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1、第4章 隧道结构构造 公路隧道结构构造，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。附属构造物是主体构造物以外的其它建筑物，是为了运营管理、维修养护、给水排水、供蓄发电、通风、照明、通讯、安全等而修建的构造物。4.1 洞身衬砌 衬砌结构的类型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。直墙式衬砌型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。一殷适用于V，IV类围岩，有时也可用于III类围岩。对于道路隧道，直墙式衬砌结构的
2、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(r1> r2)时称为坦三心圆拱，形状较尖(r2< r1)时称为尖三心圆拱，若r1r2r 时即为割圆拱(见图)。 图直墙式衬砌 图4.1.2 连拱边墙或柱式边墙 如果围岩完整性比较好的VVI类围岩中，边墙可以采用连拱或柱，称为连拱边墙或柱式边墙，见图。 为了节省圬工，也可以采用大拱脚薄边墙衬砌，见图。如果具备喷混凝土条件时，边墙可以用喷混凝土代替。该法是个有局限性的方法，最大的问题是大拱脚支座施工困难，在非均质岩层中很难用钻爆法做出整齐稳定的支座。所以在这种较好围岩中，不如优先考虑喷锚支
3、护。 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，见图。图大拱脚薄边墙衬砌图曲墙式衬砌3喷混凝土衬砌、喷锚衬砌及复合式衬砌。 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。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
4、。为使衬砌的防水性能可靠，采用塑料板作复合式衬砌中间防水层是比较适宜的，见图。 图4.1.5 喷锚衬砌与复合衬砌图 偏压衬砌示意图 4偏压衬砌。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，如图所示5.喇叭口隧道衬砌图 嗽叭口隧道衬砌示意图 在山区双线隧道，有时为绕过困难地形或避开复杂地质地段，减少工程量，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，（或车站隧道中的渡线部分），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，如图所示。 6圆形断面隧道
5、 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，因为需要较大的衬砌厚度，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，也多半用二次衬砌，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。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，其开挖断面常为圆形，开挖后可以用喷混凝土衬砌、喷锚衬砌或拼装预制构件衬砌等多种型式。7矩形断面衬砌。用沉管法施工时，其断面可以用矩形型式。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，
6、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，见图。城市中的过街人行地道，通常都在软土中通过，其断面也是以矩形为基础组成的。图 矩形隧道断面衬砌 支护结构 在隧道及地下工程中，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。常用的永久衬砌形式有整体衬砌、复合式衬砌、拼装衬砌及锚喷衬砌等四种。 隧道衬砌是永久性的重要结构物，应有相当的可靠性和保证率，一旦破坏，运营中很难恢
