公路隧道总体设计.ppt

,第二节 公路隧道总体设计的基本内容,1、掌握隧道与洞口位置选择的原则 2、熟悉隧道总体设计的内容及规定 3、熟悉隧道平面线形、纵断线形的规定 4、掌握隧道净空断面定义以及设计的若干要求 5、了解公路隧道勘测设计文件的内容及组成,公路隧道总体设计,1、总体设计的一般规定 2、隧道位置选择 3、洞口位置选择 4、施工方法与场地设备 5、工期及工程概算,总体设计一般规定,1、内容：隧道位置选择、线形设计、横断面（几何）设计、施工计划等 2、一般规定 满足公路交通规划的要求,其建筑限界、净空断面、隧道主体结构以及运营通风、照明等设施，应按公路工程技术标准规定的预测交通量设计。当近期交通量不大时，可采取一次设计，分期修建.,总体设计一般规定,远景交通规划年限：公路工程技术标准高速公路或一级公路为20年，二级公路为15年，三级公路为10年，四级公路一般为10年，也可根据实际情况适当调整。 对于一级公路以上的隧道，当近期交通量不大时可以分期修建，其优点是可以缓解建设资金，缺点是可能造成一定的浪费。,总体设计一般规定,3、原则 （1）综合比选隧道各轴线方案的走向、平纵线形、洞口位置等，提出推荐方案。 （2）地质条件差时，特长隧道的位置应控制路线走向，以避开不良地质地段；长隧道的位置亦应尽可能避开不良地质地段，并与路线走向综合考虑；中、短隧道可服从路线走向。 （3)根据公路等级和设计速度确定车道数和建筑限界，在满足隧道功能和结构受力良好的前提下，,总体设计一般规定,3、原则 确定经济合理的断面轮廓； （4）隧道内外平、纵线形应协调 （5）通风方式的选择，通风、照明、交通监控等机电设备的设置规模的确定 （6）隧道内防排水系统、消防给水系统、辅助通道、弃渣处理、管理设置、交通工程设施、环境保护等做综合考虑 （7）当隧道与相邻建筑物有相互影响时，应在设计与施工中采取必要的措施。,隧道位置选择,为减少火车震动对石窟文物的影响，1995年焦枝铁路龙门隧道废弃，东迁700米另辟新隧道,二、隧道总体设计的基本内容,进行全面的政治、经济、技术的综合比较来确定,在隧道位置选择时，首先应,查清：工程地质及水文地质情况,根据：不同地形特点,结合：线路技术标准 通车期限 工程造价 施工及运营条件 节省土地等因素,（一）公路隧道位置选择,1、应修建在稳定的地层中，尽量避免穿越工程地质和水文地质极为复杂以及严重不良地质地段；当必须通过时，应有切实可靠的工程措施。 地质条件条件对隧道位置的选择往往起决定性作用。 若必须通过，应减短其穿越的长度，采取可靠的工程处理措施，以确保隧道施工及运营的安全。,越岭隧道地段，一般山峦起伏，地形陡峻，工程地质和水文地质条件均较复杂，交通运输条件也比较困难，施工及弃碴场地狭窄，隧道施工往往控制全线或部分地段的工期。,2 越岭隧道位置的选择,1.越岭隧道的概念,通过山区的交通干线往往要翻越分水岭，从一个水系进入另一个水系，这段线路称之为越岭线，线路为穿越分水岭而修建的隧道称为越岭隧道。用于缩短线路，克服高程障碍。,（一）公路隧道位置选择,垭口的概念：当线路必须跨越分水岭时，分水岭的山脊线上高程较低处，即称垭口。,2 隧道位置选择,2 越岭隧道位置的选择,2.选择越岭隧道的两大要素,平面位置与立面位置的选择,(1)平面位置的选择 选择垭口, 垭口两侧沟谷引线工程大小、展线难易情况、线路顺直与否，也是方案综合比选的一个重要方面。,2.选择越岭隧道的两大要素,(1) 考虑重点, 垭口的地形和地质条件的好坏和隧道的长短。因为二者关系到施工的难易、工期的长短和运营的安全等问题。