重庆大学 隧道工程

隧道勘察的目的：查明隧道所处位置的工程地质条件和水文地质条件以及隧道施工和运营对环境保护的影响。为规划、设计、施工提供所需的勘察资料，并对存在的岩土工程问题、环境问题进行分析评价提出合理的设计方案和施工措施，从而使隧道工程经济合理和安全可靠。

隧道勘察阶段一般分为:

（1）可行性研究勘察[预可行性研究; 工程可行性研究] 

（2）初步勘察[（1）收集资料（2）工程地质选定隧道线位（3）初勘资料整理]

（3）详细勘察。

隧道勘察的主要方法[收集与研究既有资料，调查与测绘]

收集的资料一般应包括以下几个方面的内容：

   （1）地域地质资料   （2）地形、地貌资料   （3）区域水文地质资料 （4）各种特殊地质地段及不良地质现象的分布情况，发育程度与活动特点等   （5）地震资料   （6）气象资料   （7）其它有关资料   （8）工程经验、区内已有公路、铁路等其它土建工程的工程地质问题及其防治措施等。

调查与测绘[（1）工程地质调查（2）工程地质测绘（3）调查测绘内容]

隧道勘察的主要手段 [挖探、钻探、地球物理勘探] 

隧道与地下水的影响关系，主要出现两种现象，一是隧道内涌水，这将恶化围岩稳定状态，导致施工困难，增大工程造价，二是地表枯水，造成工业用水及饮水困难

地质条件包括岩层性质、地质构造、岩层产状、裂隙发育程度及风化程度 

详细勘察

1）详勘的目的:根据批准的初步设计，对已选定的隧道位置进行详细的工程地质勘察，为编制隧道的施工图提供工程地质资料。

2）详勘的主要任务:对隧道所在区的地形、地貌（包括洞外接线），工程地质特征及水文地质条件作出正确的评价；分段确定隧道洞身的围岩类别；由于隧道地质情况千变万化，要求详勘时根据地质变化提供相应的施工设计资料及建议。

3）详勘工作的内容：是在初勘的基础上开展进一步深入细致的工作，着重查明和解决初勘时未能查明解决的地质问题，补充、核对初测时的地质资料。对初勘时建议深入调查，勘探的重大复杂地质问题应作出可靠的结论。应根据地质特征，着重分析隧道围岩的稳定性及洞口斜坡的稳定性。正确评价和预测隧道区的工程地质、水文地质条件及其发展趋势，提供设计、施工所需的定量指标，以及设计施工应注意的事项和整治措施意见。

4）详勘的方法和手段：主要有调绘、物探、钻探等。

3.2 隧道的几何设计

隧道由主体建筑物和附属建筑物两部分组成。

主体建筑物包括[洞门和洞身衬砌，以及需要在洞口地段接长的明洞]

附属建筑物包括[通风、照明、防排水、安全设备、电力、通信设备]等。

隧道的几何设计主要是汽车行驶与隧道各个几何元素的关系，常把隧道中心线解剖为隧道的平面，纵断面及净空断面来分别研究。

隧道的几何设计[隧道的平面设计  隧道纵断面设计 隧道净空横断面设计 隧道接线]

隧道的平面设计[隧道平面是指隧道中心线在水平面上的投影。

2、应适当提高线形标准。因隧道内运营和养护条件明显比洞外差。

3、具体原则：

（1）原则上采用直线，避免曲线；

（2）当必须设置曲线时，半径不宜小于不设超高的平面曲线半径如表3.2.1。

4、曲线隧道的不利因素：

（1）行车视距问题  

（2）加宽断面问题，造成变截面隧道，施工难度大；

（3）曲线隧道内装修复杂；

（4）增加通风阻抗，对自然通风不利；

隧道纵断面设计[隧道纵断面: 沿隧道中心线展开的垂直面上的投影]

（1）纵坡类型：人字坡隧道  上行单坡隧道  下行单坡隧道

（1）

2、纵坡坡度大小及其影响

（1）隧道纵坡坡度范围：0.3%--3%

（2）纵坡坡度与通风的关系，要求1%以下，大于2%，排量迅速增加；

（3）与排水的关系，纵坡越大水流越快；

（4）纵坡坡度与施工运营的关系，采用大竖曲线半径和竖曲线长度；

（5）综合通风和排水考虑，纵坡为不防碍排水的缓坡为宜；

隧道净空横断面设计【隧道内衬的内轮廓线所包围的空间，包括隧道建筑界限通风及其他所需的断面积】

隧道建筑界限：为保证隧道内各种交通的正常运行与安全规定在一定宽度和高度范围内不得有任何障碍物的空间界限

隧道接线【隧道洞口连接的平面及纵断面线形应与隧道线形相配合，有足够的视距和行车安全】

第四章

衬砌结构的类型：

1．直墙式衬砌。2．曲墙式衬砌。3．喷混凝土衬砌、喷锚衬砌及复合式衬砌。

4．偏压衬砌。5.  喇叭口隧道衬砌   6．矩形断面衬砌。

1．整体式衬砌

整体式衬砌是传统衬砌结构型式，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。

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； 

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。

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；

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

2.翼墙式洞门：翼墙式洞门适用于地质较差的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。

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。

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。

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：[路堑对称型  路堑偏压型  半路堑偏压型  半路堑单压型]