7、复。因此要求衬砌密实、抗渗、抗侵蚀、不产生病害，衬砌能够长期、安全地使用。本节主要介绍永久支护的作用原理和适用条件。 当地质条件较好，围岩稳定，地下水很少，有场地，施工单位又有制造、运输和拼装衬砌的设备，并控制开挖和拼装工艺有一定的经验时，可采用拼装衬砌。当采用盾构施工，又考虑二次衬砌时，也宜采用拼装式衬砌，快速形成一次衬砌的强度。在山岭隧道建设中，很少采用拼装式衬砌。 洞口一般较洞身围岩条件差，节理裂隙发育，风化重；再加隧道埋置浅薄，受地形、地表水、地下水、风化冻裂影响明显；容易形成偏压，甚至受仰坡后围岩纵向推力的影响，围岩容易失去稳定，使衬砌产生病害。故洞口一般采用加强的衬砌形式，包括复合
8、式衬砌，而不采用锚喷衬砌。1整体式衬砌整体式衬砌是传统衬砌结构型式，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的变形，承受围岩的压力。整体式衬砌采用就地整体模筑混凝土，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，易于按需成型，且适合多种施工方法，因此在我国隧道工程中广泛使用。IV类及以上围岩，由于围岩稳定或基本稳定，拱部围岩荷载较小，且往往呈现较小的局部荷载；衬砌工作条件较好，衬砌截面可以采用等截面形式。而IV类以下围岩与上
9、述情况往往相反，故以采用变截面形式为宜。 对IV类及以上围岩，墙部是稳定的，侧压力较小，故一般地区也可采用直墙式衬砌，便利施工，并可减少墙部开挖量。 严寒地区修建隧道，由于地下水随季节温度发生变化，围岩易产生冻胀压力，使侧墙内移或开裂；曲墙式衬砌其抗冻胀能力较强，墙部破坏的情况远小于采用直墙式衬砌的隧道，故严寒地区隧道，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。严寒地区隧道衬砌施工特别要强调根据情况设置伸缩缝，防止或减少衬砌因温度降低而收缩，引起衬砌开裂和破坏，造成病害。 III类及以下围岩，地基松软，往往侧压力较大，故宜采用曲墙带仰拱的衬砌。设置仰拱不仅是满足地基承载力
10、的要求，更重要的是使结构及时封闭，提高结构的整体承载力和侧墙抵抗侧压力的能力，抵御结构的下沉变形，达到调整围岩和衬砌的应力状态的目的，使衬砌处于稳定状态。 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。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。因此，初期支护应按主要承载结构设计。二次支护在IV类及以上围岩时按安全储备设计；在III类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。 复合衬砌的设计，目前以
11、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。通过量测，掌握好断面的闭合时间；保证施工期安全。确定恰当的支护标淮和合适的二次衬砌时间，达到作用在承载结构上的形变压力最小，且又十分安全和稳定。 III类及以下围岩或可能出现偏压时，应设置仰拱。仰拱不仅是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，更重要的是起封闭围岩，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；还增加底部和墙部的支
12、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，其目的是，当第一层产生形变及形变压力较大时，仍给予极少量形变的可能，可降低形变压力。而当一次衬砌支护力不够时，可将少量形变压力均匀的传布到二次衬砌上，并依靠二次衬砌进一步制止继续变形，且不使一次衬砌出现裂缝时，二次衬砌也出现裂缝。由于二层衬砌之间有了隔离层（即防水夹层），则防水效果良好，且可减少二次衬砌混凝土的收缩裂缝。 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。当围岩呈“塑性”时，变形量是比较大的。由于预先设定的变形量与初期支护稳定后的实际变形量往往有差距，故应经常量测校
13、正，使延续各衬砌段预留变形量更符合围岩及支护变形实际。3喷锚衬砌 锚喷支护作为隧道的永久衬砌，一般考虑是在IV类及以上围岩中采用；在III类及以下围岩中，采用锚喷支护经验不足，可靠性差；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，形成复合衬砌。当围岩良好、完整、稳定地段，如V类及以上，只需采用喷射混凝土衬砌即可，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，应加入了锚杆支护，通过联结作用和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