, 然后进行可能通过的垭口、沟谷的比选。,2.选择越岭隧道的两大要素,(2) 选择垭口的方法, 利用小比例尺地形图(如军用地图)、航空照片、卫星 照片等；, 根据线路的航空线方向和克服越岭高程的不同要求进 行大面积选线，录求可供越岭的几个垭口位置；,成昆线从大渡河水系的牛日河进入安宁河水系的孙水河，需穿越小凉山分水岭，该岭与两侧高差约900余米，线路需克服越岭的巨大高差，越岭地段计有沙木拉打、瓦吉木、小相岭、阳糯雪山四个垭口。,1.2 隧道位置选择,1.2.2 越岭隧道位置的选择,2.选择越岭隧道的两大要素,例如：成昆线沙木拉打隧道的比选, 隧道位置高，隧道长度短，施工工期短，但两端展线长， 线路拔起高度大，通过能力小，运营条件差； 隧道位置低，则与前者相反，但施工难度增加。 宜采用低位置方案，但必须进行多种因素综合比选。,1.2 隧道位置选择,1.2.2 越岭隧道位置的选择,2.选择越岭隧道的两大要素,(2)立面位置的选择选择高程,越岭隧道立面位置的选择是指隧道越岭标高的选择。 垭口不同，越岭标高，就会出现不同长度的隧道方案。,凉风垭方案(采用方案)：在雷神坡方案的基础上，进一步压低越岭位置的较好方案。越岭隧道长4270米，拔起高度小、展线短、线路较顺直。,1.2 隧道位置选择,1.2.2 越岭隧道位置的选择,2.选择越岭隧道的两大要素,(2)立面位置的选择选择高程,例如：川黔线上的凉风垭隧道即为较为典型的例子。为穿越娄山山脉分水岭的越岭隧道，根据地形特点，选择了三个主要方案进行比较：,马鞍山方案：越岭隧道长2810米，位置较高，线路需克服较大高差。,雷神坡方案：越岭隧道长3490米，位置较马鞍山方案较低，线路状况大为改善，但该处为一大断层，地质条件不利；,山区铁路（或公路）除越岭地段以外，线路大多是沿河傍山而行，在地势陡峻的峡谷地段，常需修建的隧道即为傍山隧道，也有称之为河谷线隧道。,1.2 隧道位置选择,1.2.3 傍山(河谷)隧道位置的选择,1.傍山隧道的概念,(4)河道狭窄，水流湍急冲刷力强，对山坡稳定和隧道安全威胁较大。,1.2 隧道位置选择,1.2.3 傍山(河谷)隧道位置的选择,2.傍山隧道的特点,(1)依山傍水修建时，施工中容易破坏山体平衡，造成各种病害；,(2)因是在山体表层范围内修建隧道，常常遇到崩塌、滑坡、错落、松散堆积及泥石流等不良地质现象，地质情况较为复杂；,(3)一般埋深较浅，属浅埋隧道和短隧道群，洞身覆盖薄、易产生不对称的偏压情况；,傍山隧道在浅埋地段，要注意洞身覆盖厚度问题。为保持山体稳定和避免冲刷偏压、隧道位置宜往山体内侧靠，一般要求隧道外侧最小覆盖厚度应不小于表1-2中(p.17)的数值。,1.2 隧道位置选择,1.2.3 傍山(河谷)隧道位置的选择,3.傍山隧道的位置选择要点,(1)保证最小覆盖层厚,河岸存在中冲刷现象或河道窄、水流急，冲刷力强的地段，要考虑河岸受冲刷对山体和洞身稳定的影响，隧道位置宜往山体内侧靠一些，有可能时，最好设在稳定的岩层中。,1.2 隧道位置选择,1.2.3 傍山(河谷)隧道位置的选择,3.傍山隧道的位置选择要点,(2)尽量内靠,傍山隧道位置应考虑施工 便道设置和既有公路的位置，应注意既有公路边坡年可能坍塌和便道施工对洞身稳定的影响。,1.2 隧道位置选择,1.2.3 傍山(河谷)隧道位置的选择,3.傍山隧道的位置选择要点,(3)注意周围既有建筑对隧道稳定的影响,线路沿山嘴绕行应与直穿山嘴的隧道方案进行比较。如山嘴地段地形陡峻、地质复杂，河岸冲刷严重，以路堑或短隧道通过难以长期保证运营安全时，应尽可能用“裁弯取直”，以较长隧道方案通过。