隧道结构设计隧道工程结构构造设计课件
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《隧道工程(第五版)》课件第3章 隧道总体设计
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隧道工程（第五版）
出版社 理工分社
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隧道工程（第五版）
出版社 理工分社
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3.2.2 隧道纵断面设计隧道纵断面是隧道中心线展 直后在垂直面上的投影。隧道内线路坡度可设置为单面 坡（即向隧道一端上坡或下坡）或人字坡（即从隧道中 间向洞口两端下坡）两种，如图3.13所示。
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⑤考虑洞口边仰坡不致开挖过高和洞口段衬砌结构 受力，洞口位置宜与地形等高线大体上正交，见图3.11 （a）。特别是在土质松软、岩层破碎、构造不利的傍 山隧道，更应注意。道路隧道一般不宜设计斜交洞门， 见图3.11（b）。若为斜交时，应尽可能加大斜交角度 （一般不小于45°），或采取工程措施，以降低垂直等 高线方向的开挖高度。
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隧道工程（第五版）
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在1∶50000耀1∶25000地形图上比选时，为了明确 路线是否经济，技术上是否可行，是否符合工程实际， 可参考已有的地质等资料，在地形图上徒手描绘大概的 平面线形图，判断隧道位置和规模，对所有可能的路线 方案进行比较，估算建设费用，去掉一些明显没有进一 步比较价值的路线方案，选出下一步所需进一步比较的 路线方案。。然后在1∶5000地形图上研究路线控制点， 拟订几条比较路线的平面线形、纵坡，使其与交通安全、 地形地物协调，并确定出线形指标好、工程造价低的线 路。一般路线比较要点是：线形适当（平面顺适、纵坡 均衡、横面合理），顺应地形，路线延长对邻近地区的 影响；安全性、用地、建设投资、养护费、行驶性能， 施工的难易，与当地环境和景观相协调等。
隧道工程第5章-隧道支护结构计算课件.ppt
位移ue为：
e
ue
a
e
(4
3
)
a
e
e
(14
15
)
e
2 2
4
14
3
1
4
2
10
当基础无扩展时，墙顶位移为：
0 cp
uc0p
M
0 cp
1
M c0pu1
H
0
cp
2
H c0pu2
eeuee00
墙顶截面的弯矩Mc、水平力Hc、转角c、水平位移uc为：
Mc Hc
c
M
0 cp
X1
X2
另一种是开挖后，洞室围岩产生塑性区，此时洞室都要 采用承载的支护结构，支护结构对洞室围岩应力状态和位移 状态产生影响。
根据弹性力学和岩体力学可得，隧道壁的径向位移与支护阻 力之间的关系式：
u
பைடு நூலகம்
|r r0
r0 2G
(Hc
sin
C
cos)[(1
sin )
Hc C cot pa C cot
1sin
心某一距离的各点，其应力值是相同的，因此围岩中的塑性 区必然是个圆形区域。令这个圆形塑性区的半径为R0，那么
在塑性区与弹性区的交界面上(即在r=R0处)，塑性区的应力 p与弹性区的应力 e一定保持平衡，同时，交界面上的应力
既要满足弹性条件，又要满足塑性条件，可得到在r=R0处：
围岩弹塑性区
p r
p
替，便可得到变位积分的近似计算公式：
ik
S E
ip
S E
MiMk
M
I iM
p
I
11
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当基础无扩展时，墙顶位移为：
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墙顶截面的弯矩Mc、水平力Hc、转角c、水平位移uc为：
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X1
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另一种是开挖后，洞室围岩产生塑性区，此时洞室都要 采用承载的支护结构，支护结构对洞室围岩应力状态和位移 状态产生影响。
根据弹性力学和岩体力学可得，隧道壁的径向位移与支护阻 力之间的关系式：
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Hc C cot pa C cot
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心某一距离的各点，其应力值是相同的，因此围岩中的塑性 区必然是个圆形区域。令这个圆形塑性区的半径为R0，那么
在塑性区与弹性区的交界面上(即在r=R0处)，塑性区的应力 p与弹性区的应力 e一定保持平衡，同时，交界面上的应力
既要满足弹性条件，又要满足塑性条件，可得到在r=R0处：
围岩弹塑性区
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替，便可得到变位积分的近似计算公式：
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隧道工程图文讲解ppt课件
.
第四章 隧道结构构造
§4.1 洞身衬砌 §4.2 洞门 §4.3 明洞 §4.4 竖井、斜井 §4.5 内装、顶棚及路面 §4.6 隧道的放水与排水
.
隧道 结构 构造
主体构 造物
附属构 造物
洞身 衬砌
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
① 当初支产生形变及形变压力时，隔离层允许其有少量的变形， 可降低形变压力；
② 当初支支护力不够时，可将少量形变压力均匀的传布到二衬 上，依靠二衬制止其继续变形，且不使初衬出现裂缝时，二衬 也出现裂缝。
.
③ 具有防水效果，且可减少二次衬砌混凝土的收缩裂缝。
※ 预留初期支护变形量：在确定开挖尺寸时，应预留必要的初 期支护变形量以保证初期支护稳定后，二次衬砌的必要厚度
.
※ 仰拱的重要性
① 解决基础承载力不够，减少下沉：防止底鼓的隆起变形，调 整衬砌应力的作用；
② 封闭围岩，制止围岩过大的松弛变形，将围岩塑性变形和形 变压力控制在允许范围，提高结构的整体承载力；
③ 增加底部和墙部的支护抵抗力，防止内挤而产生剪切破坏。
※ 两层衬砌之间宜采用缓冲、隔离的防水夹层，即隔离层。
.