14、射混凝土形成一个稳定的承载结构。锚杆应与稳定围岩联结，与没有松动的较完整的稳定的围岩体相联结；锚杆应有足够锚固长度，伸入松动围岩以外或伸入承载环以内一定深度。当围岩呈块(石)碎(石)状镶嵌结构，稳定性较差时，锚喷混凝土的主要作用原理是整体加固作用。依靠锚杆和钢筋网喷混凝土的支护力和锚杆的联结及本身的抗剪强度，提高围岩承载圈的抗压强度和抗剪强度，达到对围岩的整体加固作用，使围岩和锚喷支护共同成为一个承裁结构。锚喷衬砌的内轮廓线，宜采用曲墙式的断面形式，是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，减小围岩内缘的拉应力，尽可能消除围岩对支护的集中荷载，使支护只承受较均匀的形变压力，使喷层
15、支护都处在受压状态而不产生弯矩。锚喷衬砌外轮廓线除考虑锚喷变形量外宜再预留20cm。其理由是：锚喷支护作为永久衬砌目前在设计和施工都经验不足，需要完善的地方还很多，尤其是公路部门，这样的施工实例还不多；锚喷支护作为柔性支护结构，厚度较薄，变形量较大，预留变形量能保证以后有可能进行补强和达到应有的补强厚度而留有余地；另外，还估计到如锚喷衬砌改变为复合衬砌时，能保证复合衬砌的二次衬砌最小厚度20cm。采用锚喷衬砌后，内表面是不太平整顺直，美观性差，影响司机在行车中视觉感观。在高等级道路或城镇及附近的隧道，应根据需要考虑内装，以消除上述缺点外，也便于照明、通风的安装，提高洞内照明、防水、通风、视线诱
16、导、减少噪音等的效果。 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。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；锚杆与围岩的粘结，锚杆的锚固力也极难保证，难于发挥锚喷支护所应有的作用。膨胀性围岩和不良地质围岩，如粘土质胶结的砂岩、粉砂岩、泥砂岩、泥岩等软岩，开挖后极易风化、潮解，遇水泥化、软化、膨胀，造成大的围岩压力，稳定性极差，甚至流坍。堆积层、破碎带等不良地质，往往有水，施工时缺乏足够的自稳能力和一定的稳定时间。这样，锚杆无法同膨胀性围岩和有水堆积层、破碎带形成可靠的粘结，喷射混凝土与围岩面也很难形成良好的粘贴。因此，锚喷支护就难
17、于阻止围岩的迅速变形和通过锚喷支护形成可靠、稳定的承载圈。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；辅助坑道或其它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。4.2 洞门 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，其作用是保证洞口边坡的安全和仰坡的稳定，引离地表流水，减少洞口土石方开挖量。洞门也是标志隧道的建筑物；因此，应与隧道规模、使用特性以
18、及周围建筑物、地形条件等要相协调。洞门附近的岩(土)体通常都比较破碎松软，易于失稳，形成崩塌。为了保护岩(土)体的稳定和使车辆不受崩塌、落石等威胁，确保行车安全，应该根据实际情况，选择合理的洞门型式。洞门是各类隧道的咽喉，在保障安全的同时，还应适当进行洞门的美化和环境的美化。 山岭隧道常用的洞门型式主要有端墙式、翼墙式和环框式；水底隧道的洞门通常与附属建筑物，如通风站，供、蓄、发电间，管理所等结合在一起修建，城市隧道既可能是山岭隧道，也可能是水底隧道，不过一般情况下交通量都比较大，对建筑艺术上的要求也较高。道路隧道在照明上有相当高的要求，为了处理好司机在通过隧道时的一系列视觉上的变化，有时考虑
19、在入口一侧设置减光棚等减光构造物，对洞外环境作某些减光处理。这样洞门位置上就不再设置洞门建筑，而是用明洞和减光建筑将衬砌接长，直至减光建筑物的端部，构成新的入口。 洞门还必需具备拦截、汇集、排除地表水的功能，使地表水沿排水渠道有序排离洞门，防止地表水沿洞门流入洞内。所以洞门上方女儿墙应有一定的高度，并有排水沟渠。 当岩(土)体有滚落碎石可能时，一般应接长明洞，减少对仰、边坡的扰动，使洞门墙离开仰坡底部一段距离，确保落石不会滚落在车行道上。 洞门型式1端墙式洞门 端墙式洞门适用于岩质稳定的IV类以上围岩和地形开阔的地区，是最常使用的洞门型式，见图。图 端墙式洞门 2.翼墙式洞门 翼墙式洞门适用于
