隧道底部结构及防排水设计解析
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第四章 隧道底部结构及 防排水设计
主讲老师：张俊儒
隧道底部结构
无碴轨道概念
先学习：有砟轨道 用散体材料碎石组成道床的传统轨道形式，也叫普通轨道，即 我们最常说的有砟轨道。 特点：因在轨枕下铺设一层碎石组成的道床，减少了地面应力， 碎石道床还提高了轨道的弹性和排水性能，使轨道便于维修。
无碴轨道概念
路隧过渡段工程
中国
隧道内无碴轨道的防噪声措施
与铺设有碴轨道相比，铺设无碴轨道对隧道 内压力波的传播和洞口微气压波均有明显的负面 作用，不利于缓解隧道内空气动力学效应。
采取措施：尽量在洞内轨道上面或隧道边壁， 采取一些增加壁面粗糙度或具有吸声作用的材料。 另一种措施是在洞外设置加高的防声墙。
隧道内无碴轨道的防噪声措施
无碴轨道的应用情况
雷达2000型无碴轨道的结构图
无碴轨道的应用情况
雷达2000型无碴轨道的结构图
无碴轨道的应用情况
雷达2000型无碴轨道的结构图
无碴轨道的应用情况
下图为日本新干线隧道内框型板式无碴轨道的应用实例。
无碴轨道的应用情况
我国隧道内无碴轨道的研究始于20世纪60年代，正式推广应用 的仅有轨枕嵌入式（支承块式)整体道床。
隧道内铺设无碴轨道的基本要求
➢ 隧道仰拱基底不得有积水，必要时应采取注浆或其 他措施治理，防止隧底基底软化或水土颗粒流失。隧 道内应设双侧水沟，并确保排水系统通畅，根据各隧 道的水文地质情况，预留必要的排水储备能力。 ➢ 不良地质地段，仰拱施工前应进行基底承载力检测。 当围岩基底承载力达不到0.3 MPa，或者预计发生沉 降变形时，应采取地基加固措施。一般情况下，活动 断层地段不宜铺设无碴轨道。如铺设无碴轨道。应采 取方便维修或调整的相应措施。
（二）防排水原则
高速铁路隧道防排水应遵循“防、排、截、堵结合， 因地制宜，综合治理”的原则，在设计时需要考虑以下因素：
1 水文和气候因素； 2 地下水类型、水位，以及补给径流和排泄特征； 3 地下水化学成分（是否具有侵蚀性或腐蚀性）； 4 地下水排放对周围生态环境的影响； 5 隧道开挖方法和隧道衬砌设计等。 隧道可分为防水型隧道和排水型隧道。
路隧过渡段工程
为减小过渡段线路的刚度突变，需要在路基与隧道连接处设置过渡 段，以实现过渡段范围内线路刚度的渐进过渡。
下图为韩国无碴轨道与有碴轨道路基过渡段结构。 洞外有碴轨道侧33.6m范围内道床碎石按照不同的密实度捣固，形 成不同的刚度梯度。无碴轨道的素混凝土基础延伸到有碴轨道约60m长 度范围内，形成刚度的渐进过渡。
（四）排水工程措施
在排水型隧道中，必须做好衬砌背后的排水系统， 使水能通畅排出。隧道排水系统主要包括环向排水 盲沟、纵向排水盲沟、侧沟、横向排水盲管和中央 排水沟这一体系。
（四）排水工程措施
排水盲管： 环向排水盲管的作用是在岩面和初期支护喷射混凝土之间、 初期支护喷射混凝土与防水板之间提供过水通道，并使之下 渗到纵向排水管。
（三）防水工程措施
衬砌背后回填注浆： ➢ 回填注浆是二次衬砌完成后，为了填充二次衬砌与防水
板之间的空隙而进行的注浆；回填注浆应在衬砌混凝土强度 达到70%后进行；一般来说，通过在浇筑二次衬砌时拱顶 按一定间距预埋的垂向注浆管可进行回填注浆； ➢ 衬砌背后注浆宜选用水泥浆液、水泥砂浆或掺有石灰、 黏土、膨润土、粉煤灰的水泥浆液； ➢ 回填注浆及衬砌内注浆的压力应小于0.5MPa。
