隧道的结构简介

隧道的结构构造
道路隧道结构构造由主体构造物和附属构造物两大类组成。

主体构造物是为了保持贮存岩体的稳定和行车安全而修建的人工永久建
筑物，通常指洞身衬砌和洞门构造物。

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。

在山体坡面有发生崩坍和落石可能时，往往需要接长洞身或修筑明洞。

洞门的构造型式由多方面的因素决定，如岩体的稳定性、通风方式、照明状况、地形地貌以及环境条件等。

附属构造物是主体构造物以外的其他建筑物，是为了运营管理、维修养所、给水排水、供蓄发电、通风、照明、通讯、安全等而修建的构造物。

1、衬砌结构的类型山岭隧道的衬砌结构形式，主要是根据隧道所处的地质地形条件，考虑其结构受力的合理性、施工方法和施工技术水平等因素来确定的。

随着人们对隧道工程实践经验的积累，对围岩压力和衬砌结构所起作用的认识的发展，结构形式发生了很大变化，出现各种适应不同的地质条件的结构类型，大致有下列几类。

1)直墙式衬砌直墙式衬砌形式通常用于岩石地层垂直围岩压
力为主要计算荷载、水平围岩压力很小的情况。

对于道路隧道，直墙式衬砌结构的拱部，可以采用割圆拱、坦三心圆拱或尖三心圆拱。

三心圆拱指拱轴线由三段圆弧组成，其轴线形状比较平坦时称为坦三心圆拱，形状较尖时称为尖三心圆拱，平时即为割圆拱。

2)曲墙式衬砌通常在III类以下围岩中，水平压力较大，为了抵抗较大的水平压力把边墙也做成曲线形状。

当地基条件较差时，为防止衬砌沉陷，抵御底鼓压力，使衬砌形成环状封闭结构，可以设置仰拱。

3)喷混凝土衬砌、喷锚衬砌及复合式衬砌这些衬砌与上述传统的衬砌方法有本质上的区别，这里仅介绍其结构形式。

为了使喷混凝土结构的受力状态趋于合理化，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。

然后在适当的时间喷混凝土，即为喷混凝土衬砌。

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。

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。

为使衬砌的防水性能可靠，保持无渗漏水，采用塑料板作复合式衬砌中间防水层是比较适宜的。

4)圆形断面隧道为了抵御膨胀性围岩压力，山岭隧道也可以采用圆形或近似圆形断面，因为需要较大的衬厚度，所以多半在施工时进行二次衬砌。

对于水底隧道，由于水压力较大，采用矿山法施工时，也多采用二次衬砌，或者采用铸铁制的方形节段。

水底隧道广泛使
用盾构法施工，其断面为全圆形。

通常用预制的方形节段在现场拼装。

此时，在顶棚以上的空间和路面板以下的空间可以用作通风管道，车行道两侧的空间可以设置人行道或自行车道，有剩余空间时还可以设置电缆管道等。

水底隧道的另一种施工方法是沉管法，有单管和双管之分，其断面可以是圆形，也可以是矩形。

岩石隧道掘进机是开挖岩石隧道的一种机械化切削机械，其开挖断面通常为圆形，开挖后可以用喷混土衬砌、喷锚衬砌或拼装预制构件衬砌等多种形式。

5)矩形断面衬砌如上所述，用沉管法施工时，其断面可以用矩形形式。

用明挖法施工时，尤其在修筑多车道隧道时，其断面广泛采用矩形。

这种情况，回填土厚度一般较小，加之在软土中修筑隧道时，软土不能抵御较大的水平推力，因而不应修筑拱形隧道。

另一方面，矩形断面的利用率也较高。

城市中的过街人行地道，通常都在软土中通达，其断面也是以矩形为基础组成的。

2、支护结构在隧道及地下过程中，支护结构通常分为初期支护(一次支护)和永久支护(二次支护、二次衬砌)。

一次支护是为了保证施工的安全、加固岩体和阻止围岩产变形、坍塌而设置的临时支护措施，常用支护形式有木支撑、型钢支撑、锚喷支护等，其中型钢支撑、锚喷支护一般作为永久支护的一部分，与永久支护共同工作。