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，难以修建拱形明洞时，可采用棚式明洞。棚式明洞的类型通常有墙式、刚架式，柱式和悬臂式(不修建外墙时)等棚式明洞之分。

工作坑道按坡度区分为:横洞、斜井、竖井和平行导坑。

隧道的防水与排水【(一)截水措施(二)堵水措施（三）排水措施】

在施工期间，地下水的作用不仅降低围岩的稳定性，增加开挖难度，且增加了支护的难度和费用，甚至需采取超前支护或预注浆堵水和加固围岩。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；由于结冰膨胀和侵蚀性地下水的作用，不仅使衬砌受到破坏，而且使得以上危害更加严重。

(一)截水措施

    截水措施有：在地表水上游设截水导流沟；地下水上游设泄水洞或洞外井点降水,截水导流沟和泄水洞完成后即可自行永久发挥作用，而洞外井点降水，则需用水泵抽水，因此它只能解决浅埋隧道在施工期间的降水问题。当隧道埋深较大时，可在洞内设井点降水，以解决洞内局部区段的降水问题。此外辅助坑道中的平行导坑、横洞，斜井、竖井均可以作为泄水洞。

(二)堵水措施

    常用的堵水措施有：喷射混凝土堵水，塑料板堵水，混凝土衬砌堵水。当水量大、压力大时，则可采取注浆堵水，注浆既可以堵水也可以起到加固围岩的作用。

1．喷射混凝土堵水

2．塑料板堵水

3．模筑混凝土衬砌堵水

4．注浆堵水 

（三）排水措施

    “排”水是利用盲沟、泄水管、渡槽、中心排水沟或排水侧沟等，将水排出洞外。

（1）盲沟

     盲沟的作用是在衬砌与围岩之间提供过水通道，并使之汇入泄水孔。它主要用于引导较为集中的局部渗流水。

（2）排水沟

排水沟承接泄水孔泄出的水，并将其排出隧道。     

（3）泄水孔

第五章

隧道围岩压力：是指隧道开挖后，围岩作用在隧道支护上的压力，是隧道支撑或衬砌结构的主要荷载之一。其性质、大小、方向以及发生和发展的规律，对正确地进行隧道设计与施工有很重要的影响。

隧道围岩分级及其应用

隧道的破坏，主要取决于围岩的稳定性，而影响围岩稳定性的因素是多方面的，其中隧道围岩结构特征和完整状态，是影响围岩稳定性的主要因素。隧道围岩体的强度，对隧道的稳定性有着重要的影响，地下水、风化程度也是隧道围岩丧失稳定性的重要原因。