（三）防水工程措施
施工缝与变形缝： ➢ 施工缝是由于隧道衬砌混凝土施工所产生的冷接缝，是
防水薄弱环节之一，施工缝若处理不好，不仅造成衬砌混凝 土裂缝及洞内漏水，还会降低结构的强度和耐久性； ➢ 为防止由于衬砌不均匀下沉而引起裂缝，在地质条件变 化显著、衬砌受力不匀地段，应设置沉降缝，为防止由于温 度变化剧烈或混凝土凝结时的收缩影响而引起衬砌开裂，应 设置伸缩缝，这两种结构缝统称为变形缝；变形缝应采用柔 性材料做防水处理。 下页图！
（二）防排水原则
在下列条件下，需优先设计防水型隧道： 1 地面生态和社会环境敏感，要求严格限制排水以免 对其造成影响，特别是在隧道地区居民分布密集或存在地下 水供水水源，大量排放会对环境等造成重大影响的场合； 2 地表下沉影响较大，从而危及结构物正常使用及周 边环境的场合； 3 地下水具有腐蚀性，需要将地下水与混凝土隔离的 场合。
无碴轨道的应用情况
下图为博格板式无碴轨道在国外隧道中的应用情况。
博格板是一块块长6.45米、高 20厘米、重达9.6吨的混凝土 承轨台，每一块的长、宽、高 误差都被严格控制在３毫米以 内。实际上，每块博格板就相 当于连成一体的10块枕木。博 格板全部铺设完成后，钢轨就 被直接固定在博格板上。 我国在京津城际使用！
（三）防水工程措施
防水工程措施包括： ➢ 初期支护喷射混凝土防渗； ➢ 防水层； ➢ 施工缝及变形缝防水； ➢ 衬砌混凝土自防水； ➢ 衬砌背后回填注浆。
（三）防水工程措施
初期支护喷射混凝土防渗：为提高其防水质量，应 做好以下几点： ➢ 对喷射混凝土的围岩基面进行处理；
➢ 对喷射混凝土背后孔隙进行注浆； ➢ 对突出的锚杆头进行处理； ➢ 加强喷射混凝土的湿润养护，减少裂纹； ➢ 调整混凝土配合比或掺加外加剂等，提高混凝土的抗渗 能力。
荷兰某隧道为降低隧道内及洞口噪声，在两侧墙壁安装吸声板的措施。
隧道内无碴轨道的防噪声措施
德国科隆-法兰克福某隧道内在无碴轨道面上铺设预制吸声材料， 以减小无碴轨道对空气动力学效应的负面影响。
隧道防排水设计
（一）高速铁路隧道防水标准
为了保证高速铁路安全运行和设备正常运转，根据 《客运专线铁路隧道工程施工技术指南》（TZ2142005）和《客运专线铁路隧道工程施工质量验收暂行标 准》（铁建设[2005]160号），隧道衬砌和设备洞室衬 砌的防水等级应达到《地下工程防水技术规范》 （GB50108-2001）规定的一级防水标准，即二次衬砌 不允许渗水、二次衬砌表面无湿渍。
（三）防水工程措施
防水层： ➢ 复合式衬砌中的防水层是隧道防排水技术的核心；
➢ 防水层为不透水表面光滑的高分子防水卷材，不仅起到 将地层渗水拒于二次衬砌之外的防水作用，而且对初期支护 与二次衬砌还起到隔离与润滑作用，使初期支护喷射混凝土 对二次衬砌模筑混凝土的约束应力减少，从而避免二衬混凝 土产生裂缝，提高了二次衬砌的防水抗渗能力； ➢ 防水层通常由缓冲垫层与防水板两部分组成。
隧道内铺设无碴轨道的基本要求
利用底板作为无碴轨道混凝土支承层的结构如下图所示。
隧道内铺设无碴轨道的基本要求
➢ 隧道内混凝土支承层或混凝土底座在距隧道洞口 200m范围内伸缩缝设置与露天区间一致，洞内其余地 段伸缩缝间距可适当加大，在隧道结构沉降缝处对应 设置伸缩缝。 ➢ 隧道混凝土回填层是基底内无碴轨道的直接承力层， 回填层混凝土强度等级不低于C20，以兼做支承层回 填混凝土的强度等级不低于C25。
