第三章-主体结构

（单线）
1700 1400
2000 2400 2440
2300 1000
1500
4000
2300 1000
（双线） 2440
1500
6550 4000
4250 3000
4250 3000
1210 1110
1875
轨面
2250
4000 8500
2250
新建或改建行驶电力机车的单（双）线隧道限界
第1节 隧道净空与限界
界则不定。 ② 公路隧道的附属设施比铁路隧道多且要求高，且每一座
隧道均会因交通流量和长度不同而要求不同。
第2节 隧道衬砌断面设计
衬砌截面厚度
2.4 衬砌截面厚度
单线铁路隧道拱顶厚度一般为30～60㎝ 双线铁路隧道衬砌拱顶厚度为40～80㎝。 仰拱厚度一般稍小于拱顶的厚度。 衬砌可以等厚，也可将拱脚和边墙较拱顶加厚20%～50%。
3.2.2 曲墙式衬砌
拱圈
曲边墙
内轨顶面
仰拱
曲墙式衬砌
整体式混凝土衬砌
适用于： 地质较差，岩体 松散破碎，强度 不高； 有地下水； 侧向水平压力也 相当大。
第3节 隧道洞身支护结构
装配式混凝土衬砌
3.3 装配式混凝土衬砌
因隧道施工工业化和机械化发展而出现了装配式隧道衬 砌，目前多在使用盾构法施工的城市地下铁道中应用。
O
曲墙衬砌r3计算图
r3

2(H1
H 1b1
sin 3 b1
cos3 )
3 90 2
第2节 隧道衬砌断面设计
公路隧道衬砌断面设计
2.3 公路隧道衬砌断面设计
目前公路隧道以单心圆、坦三心圆两种断面应用最为普遍。
公路隧道与铁路隧道的主要区别： ① 铁路隧道建筑限界是固定统一的，而公路隧道的建筑限
2.1 隧道衬砌横断面设计
隧道衬砌横断面设计
隧道衬砌指的是为控制和防止围岩的变形或坍塌， 确保围岩的稳定，或为处理涌水和漏水，或为隧道内 空整齐或美观等目的，将隧道的周边围岩被覆起来的 结构体。它是一种超静定支护结构，是隧道的主体建 筑物。
第2节 隧道衬砌断面设计
隧道衬砌横断面设计
2.1 隧道衬砌横断面设计
r1

a
s in 1

r2
上式含b、f、φ1、a、r1、r2、φ2共7个参数
先给定b、f、φ1及a值后，再解出r1、r2及φ2。 曲线地段需要加宽时，保持r2及φ2不变，φ1仍取45º， b值根据加宽要求也是已知，故未知参数f、a、r1仍可求解。
H1
φ3
第2节 隧道衬砌断面设计
D C
铁路隧道衬砌断面设计
3.1.3 混合支护 ◆ 喷锚支护 ◆ 复合式衬砌
衬砌结构形式，主 要根据地质地形条件，考 虑结构受力的合理性、施 工方法等因素来确定。支 护方式有外部支护、内部 支护、混合支护
第3节 隧道洞身支护结构
整体式混凝土衬砌
3.2 整体式混凝土衬砌
工艺流程：立模－灌筑－养生－拆模
优点：
◆ 对地质条件和施工条件的适应性较强 ◆ 易于按需要成型 ◆ 整体性好 ◆ 抗渗性强
优点： ◆ 可立即承受围岩压力 ◆ 工厂化、机械化，改善劳动条件 ◆ 不需临时支撑可节省大量材料及劳力 ◆ 速度快，工期短，造价低
缺点：
◆ 接缝多，整体性差， ◆ 抗渗性差，防水困难 ◆ 需要足够的拼装空间 ◆ 制备构件尺寸上要求精度高
管 片 拼 装 图
装配式衬砌内景
第3节 隧道洞身支护结构
l — 车辆转向架中心距，取18m
R — 曲线半径，单位m
18 2
4050
； 则： d内1 8R 100 R (cm)
第1节 隧道净空与限界
曲线隧道净空加宽
外轨超高使车体向曲线内侧倾斜偏移
d内2＝
H E 150
(cm)
H — 隧道建筑限界控制点自轨面起的高度，cm
E — 外轨超高值，其最大不超过15cm，且
(cm)
其余情况时:
d中