※ 锚喷衬砌内表面不太平整顺直，美观性差，影响司机在行车 中视觉感观，应根据需要考虑内装。 ※ 不宜采用锚喷支护作为永久衬砌的情况 ① 在某些不良地质、大面积涌水地段和特殊地段不宜采用锚 喷衬砌作为永久衬砌； ② 对衬砌有特殊要求的隧道或地段，如洞口地段，要求衬砌 内轮廓很整齐、平整； ③ 有很高的防水要求的隧道； ④ 寒冷和严寒地区有冻害的地方(锚喷衬砌抗冻胀能力较差) ⑤ 围岩及覆盖太薄，且其上已有建筑物，不能沉落或拆除者 ⑥ 地下水有侵蚀性，可能造成喷射混凝土和锚杆材料的腐蚀
第四章 隧道结构构造
§4.1 洞身衬砌 §4.2 洞门 §4.3 明洞 §4.4 竖井、斜井 §4.5 内装、顶棚及路面 §4.6 隧道的放水与排水
.
隧道 结构 构造
主体构 造物
附属构 造物
洞身 衬砌
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
① 当初支产生形变及形变压力时，隔离层允许其有少量的变形， 可降低形变压力；
② 当初支支护力不够时，可将少量形变压力均匀的传布到二衬 上，依靠二衬制止其继续变形，且不使初衬出现裂缝时，二衬 也出现裂缝。
.
③ 具有防水效果，且可减少二次衬砌混凝土的收缩裂缝。
※ 预留初期支护变形量：在确定开挖尺寸时，应预留必要的初 期支护变形量以保证初期支护稳定后，二次衬砌的必要厚度
.
※ 仰拱的重要性
① 解决基础承载力不够，减少下沉：防止底鼓的隆起变形，调 整衬砌应力的作用；
② 封闭围岩，制止围岩过大的松弛变形，将围岩塑性变形和形 变压力控制在允许范围，提高结构的整体承载力；
③ 增加底部和墙部的支护抵抗力，防止内挤而产生剪切破坏。
※ 两层衬砌之间宜采用缓冲、隔离的防水夹层，即隔离层。
.
※ 锚喷衬砌内表面不太平整顺直，美观性差，影响司机在行车 中视觉感观，应根据需要考虑内装。 ※ 不宜采用锚喷支护作为永久衬砌的情况 ① 在某些不良地质、大面积涌水地段和特殊地段不宜采用锚 喷衬砌作为永久衬砌； ② 对衬砌有特殊要求的隧道或地段，如洞口地段，要求衬砌 内轮廓很整齐、平整； ③ 有很高的防水要求的隧道； ④ 寒冷和严寒地区有冻害的地方(锚喷衬砌抗冻胀能力较差) ⑤ 围岩及覆盖太薄，且其上已有建筑物，不能沉落或拆除者 ⑥ 地下水有侵蚀性，可能造成喷射混凝土和锚杆材料的腐蚀
隧道工程PPT课件
第一节洞门的结构构造
隧道工程
- 拱形明洞门
- 拱形明洞门可分为路堑式和半路堑式两类。路堑式明洞门有端墙式 （常用柱式）和翼墙式两种，与一般隧道门形式相类似
柱式拱形明洞门路堑式
翼墙式拱形明洞门路堑式
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第一节洞门的结构构造
隧道工程
- 半路堑式明洞门多用于傍山线路，其山侧与原地层相接，为了适应 傍山、横向地面坡陡的地形，一般也多以台阶形式加高端墙，并在山 侧设置挡墙支挡边坡，降低开挖高度，
大减少对坡面的冲刷
• 洞口显得宽敞，结构式样比较美观，而且对于边、仰坡坡度不一致的洞
口，设计时亦便于处理
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第一节洞门的结构构造
- 台阶式洞门
当洞门处于傍山侧坡地区，地 面横坡较陡，洞门一侧边坡较 高时，为了减小仰坡高度及外 露坡长，可以将端墙一侧顶部 改为逐步升级的台阶形式，以 适应地形的特点，减少仰坡土 石开挖量。这种洞门也有一定 的美化作用
•明洞门
明洞门主要配合明洞结构类型设计，明 洞有拱形明洞和棚洞之分，相应明洞门 也分拱形明洞门和棚式明洞门两大类
隧道工程
棚式明洞门
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第一节洞门的结构构造
环框式洞门
• 环框式洞门，即只镶饰隧道衬砌
两端部分
• 适用于隧道洞口仰坡极为稳固，
岩层坚硬，节理不发育，不易风化 ，地形陡峻而又无排水要求的地段
端墙式洞门
隧道工程
- 偏压斜墙式拱形明洞
• 适用于地形倾斜，低侧处路堑外侧有较宽敞的地面供回填土石，以增
加明洞抵抗侧向压力的能力。
• 承受偏压荷载，拱圈为等截面，内侧边墙为等厚直墙式，外侧边墙不
等厚斜墙式。
- 半路堑单压式拱形明洞
• 受单侧的压力，结构内轮廓与隧道一致，左右对称，结构截面左右不
隧道工程图文讲解
路堑对称型明洞
路堑偏压型明洞
※ 路堑偏压型
适用于两侧山坡高差较大的路堑，高侧边坡有坍塌，落石 或泥石流；低侧边坡明洞墙顶以下部分为挖方，且能满足外侧 边墙嵌入基岩要求的地段
※ 半路堑偏压型
适用于半路堑靠山侧边坡较高，有坍塌、落石或泥石流等 不良地质现象，而外侧地面较为宽敞和稳定，上部填土坡面线 能与地面相交以平衡山侧压力的地段
① 导致实际墙背的侧压力较计算的要大，影响结构安全； ② 较好的围岩与衬砌之间有低摩擦角的回填“软弱夹层”，会 增加土压力和减小弹性抗力，技术、经济效益方面都是不适宜 的
4.4 竖井、斜井
1、竖井 ※ 位置选择：