（四）排水工程措施
排水盲管： 纵向排水盲管是沿隧道纵向设置在衬砌底部防水板与初期支 护间的透水盲管，作用是将环向排水管等排下来的水汇集并 通过横向排水管排到侧沟或中央排水沟。
（四）排水工程措施
排水盲管： 横向排水盲管位于衬砌基础的下部，布设方向与隧道轴线垂 直，是连接纵向排水管与侧沟或中央排水沟的水流通道。
无砟轨道 前面学习到：常规铁路都在小块石头的基础上，再铺设枕木或 水泥钢轨，但这种铁路不适于列车高速行驶。世界高速铁路的 发展证实，高速铁路基础工程如果使用常规的轨道系统，道砟 粉化严重，线路维修频繁，安全性、舒适性、经济性相对较差。 无砟轨道是高速铁路工程技术的发展方向。 无砟轨道的轨枕本身是混凝土浇灌而成，而路基也不用碎石， 铁轨、轨枕直接铺在混凝土路上。无砟轨道是当今世界先进的 轨道技术。可以减少维护、降低粉尘、美化环境、轨道稳定性 高、刚度均匀性好、结构耐久性强，而且列车时速可以达到 200公里以上。广泛采用！！！先看几张图片！
无碴轨道概念
无碴轨道概念
隧道内铺设无碴轨道的基本要求
隧道内板式轨道结构由钢轨、扣件、轨道板、混凝土底座或混凝土 支承层等组成。
隧道内铺设无碴轨道的基本要求
双块式无碴轨道结构由钢轨、扣件、混凝土道床板、混凝土支承层 等组成。
隧道内铺设无碴轨道的基本要求
根据隧道仰拱和填充或底板的结构受力情况，可以利用隧道的仰拱或 底板兼做无碴轨道的混凝土支承层或混凝土底座。 利用填充作为无碴轨道支承层的结构如下图所示。
无碴轨道的应用情况
雷达2000型无碴轨道的结构图
德国雷达型无碴轨道于 1972年首次铺设于德国 比勒菲尔德至哈姆的一段 线路上，以Rheda车站而 命名，属轨枕埋入式无碴 轨道。雷达2000型无碴 轨道是雷达型无碴轨道系 统发展的最新型式，主要 由钢轨、扣件、预制双块 式轨枕、混凝土道床板以 及水硬性支承层组成。
（三）防水工程措施 施工缝与变形缝：
高速铁路隧道施工缝构造形式
高速铁路隧道带接水盒 的变形缝构造形式
（三）防水工程措施
防水混凝土： ➢ 二次衬砌混凝土既是外力的承载结构，也是防水的最后
一道防线，因此要求衬砌具有一定的抗渗性； ➢ 防水混凝土是以水泥、砂、石为原料，通过规定的及配 比，并掺入少量外加剂，通过调整配合比、抑制或减少空隙 率、改变孔隙特征、增加各原料界面间的密实性等方法，配 置具有一定抗渗能力的防水混凝土； ➢ 根据《客运专线铁路隧道工程施工技术指南》要求，二 次衬砌防水混凝土抗渗等级不低于P8。
路隧过渡段工程
下图为德国无碴轨道路隧过渡段，在隧道出口铺设5cm厚的硬泡 沫板，从隧道出口按照5.75%的坡度填筑楔形水泥土，.逐步向普通填 筑路基过渡。
路隧过渡段工程
我国的相关技术规定：为保证过渡段 无砟轨道末端支承层的可靠连接，自无砟 轨道起点至洞内25m范围内，对仰拱回填 层进行凿毛处理，并应预埋与底座的连接 钢筋。
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（四）排水工程措施
侧沟： 侧沟主要用于汇集地下水，并将地下水引入中央排水沟，同 时起到沉淀和兼顾部分排水的作用。
（四）排水工程措施
中央排水沟： 中央排水沟是主要排水沟，同时汇集道床顶部积水，疏干底 板下积水。中央排水沟采用带孔预制混凝土管段拼接而成， 纵向间隔一定距离设置检查井。
