学习资料4_理解隧道设计

2、现场监控设计法
现场监控设计法又称信息设计法，它是以现场量测为手 段、以量测信息为设计依据，来确定支护参数、支护时机、 施工方法和工艺流程的设计方法。(围岩动态判断的准确度 难以把握，工程量大，耗资多，对施工有一定扰动)
3、理论计算设计法
理论计算设计法是在测得岩体和支护力学参数的前 提下，根据围岩和支护的力学特性及共同工作的关系， 应用弹塑性理论和有限单元分析法，建立力学模型，通 过计算确定支护参数的设计方法。（结合围岩位移特性 曲线和支护特性曲线，寻找最佳共同作用点）。
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。
2.1.4 设计目的
★ 满足限界要求 ★ 满足受力要求 ★ 圬工最省 “大小够用为度，形状受力合理，施工简单方便”。
一、支护的作用和结构设计的基本原则
1、支护的作用
基于对围岩“三位一体”特性的认识，隧道工作者进一 步认识到围岩与支护的基本关系： 围岩是工程加固的对象，支护是加固的手段； 围岩是隧道结构体系的基本承载部分，支护是隧道结构体系 的辅助承载部分； 围岩是不可替代的天然的结构主体，支护是可以选择的人工 的结构部分； “支护”——是用来“帮助”围岩获得稳定的人工结构。
图4-8 曲线隧道净空加宽平面示意图
+ (2) 由于曲线外轨超高，车辆向曲线内侧倾斜， 使车辆限界上的控制点在水平方向上向内移动了 一个距离 d内2 。
图4-9 曲线隧道净空加宽断面示意图
+ 据此，曲线隧道净空的加宽值为 + 内侧加宽 W 1 = d 内1 + d 内2 + 外侧加宽 W 2 = d 外 + 总加宽 W= W 1 + W 2 = d 内1 + d 内2 + d 外 + 2．加宽值计算
蒸汽及内燃牵引的单线、双线铁路隧道限界图
电力牵引的单线、双线铁路隧道限界图
4．直线隧道净空
“直线隧道净空”要比“隧道建筑限界”稍大一些， 除了满足限界要求外，考虑避让、救援通道，还考虑了 在不同的围岩压力作用下，衬砌结构的合理受力形状 （拱部采用三心圆，边墙采用直墙式或曲墙式）以及施 工方便等因素。图4-4及图4-5为时速120km单线及双线 电力牵引铁路隧道衬砌内轮廓。图4-6为时速200km单线 及双线电力牵引铁路隧道衬砌内轮廓。图4-7为武广客 运专线设计时速350km双线铁路隧道建筑限界及衬砌内 轮廓。
图4-9 单线隧道曲线加宽示意图
3．曲线隧道中线与线路中线偏移距离
从以上可知，曲线隧道内外侧加宽值不同（内 侧加宽大于外侧加宽），断面加宽后，隧道中线应 向内侧偏移一个 d 值。
单线隧道偏移值为 d= 1/2 ( W 1 − W 2)
4．时速200km以上曲线隧道净空加宽 最高时速200km的新建铁路单、双线隧道内净
“限界”是一种规定的轮廓线，这种轮廓线以 内的空间是保证列车安全运行所必需的。“建筑 限界”是建筑物不得侵入的一种限界。
机车车辆或超限货物车辆的接近限界 铁路建筑接近限界 隧道建筑限界 隧道净空
1．机车车辆限界
它是指机车车辆最外轮廓的限界尺寸。要求正在运行的 各种型号机车和车辆都必须容纳在此限界范围内而不得超越。
（二）锚喷支护的作用效果
2.3 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%。
本节主要内容：
➢支护的作用和结构设计的基本原则 ➢支护结构的设计方法 ➢支护的结构组成 ➢初期支护的选择原则及组合形式 ➢锚喷支护工程特点、作用和效果
理解隧道设计
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
1.1 铁路隧道限界
直线隧道净空与限界的概念
隧道净空是指隧道衬砌的内轮廓线所包围的空 间。铁路隧道净空是根据“隧道建筑限界”确定 的，而“隧道建筑限界”是根据“建筑接近限界” 制定的，“建筑接近限界”又是根据“机车车辆 限界”制定的。
圆弧、尖拱、平拱的选取）。 ★ 最小厚度/设计值。 “大小够用为度，形状受力合理，施工简单方便”。
2.2 铁路（公路）隧道衬砌断面设计
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。
直线隧道净空D=C+结构受力合理+形状便于施工
图4-4为时速120km单线电力牵引铁路隧道衬砌内轮廓。
图4-4 单线电力牵引铁路隧道衬砌内轮廓图
图4-5为时速120km双线电力牵引铁路隧道衬砌内轮廓。
图4-5 双线电力牵引铁路隧道衬砌内轮廓图
图4-6 时速200km新建铁路隧道衬砌内轮廓图
图4-7 时速350km双线铁路隧道建筑限界及内轮廓