必须考虑地形、地质， 与主坑道的衔接，完工后的 处理等条件来决定。特别是 设在山谷部分的竖井多数延 长短，要研究防止井口附近 地表水和泥沙的流入措施
※ 为了使开挖时外轮廓线圆顺，尽可能减少围岩中的应力集中
锚喷衬砌的内轮廓线，宜采用曲墙式的断面形式；
※ 锚喷衬砌内表面不太平整顺直，美观性差，影响司机在行车
中视觉感观，应根据需要考虑内装。
※ 不宜采用锚喷支护作为永久衬砌的情况
① 在某些不良地质、大面积涌水地段和特殊地段不宜采用锚 喷衬砌作为永久衬砌；
止因外墙下沉而引起拱圈开裂。故外墙必须设置于稳固地基 上，如有困难，则可用桩基(或加深基础)及加固地基等方法 进行处理
柱式拱形明洞门路堑式
翼墙式拱形明洞门路堑式
台阶式拱形明洞门（半路堑式）
台阶式拱形明洞门（偏压式）
2、棚式明洞 当山坡坍方，落石数量较少，山体侧压力不大，或因受地 质、地形条件的限制，难以修建拱形明洞时，可采用棚式明洞 棚式明洞的类型主要取决于外侧边墙的结构形式。通常有 墙式、刚架式，柱式和悬臂式(不修建外墙时)等 ※ 墙式棚洞(墙式棚式明洞)
隧道工程(第六讲-隧道支护结构设计)
结构力学设计方法
半拱形结构计算 典型方程的建立 正对称的结构，作用有正对称的荷载，利用对称性，从拱顶切开，取基本结构如右图
结构力学设计方法
计算关键： 拱顶单位位移和荷载位移的计算； 拱脚位移的计算。
半拱形结构计算
结构力学设计方法
拱顶单位位移和荷载位移的计算： 根据结构力学中位移计算方法，可求的某一点在单位力作用下，沿k方向的位移（忽略剪力作用）为：
结构力学设计方法
曲墙拱形结构计算
1. 求主动荷载作用下的衬砌内力
结构力学设计方法
曲墙拱形结构计算 1. 求主动荷载作用下的衬砌内力
结构力学设计方法
曲墙拱形结构计算 求单位弹性反力作用下的衬砌内力
结构力学设计方法
曲墙拱形结构计算
3. 位移及最大弹性反力值的计算
①主动荷载作用下最大抗力点h点位移的计算
结构力学设计方法
直墙拱形结构计算
计算原理
③附加一个方程：墙顶变位 ④拱圈内力的计算：在原理上与弹性固定的高拱结构完全相同 ，只是计及墙顶变位 ⑤边墙：作为弹性地基上的直梁来计算
结构力学设计方法
直墙拱形结构计算
计算原理
弹性地基梁，按其换算长度l的不同，可分为3种情况： ① 长梁 l≥2.75 ② 短梁 1<l<2.75 ③ 刚性梁 1≥l l为梁的长度（即边墙高度），为弹性地基梁的弹性特征值
结构力学设计方法
4.衬砌内力计算及校核计算结果的正确性
曲墙拱形结构计算
③ 按变形协调条件，校核整个计算过程：
直墙拱形结构计算 结构 拱圈支承在弹性地基梁上的弹性固定无铰拱； 边墙双向弹性地基梁 计算原理
结构力学设计方法
结构力学设计方法
直墙拱形结构计算 计算原理 ②弹性反力 拱圈：任意截面弹性反力荷载图形假设为二次抛物线，作用方向为径向；计算公式如下； 边墙：用弹性地基梁的方法计算
半拱形结构计算 典型方程的建立 正对称的结构，作用有正对称的荷载，利用对称性，从拱顶切开，取基本结构如右图
结构力学设计方法
计算关键： 拱顶单位位移和荷载位移的计算； 拱脚位移的计算。
半拱形结构计算
结构力学设计方法
拱顶单位位移和荷载位移的计算： 根据结构力学中位移计算方法，可求的某一点在单位力作用下，沿k方向的位移（忽略剪力作用）为：
结构力学设计方法
曲墙拱形结构计算
1. 求主动荷载作用下的衬砌内力
结构力学设计方法
曲墙拱形结构计算 1. 求主动荷载作用下的衬砌内力
结构力学设计方法
曲墙拱形结构计算 求单位弹性反力作用下的衬砌内力
结构力学设计方法
曲墙拱形结构计算
3. 位移及最大弹性反力值的计算
①主动荷载作用下最大抗力点h点位移的计算
结构力学设计方法
直墙拱形结构计算
计算原理
③附加一个方程：墙顶变位 ④拱圈内力的计算：在原理上与弹性固定的高拱结构完全相同 ，只是计及墙顶变位 ⑤边墙：作为弹性地基上的直梁来计算
结构力学设计方法
直墙拱形结构计算
计算原理
弹性地基梁，按其换算长度l的不同，可分为3种情况： ① 长梁 l≥2.75 ② 短梁 1<l<2.75 ③ 刚性梁 1≥l l为梁的长度（即边墙高度），为弹性地基梁的弹性特征值
结构力学设计方法
4.衬砌内力计算及校核计算结果的正确性
曲墙拱形结构计算
③ 按变形协调条件，校核整个计算过程：
直墙拱形结构计算 结构 拱圈支承在弹性地基梁上的弹性固定无铰拱； 边墙双向弹性地基梁 计算原理
结构力学设计方法
结构力学设计方法
直墙拱形结构计算 计算原理 ②弹性反力 拱圈：任意截面弹性反力荷载图形假设为二次抛物线，作用方向为径向；计算公式如下； 边墙：用弹性地基梁的方法计算
隧道工程(第六讲-隧道支护结构设计)
要点一
BIM技术
要点二
设计与管理
BIM（建筑信息模型）技术能够实现隧道支护结构的数字化 建模、分析和优化，提高设计效率与准确性。
基于BIM技术的隧道支护结构设计能够实现协同设计、优 化方案、减少错漏碰缺等问题；同时，在施工过程中，通 过BIM模型的管理与更新，实现施工进度、质量、成本的 实时监控与控制。
力学解析设计法
总结词
基于力学原理，通过分析支护结构的受力状态进行设计的方法。