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。

常用的永久衬砌形式有整体衬砌、复合式衬砌及锚喷衬砌等3种。

公路隧道与铁路、水工隧道相比，其使用目的有许多不同的地方。

公路隧道使用目的和要求更具多样化，范围更广泛。

道路行驶车辆有小汽车、大型卡车、民用及军用大型拖车、各种慢速机动车、非机动车等，在隧道内同一孔混合行驶，也有在多孔内多层内分道通过，还有专用隧道等。

因此，设计隧道衬砌应与道路等级、交通功能及性质相适应，即与使用目的相适应，设计出相应的衬砌断面。

1)整体式衬砌整体式衬砌是传统衬砌结构形式，在新奥法(NATM)闻世前，广泛地应用于隧道工程中，目前在山岭隧道中还有不少工程事例。

该方法不考虑围岩的承载作用，主要通过衬砌的结构刚度抵御地层产变形，承受围岩的压力。

整体式衬砌采用就地整体模筑混凝土衬砌，其方法是在隧道内树立模板、拱架，然后浇灌混凝土而成。

它作为一种支护结构，从外部支撑隧道围岩，适用于不同的地质条件，易于按需成形，且适合多种施工方法，因此，在我国隧道工程中广泛使用。

2)复合式衬砌复合式衬砌是目前隧道工程常采用的衬
砌形式。

复合式衬砌是由初期支护和二次支护组成的。

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；二次支护则是提供结构的安全储备或承受后期围岩压力。

复合衬砌的设计，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。

复合衬砌设计和施工密切相关，应通过量测及时支护，并掌握好围岩和支护的形变和应力状态，以便最大限度发挥由围岩和支护组成的承载结构的自承能力。

3)锚喷衬砌锚喷支护作为隧道的永久性衬砌。

按目前的施工水平，可将锚喷支护作为初期支护配合第二次模注混凝土衬砌即可，此时喷射混凝土的作用为：局部稳定围岩表层少数已松动的岩块；保护和加固围岩表面，防止风化；与围岩形成表面较平整的整体支承结构，确保营运安全。

在层状围岩中，其结构面或产状可能引起不稳定，开挖后表面张裂、岩层岩沿面滑移或受挠折断，可能引起坍塌。

块状围岩受软弱结构面交叉切割，可能形成不稳定的危石。

应加入了锚杆支护，通过联结作用、组合原理保护和稳定围岩，并通过喷射混凝土表面封闭和支护的配合，使围岩和锚杆喷射混凝土形成一个稳定的承载结构。

在某些不良地质、在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。

大面积涌水地段，喷射混凝土很难成型，且即使成型，其强度及与围岩的粘结力无法保证，难于发挥锚喷支护所应用的作用。

不宜采用锚喷支护作为永久衬砌的情况还包括：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；辅助坑道或其他隧道与主隧道的连接处及附近地段；有很高的防水要求的隧道；还有；围岩及覆盖太薄，且其上已有建筑物，不能沉落或拆除者等；地下水有侵蚀性，可能造成喷射混凝土和锚杆材料的腐蚀；寒冷和严寒地区有冻害的地方等。

竖井、斜井
一般隧道开挖是从两洞口或从其中一个方向洞口进行。

但在长大隧道因工期限制、经济、施工、地形、环境等条件，有必要分成几个工程区段进行施工，多数情况下要设工作坑道。

工作坑道按坡度区分为横洞、斜井、竖井和平行导坑。

选择哪种形式，决定于地形、地质、工期、运输能力，设置地点的当地条件。

1、竖井竖井的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。

当存在平面位置稍偏离一点，即有可能产生大的地质变化的情况时，必须重视地质调查。

竖井与主坑道的衔接方式有设置在主坑道的正上方和从不主坑道设置两种。

若设在主坑道正上方时，坑底设备必须设在主坑道内，而且与主坑道联结处理上会产生困难。

一般在竖井深度小时，可设于主坑道上方，在山岭隧道则不设于主坑道上方比较合理。

竖井断面的内部空间，考虑搬运设备，作业通路，其他各种设备等的大小和形状来决定。

断面形式普通为圆形，但深度小时，也有矩形的情况。

最小断尺寸为升降车，吊桶等搬运设备，通过竖井机械的最大尺寸，电梯，非常时期使用的出入井设备，给排水管路，压缩空气管路等的大小、配置，竖井和联络坑道的衔接部分的构造等来研究决定。