西南交通大学
Southwest jiaotong university
主讲老师：张俊儒
隧道底部结构
无碴轨道概念
先学习：有砟轨道 用散体材料碎石组成道床的传统轨道形式，也叫普通轨道，即 我们最常说的有砟轨道。 特点：因在轨枕下铺设一层碎石组成的道床，减少了地面应力， 碎石道床还提高了轨道的弹性和排水性能，使轨道便于维修。
无碴轨道概念
路隧过渡段工程
中国
隧道内无碴轨道的防噪声措施
与铺设有碴轨道相比，铺设无碴轨道对隧道 内压力波的传播和洞口微气压波均有明显的负面 作用，不利于缓解隧道内空气动力学效应。
采取措施：尽量在洞内轨道上面或隧道边壁， 采取一些增加壁面粗糙度或具有吸声作用的材料。 另一种措施是在洞外设置加高的防声墙。
隧道内无碴轨道的防噪声措施
无碴轨道的应用情况
雷达2000型无碴轨道的结构图
无碴轨道的应用情况
雷达2000型无碴轨道的结构图
无碴轨道的应用情况
雷达2000型无碴轨道的结构图
无碴轨道的应用情况
下图为日本新干线隧道内框型板式无碴轨道的应用实例。
无碴轨道的应用情况
我国隧道内无碴轨道的研究始于20世纪60年代，正式推广应用 的仅有轨枕嵌入式（支承块式)整体道床。
隧道内铺设无碴轨道的基本要求
➢ 隧道仰拱基底不得有积水，必要时应采取注浆或其 他措施治理，防止隧底基底软化或水土颗粒流失。隧 道内应设双侧水沟，并确保排水系统通畅，根据各隧 道的水文地质情况，预留必要的排水储备能力。 ➢ 不良地质地段，仰拱施工前应进行基底承载力检测。 当围岩基底承载力达不到0.3 MPa，或者预计发生沉 降变形时，应采取地基加固措施。一般情况下，活动 断层地段不宜铺设无碴轨道。如铺设无碴轨道。应采 取方便维修或调整的相应措施。
（二）防排水原则
高速铁路隧道防排水应遵循“防、排、截、堵结合， 因地制宜，综合治理”的原则，在设计时需要考虑以下因素：
1 水文和气候因素； 2 地下水类型、水位，以及补给径流和排泄特征； 3 地下水化学成分（是否具有侵蚀性或腐蚀性）； 4 地下水排放对周围生态环境的影响； 5 隧道开挖方法和隧道衬砌设计等。 隧道可分为防水型隧道和排水型隧道。
路隧过渡段工程
为减小过渡段线路的刚度突变，需要在路基与隧道连接处设置过渡 段，以实现过渡段范围内线路刚度的渐进过渡。
下图为韩国无碴轨道与有碴轨道路基过渡段结构。 洞外有碴轨道侧33.6m范围内道床碎石按照不同的密实度捣固，形 成不同的刚度梯度。无碴轨道的素混凝土基础延伸到有碴轨道约60m长 度范围内，形成刚度的渐进过渡。
（四）排水工程措施
在排水型隧道中，必须做好衬砌背后的排水系统， 使水能通畅排出。隧道排水系统主要包括环向排水 盲沟、纵向排水盲沟、侧沟、横向排水盲管和中央 排水沟这一体系。
（四）排水工程措施
排水盲管： 环向排水盲管的作用是在岩面和初期支护喷射混凝土之间、 初期支护喷射混凝土与防水板之间提供过水通道，并使之下 渗到纵向排水管。
（三）防水工程措施
衬砌背后回填注浆： ➢ 回填注浆是二次衬砌完成后，为了填充二次衬砌与防水
板之间的空隙而进行的注浆；回填注浆应在衬砌混凝土强度 达到70%后进行；一般来说，通过在浇筑二次衬砌时拱顶 按一定间距预埋的垂向注浆管可进行回填注浆； ➢ 衬砌背后注浆宜选用水泥浆液、水泥砂浆或掺有石灰、 黏土、膨润土、粉煤灰的水泥浆液； ➢ 回填注浆及衬砌内注浆的压力应小于0.5MPa。
（三）防水工程措施
