衬砌结构

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
- 铁路隧道净空及要求
- 直线隧道净空
机车车辆限界 — 它是指机车车辆最外轮廓的限界尺寸 基本建筑限界 — 它是指线路上各种建筑物和设备均不得侵入的轮廓线
隧道建筑限界 — 它是指包围“基本建筑限界”外部的轮廓线
不应大于16mm的坚硬耐久的卵石或碎石，以及不含土质或杂物的河沙，
再加上少量的速凝剂
•
喷层的厚度一般最薄不应小于5cm,最厚应不大于25cm，
•
在比较松散软弱的岩层中，可以加金属网或钢支撑，使之结合成一体，
变为钢筋混凝土层
隧道构造设计
---洞身支护结构的构造
- 锚杆
• • •
锚杆是一种插入到围岩岩体内的杆形构件
•
适用于地质条件比较好，属于
我国铁路隧道围岩分类中的Ⅱ、
Ⅲ级围岩，有时也可用于Ⅳ级围
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 衬砌由上部拱圈. 两侧竖直边
单线直墙式衬砌
墙和下部铺底三部分组合而成
隧道构造设计
---洞身支护结构的构造
•
在地质条件较好时，为了节省圬工，
直墙式衬砌在构造上采取若干改进措
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
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隧道构造设计
---洞身支护结构的构造
施。例如在整体岩层坚固的情况下， 几乎没有什么水平侧压力，也没有地
下水侵入，则可采用大拱脚喷混凝土
（或喷砂浆）边墙衬砌
•
在地质条件尚好，侧压力不大，但
又不宜采用大拱脚喷混凝土（或喷砂 浆）边墙衬砌时，为了节省边墙圬工， 可以简化边墙
大拱脚喷混凝土边墙衬砌
隧道构造设计
---洞身支护结构的构造
- 曲墙式衬砌
利用锚杆杆体或杆端锚头的膨胀作用，或利用灌浆粘结，把锚杆固定在 岩体内
增加了岩体的紧密程度，补强了抗剪能力，起到了组合、悬吊及挤压加 固的作用，提高了围岩的自稳能力
- 复合式衬砌
外衬（亦称初次衬砌）— 使用能达到早强的喷射混凝土和锚杆，使柔性的 外衬既能容许围岩有所变形，而又约束它不让它变形发展太大太快 内衬（亦称二次衬砌）— 内衬可以用喷射混凝土层柔性结构，也可以用较 厚的模筑混凝土 防水层 — 内外层衬砌之间的防水层可以用软聚氯乙烯薄膜、聚异丁烯片、 聚乙烯片等防水卷材，或用喷涂乳化沥青等防水剂
件，节省劳力。目前多在使用盾构法施工的城市地下铁道中采用。
围岩地质条件，但是若作为永久衬砌，一般考虑在Ⅰ、Ⅱ级等围岩良好、 完整、稳定的地段中采用。
•
复合式衬砌 — 是一种较为合理的结构形式，适用于多种围岩地质条
件， 有其广阔的发展前途。
隧道构造设计
---衬砌的一般构造要求
- 隧道衬砌的建筑材料及要求 - 混凝土与钢筋混凝土
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）。 车辆通过曲线时的平面图
隧道构造设计
---衬砌的一般构造要求
•
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）。
加宽值的计算
公路隧道横断面示意图
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㎝；
直线隧道净空— 要比“隧道建筑限界”稍大一些，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。
隧道构造设计
---衬砌的一般构造要求
基本建筑限界
隧道构造设计
---衬砌的一般构造要求
最大级超限货物装载限界
隧道构造设计
---衬砌的一般构造要求