20、地质较差的III类以下围岩，以及需要开挖路堑的地方。翼墙式洞门由端墙及翼墙组成。翼墙是为了增加端墙的稳定性而设置的，同时对路堑边坡也起支撑作用。其顶面通常与仰坡坡面一致，顶面上一般均设置水沟，将端墙背面排水沟汇集的地表水排至路堑边沟内，见图。 图翼墙式洞门3.环框式洞门 当洞口岩层坚硬、整体性好、节理不发育，路堑开挖后仰坡极为稳定，并且没有较大的排水要求时采用。环框与洞口衬砌用混凝土整体灌筑。见图。图环框式洞门 当洞口为松软的堆积层时，通常应避免大刷仰、边坡，一般宜采用接长明洞，恢复原地形地貌的办法。此时，仍可采用洞口环框，但环框坡面较平缓，一般与自然地形坡度相一致。环框两翼与翼墙一样能起到保
21、护路堑边坡的作用。环框四周恢复自然植被原状，或重新栽植根系发达的树木等，以使仰、边坡稳定。在引道两侧如果具备条件可以栽植高大乔木，形成林荫大道，这样的总体绿化，对洞外减光十分有益，是一个值得推荐的好方法。不过环框上方及两侧仍应设置排水沟渠，以排除地表水，防止漫流。倾斜的环框还有利于向洞内散射自然光，增加入口段的亮度。4遮光棚式洞门 当洞外需要设置遮光棚时，其入口通常外伸很远。遮光构造物有开放式和封闭式之分，前者遮光板之间是透空的，后者则用透光材料将前者透空部分封闭。但由于透光材料上面容易沾染尘垢油污，养护困难，所以很少使用后者。形状上又有喇叭式与棚式之分。 除上述基本形式外，还有一些变化形式，
22、如柱式洞门：在端墙上增加对称的两个立柱，不但雄伟壮观，而且对端墙局部加强，增加洞门的稳定性。此种形式一般适用于城镇、乡村、风景区附近的隧道。台阶式洞门，为适应山坡地形，在沿线傍山隧道半路堑情况下常采用这种形式。将端墙做成台阶式。4.2.3 隧道洞门构造 洞口仰坡地脚至洞门墙背应有不小于1.5m的水平距离，以防仰坡土石掉落到路面上，危及安全。洞门端墙与仰坡之间水沟的沟底与衬砌拱顶外缘的高度不应小于1.0m，以免落石破坏拱圈。洞门墙顶应高出仰坡脚0.5m以上，以防水流溢出墙顶，也可防止掉落土石弹出。水沟底下填土应夯实，否则会使水沟变形，产生漏水，影响衬砌强度。 洞门墙应根据情况设置伸缩缝、沉降缝和
23、泄水孔，以防止洞门变形。洞门墙的厚度可按计算或结合其他工程类比确定，但墙身厚度最小不得小于O.5m。 洞门墙基础必须置于稳固地基上，这是因为通常洞口位置的地形地质条件比较复杂，有的全为松散堆积覆盖层，有的半软半硬，有的地面倾斜陡峻，为了保证建筑物稳固，应视地形及地质条件，洞门墙基础埋置足够的深度。基底埋入土质地基的深度不应小于1m，嵌入岩石地基的深度不应小于0.5m。地基强度偏小时，可根据情况采用扩大基础、换土、桩基、压浆加固地基等措施。地基为冻胀土层时，冻结时土壤隆起、膨胀力大，而解冻时由于水融作用，土壤变软后沉陷，建筑物相应下沉，产生衬砌变形。根据公路工程一般设置基础的经验，要求基底设在冻
24、结线以下不小于0.25m(所指的冻结线为当地最大的冻结深度)。如果冻结线较深，施工有困难，可采取非冻结性的砂石材料换填，也可设置桩基等办法。不冻胀土层中的地基，例如岩石、卵石、砾石、砂等，埋置深度可不受冻结深度的限制。4.3 明 洞 当隧道埋深较浅，上覆岩(土)体较薄，难采用暗挖法时，则应采用明挖法来开挖隧道。用这种明挖法修筑的隧道结构，通常称明洞。明洞具有地面、地下建筑物的双重特点，既作为地面建筑物用以抵御边坡、仰坡的坍方、落石、滑坡、泥石流等病害。明洞净空必须满足隧道建筑限界要求，洞门一般作成直立端墙式洞门。 明洞的结构形式应根据地形、地质、经济、运营安全及施工难易等条件进行选择，采用最多
25、的是拱形明洞和棚式明洞； 拱形明洞 隧道进出口两端的接长明洞或在路堑边坡不稳定地段修建的独立明洞等，多采用拱形明洞的形式。 拱形明洞整体性好，能承受较大的垂直压力和侧压力。其形式有以下四种： (一)路堑对称型 这类型式适用于洞顶地面平缓，路堑两侧地质条件基本相同，原山坡有少量坍塌、落石以及隧道洞口岩层破碎，洞顶覆盖较薄，难以暗挖法修建隧道的地段，如图所示。 (二)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，如图所示。图 路堑对称型明洞示意图 图 路堑偏压型明洞示意图 (三)半路堑偏压型 适用于半路堑
26、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，如图所示。 (四)半路堑单压型 适用于靠山侧边坡或原山坡有坍塌、落石等情况，外侧地形陡峻无法填土地段。如图所示。图 半路堑偏压型明洞示意图 图 半路堑单压型明洞示意图 拱形明洞的边墙，一般采用直墙。当半路堑型单压明洞外墙尺寸较厚(可达35m)为节省圬工量，通常在浆砌片石的外墙上每隔34m开设孔洞一个。 采用偏压拱型明洞时，要特别注意处理好外墙基础，以防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。 棚