施工缝与变形缝： ➢ 施工缝是由于隧道衬砌混凝土施工所产生的冷接缝，是
防水薄弱环节之一，施工缝若处理不好，不仅造成衬砌混凝 土裂缝及洞内漏水，还会降低结构的强度和耐久性； ➢ 为防止由于衬砌不均匀下沉而引起裂缝，在地质条件变 化显著、衬砌受力不匀地段，应设置沉降缝，为防止由于温 度变化剧烈或混凝土凝结时的收缩影响而引起衬砌开裂，应 设置伸缩缝，这两种结构缝统称为变形缝；变形缝应采用柔 性材料做防水处理。 下页图！
（二）防排水原则
在下列条件下，需优先设计防水型隧道： 1 地面生态和社会环境敏感，要求严格限制排水以免 对其造成影响，特别是在隧道地区居民分布密集或存在地下 水供水水源，大量排放会对环境等造成重大影响的场合； 2 地表下沉影响较大，从而危及结构物正常使用及周 边环境的场合； 3 地下水具有腐蚀性，需要将地下水与混凝土隔离的 场合。
无碴轨道的应用情况
下图为博格板式无碴轨道在国外隧道中的应用情况。
博格板是一块块长6.45米、高 20厘米、重达9.6吨的混凝土 承轨台，每一块的长、宽、高 误差都被严格控制在３毫米以 内。实际上，每块博格板就相 当于连成一体的10块枕木。博 格板全部铺设完成后，钢轨就 被直接固定在博格板上。 我国在京津城际使用！
（三）防水工程措施
防水工程措施包括： ➢ 初期支护喷射混凝土防渗； ➢ 防水层； ➢ 施工缝及变形缝防水； ➢ 衬砌混凝土自防水； ➢ 衬砌背后回填注浆。
（三）防水工程措施
初期支护喷射混凝土防渗：为提高其防水质量，应 做好以下几点： ➢ 对喷射混凝土的围岩基面进行处理；
➢ 对喷射混凝土背后孔隙进行注浆； ➢ 对突出的锚杆头进行处理； ➢ 加强喷射混凝土的湿润养护，减少裂纹； ➢ 调整混凝土配合比或掺加外加剂等，提高混凝土的抗渗 能力。
荷兰某隧道为降低隧道内及洞口噪声，在两侧墙壁安装吸声板的措施。
隧道内无碴轨道的防噪声措施
德国科隆-法兰克福某隧道内在无碴轨道面上铺设预制吸声材料， 以减小无碴轨道对空气动力学效应的负面影响。
隧道防排水设计
（一）高速铁路隧道防水标准
为了保证高速铁路安全运行和设备正常运转，根据 《客运专线铁路隧道工程施工技术指南》（TZ2142005）和《客运专线铁路隧道工程施工质量验收暂行标 准》（铁建设[2005]160号），隧道衬砌和设备洞室衬 砌的防水等级应达到《地下工程防水技术规范》 （GB50108-2001）规定的一级防水标准，即二次衬砌 不允许渗水、二次衬砌表面无湿渍。
（三）防水工程措施
防水层： ➢ 复合式衬砌中的防水层是隧道防排水技术的核心；
➢ 防水层为不透水表面光滑的高分子防水卷材，不仅起到 将地层渗水拒于二次衬砌之外的防水作用，而且对初期支护 与二次衬砌还起到隔离与润滑作用，使初期支护喷射混凝土 对二次衬砌模筑混凝土的约束应力减少，从而避免二衬混凝 土产生裂缝，提高了二次衬砌的防水抗渗能力； ➢ 防水层通常由缓冲垫层与防水板两部分组成。
隧道内铺设无碴轨道的基本要求
利用底板作为无碴轨道混凝土支承层的结构如下图所示。
隧道内铺设无碴轨道的基本要求
➢ 隧道内混凝土支承层或混凝土底座在距隧道洞口 200m范围内伸缩缝设置与露天区间一致，洞内其余地 段伸缩缝间距可适当加大，在隧道结构沉降缝处对应 设置伸缩缝。 ➢ 隧道混凝土回填层是基底内无碴轨道的直接承力层， 回填层混凝土强度等级不低于C20，以兼做支承层回 填混凝土的强度等级不低于C25。
（四）排水工程措施