详细描述
力学解析设计法基于力学原理，通过分析隧道支护结构的受力状态进行设计。 这种方法考虑了支护结构的实际受力情况，具有较高的理论依据，但计算过程 较为复杂，需要较高的力学理论基础。
数值模拟设计法
总结词
利用数值计算方法模拟支护结构的受力状态和变形过程进行设计的方法。
支护结构设计应考虑施工可行性，确保设 计方案的实施方便、快捷，同时应考虑环 境保护和水土保持要求。
02
隧道支护结构类型
初期支护
定义
初期支护是隧道施工中的临时支 护措施，主要用于控制围岩变形 和稳定性，通常在开挖后立即进
行。
主要结构
初期支护通常包括喷射混凝土、锚 杆、钢支撑等结构，这些结构可以 组合使用，以达到最佳的支护效果。
新型支护材料
随着科技的发展，新型支护材料如高 强度混凝土、纤维增强复合材料等不 断涌现，具有更高的强度和耐久性， 能够提高隧道支护结构的稳定性。
应用领域
新型支护材料广泛应用于公路、铁路 、地铁等隧道工程领域，尤其在复杂 地质条件和环境保护要求高的地区， 显示出其优越性。
智能化监测与预警系统在隧道支护结构设计中的应用
隧道支护结构设计的基本原则
安全性
隧道结构设计隧道工程结构构造设计课件(ppt 43页)
柱式拱形明洞门路堑式
翼墙式拱形明洞门路堑式
台阶式拱形明洞门（半路堑式）
台阶式拱形明洞门（偏压式）
2、棚式明洞
当山坡坍方，落石数量较少，山体侧压力不大，或因受地 质、地形条件的限制，难以修建拱形明洞时，可采用棚式明洞
棚式明洞的类型主要取决于外侧边墙的结构形式。通常有 墙式、刚架式，柱式和悬臂式(不修建外墙时)等 ※ 墙式棚洞(墙式棚式明洞)
大拱脚薄边墙衬砌
曲墙式衬砌
3、曲墙式衬砌 ※ 适用范围 ※ 作用 ① 地质条件较差，为抵御底鼓压力，配以仰拱使
衬砌形成环状封闭结构；
② 基础地基较好，可采用无仰拱的曲墙式衬砌。
4、喷混凝土衬砌、喷锚衬砌及复合式衬砌
① 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。适当的时间喷混凝土，即 为喷混凝土衬砌；
环框式洞门
3、隧道洞门构造
⑴ 洞门仰坡坡脚至洞门墙背后的水平距离不小于1.5m，水 沟沟底与衬砌拱顶外缘的高度不应小于1.0 m，洞门墙顶应高 出仰坡脚0.5m以上。
⑵ 洞门墙基基底埋入土质地基的深度不应小于1.0m，嵌入 岩石地基的深度不应小于0.5m ，墙基底埋设的深度应大于墙 边各种沟、槽基础底埋设的深度；
路堑对称型明洞
路堑偏压型明洞
※ 路堑偏压型
适用于两侧山坡高差较大的路堑，高侧边坡有坍塌，落石 或泥石流；低侧边坡明洞墙顶以下部分为挖方，且能满足外侧 边墙嵌入基岩要求的地段
※ 半路堑偏压型
适用于半路堑靠山侧边坡较高，有坍塌、落石或泥石流等 不良地质现象，而外侧地面较为宽敞和稳定，上部填土坡面线 能与地面相交以平衡山侧压力的地段
③ 增加底部和墙部的支护抵抗力，防止内挤而产生剪切破坏。
《隧道工程》课件
隧道工程推动区域经济发 展，提升人民生活水平， 促进地区协调发展。
《隧道工程》PPT课件
隧道工程是指在地下或水中按计划布置、采用炸破、钻掘、掘进等方法，构 筑通行地下和水下的通道，为基础设施建设提供重要支撑。
概述
什么是隧道工程？
隧道工程是通过地下或水中构筑的通道，用于交通运输和基础设施建设。
隧道工程的分类及特点
隧道工程可以分为公路隧道、铁路隧道、水利隧道等，具备承载能力、密闭性、地质适应 性等特点。
制定应急预案、配备应急设备、训练
应急人员等。
3
隧道定期检查及维修工作
定期检查隧道结构、设备设施，并进 行必要的维修和保养。
隧道建设的意义
城市交通发展
隧道工程改善道路网络， 提高交通效率，促进城市 发展。
国家基础设施建设
隧道工程是国家基础设施 建设的重要组成部分，有 利于提高国家综合竞争力。
经济社会发展
1
隧道建设前期准备工作
确定施工方案、准备施工材料、组织人力资源等。
2
隧道施工具体流程
钻孔、爆破、开挖、支护、拱顶浇筑等各个环节的施工流程。
3
隧道施工常见问题及解决途径
应对地质问题隧道开通后常规运营管理
建立运营管理机构、制定运营规程、
隧道应急处理
2
定期检查设备等。
隧道工程在基础设施建设中的作用
隧道工程为城市交通发展、国家基础设施建设和经济社会发展提供重要支撑。
设计阶段
1
隧道设计前期工作
确定隧道位置、地质条件评估、结构设计方案等。
2
隧道设计中期工作
进行隧道结构设计、支护设计、防水设计等具体工作。
3
隧道设计后期工作
编制施工图纸、审查设计方案、制定施工标准等。
《隧道工程》PPT课件
隧道工程是指在地下或水中按计划布置、采用炸破、钻掘、掘进等方法，构 筑通行地下和水下的通道，为基础设施建设提供重要支撑。
概述
什么是隧道工程？
隧道工程是通过地下或水中构筑的通道，用于交通运输和基础设施建设。
隧道工程的分类及特点
隧道工程可以分为公路隧道、铁路隧道、水利隧道等，具备承载能力、密闭性、地质适应 性等特点。
制定应急预案、配备应急设备、训练
应急人员等。
3
隧道定期检查及维修工作
定期检查隧道结构、设备设施，并进 行必要的维修和保养。
