱或尖三心圆拱。
三心圆拱指拱轴线由三段圆弧组成,其轴线形状比较平坦时称为坦三心圆拱,形状较尖时称为尖三心圆拱,平时即为割圆拱。
2)曲墙式衬砌通常在III类以下围岩中,水平压力较大,为了抵抗较大的水平压力把边墙也做成曲线形状。
当地基条件较差时,为防止衬砌沉陷,抵御底鼓压力,使衬砌形成环状封闭结构,可以设置仰拱。
3)喷混凝土衬砌、喷锚衬砌及复合式衬砌这些衬砌与上述传统的衬砌方法有本质上的区别,这里仅介绍其结构形式。
为了使喷混凝土结构的受力状态趋于合理化,要求用光面爆破开挖,使洞室周边平顺光滑,成型准确,减少超欠挖。
然后在适当的时间喷混凝土,即为喷混凝土衬砌。
根据实际情况,需要安装锚杆的则先装设锚杆,再喷混凝土,即为喷锚衬砌。
如果以喷混凝土、锚杆或钢拱支架的一种或几种组合作为初次支护对围岩进行加固,维护围岩稳定防止有害松动。
一、衬砌1衬砌形式整体式模筑混凝土衬砌—就地灌筑混凝土衬砌装配式衬砌—将衬砌分成若干块构件,这些构件在现场或工厂预制,然后运到坑道内用机械将它们拼装成一环接着一环的衬砌。
喷锚支护—喷射混凝土和加设锚杆、金属网和钢架共同支护复合式衬砌—外衬和内衬两层,所以也叫它为“双层衬砌”2衬砌的适用条件整体式模筑混凝土衬砌—对地质条件的适用性较强,易于按需要成型,整体性好,抗渗性强,并适用于多种施工条件,如可用木模板、钢模板或衬砌模板台车等装配式衬砌—拼装成环后立即受力,便于机械化施工,改善劳动条件,节省劳力。
目前多在使用盾构法施工的城市地下铁道中采用。
喷锚支护—喷锚支护是目前常用的一种围岩支护手段,适用于各种围岩地质条件,但是若作为永久衬砌,一般考虑在Ⅰ、Ⅱ级等围岩良好、完整、稳定的地段中采用。
复合式衬砌—是一种较为合理的结构形式,适用于多种围岩地质条件,有其广阔的发展前途。
3衬砌的一般结构要求混凝土与钢筋混凝土隧道工程所用的混凝土强度等级不应低于C15洞门用混凝土整体灌筑,其强度不应低于C20强度等级对于衬砌段不应低于C20,对于洞门不应低于C15片石混凝土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%)。
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,其强度等级不应低于MU40,有裂隙和易风化的石料不应采用。
石料和混凝土预制块石料或混凝土预制块用强度等级不低于M10的水泥砂浆砌筑衬砌。
石料的强度等级不应低于MU60,并且有裂隙和易风化的石料不应采用。
混凝土预制块强度等级不应低于MU20。
喷射混凝土喷射混凝土的强度等级采用C20,所用的水泥应优先采用硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥喷射钢纤维混凝土中的钢纤维宜采用普通碳素钢制成,等效直径为0.3~0.5㎜的方形或圆形断面,长度宜为20~25㎜锚杆锚杆的杆体宜用20 MnSi钢筋,也可采用Q235钢筋;缝管式锚杆宜采用16 MnSi钢管,亦可采用Q235钢管;锚杆直径宜为18~22㎜,垫板可采用Q235钢板。
一、种类隧道通常指用作地下通道的工程建筑物,一般可分为两大类,一类是修建在岩层中的,称为岩石隧道;一类是修建在土层中的,称为软土隧道。
岩石隧道修建在山体中的较多,故又称山岭隧道;软上隧道常常修建在水底和城市,故称为水底隧道和城市道路隧道。
(—)洞门类型及构造1.洞门类型:为了保护岩(土)体的稳定和使车辆不受崩塌、落石等威胁,确保行车安全,应该根据实际情况,选择适当的洞门形式,修筑洞门,并对边、仰坡进行适宜的护坡。
洞门类型有:端墙式洞门、翼墙式洞门、环框式洞门、遮光式洞门等。