2.1.5 隧道衬砌结构和断面尺寸的确定(工程类比法）
★ 选定衬砌断面的大小，即确定所需净空尺寸大小，保证车辆 安全通过。
★ 选定衬砌断面计算轴线的形状，调整并保证衬砌受力合理， 形状尽量简单。
★ 选定衬砌厚度，验算结构强度、刚度和稳定性。
2.1.6 具体原则
★ 减少挖方，不侵入限界，形状尽量圆顺。 ★ 尽量符合自然成拱条件，轴线、压力线尽可能重合（圆形、
这正是现代隧道围岩承载理论解决隧道工程问题的思路。
2、支护结构设计的基本原则：
基于对“围岩与支护的基本关系”的认识，人们针 对围岩稳定能力不足的工程实际，提出了利用“支护” 来“帮助”围岩获得稳定隧道支护结构设计的基本原则 和隧道施工的工程措施：
围岩不稳，支护帮助； 遇强则弱，遇弱则强； 按需提供，先柔后刚； 量测监控，动态调整。
三）曲线隧道与直线隧道衬砌的衔接方法
根据《铁路隧道设计规范》规定：
位于曲线地段隧道，断面加宽除圆曲线 部分按上述计算值予以加宽外，缓和曲线部分 可分两段加宽，即自圆曲线至缓和曲线中点， 并向直线方向延长13m（13=26÷2），采用圆 曲线加宽断面（按W值加宽）；其余缓和曲线， 自直缓分界点向直线段延长22m（22=18+4）， 采用缓和曲线中点加宽断面，其加宽值取圆曲 线之半（即按W/2加宽）。
空面积采用52㎡和80㎡断面形式也是经过优化比 选的，既充分满足了空气动力学效应标准的要求， 又完全满足建筑物接近限界及其他工程使用空间 的需要，且留有富余量，考虑道最高时速200km新 建铁路隧道线路采用最小圆曲线半径2200m，推荐 圆曲线半径为3500—6000m，按《铁路隧道设计规 范》曲线隧道的加宽也是较小的，完全在富余量 以内，可以不考虑内轮廓加宽。
二、支护结构的设计方法
1、工程类比法
工程类比设计法主要是在编制围岩分级表的基础上，比 照已建类似工程的锚喷支护参数、内层衬砌参数，以及施工 方法和工艺流程等经验，结合拟建工程的围岩等级与工程尺 寸等条件，直接确定拟建工程的初期支护参数、内层衬砌参 数，并同时提出施工方法和工艺流程的建议的设计方法。
本节主要内容：
➢隧道衬砌断面设计的主要内容和步骤 ➢铁路与公路隧道衬砌断面设计比较
2.1 隧道衬砌横断面设计 2.1.1 设计基本内容 ★ 内轮廓线 （横断面净空） ★ 结构轴线（横断面形状） ★ 截面厚度（截面强度）
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
图4-12 曲线隧道与直线隧道衔接方法平面示意图
当列车由直线进入曲线，车辆前面的转向架进到 缓和曲线起点后，由于缓和曲线外轨设有超高，故车 辆开始向内侧倾斜，车辆的后端点亦已偏离线路中心， 所以从车辆的前转向架到车辆后端点的范围内应按圆 曲线加宽值的一半加宽，此段长度为两转向架间距离 18m加转向架中心到车辆后端点距离4m共22m。当车辆 的一半进入缓和曲线中点时，其车辆后端偏离中线值 应根据前面的转向架所在曲线的半径及超高值决定。 此时，前面转向架已接近圆曲线，故车辆后段（按切 线支距法原来推算，近似取车长之半26/2=13m）应按 圆曲线加宽值加宽。（详见教材P68）
+ 1.2 公路隧道建筑限界
建筑限界组成部分：
行车道宽度(W) 路缘带(S) 侧向宽度(L) 人行道(R)或检修道(J)
当设置人行道时，含余宽(C) 车道数
+ 1.3 曲线隧道净空加宽
+ 1．加宽原因
（1）车辆通过曲线时，转向架中心点沿线路运 行，而车辆本身却不能随线路弯曲，仍保持其矩形 形状，故其两端向曲线外侧偏移（ d 外 ），中间 向曲线内侧偏移（ d 内1 ）。
四、锚喷支护工程特点、作用和效果
（一）锚喷支护的工程特点
1、灵活性
锚喷支护是由喷射混凝土、锚杆、钢筋网等支护部件进行 适当组合的支护形式，它们既可以单独使用，也可以组合使用。
2、及时性
锚喷支护能在施做后迅速发挥其对围岩的支护作用。
3、密贴性
喷射混凝土能与坑道周边的围岩全面、紧密地黏结，使锚 杆和钢筋网的点约束作用得以分配和改善，使其发挥协同作用。
1、初期支护（外层衬砌）
初期支护的作用主要是承受 “早期围岩压力”，帮助围岩达成 “基本稳定”，以便安全、顺利地 挖除坑道内岩体，保证隧道在施工 期间的稳定和安全。（喷锚支护、 超前支护、地层改良）
2、二次衬砌（内层衬砌）
内层衬砌的作用主要是承受后期围岩压力，并提供“安全储 备”，以及满足构造、美观、降阻和耐久等方面的要求，保证隧道 在服务期的长期稳定和安全。
位于曲线车站上的隧道，断面加宽应根据站 场线路具体要求计算确定。
当隧道位于反向曲线上且其间夹直线长度小 于44m时，重叠部分按两端不同的曲线半径分别计 算内外侧加宽值，取其中较大者。