27、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。 棚式明洞顶板为梁式结构。内侧边墙一般采用重力式挡墙，当岩层完整，山体坡面较陡采用重力式挡墙开挖量较大时，也可采用钢筋混凝土锚杆挡墙。但在地下水发育地段不宜采用。 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)等棚式明洞之分。(一)墙式棚洞(墙式棚式明洞) 适用于边坡存在坍塌、落石的地段，横向断面类似桥跨结构，内墙除起挡墙作用外，还承受顶板下传垂直荷载；外墙只承受顶板下传垂直荷载。如图所示。 图 墙式栅洞示意图 图4.3.6 刚架式栅洞
28、示意图 (二)刚架式栅洞： 适用于边坡小量落石，或在连接两座隧道间需建明洞时，为改善隧道通风条件下而被采用。外墙结构为连续框架；因此对地基承载力要求较高。如图所示。 (三)柱式棚洞 适用于少量落石，地基承载力高，或基岩埋藏浅的地段。外墙采用独立柱和纵梁方式，结构简单，预制吊装方便，但整体稳定性较差。如图所示。 (四)悬臂式棚洞 当山坡较陡，坡面有少量落石，且外侧地基不良或不宜设基础时，可采用悬臂式棚洞。如图所示。 图 柱式棚洞示意图 图 悬臂式棚洞示意图 根据山侧岩层的具体条件，内侧可选用重力式边墙或锚杆挡墙等形式。悬臂式棚洞由于结构不对称，抗震性能差，施工要求较高，选用时应慎重。 明洞基础
29、明洞基础应置于稳固的地基上。当基岩埋深较浅时，基础可设置于基岩上；当基础位于软弱地基上时，基础可采用仰拱，整体式钢筋混凝土底板等结构。外墙基础趾部，应有一定的嵌入深度并应设在冻结线以下0.25m，且保证一定的护基宽度，如表4.3.1所示。 明洞墙嵌入深度 表 岩层种类埋深K(m) 护基宽L(m）说 明较完整的坚硬岩层0.250.250.5一殷岩层（如砂贞岩互层）0.600.61.50松软岩石（如千枚岩等）1.001.02.0砂夹砾石1.51.52.5 明洞基础应遵守隧道衬砌基础的有关规定。当两侧边墙地基软硬不均时，应采取措施加以处理，以免引起过大的沉降和不均匀沉陷，使明洞结构产生裂缝或破坏。可
30、采取下述措施：(1)基岩不深时可加深基础，设置于基岩上；(2)采用钢筋混凝土或混凝土仰拱；(3)采用钢筋混凝土底板，修筑整体式基础；(4)亦可采用桩基或加固地层等措施。 当地基为完整坚固的岩体时，基础可切割成台阶；台阶平均坡度不陡于1:0.5；坡度线与水平线的夹角不得大于岩层的内摩擦角；台阶宽度不小于0.50m，最低一层基础台阶宽度不小于2m。当基础外侧受水流冲刷影响时，为了使基础外侧护基部分岩土稳定或为防止河岸冲刷的影响，应另采取挡墙、护岸、边坡加固等防护、防冲刷措施。 明洞外边墙、棚洞立柱基础埋置位置在路面3m以下时(一般是指半路堑单压式明洞的外侧边墙及立柱)，应在路基处设置钢筋混凝土横向
33、:1.5，实际填土坡度为1:51:3。 当明洞是为保护洞口自然环境，则应将明洞完全伸出自然山坡坡面，以不破坏自然地面及其景观为原则。开挖部分回填至原自然地面坡度，必要时可在其上采取植保。 明洞应重视拱背和墙背的回填，其中重视拱背的回填是为了保护拱背及拱脚，增强拱脚的固结，增加其稳定性，起加强的作用。墙背回填质量的好坏，直接影响到墙背岩土的稳定、侧压力的大小，也影响到墙背抗力的大小。实际采用回填措施时，应根据明洞类型、山坡岩土类别、设计要求、施工方法确定。一般III、IV、V类围岩其回填要求用片石混凝土或浆砌片石回填密实，并与围岩面的接合良好。对II类及I类围岩，墙背回填料的内摩擦角也应高于围岩
34、的内摩擦角，如浆砌片石、干砌片石回填。 计算明洞墙背围岩主动土压力时，是按围岩计算摩擦角计算的，所以墙背回填料的内摩擦角应不低于围岩的计算摩擦角，不然的话，实际墙背的侧压力较计算的要大。另一意义是，较好的围岩与衬砌之间有低摩擦角的回填“软弱夹层”，徒然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。因此，要提高回填的质量。另外，墙背回填料的内摩擦角，应不低于设计回填料计算的摩擦角，表示设计、施工措施应符合(或高于)设计要求，使之可靠。否则，墙背侧压力将比设计侧压力增大，影响结构安全。 4.4 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