隧道建设的意义
城市交通发展
隧道工程改善道路网络， 提高交通效率，促进城市 发展。
国家基础设施建设
隧道工程是国家基础设施 建设的重要组成部分，有 利于提高国家综合竞争力。
经济社会发展
1
隧道建设前期准备工作
确定施工方案、准备施工材料、组织人力资源等。
2
隧道施工具体流程
钻孔、爆破、开挖、支护、拱顶浇筑等各个环节的施工流程。
3
隧道施工常见问题及解决途径
应对地质问题隧道开通后常规运营管理
建立运营管理机构、制定运营规程、
隧道应急处理
2
定期检查设备等。
隧道工程在基础设施建设中的作用
隧道工程为城市交通发展、国家基础设施建设和经济社会发展提供重要支撑。
设计阶段
1
隧道设计前期工作
确定隧道位置、地质条件评估、结构设计方案等。
2
隧道设计中期工作
进行隧道结构设计、支护设计、防水设计等具体工作。
3
隧道设计后期工作
编制施工图纸、审查设计方案、制定施工标准等。
地铁盾构隧道设计ppt课件
• 管片类型
– 钢管片 – 钢筋混凝土管片
——管片结构
20
三.地铁盾构结构设计
• 衬砌环形式
– 普通环
• 左转弯环+直线环+右转弯环
– 通用环
• 一种楔形环管片的不同角度 的旋转拟合线路
——管片结构
21
三.地铁盾构结构设计
• 管片拼装形式
– 通缝拼装
• 拼装难度小，衬砌空间刚度稍差。
– 错缝拼装
——盾构缺点
9
一.盾构简介
——盾构组成
刀盘
前盾
盾体
后配套设备
中盾
尾盾
配套台车、管片运输设备、出土 设备、注浆系统、监控系统等。
10
二.盾构机选型
11
二.盾构机选型
• 盾构机的选型及设计
– 工程在前期准备时最重要的工作
• 盾构机选型考虑因素
– 地层土质条件 – 断面大小 – 线路周边环境 – 排土方式
– 因隧道衬砌属工厂预制，质量有保证； – 穿越地面建筑群和地下管线密集的区域时，周围受施工影响小； – 对于地质复杂、含水量大、围岩软弱的地层可确保施工安全； – 在费用和技术难度上不受覆土深度影响。
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一.盾构简介
• 盾构施工缺点
– 一次性投入大，施工设备费用较高； – 覆土较浅时，地表沉降较难控制； – 用于施作小曲率半径(R＜20D)隧道时掘进较困难。
一.盾构简介 二.盾构机选型 三.地铁盾构结构设计 四.附属结构设计 五.盾构隧道防水设计 六.地铁盾构设计重难点
1
一.盾构简介
2
一.盾构简介
• 盾构法施工的概念
– 使用盾构机，一边保持开挖面及围岩稳定，一边进行隧道掘进、出渣，并在盾尾内 拼装管片形成衬砌，及时实施注浆，尽可能不扰动围岩条件下修建隧道的方法。
– 钢管片 – 钢筋混凝土管片
——管片结构
20
三.地铁盾构结构设计
• 衬砌环形式
– 普通环
• 左转弯环+直线环+右转弯环
– 通用环
• 一种楔形环管片的不同角度 的旋转拟合线路
——管片结构
21
三.地铁盾构结构设计
• 管片拼装形式
– 通缝拼装
• 拼装难度小，衬砌空间刚度稍差。
– 错缝拼装
——盾构缺点
9
一.盾构简介
——盾构组成
刀盘
前盾
盾体
后配套设备
中盾
尾盾
配套台车、管片运输设备、出土 设备、注浆系统、监控系统等。
10
二.盾构机选型
11
二.盾构机选型
• 盾构机的选型及设计
– 工程在前期准备时最重要的工作
• 盾构机选型考虑因素
– 地层土质条件 – 断面大小 – 线路周边环境 – 排土方式
– 因隧道衬砌属工厂预制，质量有保证； – 穿越地面建筑群和地下管线密集的区域时，周围受施工影响小； – 对于地质复杂、含水量大、围岩软弱的地层可确保施工安全； – 在费用和技术难度上不受覆土深度影响。
8
一.盾构简介
• 盾构施工缺点
– 一次性投入大，施工设备费用较高； – 覆土较浅时，地表沉降较难控制； – 用于施作小曲率半径(R＜20D)隧道时掘进较困难。
一.盾构简介 二.盾构机选型 三.地铁盾构结构设计 四.附属结构设计 五.盾构隧道防水设计 六.地铁盾构设计重难点
1
一.盾构简介
2
一.盾构简介
• 盾构法施工的概念
– 使用盾构机，一边保持开挖面及围岩稳定，一边进行隧道掘进、出渣，并在盾尾内 拼装管片形成衬砌，及时实施注浆，尽可能不扰动围岩条件下修建隧道的方法。
隧道构造设计衬砌的形式课件
隧道构造设计
---衬砌的一般构造要求
- 隧道衬砌的其它构造要求
• 一般单线隧道洞口应设置不小于5m长的模筑混凝土衬砌，双线和多线
隧道应适当加长；
• 围岩较差段的衬砌应向围岩较好地段延伸5～10m； • 偏压衬砌段应延伸至一般衬砌段内5m以上； • 不设仰拱的隧道应做底板，单线隧道其厚度不得小于20㎝，双线隧道其
厚度不得小于25㎝；
• 对衬砌有不良影响的硬软地层分界处，应设置变形缝； • 电力牵引的隧道，其长度大于2000m及位于隧道群地段和车站两端时，
为了使接触网有良好的工作和维修条件，应根据需要设置接触网补偿下锚 的衬砌段。
• 运营通风洞、联络通道等与主隧道连接处的衬砌设计应做加强处理。
隧道构造设计
---洞身支护结构的构造