L1—左侧硬路肩宽度； L2—右侧硬路肩或应急停车带宽度； J—检修道（一侧）宽度，一般为0.75m； 隧道净空除应在符合隧
道建筑限界的规定外，
还应考虑洞内排水、通 风、照明、放火、监控、 运营管理等附属设施所 需要的空间，并考虑围 岩压力影响、施工等必 要的富裕量，使确定的 断面形式及尺寸，达到 安全、经济、合理 。
连拱式 边墙衬砌
• • •
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
隧道构造设计
---衬砌的适用条件
•
整体式模筑混凝土衬砌 — 对地质条件的适用性较强，易于按需要
成型，整体性好，抗渗性强，并适用于多种施工条件，如可用木模板、钢
模板或衬砌模板台车等
• •
装配式衬砌 — 拼装成环后立即受力，便于机械化施工，改善劳动条 喷锚支护 — 喷锚支护是目前常用的一种围岩支护手段，适用于各种
隧限-1A和隧限-1B
隧道构造设计
---衬砌的一般构造要求
隧限-2A和隧限-2B
隧道构造设计
---衬砌的一般构造要求
单线电力牵引铁路隧道衬砌内轮廓
隧道构造设计
---衬砌的一般构造要求
双线电力牵引铁路隧道衬砌内轮廓
隧道构造设计
---衬砌的一般构造要求
- 曲线隧道净空加宽
加宽原因
•
车辆通过曲线时，转向架中
双线曲线隧道中线偏移
曲线隧道与直线隧道衬砌的衔接
隧道构造设计
---衬砌的一般构造要求
- 公路隧道净空
公路隧道建筑限界一般规定如图所示。图中 各符号的含义如下： W—行车道宽度； S—行车道两侧路缘带宽度；
C—余宽，当计算行车速度≥100km/h时为0.5m， 小于100km/h时为0.25m；
公路隧道建筑限界
d外=
4400 R
•
外轨超高使车体向曲线内侧倾移d内2
d内2= H E
150
式中 H—— 隧道限界控制点自轨面起的高度 E —— 曲线外轨超高值，其最大值不超过15㎝，且
V2 E 0.76 R
隧道构造设计
---衬砌的一般构造要求
其中 v — 铁路远期行车速度，km/h。 在我国铁路标准设计中，d内2系将相应的隧道建筑限界绕内侧轨顶中心 转动arctg E 角求得，可近似取d内2=2.7E （㎝）。
H—净高，一条公路应用一个净高，高速公路和一级、二级公路为5.0m； 三、四级公路为4.5m；
E—建筑限界顶角宽度，当L≤1m时，E=L；当L＞1m时，E=1m； L—侧向宽度，高速公路、一级公路的侧向宽度为硬路肩宽度（L1或L2）， 其它各级公路的侧向宽度为路肩宽度减去0.25m；
隧道构造设计
---衬砌的一般构造要求
- 装配式衬砌 - 优点
• • • • • •
一经装配成环，不需养生时间，即可承受围岩压力；
预制的构件可以在工厂成批生产、在洞内可以机械化拼装，从而改 善了劳动条件； 拼装时，不需要临时支撑如拱架、模板等，从而节省大量的支撑材 料和劳力； 拼装速度因机械化而提高，缩短了工期，还有可能降低造价。
- 应满足的条件
- 单线曲线隧道加宽值的计算
•
车辆中间部分向曲线内侧的偏移d内1
d内1=
式中
l 8R
2
车辆通过曲线时的横断面图
l — 车辆转向架中心距，取18m； R — 曲线半径（m）
d内1= 4050 R
隧道构造设计
---衬砌的一般构造要求
•
车辆两端向曲线外侧的偏移d外
L2 l 2 8R
d外=
式中 L— 标准车辆长度，我国为26m。
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---洞身支护结构的构造
复合式衬砌最适宜在Ⅱ～Ⅵ级围岩中使用，但遇到下列情况时， 应慎重对待。必要时应辅以相应的加固措施。
W3 8450 360 E 8450 1.2 E R 150 2 R
其它情况时 总加宽
W3
8450 R
W= W1+ W2+ W3
隧道构造设计
---衬砌的一般构造要求
- 曲线隧道中线与线路中线偏移距离
