隧道工程第三章隧道线路及断面设计

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秦岭隧道平面位置的方案比选
15.40km
19.40km
F2
F5
F3
F1
F4
西安安康线初测阶段秦岭地段
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雅西高速——双螺旋隧道
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起初的几条线路，虽然充分地利用了地形，却始终无法避 开安宁河大断裂，工程地质条件并不好。为了减少连续纵坡， 也为了规避不良地质和自然保护区，公路史上首座双螺旋隧道 诞生了。双螺旋隧道最大的妙处就在于，以长度换取高度。 48
➢单一的综合岩性指标
岩体的完整性系数Kv：
Kv
v岩体 v岩石
2
反映了岩石的力学性质和岩体的破碎程度的综合因素。
岩石质量指标：
RQD（％）＝
10cm以上岩芯累计长度 单位钻孔长度
×100%
综合反映岩体的强度和岩体破碎程度的指标。
围岩的自稳时间 ： 从隧道开挖到顶部开始发生可察觉的移动、松弛所经历的 时间，是综合岩性指标。
路堑指从原地面向下开挖而 成的路基形式。
绕行方案优缺点： ➢ 优点：技术要求小，投资省、工期短； ➢ 缺点：线路延长、弯道增多、形成高大边坡。
只有在确认对运营不会造成不良影响时才考虑。 路堑方案优缺点： ➢ 优点：造价低，施工进度快； ➢ 缺点：路堑病害多、破坏植被。
应以不形成高大边坡为原则。
围岩分级的目的： ① 作为选择施工方法的依据； ②确定结构上的荷载（松散荷载）； ③给出衬砌结构的类型及其尺寸； ④制定劳动定额、材料消耗标准基础等； ⑤进行科学管理及正确评价经济效益；
2.3.1 隧道围岩分级的因素指标及其选择
围岩分级的指标，主要考虑影响围岩稳定性的因素 或其组合的因素。 ➢单一的岩性指标 抗压强度、抗拉强度、弹性模量、抗钻性、抗爆性 一般多采用岩石的单轴饱和极限抗压强度作为基本的分级 指标，具有试验简单，数据可靠的优点。 但单一岩性指标只能表达岩体特征的一个方面，用来作为 分级的唯一指标是不合适的。
经隧道长度、施工难度、运营条件等综合比选多个方案， 最后确定最佳方案。
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垭口
如何选择垭口？
路线总方向
选择的垭口
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成昆线沙木拉打隧道的比选
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沙马拉达隧道位于成昆铁路线上，1966年修成，全 长6.387km，在这段越岭线路的设计中曾考虑过采用长 为14.5k m，19.5k m和25.75km的瓦吉木、小相岭和阳糯 雪山三个长大越岭隧道方案，虽然这能大大改善线路， 但就当时的技术水平和成昆线的工期要求而言，要做出 修建这类长大隧道的决策是不现实的。因此，最后采用 了相对较短、垭口最低，两侧有良好展线条件的沙马拉 达隧道方案。
隧道方案优缺点： ➢ 优点：能使线路平缓顺直，病害少，缩短线路， 节省运输时间，不需用较大的坡度，不需设置太多、 太急的曲线，还能最大限度地减少道路修建对自然 植被的破坏。 ➢ 缺点：造价高、施工进度慢。
一般情况下，采用隧道方案是比较有利的。当线 路遇到地形高程障碍时，应该优先考虑隧道方案。
经验指出：“山体可穿而不宜大挖，大挖必坍”。只有在保 证安全的前提下，才能谈到经济和技术的比较。
（3）复合指标 复合指标是一种用两个或两个以上的岩性指标或综合岩
性指标所表示的复合性指标。具有代表性的复合指标分级， 是巴顿（N.Barton）等人提出的岩体质量Q指标，Q指标综 合表达了岩体质量的六个地质参数：
Q＝(RQD/Jh)(Jr/Ja)(Jw /SRF)
岩体质量Q指标实际上是岩块尺寸、抗剪强度、作用应力 三者的复合指标。
双螺旋隧道采用半径 600米的 圆曲线，以螺旋展线的方式优化 线形指标，完美地解决了线路爬 升及避开地质不良地段的难题。
“两个螺旋”分别是干海子隧道和铁寨子1号隧道。干海 子
隧道是爬坡时经过的第一个螺旋，进口海拔1889米；第二个螺旋
铁寨子1号隧道，出口海拔2220米。两座隧道相距3735米，总长
度约11423米。 两个隧道都各有两个洞，限速80km/h，开车在拖
乌山肚子里绕两圈，不过花了10分钟，就已上升了331米。