---洞身支护适用于地质比较差，岩石松散破碎，强度不高，又有地下水，侧向水
平压力也相当大的Ⅳ、Ⅴ和Ⅵ级围岩情况
• 由顶部拱圈，侧面曲边墙和底部仰拱（或铺底）所组成
• 除在Ⅳ级围岩无地下水，且基础不产生沉降的情况下可不设仰拱，只
做平铺底外，一般均设仰拱
隧道构造设计
---洞身支护结构的构造
图为单线非电气化铁路隧道衬砌Ⅴ级围岩直线断面曲墙式衬砌标准图，
其内部轮廓线由五心圆曲线组成。
单线非电气化铁路隧道衬砌
隧道构造设计
---洞身支护结构的构造
双线或三线隧道的洞身衬砌，可以采取单孔式，四线隧道可采取双 孔式。单孔式衬砌应满足双线或三线隧道衬砌净空要求
双孔式 四线隧道衬砌
隧道构造设计
---衬砌的一般构造要求
- 装配式材料
对于衬砌材料，可采用一些装配式材料，如钢筋混凝土大型预制块、加 筋肋铸铁预制块等
隧道结构构造详解课件
6.锚杆和钢架
3. 钢筋混凝土
7.装配式材料
4．石料和混凝土预制块
1．混凝土
优点
整体性好，既可以在现场浇筑，也可以在加工场 预制，而且可以机械化施工。可以在水泥中掺入 外加剂，以提高混凝土的性能。
缺点 灌注后不能立即承受荷载，需要进行养生，达到 预定强度才能拆模，占用的模板和拱架较多。普 通混凝土的耐侵蚀能力较差。
喷射混凝土是以压缩空气为动力，将掺有速凝剂的混凝土 拌和料与水汇合成为浆状，喷射到坑道的岩壁上凝结而成 的。当岩壁不够稳定时，可加设锚杆、金属网和钢架，构 成“锚喷式衬砌”，也称为“喷锚衬砌”。
适用：
在IV-VI级围岩中不宜单独采 用喷锚支护作永久衬砌，一般 考虑在Ⅰ、Ⅱ级等围岩良好、 完整、稳定的地段中可以采用。
隧道洞口段不宜采用。
不宜采用喷锚支护作为永久衬砌的情况有
①膨胀性围岩； ②粘土质胶结的软岩； ③大面积涌水地段； ④堆积层、破碎带等不良地质地段； ⑤对衬砌有特殊要求的隧道或地段，如洞口地段，要求 衬砌内轮廓很整齐、平整； ⑥辅助坑道或其它隧道与主隧道的连接处及附近地段； ⑦有很高的防水要求的隧道； ⑧围岩及覆盖太薄，且其上已有建筑物，不能沉落或拆 除者等； ⑨地下水有侵蚀性，可能造成喷射混凝土和锚杆材料的 腐蚀； ⑩最冷月平均气温低于-5℃地区的冻害地段。
我国高速铁路隧道不使用喷射混凝土作为内层衬砌。
6.锚杆和钢架
锚杆是一种插入到围岩岩体内的杆形构件，可加固围岩。
可分为机械型锚杆、粘结型锚杆以及预应力锚杆。
锚杆的杆体直径宜为20～32mm,杆体材料宜采用 HRB335,HRB400钢；垫板材料宜采用HPB235钢。锚杆用的 各种水泥砂浆强度不应低于M20。钢筋网材料可采用 HPB235钢，直径宜为6—12mm。 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。
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•3、喷锚衬砌
• ※ 锚喷支护作为隧道的永久性衬砌，一般考虑是在Ⅲ级及以上 围岩中采用；在Ⅳ级及以下围岩中，采用锚喷支护经验不足， 可靠性差；
• ※ 在层状围岩中，采用喷锚支护效果较好；
• ※ 喷锚支护作为柔性支护，变形量较大，其外轮廓线宜预留稍 大的空间（20cm）；
• ※ 为了使开挖时外轮廓线圆顺，尽可能减少围岩中的应力集中 锚喷衬砌的内轮廓线，宜采用曲墙式的断面形式；
等
•一、衬砌结构的类型：
•1、防护衬砌（饰面衬砌）
• ● 作用
• ● 适用范围
•2、直墙式衬砌
•※ 适用场合：
• ※ 拱部形状： • ①坦三心圆拱(r1> r2) • ②或尖三心圆拱 (r2< r1) • ③割圆拱（r1＝r2＝r）
•连拱边墙或柱式边
•直墙式衬
•※ 围岩完整性比较好的I、II级围岩，边墙可以采用 连拱或柱，称为连拱边墙或柱式边墙
•二次支护：是提供结构的安全储备或承受后期围岩压力，二次 支护在Ⅲ级及以上围岩时按安全储备设计；在Ⅳ级及以下围岩 时按承载(后期围压)结构设计，并均应满足构造要求。
• ※ 设计方法：目前以工程类比为主，理论验算为辅。结合施 工，通过测量、监控取得数据，不断修改和完善设计；
• ※ Ⅳ级及以下围岩或可能出现偏压时，应设置仰拱。
•※ 仰拱的重要性
• ① 解决基础承载力不够，减少下沉：防止底鼓的隆起变形， 调整衬砌应力的作用；
• ② 封闭围岩，制止围岩过大的松弛变形，将围岩塑性变形和 形变压力控制在允许范围，提高结构的整体承载力；
• ③ 增加底部和墙部的支护抵抗力，防止内挤而产生剪切破坏 。
•※ 两层衬砌之间宜采用缓冲、隔离的防水夹层，即隔离层。
•※ 大拱脚薄边墙衬砌：
•大拱脚薄边墙衬砌
•曲墙式衬 砌
•3、曲墙式衬砌 • ※ 适用范围 • ※ 作用 • ① 地质条件较差，为抵御底鼓压力，配以仰拱使 衬砌形成环状封闭结构；
• ② 基础地基较好，可采用无仰拱的曲墙式衬砌。
•4、喷混凝土衬砌、喷锚衬砌及复合式衬砌
• ① 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。适当的时间喷混凝土，即 为喷混凝土衬砌；
