山岭公路隧道衬砌内轮廓线的求法

公路隧道衬砌内轮廓线的求法

公路的内轮廓线是衬砌的完成线，在内轮廓线之内的空间，即为隧道的净空断面，该线应满足所围成的断面积最小，适合围岩压力的特点，以既经济有适用为目的。

衬砌的外轮廓线指为保持净空断面的形状，衬砌必须具有足够的厚度为保证衬砌的厚度，侵犯该线的山体必须全部开挖掉，该线成为最小开挖线。

(1)圆形断面的作图

确定道路隧道内轮廓线时，以公路建筑限界为基准，并附加上通风所需要的断面。如果有侧压力则需要设置仰拱，设仰拱时应考虑水压力。在膨胀性山体和受到大水压时，通常把圆形闭合断面作为基本形状。圆形断面内轮廓线作图见图3.3.2(a)。假定公路建筑限界已确定，其控制点为a,b,c,d四个点。分别作ab,ac,ad的垂直平分线，在断面对称轴上得到三个交点O1,O2、O3，取其中最高(至路面)者作为圆心O2。由于施工精度上要求a,b,c,d各点至少需要10cm以上的富裕量，所以在oa连线的延长线上取m

aA ，以oA为半径划圆即得内轮

1.0

廓线的基本部分。

图3.3.2 内轮廓线作图例

路面板下剩余的空间○S ，可以用做通风和通路，除了膨胀性岩体及水压很大时需要设置仰拱外，一般可不设置，此时路面板下可用于埋设排水构造物。排水构造物的敷设深度，除高寒地区设保暖水沟外，一般0.5m 是足够的。当侧压力大需设置仰拱时，其半径OA 2e O '•≈。

建筑限界的两侧空余地方，ab 之间可以作为设置事故电话和放置灭火器的地方，bc 之间可以安装照明灯具。

圆形断面常常用于盾构法和水下隧道、膨胀性围岩以及接近圆形的山岭隧道。

(2)直墙式衬砌断面

● 适合情况：围岩较好，一般不产生较大的侧压力，不需要设仰拱，可以采用直墙，此时隧道的净断面积最小，如图3.3.2(b)。适用于无明显断层和围岩结构完整的地质条件，如果隧道长度不很长(600——800m)，使用射流风机已经足够。

● 内轮廓线确定方法：如果在建筑限界以上设置射流风机，则应使m 2.1~0.1G H =(根据选用的射流风机的实际尺寸确定)，例如取GH ＝1.2m ，取施工允许误差He ＝O.1m ，则得点 e ，作ed 的垂直平分线并与断面对称轴相交于点O l ，以H o 1为半径作弧DHD'，即为拱部的内轮廓线。由建筑限界ab 向外取富余量0.1m ，引AB ∥ab ，求bd 的垂直平分线与D o 1相交于O 2，以D o 2为半径作弧并与AB 相交于B ，与DHD'相交于D ，则ABDH 即为内轮廓线。这是一个坦三心圆拱，

(3)曲墙式衬砌断面(顶板以上设置通风道时)

● 适合情况：长隧道，需要全横向通风或半横向通风时，或所需通风量较大，通风道断面积也会较大，此时顶板要变宽，拱高需增大，如图3.3.2(d)。如果设在路面板以下，则车道板必须采用钢筋混凝土结构，造价很高。

● 设置通风道的原则：是既要使通风道的断面积小，又要使内轮廓线与建筑限界的侧墙部分的剩余空间最小，还要使拱部与侧墙伪内轮廓线过渡圆滑，适合受力特点。例如隧道长度为1km 左右的隧道，由两个洞口进行半横向通风时，所需通风道面积约为8—10m 2，属于小断面通风道。

● 内轮廓线确定方法：如图3.3.2(c)，取a 、b 为控制点，求ab 平分线，在平分线上找一点o l ，取o 1A 为半径(R1)作弧AB 。在AB 弧的延长线取点P ，将P o 1与对称轴的交点o 2作为圆心，划P o 2圆时要试作，使之在H 点附近通过。所得到的ABPH 即为内轮廓线。需要设置仰拱时，取P o 3(=R 3)近似等于2倍的P o 2。 例如需通风道断面积为20m 2 时，用趋进法作图。如图3.3.2(d)，首先在Gd 的延长线上取点D ，使DG 约等于建筑限界宽度的一半( 试取时可将ab 延长与G d 交于D)， GD 不应比其超过太多(以aF G D -＜1m 为限)。再在G H 3.1~2.1G D ≈左右取点H ，作DH 的垂直平分线并与对称轴相交于O 1，以D o 1为半径(R 1 )划圆弧DHD ’，校核该弓形面积，调整到较预定面稍大为止。再次，求AD 的垂直平分线与1Do 的交点O 2，并以A o 2半径(R 2)划弧AD ，ADH 即为内轮廓线。需要设仰拱时，取 R 3 ＝2R 1。

开挖断面积大于100m 2 的长大隧道，断层、不良地质等影响更大。可考虑设置通风竖井及平行导坑进行通风，使隧道本身断面尽量缩减到最小程度。

3.3.3衬砌断面几何尺寸的拟定

Determining Size of Lining cross Section

1 衬砌内轮廊尺寸拟定

拟定衬砌内轮廓尺寸的各参数如图所示。已知a 、b 、f 、1ϕ，求1r 、2r 和2ϕ

⎪⎪⎭

⎪⎪⎬⎫=+=

-

=-+21122221sin sin cos r a r b a r f r a r ϕϕϕ (3.3.1)

式中：b ——公路建筑限界宽度，

其值为行车道宽度加上两侧路缘带与行人行道宽度的总和，两侧还应分别加上5～10cm 的施工误差；

f ——拱顶至拱脚的矢高，按通风量所需通风道面积确定，并保证拱轴线受力合理； 1ϕ——内径r ，画出的圆曲线的终点截面与竖直面的夹角；

a ——内径 r 1、r 2的圆心o 1与o 2之间的水平距离。

以上4个参数必须根据限界要求预先给定，代入（3.3.1）式后解出其余3个参数r 1、r 2及2ϕ。其中：1r 、2r ——第一个内径和第二个内径；

2ϕ——拱脚截面与竖直截面的夹角。

曲墙式边墙内径r 3由参数H 1及 b

1确定，见图 3.3.4。ADB ACO ∆∝∆3， 3131cos sin ϕϕb H AD +=，2

121b H AB +=

⎪⎭⎪⎬⎫-=++=20331312112390)cos sin (2ϕϕϕϕb H b H r (3.3.2)

2．轴线与外轮廓线

对于拱的轴线和外轮廓线的计算，不存在困难。等截面拱的计算比较简便，变截面拱圈尺寸的计算，则比较繁琐，参见图3.3.5，可按以下公式计算：

图3.3.3 内轮廓线计算图示 图3.3.4 边墙内径r 3的计算图示