2.洞门构造:(1)洞口仰坡坡脚至洞门墙背的水平距离不应小于1.5m.洞门端墙与仰坡之间的水沟的沟底至衬砌拱顶外围的高度不应小于1.0m,洞门墙顶应高出仰坡坡脚0.5m以上。
(2)洞门墙应根据实际需要设置伸缩缝、沉降缝和泻水孔。
洞门墙的厚度可按计算或结合其他工程类比确定。
(3)洞门墙基础必须置于稳固的地基上,应视地形及地质条件,埋置足够的深度,保证洞门的稳定性。
(二)明洞类型及构造1.明洞类型:洞顶覆盖层较薄,难以用暗挖法建隧道时,隧道洞口或路堑地段受坍方、落石、泥石流、雪害等危害时,道路之间或道路与铁路之间形成立体交叉,但又不宜做立交桥时,通常应设置明洞。
明洞一般用明挖法施工。
通常根据明洞的用途、地形、地质条件、荷载分布情况、运营安全、施工难易以及条件等进行具体分析,比较,确定明洞形式。
明洞主要分为两大类.即拱式明洞和棚式明洞。
按荷载分布,拱式明洞又可分为路堑对称型、路堑偏压型、半路堑偏压型和半路堑单压型。
按构造,棚式明洞又可分为墙式、刚架式、柱式等。
此外还有特殊结构明洞,如支撑锚杆明洞、抗滑明洞、柱式挑檐棚洞、全刚架式棚洞、空腹肋拱式棚洞、悬臂棚洞、斜交托梁式棚洞、双曲拱明洞等,以适应特殊场合。
2,明洞构造:(1)拱式明洞拱式明洞主要由顶拱和内外边墙组成混凝土或钢筋混凝土结构,整体性较好,能承受较大的垂直压力和侧压力。
内外墙基础相对位移对内力影响较大,所以对地基要求较高,尤其外墙基础必须稳固。
第一章绪论1.隧道的定义,隧道的种类有哪些?2.我国隧道及地下工程设计与施工中应注意的问题有哪些?第二章隧道位置的选择1.隧道具体位置选择的影响因素有哪些?2.按地形条件选择隧道位置时有哪些原则?3.河谷隧道与越岭隧道有何区别?它们在位置的选择上各采取什么原则?4.双线单隧道与单线两隧道、长隧道与短隧道群各自的优缺点有哪些?5.隧道洞口位置的选择应遵循哪些原则?确定洞口位置考虑哪些因素?6.隧道进洞里程及洞口边、仰坡开挖线的确定方法?7.隧道线路方案的静态分析计算比较法是什么?8.隧道位于曲线上时有哪些缺点?设计时应考虑哪些问题?9.隧道的纵断面的坡度类型有哪几种?各有什么优缺点?10.位于长大坡道上长度大于400m的隧道为什么要进行坡度折减?怎样折减?11.隧道的横断面是根据什么设计的?12.曲线隧道为什么要进行加宽?怎样进行加宽?13.曲线隧道与直线隧道的衔接方法是什么?向直线方向延长13m和22m的理由是什么?14.某隧道位于半径R=800m的圆曲线上,通过Ⅲ级围岩地段,设计为直墙式衬砌,曲线加宽40cm,中线偏移值5.=d cm,外轨超高值5.9E cm,隧道竣工后,测得323+15,=12323+20、323+25各起拱线处内外侧宽值如表1,试按隧限-2A检算各点侵限情况。
表115.某电化隧道位于圆曲线半径R=1000m,缓和曲线长l c=100m的曲线上,曲线全长L=309.44m,隧道进口里程为DK276+844,HZ点里程为DK276+958,设计最高行车速度为V max=120km/h,试计算隧道加宽值W,中线偏移值d,并绘图说明隧道断面的变化位置、线路中线与隧道中线的关系。
16.隧道衬砌断面设计的原则是什么?第三章隧道结构构造1.隧道衬砌类型有哪几种?各适用于什么样的条件?2隧道衬砌断面在哪些情况下不宜套用定型设计图?3.常用的隧道衬砌材料有哪几种?各有什么要求?4.某电化曲线隧道,通过Ⅳ类围岩,采用直墙式衬砌:衬砌厚度为40cm,加宽值W=30cm,中线偏距d=10cm,线路上部建筑为次重型,视查表确定其主要尺寸及工程量,并绘制衬砌施工断面图(比例尺1:50)。
隧道的结构构造道路隧道结构构造由主体构造物和附属构造物两大类组成。
主体构造物是为了保持贮存岩体的稳定和行车安全而修建的人工永久建筑物,通常指洞身衬砌和洞门构造物。
洞身衬砌的平纵、横断面的形状由道路隧道的几何设计确定,衬砌断面的轴线形状和厚度由衬砌计算决定。
