鐵路隧道設(shè)計簡介

1、隧道設(shè)計簡介11.概述 我國的隧道建設(shè)，尤其是長大隧道的建設(shè)主要集中在鐵路隧道，如西安安康鐵路上的秦嶺隧道長18456米，最近修通的公路秦嶺終南山隧道長度也在18公里以上。這些隧道的建成對縮短行車距離、減少行車時間、提高行車速度、降低事故發(fā)生率、減少養(yǎng)護維修工作、保護環(huán)境等緒多方面發(fā)揮了積極作用，取得了良好的經(jīng)濟和社會效益。 在此僅對鐵路隧道、公路隧道和地鐵礦山法施工的隧道作一簡略的介紹和對比，目的是希望通過講座對初次涉足隧道工程的同仁在設(shè)計山嶺隧道時有一點慨念性的認(rèn)識和對地鐵巖性隧道設(shè)計有一點幫助，不當(dāng)和錯誤之處請大家提出寶貴意見。22.隧道長度劃分 鐵 路 規(guī) 范 公 路 規(guī) 范 地 鐵

2、規(guī) 范分 類長度（m）分 類長度（m）特長隧道L10000特長隧道L3000無規(guī)定長隧道10000L3000長隧道3000L1000中長隧道3000L500中隧道1000L500短隧道L500短隧道L50033.隧道圍巖分級 從三個設(shè)計規(guī)范對圍巖分級，都是由好到差的地層排序，都分為六級，只是文字描述上的差別，按各自的判別程序進(jìn)行，其最終結(jié)果是一致的。4圍巖級別鐵 路 規(guī) 范公 路 規(guī) 范地 鐵 規(guī) 范圍巖主要工程地質(zhì)條件圍巖開挖后的穩(wěn)定狀態(tài)（單線）圍巖彈性縱波速度Up（s）圍巖或土體主要定性特征基本質(zhì)量指標(biāo)BQ或修正的圍巖基本質(zhì)量指標(biāo)BQ基本判別條件同鐵路規(guī)范主要工程地質(zhì)特征 結(jié)構(gòu)特征和完整狀

3、態(tài)極硬巖：受地質(zhì)構(gòu)造影響輕微，節(jié)理不發(fā)育，無軟弱面；巨厚或厚層，層間結(jié)合良好，巖體完整呈巨塊狀整體結(jié)構(gòu)圍巖穩(wěn)定，無坍塌，可能產(chǎn)生巖爆 4.5堅硬巖，巖體完整，巨整體狀或巨厚層狀結(jié)構(gòu)550地鐵級等同鐵路級 （）硬質(zhì)巖：受地質(zhì)構(gòu)造影響較重，節(jié)理較發(fā)育，有少量軟弱面和貫通微張開節(jié)理，其產(chǎn)狀不致產(chǎn)生滑動；層狀巖層為中厚層或厚層，層間結(jié)合一般，很少有分離現(xiàn)象或為硬質(zhì)巖石偶夾軟質(zhì)巖石呈巨塊或大塊狀結(jié)構(gòu)長，可能會出現(xiàn)局部小坍塌；側(cè)壁穩(wěn)定；層間結(jié)合差的平緩巖層，頂板易塌落3.54.5堅硬巖，巖體較完整，塊狀或厚層狀結(jié)構(gòu)；較堅硬巖，巖體完整，塊狀整體結(jié)構(gòu)550451地鐵級等同鐵路級 （）硬質(zhì)巖：受地質(zhì)構(gòu)造影響嚴(yán)

4、重，節(jié)理發(fā)育，有層狀軟弱面，其產(chǎn)狀不致產(chǎn)生滑動；層狀巖層為薄層或中層，層間結(jié)合差，多有分離現(xiàn)象；硬、軟質(zhì)巖石互層塊（石）碎（石）狀鑲嵌結(jié)構(gòu)拱部無支護時可產(chǎn)生小坍塌，側(cè)壁基本穩(wěn)定，爆破震動過大易塌2.54.0堅硬巖，巖體較破碎，巨塊（石）碎（石）狀鑲嵌結(jié)構(gòu)；較堅硬巖或較軟硬巖層，巖體較完整，塊狀體或中厚層結(jié)構(gòu)450351地鐵級等同鐵路級 （）較軟巖：受地質(zhì)構(gòu)造影響較重，節(jié)理較發(fā)育；層狀巖層為薄、中厚或厚層，層間結(jié)合一般呈大塊狀結(jié)構(gòu)5圍 巖 級 別3.鐵 路 規(guī) 范公路規(guī)范地鐵規(guī)范圍巖主要工程地質(zhì)條件圍巖開挖后的穩(wěn)定狀態(tài) （單線）圍巖彈性縱波速度 p（km/s)圍巖和土體主要定性特征圍巖基本質(zhì)量指

5、標(biāo)BQ或修正的圍巖基本質(zhì)量指標(biāo)BQ基本判別條件同鐵路規(guī)范主要工程地質(zhì)特征結(jié)構(gòu)特征和完整狀態(tài)硬質(zhì)巖：受地質(zhì)構(gòu)造影響極嚴(yán)重，節(jié)理很發(fā)育；層狀軟弱面（或夾層）己基本破壞呈碎石狀壓碎結(jié)構(gòu)拱部無支護時，可產(chǎn)生較大的坍塌，側(cè)壁有時失去穩(wěn)定1.53.0堅硬巖，巖體破碎，碎裂結(jié)構(gòu)；較堅硬巖，巖體較破碎破碎，鑲嵌碎裂結(jié)構(gòu)；較軟巖或軟硬巖互層，且以軟巖為主，巖體較完整較破碎，中薄層狀結(jié)構(gòu)350251地鐵級等同鐵路級（ ）軟質(zhì)巖：受地質(zhì)構(gòu)造影響嚴(yán)重，節(jié)理發(fā)育呈塊碎石狀鑲嵌結(jié)構(gòu)土體：1.具壓密或成巖作用的粘性土、粉土及砂類土；2.黃土（Q1、Q2）;3.一般鈣質(zhì)、鐵質(zhì)膠結(jié)的碎石土、卵石土、大塊石土1和2呈大塊狀壓密結(jié)