2、斜井确定斜井位置时，考虑以下因素：洞口设置在地形简单、地质良好、涌水量不大，能保证洞外装罐、卷扬机安装等洞外设备布置的用地需要；与主坑道连接要合适，长度尽可能短，能提供适合运输方式的坡度。

在规划坡度和断面时，重要的是要注意不给主坑道的作业造成障碍和制约。

斜井坡度如过陡，接近竖井，在运输上不方便，过缓则存在加长延长的问题，因此，坡度是否适当，主要应决定于主坑道开挖出渣的运输方式，若采用输送带方式时，决定于限制渣石滑滚的条件，一般标准在1/4（约14度）以下。

3、使用于通风的竖井公路隧道通风设备的规模的决定，是以汽车排放的有害物质即对生理上有害的一氧化碳和走行上产生视觉障
碍的烟雾为对象的。

因此，随着隧道长度和交通量的增加，所需通风设备的送风量也增加。

所需通风管道设在中间竖井（包含斜井和横洞）中，并由它进行被污染空气和新鲜空气交换处理。

通风竖井的位置在横向通风时，最恰当的地点是在通风量的分区点上。

纵向通风方式时，是在污染空气（CO或烟雾）容许浓度界限的位置。

另外，山岭隧道的竖井位置是受地形、地质条件、周围的环境条件、气象条件等各种制约，也有必要将竖井选定在能限制通风动力损失最低的位置上。

通风竖井的断面，一般采用圆形，其大小由隧道所需的通风量来决定。

管道内的风速一般为20m/s左右。

但断面除按通风决定的面积外，同时要考虑通风竖井内的电缆布设。

在延长较短的竖井设地面通风站时，应设置检查通道（升降电梯）等的空间，规划时必须综合考虑决定。

防水与排水
水，不仅是影响隧道正常施工的因素之一，也是影响隧道正常运营的重要因素之一。

在施工期间，地下水的作用不仅降低围岩的稳定性（尤其是对软弱破碎围岩影响更为严重），增加开挖难度，且增加了支护的难度和费用，甚至需采用超前支护或顶注浆堵水和加固围岩。

此外，若对地下水处理不当，则可能造成更大的危害。

在运营期间，地下水常从混凝土衬砌的施工缝、变形缝（伸缩缝和沉降缝）、裂缝甚至混凝土孔隙等通道渗漏进隧道中。

造成洞内通信、供电、照明等设备处于潮湿环境而发生锈蚀。

使路面积水或结冰造成打滑，危及行车安全。

为避免和减少水的危害，我国隧道工作者已总结出“截、堵、排相结合”的综合治水原则，并以模筑混凝土衬砌作为防水（堵水）的基本措施。

截就是在隧道以外将地表水和地下水疏导截流，使之不能进入隧道工程范围内。

堵就是以衬砌混凝土为基本防水层，以其他防水材料为辅助防水层，阻隔地下水，使之不能进入隧道内的防水措施，必要时还可以采用注浆堵水措施。

堵水措施可以较好地保护地下水环境。

排就是人为设置排水系统，将地下水排出隧道。

实际中要因地制宜，综合考虑，适当选择治水方案，做到技术可行，费用经济，效果良好，保护环境，不仅要根据围岩的工程地质条件，地下水的水量大小及埋藏和补给条件，工程结构的设计使用要求，施工
技术水平及环境保护要求等情况来选择确定。

还要设计、施工、维修相结合，以施工为主，充分结合现场实际，实行点面结合，将大面积渗漏水汇集为局部出水，进行有组织排水。

应尽可能在施工中就将水治理好，保护地下及地表水的自然环境，减少对水环境的破坏并尽量恢复其自然环境。