排水盲管： 纵向排水盲管是沿隧道纵向设置在衬砌底部防水板与初期支 护间的透水盲管，作用是将环向排水管等排下来的水汇集并 通过横向排水管排到侧沟或中央排水沟。
（四）排水工程措施
排水盲管： 横向排水盲管位于衬砌基础的下部，布设方向与隧道轴线垂 直，是连接纵向排水管与侧沟或中央排水沟的水流通道。
无砟轨道 前面学习到：常规铁路都在小块石头的基础上，再铺设枕木或 水泥钢轨，但这种铁路不适于列车高速行驶。世界高速铁路的 发展证实，高速铁路基础工程如果使用常规的轨道系统，道砟 粉化严重，线路维修频繁，安全性、舒适性、经济性相对较差。 无砟轨道是高速铁路工程技术的发展方向。 无砟轨道的轨枕本身是混凝土浇灌而成，而路基也不用碎石， 铁轨、轨枕直接铺在混凝土路上。无砟轨道是当今世界先进的 轨道技术。可以减少维护、降低粉尘、美化环境、轨道稳定性 高、刚度均匀性好、结构耐久性强，而且列车时速可以达到 200公里以上。广泛采用！！！先看几张图片！
无碴轨道概念
无碴轨道概念
隧道内铺设无碴轨道的基本要求
隧道内板式轨道结构由钢轨、扣件、轨道板、混凝土底座或混凝土 支承层等组成。
隧道内铺设无碴轨道的基本要求
双块式无碴轨道结构由钢轨、扣件、混凝土道床板、混凝土支承层 等组成。
隧道内铺设无碴轨道的基本要求
根据隧道仰拱和填充或底板的结构受力情况，可以利用隧道的仰拱或 底板兼做无碴轨道的混凝土支承层或混凝土底座。 利用填充作为无碴轨道支承层的结构如下图所示。
无碴轨道的应用情况
雷达2000型无碴轨道的结构图
德国雷达型无碴轨道于 1972年首次铺设于德国 比勒菲尔德至哈姆的一段 线路上，以Rheda车站而 命名，属轨枕埋入式无碴 轨道。雷达2000型无碴 轨道是雷达型无碴轨道系 统发展的最新型式，主要 由钢轨、扣件、预制双块 式轨枕、混凝土道床板以 及水硬性支承层组成。
（三）防水工程措施 施工缝与变形缝：
高速铁路隧道施工缝构造形式
高速铁路隧道带接水盒 的变形缝构造形式
（三）防水工程措施
防水混凝土： ➢ 二次衬砌混凝土既是外力的承载结构，也是防水的最后
一道防线，因此要求衬砌具有一定的抗渗性； ➢ 防水混凝土是以水泥、砂、石为原料，通过规定的及配 比，并掺入少量外加剂，通过调整配合比、抑制或减少空隙 率、改变孔隙特征、增加各原料界面间的密实性等方法，配 置具有一定抗渗能力的防水混凝土； ➢ 根据《客运专线铁路隧道工程施工技术指南》要求，二 次衬砌防水混凝土抗渗等级不低于P8。
路隧过渡段工程
下图为德国无碴轨道路隧过渡段，在隧道出口铺设5cm厚的硬泡 沫板，从隧道出口按照5.75%的坡度填筑楔形水泥土，.逐步向普通填 筑路基过渡。
路隧过渡段工程
我国的相关技术规定：为保证过渡段 无砟轨道末端支承层的可靠连接，自无砟 轨道起点至洞内25m范围内，对仰拱回填 层进行凿毛处理，并应预埋与底座的连接 钢筋。
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（四）排水工程措施
侧沟： 侧沟主要用于汇集地下水，并将地下水引入中央排水沟，同 时起到沉淀和兼顾部分排水的作用。
（四）排水工程措施
中央排水沟： 中央排水沟是主要排水沟，同时汇集道床顶部积水，疏干底 板下积水。中央排水沟采用带孔预制混凝土管段拼接而成， 纵向间隔一定距离设置检查井。
西南交通大学
Southwest jiaotong university