8450 R
(cm)
第1节 隧道净空与限界
曲线隧道净空加宽
双线隧道中线偏移
内 侧 线 路 中 线 245+d内
隧 道 中 线
400+d中
外 侧 线 路 中 线 245+d外
d偏内 d偏外 内轨顶面
890+d
曲
Hale Waihona Puke Baidu
墙
衬
砌
内
轮 廓
直 墙 衬
d 偏内＝200＋
d内

d 外－d中 2
缺点： ◆ 需要养护时间 ◆ 受力较慢
第3节 隧道洞身支护结构
3.2.1 直墙式衬砌
拱圈
直边墙
轨顶面
铺底
直墙式衬砌
整体式混凝土衬砌
适用于： 地质条件较好的Ⅰ、Ⅱ级 (Ⅴ、Ⅵ类)围岩。 围岩压力以竖向为主， 几乎没有或仅有很小的 水平侧向压力。
第3节 隧道洞身支护结构
直墙式 半衬衬砌砌
整体式混凝土衬砌
砌
内
轮
廓
d偏外＝200＋
d内

d外＋d中 2
第1节 隧道净空与限界
曲线隧道净空加宽
1.3曲线铁路隧道加宽平面设计 1自圆曲线终点到缓和曲线中点，，
并向直线方向延长13米，采用圆
缓和曲线中 直线断面 点加宽断面
曲线的加宽值，d总
圆曲线加宽断面
缓和曲 线起点
d/2 缓和曲 线中点 缓和曲 线终点 d
13m
E 0.76 V 2 (cm) R
d内2系将相应的隧道建筑限界绕内侧轨顶中心转动角度：
arctg E 150
故可近似取 d内2＝2.7E (cm)
第1节 隧道净空与限界
曲线隧道净空加宽
车辆两端向曲线外侧的偏移
d外

L2 l 2 8R
L — 标准车辆长度，我国为26m，则
d外

262 182 8R
第2节 隧道衬砌断面设计
铁路隧道衬砌断面设计
2.2 铁路隧道衬砌断面设计
h f
c
r
φ
1
o
φ
2
a
ro
or
a
b bb
道碴面
内轨顶面
r
轨顶面至拱顶高度h；拱顶至拱脚 矢高f；衬砌拱部净宽之半b
内径r2的圆心o2至o1的水平和垂直距离a 拱圈第一个内径r1和第二个内径r2 第一段圆曲线的终点截面与竖直面的夹角φ 拱脚截面与竖直面的夹角φ2；
隧道工程
第3章 隧道主体建筑结构
隧道 结构 构造
主体构 造物
附属构造 物
洞身 衬砌
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
洞口构 造物
明洞
通风 照明 排水、消防、通讯等
第1节 隧道净空与限界
本节主要内容：
➢隧道净空与限界的概念 ➢隧道建筑限界的确定 ➢曲线隧道净空加宽
第3节 隧道洞身支护结构
本节主要内容：
➢洞身支护结构的主要类型 ➢不同类型洞身支护结构的特点及其适用条件 ➢整体式混凝土衬砌的结构特点
第3节 隧道洞身支护结构
支护结构类型
3.1 支护结构类型
3.1.1 外部支护（围岩外部） ◆ 整体式混凝土衬砌 ◆ 砌石衬砌 ◆ 拼装式衬砌 ◆ 喷射混凝土支护
3.1.2 内部支护 ◆ 锚杆 ◆ 注浆
2.1.4 设计目的
★ 满足限界要求 ★ 满足受力要求 ★ 圬工最省
第2节 隧道衬砌断面设计
隧道衬砌横断面设计
衬砌内轮廓线：是衬砌的完成线， 在内轮廓线之内的空间为隧道的净 空断面。 衬砌外轮廓线：指为保持净空断面 的形状，衬砌必须有足够的厚度(或 称最小衬砌厚度)的外缘线。该线又
称为最小开挖线。
锚喷支护
3.4 锚喷支护
喷射混凝土加设锚杆和金属网构成的一种支护形式，简 称“喷锚支护”，是目前常用的一种围岩支护手段。
适应软弱和膨胀性地层隧道开挖及可用于整治坍方和隧 道衬砌的裂损。
3.4.1 作用原理
喷射混凝土充填裂隙、封闭围岩壁面，靠喷层与围岩的粘 结力及自身的抗剪能力组成一个新的承载结构体系 通过锚杆的悬吊效应、组合梁效应 、加固效应以发挥围 岩自承能力
（双线）
2440 1500 1000
1500
6000
2440
4000
2440
3560 3000
3560 3000
1210 1110
1875
轨面
2250
4000
2250
8500
行驶蒸汽机或内燃机车的单（双）线隧道限界
第1节 隧道净空与限界
铁路隧道建筑限界
多的0.55米 为电力电缆 所需求
550 1250
铁路规范规定衬砌截面最小厚度(㎝)
建筑材料种类
混凝土 片石混凝土
浆砌粗料石或混凝土块
浆砌块石 浆砌片石
拱圈 20
30
隧道和明洞衬砌
边墙
仰拱
20
20
50
30
30
50
洞门端墙、翼墙 和洞口挡土墙
30 50 30 30 50
第2节 隧道衬砌断面设计
小结
仰拱是为改善上部支护结构受力条件而设置在隧道底 部的反向拱形结构，是隧道结构的主要组成部分之一，它一 方面要将隧道上部的地层压力通过隧道边墙结构或将路面上 的荷载有效的传递到地下，而且还有效的抵抗隧道下部地层 传来的反力。仰拱与二次衬砌构成隧道整体，增加结构稳定 性。
形成一种柔性衬砌结构，与围岩合成一体，共同作用， 充分调动或发挥围岩的自稳能力
第3节 隧道洞身支护结构
3.4.2 锚喷支护类型
φ3 o
我国铁路隧道的建筑限界是统一固定的， 在相同围岩等级条件下，衬砌结构的内 轮廓线断面形状和尺寸也是固定的，不 需要专门设计，有设计标准图
拱形断面隧道
（单位：cm）
第2节 隧道衬砌断面设计
铁路隧道衬砌断面设计
衬砌断面几何关系有：
r1 a r2 cos2 f
r2 sin2 a b
曲线隧道净空加宽
1.2 曲线隧道净空加宽
铁路隧道加宽原因：车辆是刚体；外轨超高
车辆长度（ ）
车辆前后转向架间距（l）
内2
D
车辆中心线
内2
线路中心线
d内 d外
曲线半径（R）
单线铁路隧道加宽示意图
第1节 隧道净空与限界
曲线隧道净空加宽
单线铁路隧道加宽计算 车辆中间部分向曲线内侧的偏移
l2 d内1 8R
第1节 隧道净空与限界
隧道净空与限界的基本概念
1.1 隧道净空与限界的基本概念
隧道净空：隧道衬砌内轮廓线所包围的空间，根据“隧道建 筑限界”确定的。 隧道建筑限界：为了保证隧道内各种交通的正常运行与安
全，而规定在一定宽度和高度范围内不得有任何障碍物的 空间范围。
铁路建筑接近限界：全国线路上所有建筑物和设备都不允许 侵入的净空范围。
2
d外
第1节 隧道净空与限界
曲线隧道净空加宽
双线铁路隧道加宽计算 d内及d外计算与单线加宽值相同
当外侧线路外轨超高大于内侧线路外轨超高时
d中