围岩分级的指标，主要考虑影响围岩稳定性的因素或其组合的因素，大体有以下几种：

1．单一的岩性指标

2．单一的综合岩性指标

以单一的指标，反映岩体的综合因素。这些指标有：岩体的弹性波传播速度、岩石质量指标（RQD）、围岩的自稳时间

3．复合指标

是一种用两个或两个以上的岩性指标或综合岩性指标所表示的复合性指标。

隧道围岩分级的方法

1．按岩石强度为单一岩性指标的分级法，具有代表意义的是我国工程界广泛采用的岩石坚固系数“f ”值分级法。

 岩体构造和岩性特征为代表的分级法，如泰沙基分级法

3．与地质勘察手段相联系的分级法。如按围岩弹性波速度进行分级方法、岩芯复原率分级法等

4．多种因素的组合分级法。如岩体质量“Q”法 

 5．以工程对象为代表的分类法。

我国公路隧道围岩分级

（一）公路隧道围岩分级的出发点主要考虑了以下几点：

1．强调岩体的地质特征的完整性和稳定性，避免单一的岩石强度指标分级的方法；

2．分级指标应采用定性和定量指标相结合的方式；

3．明确工程目的和内容，并提出相应的措施；

4．分级应简明，便于使用；

5．应考虑吸收其它围岩分级的优点，并尽量和我国其它工程分级一致。

（二）分级的指标和因素

主要考虑了以下几类影响围岩稳定性的因素；

1．岩体的结构特征与完整性

2．岩石强度

（三）公路隧道围岩分级

根据以上对分级因素和指标的分析，公路隧道围岩分级将围岩分为六级

（四）隧道施工围岩分级

5.2 围岩压力的确定

围岩压力的概念：地下硐室开挖后，由于围岩的变形松动和破坏以及地应力作用，致使在支护或衬砌上承受的压力。

围岩压力的产生

围岩压力的产生是隧道工程的一个重要的力学特征，隧道是在具有一定的应力历史和应力场的围岩中修建的。所以，围岩的初始应力场的状态极大地影响着在其中发生的一切力学现像

（一）围岩的初始地应力场

1．自重应力场

2．构造应力场

围岩压力的确定方法【直接量测法 经验法或工程类比法 理论估算法】

影响围岩稳定性的因素：【客观存在的地质因素；另设计和施工因素人为因素】

（1）地质因素的影响包含：岩土体结构状态、岩石的工程性质、风化作用和水的作用对岩石的强度影响、地下水的作用和影响、围岩的初应力状态

（2）施工因素的影响：人为的因素也是造成隧道丧失稳定的重要条件，包含：隧道的形状和尺寸，跨度影响、支护结构的类型及架设时间、施工方法、埋深的影响

第六章 隧道结构计算

弹性抗力：在抗力区内，约束着衬砌变形的围岩，相应地产生被动抵抗力，即“弹性抗力”。 抗力区的范围和弹性抗力的大小，因围岩性质、围岩压力大小和结构变形的不同而不同。

隧道结构计算理论

局部变形理论是以温克尔（E.Winkler）假定为基础的。它认为应力（）和变形（）之间呈直线关系，即，为围岩弹性抗力系数。认为围岩是一组各自的弹簧，每个弹簧表示一个小岩柱。虽然实际的弹性体变形是互相影响的，施加于一点的荷载会引起整个弹性体表面的变形，即共同变形。但温克尔假定能反映衬砌的应力与变形的主要因素，且计算简便实用，可以满足工程设计的需要。弹性抗力系数并非常数，它取决于很多因素，不过对于深埋隧道，可以视为常数。

共同变形理论把围岩视为弹性半无限体，考虑相邻质点之间变形的相互影响。它用纵向变形系数E和横向变形系数表示地层特征，并考虑粘结力C和内摩擦角的影响。但这种方法所需围岩物理力学参数较多，而且计算颇为繁杂，计算模型也有严重缺陷，另外还假定施工过程中对围岩不产生扰动等，更是与实际情况不符。因而，我国很少采用。

地下结构设计方法的4种设计模型

（1）以参照过去隧道工程实践经验进行工程类比为主的经验设计法；

（2）以现场量测和实验室试验为主的实用设计方法。例如，以洞周位移量测值为根据的收敛约束法；

（3）作用与反作用模型，即荷载—结构模型。例如，弹性地基圆环计算和弹性地基框架计算等计算法；

（4）连续介质模型，包括解析法和数值法。数值计算法目前主要是有限单元法

在设计隧道的结构体系时，主要采用两类计算模型【荷载一结构模型 围岩—结构模型或复合整体模型】

荷载一结构模型：以支护结构作为承载主体，围岩作为荷载同时考虑其对支护结构的变形约束作用的模型。又称为传统的结构力学模型。它将支护结构和围岩分开来考虑，支护结构是承载主体，围岩作为荷载的来源和支护结构的弹性支承

围岩—结构模型或复合整体模型：视围岩为承载主体，支护结构则为约束围岩变形的模型。又称为岩体力学模型。它是将支护结构与围岩视为一体，作为共同承载的隧道结构体系

围岩压力与结构自重力是隧道结构计算的基本荷载

明洞及明挖法施工的隧道，填土压力与结构自重力是结构的主要荷载

作用在衬砌上的荷载，按其性质也可以区分为主动荷载与被动荷载。

主动荷载是主动作用于结构、并引起结构变形的荷载。主动荷载包括主要荷载（指长期及经常作用的荷载，有围岩压力、回填土荷载、衬砌自重、地下静水压力等）和附加荷载（指非经常作用的荷载，有灌浆压力、冻胀压力、混凝土收缩应力、温差应力以及地震力等）。

被动荷载是因结构变形压缩围岩而引起的围岩被动抵抗力，即弹性抗力，它对结构变形起作用。被动荷载主要指围岩的弹性抗力，它只产生在被衬砌压缩的那部分周边上。其分布范围和图式一般可按工程类比法假定，通常可作简化处理。

半衬砌机构内力计算的主要步骤

计算图式、基本结构及正则方程

单位变位及荷载变位的计算

拱脚位移计算

拱圈截面内力

第七章 锚喷支护结构的设计与施工

喷射混凝土：是利用高压空气将掺有速凝剂的混凝土混合料通过混凝土喷射机与高压水混合喷射到岩面上迅速凝结而成的。填充裂缝，抑制围岩变形，提高稳定性。

什么是锚喷支护？锚喷支护的施工特点有哪些？

锚喷支护是喷射混凝土、锚杆、钢筋网喷射混凝土等结构组合起来的支护形式

锚杆类型：全长黏结性，端头锚固型，摩擦和预应力型。