• ② 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；
• ③ 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。待初次支护的变形基本稳定后， 进行现浇混凝土二次衬砌，即为复合式衬砌。
•5、偏压衬砌 •※ 适用情况：当山体地面坡陡于1:2.5，线路外侧 山体覆盖较薄，或由于地质构造造成的偏压，衬砌 为承受这种不对称围岩压力而采用。
• ① 当初支产生形变及形变压力时，隔离层允许其有少量的变 形，可降低形变压力；
• ② 当初支支护力不够时，可将少量形变压力均匀的传布到二 衬上，依靠二衬制止其继续变形，且不使初衬出现裂缝时，二 衬也出现裂缝。
• ③ 具有防水效果，且可减少二次衬砌混凝土的收缩裂缝。
• ※ 预留初期支护变形量：在确定开挖尺寸时，应预留必要的初 期支护变形量以保证初期支护稳定后，二次衬砌的必要厚度
•※ 采用就地整体模注现浇砼，适用较广，截面可以是等截面 或是变截面。
•※ IV级以上围岩，地基松软，往往侧压力较大，故宜采用 曲墙带仰拱的衬砌。
•设
•作 用
置仰
拱
•使结构及时封闭，提高整体承载力和侧墙抵抗 侧压力的能力
•抵御结构下沉变形，调整围岩和衬砌的应力状态
•※ 严寒地区隧道，不管围岩等级如何，只要有地下水存在 ，衬砌型式仍应采用曲墙式衬砌，并在施工中根据情况设置 伸缩缝
• 偏压衬砌示意 图
•6、喇叭口隧道衬砌
• 在山区双线隧道， 可将一条双幅公路隧道 分建为二个单线隧道或 二条单线并建为一条双 幅的情况，衬砌产生了 一个过渡区段，这部分 隧道衬砌的断面及线间 距均有变化，相应成了 一个喇叭型，称为喇叭 口隧道衬砌。
•嗽叭口隧道衬砌示意图
•二、支护结构
•初期支护(
• ④ 寒冷和严寒地区有冻害的地方(锚喷衬砌抗冻胀能力较差)
• ⑤ 围岩及覆盖太薄，且其上已有建筑物，不能沉落或拆除者
• ⑥ 地下水有侵蚀性，可能造成喷射混凝土和锚杆材料的腐蚀
•4.2 洞门
•1、概述
• 洞门是隧道两端的外露部分，也是联系洞内衬砌与洞口外路 堑的支护结构
•※ 洞门的主要作用 • ① 保证洞口边坡的安全和仰坡的稳定； • ② 汇集在洞口附近的仰、边坡上的地表水，并引离隧道，减 少洞口土石方开挖量； • ③ 作为隧道的标志性建筑物，应与隧道的规模、使用特性以 及周围建筑物、地形条件等要相协调 。
一次支护)
•支
护结 构
•永久支护(二 次支护，二
次衬砌)
•1、整体式衬砌
•一次支护是为了保证施工的安 全、加固岩体和阻止围岩的变形
•二次支护是为了保证隧道使 用的净空和结构的安全而设置
的永久性衬砌结构
•整体式衬 砌•复合式衬 砌•拼装式衬 砌•锚喷式衬 砌
•※ 是传统的衬砌结构形式。不考虑围岩的承载作用，主要是通 过围岩的结构刚度来抵御地层的变形，承受围岩的压力。
•※ 为了避免围岩和衬砌的应力集中，造成围岩压力增加和 衬砌的局部破坏，应注意衬砌内外轮廓的圆顺，避免急剧弯 曲和棱角。
•2、复合式衬砌
• 复合式衬砌是由初期支护和二次支护组成的，是目前隧道 工程常采用的衬砌形式。
•初期支护：是限制围岩在施工期间的变形，达到围岩的暂时稳 定，初期支护应按主要承载结构设计；
• ※ 锚喷衬砌内表面不太平整顺直，美观性差，影响司机在行车 中视觉感观，应根据需要考虑内装。
• ※ 不宜采用锚喷支护作为永久衬砌的情况
• ① 在某些不良地质、大面积涌水地段和特殊地段不宜采用锚 喷衬砌作为永久衬砌；
• ② 对衬砌有特殊要求的隧道或地段，如洞口地段，要求衬砌 内轮廓很整齐、平整；
• ③ 有很高的防水要求的隧道；
隧道结构设计隧道工程 结构构造设计课件
2020年4月30日星期四
•隧道 结构 构造
•主体 构造物
•附属构 造物
•洞 身衬 砌 •洞门 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
•明 •通洞 风•照
明•排水、消防、通讯
•4.1 洞身衬砌
• ※ 锚喷支护作为隧道的永久性衬砌，一般考虑是在Ⅲ级及以上 围岩中采用；在Ⅳ级及以下围岩中，采用锚喷支护经验不足， 可靠性差；
• ※ 在层状围岩中，采用喷锚支护效果较好；
• ※ 喷锚支护作为柔性支护，变形量较大，其外轮廓线宜预留稍 大的空间（20cm）；
• ※ 为了使开挖时外轮廓线圆顺，尽可能减少围岩中的应力集中 锚喷衬砌的内轮廓线，宜采用曲墙式的断面形式；
等
•一、衬砌结构的类型：
•1、防护衬砌（饰面衬砌）
• ● 作用
• ● 适用范围
•2、直墙式衬砌
•※ 适用场合：
• ※ 拱部形状： • ①坦三心圆拱(r1> r2) • ②或尖三心圆拱 (r2< r1) • ③割圆拱（r1＝r2＝r）
•连拱边墙或柱式边
•直墙式衬
•※ 围岩完整性比较好的I、II级围岩，边墙可以采用 连拱或柱，称为连拱边墙或柱式边墙
•二次支护：是提供结构的安全储备或承受后期围岩压力，二次 支护在Ⅲ级及以上围岩时按安全储备设计；在Ⅳ级及以下围岩 时按承载(后期围压)结构设计，并均应满足构造要求。