8450 R

H 150

E 2
(cm)
H — 车辆外侧顶角距内轨顶面的高度，取360cm
E — 外侧线路的外轨超高值，cm
故
d中

8450 R
1.2E
机车车辆限界：满足全国范围内各种机车在横断面尺寸上的 最大需要，同时考虑列车装载货物的情况。
第1节 隧道净空与限界
铁路隧道建筑限界
机车车辆或超限货物车辆的接近限界
铁路隧道建筑限界
铁路建筑接近限界 隧道建筑限界
隧道净空
第1节 隧道净空与限界
（单线） 1400
2000
2440 1000
铁路隧道建筑限界
线路中线
隧道中线
22m
R
d－圆曲线地段隧道中线偏移距离； R－圆曲线半径。
2缓和曲线的其余半段，并且自缓和曲线的起点向直线方向延伸22米，采用圆
曲线加宽值的一半，即0.5d总
第2节 隧道衬砌断面设计
本节主要内容：
➢隧道衬砌断面设计的主要内容和步骤 ➢铁路隧道衬砌断面设计 ➢公路隧道衬砌断面设计
第2节 隧道衬砌断面设计
100＝4400 R
(cm)
则总加宽值：
d总

d内1＋d内2＋d
外＝
4050 R

2.7E

4400 R

8450 R

2.7E
第1节 隧道净空与限界
曲线隧道净空加宽
单线隧道(结构)中线与线路中线偏移距离
直线隧道中心线
加宽后 隧道中心线
加宽后 隧道内轮廓线
直线隧道 内轮廓线
d内
d偏
d外
d偏＝
d内
2.1.1 设计基本内容
★ 内轮廓线 ★ 轴线 ★ 厚度
2.1.2 设计步骤
★ 确定隧道类型相应建筑限界 ★ 根据围岩初步拟定截面厚度 ★ 断面优化、强度检算并评价内轮廓线
第2节 隧道衬砌断面设计
隧道衬砌横断面设计
2.1.3 设计注意事项
★ 隧道内轮廓必须符合隧道建筑净空限界。 ★ 内轮廓线应尽量减小洞室的体积 。 ★ 结构轴线应尽可能地符合压力线。 ★ 采用的施工方法能确保断面形状及尺寸有利于隧 道的稳定。
适用于： 地质条件极好， 整体岩层坚固； 几乎无水平侧压力， 也无地下水侵入。
可不设边墙，但应把两 侧岩壁表面喷浆敷面。
第3节 隧道洞身支护结构
简化边墙
拱圈
边墙
喷混凝土
内轨顶面
连拱式边墙衬砌(单位：cm)
适用于：
在地质条件尚好，侧压力不大， 但又不宜采用半衬砌时。
h1 (h2)
整体式混凝土衬砌
第3节 隧道洞身支护结构
实际开挖线：为保证衬砌外轮廓，开挖时往往稍大，尤其用钻爆法开挖时， 实际开挖线不可避免的成为不规则形状。
总结及思考： （1） 衬砌内轮廓线(标准化) （2） 衬砌外轮廓线(可变化) （3） 衬砌截面厚度(可变化)
讨论：这三者之间的关系？ 结论： （1） 内轮廓线与厚度影响结构轴线； （2） 外轮廓线决定是否变截面衬砌，亦影响结构轴线。