单线曲线隧道如图3-10所示，隧道中线与线路中 线偏移距离d为： d =（W1－ W2） （㎝）
150
对于单线曲线隧道净空的加宽值为： 内侧加宽 外侧加宽 总加宽 W1= d内1+ d内2= W2= d外=
4400 （㎝） R 4050 + R
2.7E （㎝）
8450 W= W1+ W2= d内1+ d内2+ d外= R + 2.7E （㎝）
- 双线曲线隧道加宽值的计算
双线曲线隧道的内侧加宽值W1及外侧加宽值W2与单线曲线隧道加宽值的 计算相同。即 内侧加宽 外侧加宽 W1= d内1+ d内2= W2= d外=
- 喷射混凝土
•
•
喷射混凝土的强度等级采用C20，所用的水泥应优先采用硅酸盐水泥或 普通硅酸盐水泥
喷射钢纤维混凝土中的钢纤维宜采用普通碳素钢制成，等效直径为 0.3～0.5㎜的方形或圆形断面，长度宜为20～25㎜
- 锚杆
锚杆的杆体宜用20 MnSi钢筋，也可采用Q235钢筋；缝管式锚杆宜采用16 MnSi钢管，亦可采用Q235钢管；锚杆直径宜为18～22㎜，垫板可采用 Q235钢板。
双线曲线隧道如图3-11所示，内侧线路中线至隧 道中线的距离为
d1= 200－（W1－ W2－ W3） （㎝）
双线曲线隧道外侧线路中线至隧道中线的距离为
d2= 200 +（W1－ W2+ W3） （㎝）
单线曲线隧道中线偏移
隧道构造设计
---衬砌的一般构造要求
- 曲线隧道与直线隧道衬砌的衔接
方法
《铁路隧道设计规范》规定：位于曲线地 段的隧道，其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，采用圆曲线加宽断面（按W 值加宽）；其余缓和曲线，并自直缓分界 点向直线段延长22m，采用缓和曲线中点 加宽断面，其加宽值取圆曲线之半（按 W/2值加宽）
•
选用的石料要坚硬，其强度等级不应低于MU40，有裂隙和易风化的石 料不应采用。
隧道构造设计
---衬砌的一般构造要求
- 石料和混凝土预制块
石料或混凝土预制块用强度等级不低于M10的水泥砂浆砌筑衬砌。石料的 强度等级不应低于MU60，并且有裂隙和易风化的石料不应采用。混凝土 预制块强度等级不应低于MU20。
隧道构造设计
---衬砌的形式
• •
整体式模筑混凝土衬砌 —就地灌
筑混凝土衬砌
装配式衬砌—将衬砌分成若干块构
件，这些构件在现场或工厂预制，然后运 到坑道内用机械将它们拼装成一环接着一 环的衬砌。
• •
喷锚支护—喷射混凝土 和加设锚杆、
喷锚支护
金属网和钢架 共同支护
复合式衬砌—外衬和内衬两层，所
以也叫它为“双层衬砌”
R
4050 + 2.7E （㎝） 4400 R
（㎝）
隧道构造设计
---衬砌的一般构造要求
当外侧线路的外轨超高大于内侧线路的外轨超高时
W3 8450 H E R 150 2
式中 H—— 车辆外侧顶角距内轨顶面的高度，取360㎝；
E—— 外侧线路的外轨超高值（㎝）；
R—— 曲线半径（m）。
• • • • •
隧道工程所用的混凝土强度等级不应低于C15 洞门用混凝土整体灌筑，其强度不应低于C20 强度等级对于衬砌段不应低于C20，对于洞门不应低于C15
- 片石混凝土
在岩层较好地段的边墙衬砌，可采用片石混凝土（片石的掺量不应超过 总体积的20%）。 当起拱线以上1m以外部位有超挖时，其超挖部分也可用片石混凝土进行 回填。
强度足够而且耐久； 能立即承受荷载；
隧道构造设计
---洞身支护结构的构造
•
装配简便，构件类型少，形式简单，尺寸统一，便于工业化制做和机 械化拼装；
• •
构件尺寸大小和重量适合拼装机械的能力；
有防水的设施
- 喷锚支护 - 喷射混凝土支护层
•
喷射混凝土的拌和材料是：标号不低于325号的普通硅酸盐水泥和粒经
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
- 整体式模筑混凝土衬砌 - 直墙式衬砌