在山体坡面有发生崩坍和落石可能时,往往需要接长洞身或修筑明洞。
洞门的构造型式由多方面的因素决定,如岩体的稳定性、通风方式、照明状况、地形地貌以及环境条件等。
附属构造物是主体构造物以外的其他建筑物,是为了运营管理、维修养所、给水排水、供蓄发电、通风、照明、通讯、安全等而修建的构造物。
1、衬砌结构的类型山岭隧道的衬砌结构形式,主要是根据隧道所处的地质地形条件,考虑其结构受力的合理性、施工方法和施工技术水平等因素来确定的。
随着人们对隧道工程实践经验的积累,对围岩压力和衬砌结构所起作用的认识的发展,结构形式发生了很大变化,出现各种适应不同的地质条件的结构类型,大致有下列几类。
1)直墙式衬砌直墙式衬砌形式通常用于岩石地层垂直围岩压力为主要计算荷载、水平围岩压力很小的情况。
对于道路隧道,直墙式衬砌结构的拱部,可以采用割圆拱、坦三心圆拱或尖三心圆拱。
三心圆拱指拱轴线由三段圆弧组成,其轴线形状比较平坦时称为坦三心圆拱,形状较尖时称为尖三心圆拱,平时即为割圆拱。
2)曲墙式衬砌通常在III类以下围岩中,水平压力较大,为了抵抗较大的水平压力把边墙也做成曲线形状。
当地基条件较差时,为防止衬砌沉陷,抵御底鼓压力,使衬砌形成环状封闭结构,可以设置仰拱。
3)喷混凝土衬砌、喷锚衬砌及复合式衬砌这些衬砌与上述传统的衬砌方法有本质上的区别,这里仅介绍其结构形式。
为了使喷混凝土结构的受力状态趋于合理化,要求用光面爆破开挖,使洞室周边平顺光滑,成型准确,减少超欠挖。
然后在适当的时间喷混凝土,即为喷混凝土衬砌。
根据实际情况,需要安装锚杆的则先装设锚杆,再喷混凝土,即为喷锚衬砌。
如果以喷混凝土、锚杆或钢拱支架的一种或几种组合作为初次支护对围岩进行加固,维护围岩稳定防止有害松动。
(教材:覃仁辉、王成主编《隧道工程》重庆大学出版社2001)隧道工程是一门专业性很强的课程,学习过程中注意理论联系实际,建议学习过程中抽时间到已建或在建隧道现场观看,了解隧道结构构造、施工环节和建造过程。
本提纲是以思考题的形式进行复习,同学们只要回答出这些思考题即可达到复习的目的。
学生在学习完各章后,对下列每章的思考题进行解答或思考。
第一章绪论1.什么是隧道?2.隧道在我国交通建设中的地位和作用是什么?3.隧道工程的发展前景和需要解决的难题有哪些方面? P34.隧道按照用途分为哪些类型? P55.在我国《隧规》中隧道按照长度分为哪些类型? P5第二章隧道勘察 (不考?)1.隧道勘察的目的和意义是什么? P92.初步勘察和详细勘察有何异同? P153.隧道勘察方法除了收集资料、调查测绘、勘探外,据你所知还有哪些高科技手段和方法可用于隧道勘察? P94.地下涌水和枯水调查的意义是什么? P195.隧道建筑环境评价的目的是什么?对生态环境有何意义? P21第三章隧道总体设计1.名词解释:分水岭(p27)、鸡爪地形、越岭隧道(p27)、傍山隧道(p28)、隧道净空(p34)、隧道建筑限界(p34)、隧道行车限界、墙效应、仰拱、隧道衬砌p39、隧道内轮廓线p39、隧道外轮廓线p39、隧道实际开挖线 p392.越岭隧道选址要考虑哪些原则p28?傍山隧道选址要考虑哪些原则? P283.隧道主体建筑物和附属建筑物各包括哪些项目? P324.隧道平面设计的原则是什么? P325.曲线隧道有哪些不利因素?p326.隧道纵坡有哪些类型?p33控制隧道纵坡大小的主要因素是什么? P337.隧道接线要注意什么问题? P388.如何拟定圆形p40、直墙式、曲墙式隧道衬砌内轮廓线?9.在什么情况下需要设置仰拱?p4010.圆形衬砌、直墙式衬砌、曲墙式衬砌各适用于何种围岩类型?p41第四章隧道结构构造1.隧道洞身衬砌有哪些类型?p78各适用于何种场合围岩?p782.