35、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。选择那种形式，决定于地形、地质、工期，运输能力，设置地点的当地条件。 横洞可考虑是主体坑道导坑的分叉和延长。它比斜井、竖井在作业方面；安全方面都优越。没有必要采用特殊的机械和设备。所以除因地形等条件，长度需很大外，希望尽量采用横洞作为工作坑道。 竖井与斜井比较，当高差相同时，长度约为斜并的1/4左右，在遇不良地质和涌水等机率低时，是有利的。但是从运输效率方面比起斜井来，就需加大断面才能满足。而且对于大型机械进入也较困难。另外开挖中处理涌水也困难，开挖能力受地质和涌水状
36、况变化影响大。除作业中的堕落，落石等外，在隧道主坑道开挖时万一出现大涌水，停电等事故时，安全度均较低。因此应考虑这些因素后，才决定采用斜井或是竖井。除在覆盖层不厚的地点，设置30m左右的辅助竖井有特别理由的情况外，为保证工程的可靠性多数情况下采用斜井。 竖井、斜井除作为施工作业坑道外，常使用于公路隧道的通风井；水底隧道的扬排水和维修保养通道；扬水式发电站的调压水槽和压力管道闸门等。最近还使用于石油和液化气的地下储藏的永久性洞库。 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，耍研究防止井口附近地表水和泥沙的流入措施。当存在
37、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。图 竖井断面规划示例示意图（尺寸单位：mm） 竖井与主坑道的衔接方式有设置在主坑道的正上方和不从主坑道设置两种。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。最小断面尺寸由升降车，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
38、置：竖井和联络坑道的衔接部分的构造等来研究决定。如图所示。 竖井的支护和衬砌，应考虑地质、深度、断面形状、使用时间、目的、施工方法等进行设计。圆形断面时，支撑多数采用四根“H”形钢组成的环接杆件；也有采用衬圈板的例子。另外在固结度低的浅地层竖井，一般采用挡土结构明挖法施工。关于衬砌厚度设计没有权威性的计算公式，但对直径6m左右的竖井实际采用4060cm左右。 在竖井中主坑道开挖的 出碴方式有升降车和箕斗方式两种。升降车方式是向箱形的升降车直接装载运碴推车，用卷扬机提升至地面。工作人员、材料也以升降车运送。箕斗方式是用钢制的吊斗、碴罐，上下间隔向井外运送的方式；工作人员和材料以另外升降车设备运送
39、。升降车方式不需要进行碴石倒装，但需大型的卷扬设备。箕斗方式箕斗到达坑底才能装碴；所以竖井深度大时，是有缺点的。因此一般采用升降车方式。 坑底设备有装碴设备和抽水设备。装碴设备在箕斗方式时，由碴罐、手推车倒转装置、装碴设备组成。规模和容量决定于地质，主坑道的施工方法，掘进工期等因素。升降车方式时，因直接向推车装碴，就不需要特别的设备。抽水设备要根据预测的涌水量，并考虑设备的保养、故障、停电等来决定贮水榴、抽水泵、排水管、泵室的配置。 斜井 确定斜井位置时，考虑以下因索：洞口设置在地形简单，地质良好，涌水量不大，能保证洞外碴罐、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
40、，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碴的运输方式，若采用输送带方式时，决定于限制碴石滑滚的条件，一般标准在1/4(约14度)以下。斜坡道方式时，采用箕斗和碴罐用卷扬机提升，坡度可比输送带时陡些，但必须从安全和卷扬机能力来考虑决定。另外，当主坑道开挖方式是全断面或上部半断面超前施工法，斜井采用轮胎运输时，从自卸汽车走行性能和通风来考虑，希望坡度缓些。采用l7左右(约9度)的实例较多。 斜井的断面由出碴运输设备、搬入主坑道使用的机
41、械、钢支撑、混凝土输送、扬排水用的配管、送排风管、电气配线(电力、照明、信号)和用于工作的通道等，同时考虑各种余量，综合研究得出必要的最低限度的尺寸大小。另外施工用的斜井是临时设施，所以没有必要做全断面衬砌，可以相应于地质情况，在需要的位置上进行衬砌。在未进行设计前，计划时衬砌厚度原则上可按30cm考虑左右。 安装在主坑道的坑底设备根据主坑道的施工方法，斜井的运输方式的不同，在构造上是有差别的。采用输送带方式时，在斜井底部水平坑道内设碴石转运等设备，水平坑道部分的长度，除考虑碴石转运设备外，还要考虑临对堆放的材料、充电、集水槽等设施来决定，一般多在50一100m左右。斜坡道有轨运输方式时，因坑