• ※ 设计方法：目前以工程类比为主，理论验算为辅。结合施 工，通过测量、监控取得数据，不断修改和完善设计；
• ※ Ⅳ级及以下围岩或可能出现偏压时，应设置仰拱。
•※ 仰拱的重要性
• ① 解决基础承载力不够，减少下沉：防止底鼓的隆起变形， 调整衬砌应力的作用；
• ② 封闭围岩，制止围岩过大的松弛变形，将围岩塑性变形和 形变压力控制在允许范围，提高结构的整体承载力；
• ③ 增加底部和墙部的支护抵抗力，防止内挤而产生剪切破坏 。
•※ 两层衬砌之间宜采用缓冲、隔离的防水夹层，即隔离层。
•※ 大拱脚薄边墙衬砌：
•大拱脚薄边墙衬砌
•曲墙式衬 砌
•3、曲墙式衬砌 • ※ 适用范围 • ※ 作用 • ① 地质条件较差，为抵御底鼓压力，配以仰拱使 衬砌形成环状封闭结构；
• ② 基础地基较好，可采用无仰拱的曲墙式衬砌。
•4、喷混凝土衬砌、喷锚衬砌及复合式衬砌
• ① 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。适当的时间喷混凝土，即 为喷混凝土衬砌；
• ② 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；
• ③ 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。待初次支护的变形基本稳定后， 进行现浇混凝土二次衬砌，即为复合式衬砌。
•5、偏压衬砌 •※ 适用情况：当山体地面坡陡于1:2.5，线路外侧 山体覆盖较薄，或由于地质构造造成的偏压，衬砌 为承受这种不对称围岩压力而采用。
• ① 当初支产生形变及形变压力时，隔离层允许其有少量的变 形，可降低形变压力；
• ② 当初支支护力不够时，可将少量形变压力均匀的传布到二 衬上，依靠二衬制止其继续变形，且不使初衬出现裂缝时，二 衬也出现裂缝。
• ③ 具有防水效果，且可减少二次衬砌混凝土的收缩裂缝。
• ※ 预留初期支护变形量：在确定开挖尺寸时，应预留必要的初 期支护变形量以保证初期支护稳定后，二次衬砌的必要厚度
•※ 采用就地整体模注现浇砼，适用较广，截面可以是等截面 或是变截面。
•※ IV级以上围岩，地基松软，往往侧压力较大，故宜采用 曲墙带仰拱的衬砌。
•设
•作 用
置仰
拱
•使结构及时封闭，提高整体承载力和侧墙抵抗 侧压力的能力
•抵御结构下沉变形，调整围岩和衬砌的应力状态
•※ 严寒地区隧道，不管围岩等级如何，只要有地下水存在 ，衬砌型式仍应采用曲墙式衬砌，并在施工中根据情况设置 伸缩缝
• 偏压衬砌示意 图
•6、喇叭口隧道衬砌
• 在山区双线隧道， 可将一条双幅公路隧道 分建为二个单线隧道或 二条单线并建为一条双 幅的情况，衬砌产生了 一个过渡区段，这部分 隧道衬砌的断面及线间 距均有变化，相应成了 一个喇叭型，称为喇叭 口隧道衬砌。
•嗽叭口隧道衬砌示意图
•二、支护结构
•初期支护(
• ④ 寒冷和严寒地区有冻害的地方(锚喷衬砌抗冻胀能力较差)
• ⑤ 围岩及覆盖太薄，且其上已有建筑物，不能沉落或拆除者
• ⑥ 地下水有侵蚀性，可能造成喷射混凝土和锚杆材料的腐蚀
•4.2 洞门
•1、概述
• 洞门是隧道两端的外露部分，也是联系洞内衬砌与洞口外路 堑的支护结构
•※ 洞门的主要作用 • ① 保证洞口边坡的安全和仰坡的稳定； • ② 汇集在洞口附近的仰、边坡上的地表水，并引离隧道，减 少洞口土石方开挖量； • ③ 作为隧道的标志性建筑物，应与隧道的规模、使用特性以 及周围建筑物、地形条件等要相协调 。
一次支护)
•支
护结 构
•永久支护(二 次支护，二
次衬砌)
•1、整体式衬砌
•一次支护是为了保证施工的安 全、加固岩体和阻止围岩的变形
•二次支护是为了保证隧道使 用的净空和结构的安全而设置
的永久性衬砌结构
•整体式衬 砌•复合式衬 砌•拼装式衬 砌•锚喷式衬 砌
•※ 是传统的衬砌结构形式。不考虑围岩的承载作用，主要是通 过围岩的结构刚度来抵御地层的变形，承受围岩的压力。
•※ 为了避免围岩和衬砌的应力集中，造成围岩压力增加和 衬砌的局部破坏，应注意衬砌内外轮廓的圆顺，避免急剧弯 曲和棱角。
•2、复合式衬砌
• 复合式衬砌是由初期支护和二次支护组成的，是目前隧道 工程常采用的衬砌形式。
•初期支护：是限制围岩在施工期间的变形，达到围岩的暂时稳 定，初期支护应按主要承载结构设计；
• ※ 锚喷衬砌内表面不太平整顺直，美观性差，影响司机在行车 中视觉感观，应根据需要考虑内装。
• ※ 不宜采用锚喷支护作为永久衬砌的情况
• ① 在某些不良地质、大面积涌水地段和特殊地段不宜采用锚 喷衬砌作为永久衬砌；
• ② 对衬砌有特殊要求的隧道或地段，如洞口地段，要求衬砌 内轮廓很整齐、平整；
• ③ 有很高的防水要求的隧道；
隧道结构设计隧道工程 结构构造设计课件
2020年4月30日星期四
•隧道 结构 构造
•主体 构造物
•附属构 造物
•洞 身衬 砌 •洞门 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
•明 •通洞 风•照
明•排水、消防、通讯
•4.1 洞身衬砌