初期支护和二次支护的作用是什么?p80在其间设置隔离层有何作用? (隔水层)3.不宜采用锚喷衬砌的情况有哪些?p804.隧道洞门有哪些类型、适用条件? P825.在什么情况下设置明洞? P876.拱式明洞和棚式明洞各有哪些类型? P877.你设计施工明洞基础p89和填土p90需重视哪些问题?8.在什么情况下需设置竖井或斜井? P859.设置竖井或斜井需要考虑哪些问题? P8410.隧道内装要努力考虑哪些问题? P9511.隧道内装材料需具备哪些性能? P9512.隧道路面应具备哪些功能?p96路面材料如何选择和改进?P9613.水对隧道结构有哪些危害? P9014.隧道综合治水的原则是什么? P9115.截水、排水和堵水的措施有哪些? P91第五章隧道围岩分类与围岩压力1.隧道围岩分类的意义是什么? P532.围岩单一性指标有哪些?P543.围岩综合性指标有哪些? P554.围岩分类岩性指标选择的原则是什么? P575.我国公路隧道围岩分类特点是什么? P596.我国公路隧道围岩分类主要考虑哪些指标因素?7.施工围岩分类有何特点?其分类的评定指标有哪些?8.什么是围岩?什么是围岩压力?9.什么是初始应力场、构造应力场和重力应力场?10.隧道开挖后初始应力场将如何变化?11.确定围岩压力有哪些方法?12.深埋隧道围岩压力如何确定?13.《隧规》深埋围岩压力计算公式的适用条件是什么?14.深埋隧道和浅埋隧道的分界如何确定?15.围岩应力现场量测有哪些方法?16.影响隧道围岩稳定性的自然因素和人为因素有哪些?17.在隧道工程中,如何综合考虑人为因素使功能造价最优?第六章隧道结构计算1.名词解释:共同变形理论、局部变形理论、围岩弹性抗力2.隧道结构计算模型有哪些?3.隧道结构上的主要荷载有哪些?附加荷载有哪些?4.对半衬砌的隧道结构计算作了哪些简化假定?5.写出隧道半衬砌计算的力法正则方程式。
一、隧道结构构造1.隧道初砌材料种类(1)隧道衬砌的作用:承受围岩压力、地下水压力和支护结构自身重力,阻止围岩向隧道内变形和防止隧道围岩的风化,有时还要承受化学物质的侵蚀,地处高寒地区的隧道还要承受冻害的影响等。
(2)隧道衬砌材料要求:应具有足够的强度、耐久性、抗渗性、耐腐蚀性和抗风化及抗冻性等,此外还要满足经济、就地取材、易于机械化施工等要求。
(3)隧道衬砌材料种类:a.混凝土与钢筋混凝土混凝土的优点是:整体性和抗渗性较好,既能在现场浇筑,也可以在加工场预制,而且能采用机械化施工。
若在水泥中掺入密实性的附加剂,可以提高混凝土的强度,此外还可根据施工上需要可加入其它外加剂。
现浇混凝土的缺点是:混凝土浇筑后需要养生而不能立即承受荷载,需要达到一定强度才能拆模,占用和耗用较多的拱架及模板、化学稳定性(耐侵蚀性能)较差。
钢筋混凝土主要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使用,其强度等级不低于C20。
b.喷射混凝土采用混凝土喷射机,将掺有速凝剂的混凝土干拌混合料和水高速喷射到清洗干净的岩石表面上并充填围岩裂隙而凝结成的混凝土保护层,能很快起到支护围岩的作用。
喷射混凝土早期强度和密实性较高,其施工过程可以全部机械化,且不需要拱架和模板。
在石质较软的围岩,还可以与锚杆、钢丝网等配合使用,是一种理想的衬砌材料。
c.锚杆和钢架锚杆是用专门机械施工加固围岩的一种材料,通常可分为机械型锚杆和粘结型锚杆,或分为非预应力锚杆和预应力锚杆。
钢架是为了加强支护刚度而在初期支护或二次衬砌中放置的型钢支撑或格栅钢支撑。
d.片石混凝土在岩层较好地段的边墙衬砌,为了节省水泥,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MU40,严禁使用风化和有裂隙的片石,以保证其质量。