42、底设备简单，所以水平坑道可短些。轮胎运输方式时，更简单，有10m就够充分了。 出碴倒装设备如采用输送带方式，构造稍微复杂些，必须具备碴罐，粉碎设备，输送带坑道等。在斜坡道采用箕斗方式时，仅碴罐和箕斗，坑道就可以了；当采用推车提升倾倒式时，就更不需要什么设备。坑底碴罐的容量，最低限度应为一列推车的装载量，一般需要约80200m。以上。考虑输送带效率的充分发挥，要求能均匀供应碴石，常采用闸箱送料器和集装送料器设备。粉碎设备一般使用碎石机或大块石扎碎机。斜井与主坑道连接部分的交角，从相交部分的构造，施工难易程度，运输作业方便程度考虑；一般在300600左右较适宜。扬排水设备与竖井规划基本相同。斜井实
43、际采用的断面例举如图4.4.2所示。4.4.3 使用于通风的竖井图4.4.2 斜井实际使用的断面示意图 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。公路隧道的通风方式，随着隧道长度、交通量的增大在通风效果方面一向认为较为有利的是半横向、横向通风方式，而采用竖井的横向通风方式的竖井位置，决定着最佳通风设备的选择。但是最近几年来，在单向交通的公路隧道，为最大限度的利用汽车的活塞作用，并采
44、用竖井和集尘机等组合的纵向通风方式；被应用于长大隧道，替代了半横向、横向方式。 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，所以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。再有通风动力设备由于竖井延长加大而增大，将需要建立地下通风站。所以设置通风竖井的隧道将成为大断面的地下结构，这在地质条件存在困难时，竖井位置选择就必须进行综合的研究。 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
45、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。 4.5 内装、顶棚及路面内 装 为了确保行车安全，在道路隧道中必须采取措施，使墙面亮度在长期的运营中保持在必要的水平以上，墙面须用适当的材料加以内装处理。以改善隧道内的环境，提高能见度和吸收噪声。 提高墙面的反射率，可以增加照明效果。因此内装材料表面应当是光洁的，颜色应当是明亮的。人眼对波长555nm的黄绿光最为敏感，所以内装材料应尽量采用淡黄和浅绿色，作为背景的墙面，要能衬托出障碍物的轮廓，具有良好的反射率，减少眩光，并使这种反射呈漫
46、反射。 未经内装的混凝土衬砌表面，特别容易吸附引汽车擎排出的废气中的粘稠油分，并与烟雾、尘埃一起沾在表面上。在隧道内潮湿、漏水的情况下，这种污染的过程出人意料的快，能使墙面的反光率降到极低的水平。 经过内装的墙面，污染仍然是不可避免的。但要求装修材料具有不易污染、易清洗、耐刷、耐酸碱、耐腐蚀、耐高温、便于更换或修复等特点。表面应该光滑、平整和明亮。装修材料还应具有吸收噪声的作用。消除隧道内的噪声是极其困难的课题之一。隧道内噪声源主要来自两方面：通风机产生的噪声和汽车行驶时引擎发出的噪声。内装的作用，包括美化洞室、使隧道漏水不露出墙面、隐藏各种管线、提高照明和通风效果、吸收噪音等。 声波是在三维
47、空间中波动，它与光波一样可以屏蔽、聚焦和定向。在均匀截面的管道中行进的波，常常是平面波，这种波从波源出发，在无阻碍地进行很长一段距离后，仍近似地为平面波，平面波的衰减很慢；由于管径与铺贴吸声材料的吸声效果成倒数关系，在大管道中铺贴吸声材料几乎无效，所以内装材料的消声效果一般不理想。 通常用于隧道的张贴内装材料有： 块状混凝土材料 其表面粗糙，容易污染而且不好清洗，但衬砌表面不需特殊处理即可设置，比较经济。 饰面板、镶板等质地致密材料 不容易污染，清洗效果好，洗净率高。板背后的渗漏水很隐蔽，既使外露也容易洗净。各种管线容易在板背后隐蔽设置。板背后的空间有利于吸收噪声。 瓷砖镶面材料 表面光滑，容