这条线路虽然从利用地形条件上来说并不算最优，却远离了
地质灾害区，从安全性上考虑，是最好的选择。
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隧道工程
第三章 隧道线及断面设计
2017年3月2日
（2）越岭隧道标高选择
在越岭位置选定后，越岭标高影响展线及越岭隧道方案： ➢ 一般隧道标高越高，隧道长度越短，相应施工工期也短，但 两端展线长度增加，且线路拔起高度大，运营条件差，线路通 过能力降低； ➢ 低标高隧道则与之相反，施工难度增加，施工期较长，运 营条件好； ➢ 在选择越岭隧道标高时，考虑运营条件的改善和通过能力的 提高，宜采用低标高方案，但必须进行地形、地质、施工、运 营、经济等多种因素综合比较确定最优隧道标高。
[BQ]=BQ – 100（K1+K2+K3） K1——地下水影响修正系数；K2——主要软弱结构面产状影 响修正系数； K3——初始应力状态影响修正系数。
K1地下水影响的修正 地下水是造成施工塌方、使隧道围岩丧失稳定的最重要因素之
一，地下水对围岩的影响主要表现在：
➢ 软化围岩 ➢ 软化结构面 ➢ 产生流砂和潜蚀 ➢ 承压水作用
代表性：秦岭隧道
什么叫做分水岭？
分水岭是指分隔 相邻两个流域的 山岭或高地，河 水从这里流向两 个相反的方向。 在自然界中，分 水岭较多的是山 岭、高原。
秦岭是长江和黄河的分水岭
长江流域图
什么叫做傍山隧道？
山区道路通常傍山沿河而行，山区河流的特点是河 床狭窄、弯曲，经过常年的河水侵蚀和风化作用， 地势往往变得陡峻。为改善线形、提高车速、缩短 里程、节省时间，常需修建隧道，这种隧道叫做傍 山隧道，或称河谷线隧道。
沿河线是沿着河岸布设的路线。 优点：
①路线走向明确。只能顺山 沿水布线；
②线形好。纵坡一般<5％， 线形平缓、顺直，可达到较高 的标准；
③材料来源方便； ④联系居民点多，服务性好；
缺点：
①洪水威胁大。暴雨时水位猛涨猛落，冲刷力大。若线位高度 设计的不合理时，公路常常受到水毁，使交通中断。
②艰巨工程多。河谷一般含石头较多，悬崖陡壁多，而且间断 出现，导致石方工程集中，开挖困难。
数字越小的围岩性质越 好 。
第三章 隧道线及断面设计
山区公路线形设计受地形条件影响： ➢高程障碍：公路前进方向遇到高山时，由于坡度的限制不 能在一定距离内拔起越过山峰； ➢平面障碍：山嘴伸出很急。
该采取什么办法？
克服地形障碍案 沿河傍山绕行方案
隧道直穿方案
以宝成线秦岭盘山道为例。那里本应用隧道通过的，但为了 赶工期，图省钱，草率地改用明堑方案。深挖边坡为1:0.75和 1:0.5的陡边坡，边坡的高度达60 m，个别边坡达到90 m，岩 层虽为花岗岩，但属于风化破碎带。开挖后，表层岩石很快风 化，边坡站立不住。施工期间就不断坍方，其中最大一次塌方 就达10万m3。边坡顶上普遍出现纵向裂缝。以后多次刷方， 刷到坡顶达130 m仍不能稳定下来。直到铺轨时，才不得不增 添明洞，但已造成不应有的损失，并使施工程序极度混乱。
为了克服地势高差，过杨家湾站后就 以3个马蹄形和1个螺旋形（“8”字形） 的迂回展线上升，线路层叠3层，高度相 差达817米，即为著名的观音山展线，所 以在观音山站就可以看到多层铁路重叠的 场面。再经2364多米长的秦岭大隧道穿过 秦岭垭口，即进入嘉陵江流域并到达秦岭 站；越过秦岭后线路即用12‰的下坡道沿 嘉陵江而下至四川省广元，秦岭至略阳间 先后十四次跨过嘉陵江。
总之，应有足够的实测资料为基础，能全面反映围岩的 工程性质。
2.3.3 我国公路隧道围岩分级 围岩基本质量指标BQ 根据岩石的坚硬程度和岩体完整程度两个基本因素的定性特 征和定量围岩基本质量指标BQ，进行初步分级。
BQ=90+3Rc+250Kv Rc：岩石单轴饱和抗压强度，Mpa； Kv：岩体完整性系数。 围岩基本质量指标 BQ 修正
秦岭铁路
秦岭铁路进入秦岭山区后沿清姜河盘旋迂回，从杨家湾站 到秦岭大隧道直线距离只有6千米，但升高却达680米，即每 千米上升110米。
为了把坡 度改为每千米只升高40米，能够通行火车，只 能把铁路线反复迂回盘旋，在6千米的直线距离内盘绕了27千 米；在观音山站和青石崖站之间的线路以33‰的大 坡度急速 爬升。
③桥涵防护工程多。由于沿岸两侧地质、地形复杂，常常需要 跨河换岸以避让艰巨工程。另外支沟多，使得桥涵多。路基支挡 防护工程多。
④占地多。主要指占用农田较多。山区良田大多是沿河两岸阶 地分布，而线形也要利用阶地布线，所以占用良田较多。