,1.2 隧道位置选择,1.2.3 傍山(河谷)隧道位置的选择,3.傍山隧道的位置选择要点,(4)尽可能“裁弯取直”,隧道位置选择,隧道位置选择,隧道群、桥隧群、长隧道（优先选用）的比选： （1）对危岩落石地段或陡坡地段，若以路基通过，安全难保，不如采用隧道方案为好。 （2）若路线靠外行，会出现桥、隧、支挡相连，隧道洞壁过薄，洞口常伴有深基础明洞等较大的河岸防护工程，路基难免出现病害；若路线靠里行以隧道穿越，减少桥、路工程，可减少或避免上述弊病。,隧道位置选择,（3）以中长隧道或长隧道代替隧道群或桥隧群，工程集中单一，施工管理方便，并有利于运营安全。 （4）沿河傍山隧道修建中长隧道或长隧道，易于设置辅助通道（如横洞），增加工作面,隧道位置选择,常见的不良地质条件主要是指： 滑坡、崩坍、松散堆积、泥石流、岩溶及含盐、含煤地层、地下水发育等地质现象。,第 1 章 隧道工程勘测设计,1.2 隧道位置选择,1.2.4 不良地质地段隧道位置的选择,大量工程实践表明：不论是河谷线还是越岭线。在具体选定隧道位置时都必须详细研究地质条件的影响，力求使隧道在较好的地质条件下通过，尽量减少不良地质条件的影响是极力重要的。,（2）层状倾斜岩层沿某个软弱面滑动,第 1 章 隧道工程勘测设计,1.2 隧道位置选择,1.2.4 不良地质地段隧道位置的选择,1.滑坡地区,（1）山体可能沿某软弱面滑动,悬崖陡壁地区，日久风化、产生张开节理和裂隙，不要把隧道置于地表不厚的傍山位置。,第 1 章 隧道工程勘测设计,1.2 隧道位置选择,1.2.4 不良地质地段隧道位置的选择,2.崩塌地区,应避免把隧道放在冲积扇范围以内，以免堵塞隧道洞口，或建明洞，使泥石流在明洞顶通过。,第 1 章 隧道工程勘测设计,1.2 隧道位置选择,1.2.4 不良地质地段隧道位置的选择,4.泥石流,（1）地下水 不宜从多水地区通过（隧道内建桥）； （2）高地温,1.2.4 不良地质地段隧道位置的选择,1.2 隧道位置选择,第 1 章 隧道工程勘测设计,5.溶洞地区,尽量避免或要有足够的安全距离。,6.瓦斯地区,隧道在通过煤层时会遇到甲烷(CH4)、二氧化碳(CO2)等有害气体，容易引起火灾、爆炸、最好避开，不得已时作好通风。,7.其他,洞口位置选择,1、洞口不宜设在滑坡、崩塌、岩堆、危岩落石、泥石流等不良地质及排水困难的沟谷或不稳定的悬崖峭壁下。应遵循“早进晚出”的原则，合理选定洞口位置，避免在洞口形成高边坡和高仰坡。 2、濒临水库地区的隧道，其洞口路肩设计高程应高出水库计算洪水位不小于0.5m，同时应注意由于水的长期浸泡造成库壁坍塌对隧道稳定的不利影响，并采取相应的工程措施。,(二)公路隧道线形设计,1、概述 2、平面线形 3、纵断线形 4、与平行隧道或其他建筑物的间距 5、引线 6、净空断面 7、断面设计要点,线形设计概述,1、要求：安全、经济、适用（基本），通风、照明、安全设施、易于施工、养护 2、隧道的两个特点: (1)地质条件的影响大，地质资料不充分，动态设计 （2）受施工方法的影响大，钻爆法、先墙后拱与先拱后墙对衬砌的影响,平面线形,1、隧道平面设计： （1）隧道平面是指隧道中心线在水平面上的投影。 （2）隧道是线路的一个组成部分，与公路一样，线形至少满足公路工程技术标准规定 2、原则：采用直线，避免曲线。若必须设置曲线，其半径不应小于不设超高的平面曲线半径，并符合视距要求。,不设超高的圆曲线最小半径(m),直线隧道的优点 线路顺直，车辆可以快速通过，走行的距离也较短，提高线路的运营效率。在隧道内，线路就更应设计成直线 - 曲线隧道的缺点 (1)增加工程量。 (2）施工困难。 (3) 降低了运营效率. (4)通风条件变坏. (5)增加了维护作业量和难度.,与平行隧道或其他结构物的间距,1、高速公路与一级公路的隧道在条件允许的情况下，应设计为上下行分离的独立双洞；当地形条件限制时，只得选用小间距隧道；如果地形条件相当困难，隧道长度比较短时，为了保护植被免遭破坏，可选用连拱隧道。 上下行两座隧道之间净距较大，在施工或运营期间彼此不产生有害影响时，称为分离式独立双洞隧道；当两座之间净距小到使两洞结构彼此产生了有害影响，设计上为最小净距隧道；两座隧道之间的净距小到用中隔墙连成一个整体，即为连拱隧道。,分离式独立隧道的最小间距,与平行隧道或其他结构物的间距,与平行隧道或其他结构物的间距,2、间距的确定：断面形状、交叉角、施工方法、工期 3、在已有结构物下面设置时，基础下沉、爆破、地下水的变化 4、平行隧道的中心距：约为开挖宽度的2倍，采用以小净距隧道（0.5m 左右）代替连拱隧道,纵断线形要求,1、以不妨碍排水的缓坡为宜。 2、坡度控制主要因素：通风，3%不可取 3、排水：不应设置平坡，施工和竣工后考虑，最小坡度不宜小于0.2% ，一般为0.3%，高寒地区 4、施工作业安全及工程费用 5、公路工程技术标准，竖曲线长度（坡度变更处）,隧道纵断面设计,1、什么是隧道纵断面？ 沿隧道中心线展开的垂直面上的投影。 2、纵坡类型： （1）人字坡隧道 （2）单向坡隧道 上行单坡隧道 下行单坡隧道,隧道的纵坡类型：单向坡 人字坡,单坡：多用于线路的紧坡地段或是展线的地区，因为单 坡可以争取高程，拔起或降落一定的高度。 人字坡：多用于长隧道，尤其是越岭隧道 。,（1）控制隧道纵坡大小的主要因素 通风问题 排水问题,3、坡度大小,（2）隧道的纵坡： 不小于0.3，也不大于3。,1、隧道纵坡坡度范围：0.3%-3% 2、一般将隧道纵坡保持在2%以下比较好 ，纵坡 大于3%是不可取的 3、从隧道施工排水和竣工后的排水需要上考虑，隧 道内不宜设置平坡 ，在施工时需要设置不小于0.3%的纵坡 4、与排水的关系，纵坡越大水流越快； 5、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；,隧道内竖曲线最小半径和最小长度,隧道纵断面设计,引线,1、隧道洞外引线应与隧道线形相协调，并符合以下规定： （1）隧道洞口内外各3s设计速度行程长度范围内的平面线形应一致。 （2）隧道洞口内外各3s设计速度行程长度范围的纵面线形应一致，有条件时宜取5s设计速度行程 （3）当隧道建筑限界宽度大于所在公路的建筑限界宽度时，两端引线应有不短于50m的，同隧道等宽的路基加宽段；当隧道限界宽度小于所在公路,引线,建筑限界宽度时，两端连接线的路基宽度仍按公路标准设计，其建筑限界宽度应有4s设计速度行程的过渡段与隧道洞口衔接，以保持隧道洞口内外横断面顺适过渡。 （4）长、特长的双洞隧道，宜在洞口外合适位置设置联络通道，以利车辆调头。 2、间隔100m以内的短隧道群，宜整体考虑其平、纵线形技术指标，可将其视为长隧道，其平、纵线形技术指标按长隧道考虑。,引线,3、引线的平面与纵断线形：足够的视距和行驶安全。进口一侧需要设置能够识别洞口的足够距离；设置曲线变更点时，不妨碍观察隧道，足够的注视时间为最低限度。 4、机械通风：洞口前的引线纵坡与隧道纵坡在必要的距离之内应保持一致。 5、路肩宽度的改变：平滑过渡、楔形（1/251/50)收缩过渡段的设置,净空断面（横断面）,1、隧道净空 （1）定义：隧道衬砌的内轮廓线所包围的空间。 （2）包括公路建筑限界、通风管道、照明设备、防灾设备、监控设备、运行管理设备等附属设备所需的足够空间，以及富裕量和施工允许误差等。,净空断面（横断面）,净空断面,2、公路建筑限界：建筑物不得侵入的一种限界。包括车道、路肩、路缘带、人行道等的宽度；以及车道、人行道的净高。 隧道建筑限界由车道宽度、侧向宽度、余宽、检修道或人行道组成。,净空断面,净空断面,2.1 建筑限界高度，高速公路、一级公路、二级公路取5.0m；三、四级公路取4.5m 2.2 隧公路面横坡，当隧道为单向交通时，应取单面坡；当隧道为双向交通时，可取双面坡，一般可取1.52.0。当路面采用单面坡时，建筑限界底线与路面重合；当采用双面坡时，建筑限界底边线应水平置于路面最高处。 2.3 单车道四级公路的隧道应按双车道四级公路标准修建。,净空断面,2.4 车道 （1）车道数的设置 1）原则上规定采用对向交通的最小单位为2车道 2）如交通量超过2车道，则应设置两条各为单向交通的两车道，即合计4车道的隧道 3）从交通安全考虑，不应设置对向交通的3车道 4）大于4车道，原则上修成2条以上的2车道 5）6车道，应修成两条单向3车道,净空断面,2.4 车道 （2）车道宽度 1）每个车道的宽度一般设置为3.03.75m 2）双车道车道宽度见表 3）三车道隧道除增加车道数外，其他宽度同表，增加车道的宽度不得小于3.5m。,净空断面,2.4 车道 （3）车道净高 通常由汽车载货限制高度和富裕量确定；另外由于隧道内的路面全部更换很困难，一般应估计到将来可能进行罩面，其厚度通常按20cm预留。 （4）隧道行车限界 为了保证公路隧道中行车安全，在一定宽度、高度的空间范围内任何物体不得侵入的限界。隧道中的照明灯具、通风设备、交通信号灯、运行管理专用设施都应安装在限界以外。,净空断面,2.5 侧向宽度和余宽 （1）隧道内车辆横向偏移（墙效应） 隧道外公路提供了足够的侧向净距 ，车辆可基本沿车道中心线行驶。在隧道内部，由于提供的侧向净距较小，驾驶员更喜欢离隧道墙（或人行道等）有一定距离，在自由流条件下，车辆会向隧道中心靠拢，发生横向偏移（隧道内车辆中心线与车道中心线的距离） 当设置检修道或人行道时，不设余宽；当不设置检修道和人行道时，应设不小于25cm的余宽,净空断面,净空断面,2.5 侧向宽度和余宽 （2）具体规定 当设置检修道或人行道时，不设余宽；当不设置检修道和人行道时，应设不小于25cm的余宽 左侧和右侧侧向宽度的最小宽度见公路隧道建筑限界横断面组成最小宽度表,净空断面,2.6 检修道、人行道 （1）检修道、人行道的主要功能 养护人员、隧道使用者可以在与交通相互不干扰的情况下处理紧急事情；步道的路缘石可以阻止车辆爬上步道，是步行者的安全限界；同时是保护隧道设备的安全限界；路缘石可以作为驾驶员的行驶方向线；其下部空间还常被用来安装管道、缆线等,净空断面,2.6 检修道、人行道的设置 （2）规定 1）高速公路和一级公路隧道内应设置检修道。 2）其他等级公路隧道，应根据隧道所在地区的行人密度、隧道长度、交通量及交通安全等因素确定人行道的设置。检修道或人行道宜双侧设置。检修道与人行道的宽度见表。检修道或人行道的高度可按2080cm取值。,净空断面,2.6 检修道、人行道的设置 （2）规定 3）连拱隧道的左侧可不设检修道或人行道，但应设50cm或25cm的余宽。 4）设计速度120km/h时，两侧检修道宽度不宜小于1.0m；设计速度100km/h时，右侧检修道宽度不宜小于1.0m。,净空断面,2.7 紧急停车带 （1）紧急停车带的功能 停放故障车辆、紧急情况下疏散交通及救援车辆和救援小组用以进行紧急救援活动。 （2）紧急停车带的长度、宽度和设置间距 宽度，包含右侧向宽度应取3.5m； 长度应取40m，其中有效长度不得小于30m； 设置间距：不宜大于750m,净空断面,净空断面,2.7 紧急停车带 （3）设置紧急停车带的隧道 长、特长隧道应在行车方向的右侧设置紧急停车带。双向行车隧道，其紧急停车带应双侧交错设置。 不设检修道、人行道的隧道，可不设紧急停车带，但应按500m间距交错设置行人避车洞。,净空断面,2.8 横向通道 （1）高速公路、一级公路的隧道应设计为上、下行分离的独立双洞。 （2）上、下行分离式独立双洞的公路隧道之间应设置横向通道。 （3）横向通道的断面建筑限界,净空断面,2.8 横向通道 （1）高速公路、一级公路的隧道应设计为上、下行分离的独立双洞。 （2）上、下行分离式独立双洞的公路隧道之间应设置横向通道。 （3）横向通道的断面建筑限界,净空断面,净空断面,2.7 横向通道 （4）人行横通道的设置间距可取250m，并不大于500m。 （5）车行横道的设置间距可取750m，并不得大于1000m，长10001500m的隧道宜设1处，中、短隧道可不设。,断面设计要点,1、断面诸元： (1)衬砌内轮廓线：衬砌的完成线，内轮廓线之间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，适合围岩压力和水压力的特点。 (2)衬砌外轮廓线：为保持净空断面的形状，衬砌必须由足够的厚度（或称最小衬砌厚度）的外缘线。为了保证衬砌的厚度，侵犯该线的山体必须全部除掉，木质临时支撑或木模板等也不应侵入，该线又称为最小开挖线。,断面设计要点,(3)实际开挖线：为保证衬砌外轮廓，开挖时往往稍大，尤其用钻爆法施工时，实际开挖线不可避免地成为不规则形状。又称为超挖线，超挖部分地大小叫做超挖量，一般不应该超过10cm。所有超挖部分必须用片石回填密实。,断面设计要点,2、标准内轮廓横断面 （1）设置的原因 内轮廓种类繁多（单心圆、三心圆、尖拱、坦拱等），曲率不一。影响洞内设施的布置，又不利于施工时衬砌模板的制作。 （2）隧道内轮廓统一标准 拱部为单心半圆，侧墙为大半径圆弧，仰拱与侧墙用小半径圆弧连接。,断面设计要点,断面设计要点,3、公路隧道衬砌内轮廓线的求法 （1）圆形断面的作图 在膨胀性山体和受到较大水压时，通常把圆形断面作为基本形状。 以公路建筑限界为基准，并加上通风所需的断面。若有侧压力则需设置仰拱，此时应考虑水压力。 圆形断面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,断面设计要点,(2)直墙式衬砌断面 围岩较好，一般不产生较大的侧压力，所以不需要设置仰拱，可以采用直墙，此时隧道的净空断面最小。 (3)曲墙式衬砌断面（顶板以上设置通风道时） 开挖断面100m2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，使隧道本身断面缩减至最小,第四节公路隧道勘测设计文件的内容与组成,1、公路基本建设工程设计文件编制办法与公路隧道勘测规程 2、公路勘测说明书,几个术语的解释,1、净空断面 隧道衬砌内侧的断面面积、形状 2、洞门 在隧道的洞口部位，为挡土、坡面保护等而设置的隧道结构物 3、衬砌 为控制和防止围岩的变形或坍落，确保围岩的稳定，或为处理涌水和漏水，或为隧道的内空整齐,几个术语的解释,或美观等目的，将隧道的周边围岩被覆起来的结构体。 4、仰拱 为改善隧道上部支护结构受力条件而设置在隧道底部的反向拱形结构 5、连拱隧道 两洞拱部衬砌结构通过中柱相连接的隧道结构。,