48、易洗净且效果良好；要求衬砌平整，以便镶砌整齐；隧道漏水部位可以考虑用排水管道疏导；镶面后面可以埋设小管线；但这种材料没有任何吸声作用。 油漆材料 比块状混凝土材料容易清洗，但不及其它两种材料，对衬砌表面要求很高，需要压光、平整；隧道不能有漏水现象，浸湿的油漆损坏很快；这种材料也没有吸声作用。 随着建筑材料工业技术的发展，新材料相继出现，许多新型材料都可以使用。但用于内装的新材料应该具有：耐火性，在高温条件下仍能维持原状，不燃烧、不分解有害成分等；耐蚀性，长期在油垢及有害气体作用下不变质，在洗涤剂等化学物质作用下不被侵蚀；不怕水，大多数隧道都存在漏水问题，在水的浸泡下，在潮湿环境中不变质、不霉烂
49、；材料来源广泛，价格相对便宜，隧道是大型构造物，用材量很大，价格高昂的材料不适于作隧道内装。 顶 棚 顶棚的反射率对提高照明效果有利，经过顶棚的反射光使路面产生二次反射，能明显的增加路面亮度。顶棚用漫反射材料可以避免产生眩光，其颜色的明亮程度直接影响到路面亮度，所以应该是浅色的，但是又应有别于墙面，在色调和饱和度上可以有所不同。 顶棚是背景的一部分，特别是在有坡度处和变坡点附近对识别障碍物和察觉隧道内异常现象颇有帮助。 美国在改造早期修建的旧隧道时，为了提高隧道内的亮度水平，曾在顶棚上用瓷砖镶面。其结果是一方面产生严重的闪烁现象，另一方面顶棚很快变脏，清洗工作又很不方便。由于脏的过程很快，所以
50、不能获得稳定的反射亮度，这是需要今后进一步探索的问题。 顶棚可以美化隧道，特别是与整齐排列的灯具相互衬托，更可以起到美化的效果，并有明显的诱导作用。 根据实际需要可以把顶棚做成平顶或者拱顶。在自然通风或诱导通风时，可以用拱顶。在半横向或横向通风时可以用平顶。顶棚以上可以作为通风道和供管理人员使用的通道，因此设计荷载可按(据国外资料)10MPa考虑。 路 面 对隧道内路面的讨沦是在其具有足够强度和耐久性的前提下进行的。作为特殊要求，有以下各点： 1.路面材料应具有抵御水的冲刷和含有化学物质的水的浸蚀能力。尤其地下水可能为承压水时，更为突出。路面的坡度应能迅速排除清洗用水。 2.因为车辆在隧道内的
51、减速及制动次数较高，横向抗滑要求更高，以确保车体横向稳定。 3.容易修补。 4.路面漫反射率高，颜色明亮，才能获得良好的照明效果。路面作为发现障碍物的背景，比墙面和顶棚有更大的、关键性的作用。 路面材料主要有两种，即混凝土和沥青混凝土。由于混凝土的反射率较沥青混凝土路面高，横向抗滑性好，是过去广泛使用的材料。其最大缺点是产生裂缝时不容易修补，更换时要停止交通。在高寒地区还要受到防滑链的损害，必需考虑设置磨耗层。沥青路面的反射率较低，为了改善路面亮度，需要在面层加入石英和铝的混合物。有的加人浅色石子和氧化钛做填充料。 路面与车道分隔线等交通标志之间应保证有明显的亮度对比和鲜明的颜色对比。 隧道内
52、的路基应具有足够的承载力，尤其要求在有丰富地下水的条件下也能满足要求，这就要求有良好的排水设施。衬砌背后应设置盲沟和导水管，在车道板下面铺设透水性好的路基材料，必要时设置仰拱。在确定隧道纵坡时保证排水沟排水顺畅，保证路面有11.5%，的横坡等。 噪声的消减 隧道内的混响时间(噪声源发音瞬间的声能衰减到1/106。时所需时间，即衰减60分贝所需时间)为洞外的数千倍，竞达到711S，在噪声级相当高的隧道内，震耳欲聋，乱作一团，难以忍受。而洞外仅为数百分之一秒。对于交通量大的重要隧道，往往需要设置应急电话等安全设备，这种隧道，噪声至少应当控制在可以用电话与管理所通话的程度。表中可以知道，噪声超过65
53、分贝(dB)时，已经很难利用电话；从使用电话的角度看，噪声水平应保持在60dB以下。 表4.2噪声水平dB(A)状 况40极安静45安静，10m距离可以对话50电话无困难，4m距离可以对话55电话有时困难，2m可以对话，4m大声讲话。60电话少许困难，2m大声对话66电话很困难 噪声水平(SL)与汽车交通量(N)之间的关系可按下式计算；SL181gN十13(dB) () 式中：N小时交通量(辆h)。其关系曲线用图表示。 图 噪声与交通量的关系 噪声水平也可以从下列表中查得。噪声水平除了受车速与车流组成影响外，交通量，坡度和车辆技术状态的好坏等，都有影响。各种类别车辆可以达到的噪声级dB(A)，见表。车速与车流组成不同时，其噪声级db（A）可参考表 。交通量修正值db（A）见表。交通条件修正值db（A）如下： 车行道纵坡每增加2% +1 柴油机卡车每加10% +1 路面种类 沥青混凝土 0 混凝土 +2碎 石 +4 表4.3 车 辆 类 别 噪声级dB(A) 大载重量柴油机卡车 汽油机卡车 柴油机公共汽车 汽油机公共汽车， 摩托车 无轨电车 轻型汽车 轻
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