由于沿河线突出的优点，在山区各种路线中，一般应优先采用 沿河线。
区分越岭隧道与傍山隧道方法： ➢越岭隧道是穿越山岭的隧道，一般应该穿越山 体，与山脊线近似正交。 ➢傍山隧道是沿着山体前进的隧道，一般与山脊 线近似平行或大角度相交。傍山隧道不穿越山体 的核心位置。
2.3.2 隧道围岩分级的方法
对隧道围岩的分级时，应注意以下几点： ➢ 首先应考虑选择对围岩稳定性有重大影响的主要因素， 如岩石强度、岩体的完整性、地下水、地应力、结构面产状、 以及他们的组合关系作为分级指标； ➢ 其次选择测试设备比较简单、人为因素小、科学性较强 的定量指标； ➢ 在考虑分级指标要有一定的综合性，如复合指标等。
修建隧道几点思考
（1）隧道走向？——掌握公路隧道选址的原则和方法 （2）洞门位置？——隧道洞口位置选择的原则和方法 （3）线形布置？——隧道平面和纵断面设计的要求 （4）空间大小？——隧道横面设计的要求和方法
第三章 隧道线路及断面设计
几个名词： ➢垭口 ➢分水岭 ➢越岭隧道 ➢傍山隧道 ➢沿河线 ➢展线
越岭线上，地形起伏陡峻，在展线时还可能需要 修建专门的展线隧道。
关角隧道
二郎北展线，三列东风4型内燃机车牵引着货车
关角隧道洛北——二郎区间的螺旋形展线夜景
穷人的铁路展线——兴安岭展线——中国第一个螺旋形展线
贵州水柏铁路
贵州水柏铁路北盘江大桥
贵州水柏铁路北盘江大桥
贵州水柏铁路（北盘江大桥）
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什么叫做垭口？
垭口在《辞源》里的解释是“两山间的狭窄地方”，即连 续山梁的一块平坦且相对较低的位置，也可以说是高大山 脊的鞍状坳口。 垭口：即相连的两山顶之间较低的部分称为垭口。
山顶1
山顶2
垭口
垭口
较高的垭口 较低的垭口
什么叫做越岭隧道？
我国幅员辽阔，山川交错，通过山岭、重丘区的 长大干线公路往往要翻越分水岭，为缩短里程，克 服高度或地形障碍，往往要设置隧道。线路为穿越 分水岭而修建的隧道称为越岭隧道。
3.1 隧道的选址
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3.1 隧道选址 ➢根据地形图和调查资料，通常在多个路线方案中，进行技术 经济比较确定一条线。 ➢隧道平面位置选择。 ➢隧道标高的选择。 ➢安全性、用地、建设投资、施工的难易、使用费以及与当地 环境和景观相协调等。 ➢从克服高寒地区的雪害、多雾地区和事故多发地的管理，以 及环境保护等方面，也往往需要考虑设置隧道。 ➢洞口附近确保视距和线形。
什么叫做展线？
展线：所谓展线是“展长线路”的缩略说法。 指的是在山岭地带，由于地面自然纵坡常大于道路设计容 许最大纵坡，加上工程地质限制，就需要顺应地形，适当延 伸线路长度沿山坡逐渐盘绕而上，以致达路线终点。这种减 缓纵坡，延长起、终点间路线长度的设计定线，称为展线。 一般来讲，展线只出现在因坡度限制或遇特殊地形条件的 情况下，牺牲线路顺直程度来换取尽可能低的限制坡度。平 坦地区基本不存在展线的问题，铁路的主要基本展线形式有： 灯泡线、套线、螺旋线等。
K2软弱结构面产状影响的修正 ➢ 成层岩体、层面性状较大，为陡倾角且走向与洞轴线夹角很 大时：对岩体稳定性无不利影响； ➢ 倾角较缓且走向与洞轴线夹角较小时：容易发生沿层面的过 大变形，甚至发生拱顶倒塌或侧壁滑移。
（4）围岩分级 《工程岩体分级标准》（GB50218-2014）规范将隧道围岩
分成六级，分别是Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ，
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垭口选择着重考虑以下因素： ➢ 优先考虑在路线总方向上或其附近的低垭口，此时垭口在
两侧具备有良好展线的横坡时，一般越岭隧道较短。 ➢ 虽远离线路总方向，但垭口两侧有良好的展线条件； ➢ 隧道一般选在分水岭垭口两边河谷标高相差不多，并且两
边河谷平面位置接近处。 ➢ 工程地质和水文地质条件良好的垭口。
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3.1.1 越岭隧道选址
（1）越岭隧道平面位置的选择 平面位置选择是指隧道穿越分水岭的不同高程及不同方向 的垭口选择，垭口是选定越岭隧道线路方案的控制点。 垭口位置的选择一般可利用小比例尺地形图、航空照片、 卫星照片等。根据线路的总方向和克服越岭高程的不同要求 在较大范围内选线，寻求可供越岭的几个垭口位置的比选。