6、構(gòu)，3呈巨塊狀整體結(jié)構(gòu)土體：1.壓密或成巖作用的粘性土及砂性土；2.黃土（Q1、Q2）；3.一般鈣質(zhì)、鐵質(zhì)膠結(jié)的碎、卵石土及大塊石土 巖體：軟巖，巖體破碎至極破碎全部極軟巖及全部極破碎巖；呈角礫碎石狀松散結(jié)構(gòu)圍巖易坍塌，處理不當(dāng)會出現(xiàn)大坍塌，側(cè)壁常小坍；淺埋時易出現(xiàn)地表下沉（陷）或塌至地表1.02.0較軟巖，巖體破碎；軟巖，巖體較破碎；極破碎各類巖體，碎、裂狀，松散結(jié)構(gòu)250地鐵級等同鐵路級 （）土體：一般第四系堅硬、硬塑粘性土，稍密及以上、稍濕或潮濕的碎石土、卵石土、圓礫土、角礫土、粉土及黃土（Q3、Q4）非粘性土呈松散結(jié)構(gòu)，粘性土及黃土呈松軟結(jié)構(gòu)一般第四系的半干硬至硬塑的粘性土及稍濕至潮濕

7、的碎石土，卵石、圓礫、角礫土及黃土。非粘性土呈松散結(jié)構(gòu)，粘性土及黃土呈松軟結(jié)構(gòu) 巖體：受構(gòu)造影響嚴(yán)重呈碎石、角礫及粉末、泥土狀的斷層帶粘性土呈易蠕動的松軟結(jié)構(gòu)，砂性土呈潮濕松散結(jié)構(gòu)圍巖極易坍塌變形，有水時土砂常與水一齊涌出；淺埋時易塌至地表1.0（飽和狀態(tài)的土1.5）軟塑狀粘性土及潮濕、飽和粉細(xì)砂層、軟土等 地鐵級等同鐵路級 （）土體：軟塑狀粘性土、飽和的粉土、砂類土等64.各類圍巖的物理力學(xué)指標(biāo)鐵路、公路圍巖級別重度（kN/m3）彈性反力系數(shù)K（MPa/m）變形模量E（GPa）泊松比內(nèi)摩擦角（）黏聚力C（MPa）計算摩擦角c（）地鐵圍巖級別*262818002800330.2602.1782

8、5271200180020330.20.2550601.52.17078232550012006200.250.339500.71.5607020232005001.360.30.3527390.20.750601720100200120.350.4520270.050.24050151710010.40.5220.13040*地下鐵道、輕軌交通巖土工程勘察規(guī)范中的圍巖分級編號與地鐵設(shè)計規(guī)范是相反的75.兩平行隧道間的凈距 兩平行隧道間的凈距，應(yīng)按圍巖地質(zhì)條件、隧道埋深、隧道斷面尺寸及施工方法等多種因素確定，一般情況下，應(yīng)大于下表數(shù)值。圍巖級別鐵 路 規(guī) 范公 路 規(guī) 范地 鐵 規(guī) 范相鄰單線

9、隧道間的最小凈距分離式獨立雙洞的最小凈距1.52.0B1.0XB1.用盾構(gòu)法施工的平行隧道間的凈距宜不小于隧道外輪廓直徑；2.礦山法或新奧法施工的平行隧道間的凈距可比照鐵路規(guī)范執(zhí)行2.02.5B1.5XB2.02.5B2.0XB2.53.0B2.5XB3.05.0B3.5XB5.0B4.0XB注B為隧道開挖斷面寬度86.荷載 1）荷載分類荷載分類荷 載 名 稱鐵路規(guī)范公路規(guī)范地鐵規(guī)范備 注永久荷載結(jié)構(gòu)自重有有有結(jié)構(gòu)附加恒載有有設(shè)備自重圍巖壓力有有地層壓力土壓力有有砼收縮和徐變的影響有有有水壓力有水壓及浮力結(jié)構(gòu)上部建筑對地鐵有影響的外載有地基下沉影響力有可變荷載列車活載有有有活載所產(chǎn)生的土壓力有

10、有有公路（鐵路）活荷載有有沖擊力沖擊力有有溫度變化的影響有有有施工荷載有有有渡槽流水力（設(shè)計渡槽明洞時）有有凍脹力有有灌漿壓力有偶然荷載落石沖擊力有有地震力有有有92）深、淺埋隧道的判斷 鐵 路 規(guī) 范公 路 規(guī) 范地 鐵 規(guī) 范 按隧道拱頂以上覆土厚度大致為2.5倍塌方高度，為深、淺埋隧道的分界值（米） 按荷載等效高度值，并結(jié)合地質(zhì)條件、施工方法等因素綜合判定。 按荷載等效高度判別式： Hp=(22.5)hq式中：Hp淺埋隧道分界深度（米）； hq荷載等效高度（米）： hq=q/ q用深埋隧道垂直均布壓力公式計算（kN/m2）； 圍巖重度（kN/m3）。在礦山法施工條件下，級圍巖取 Hp=2

11、.5hq 級圍巖取 Hp=2hq 按鐵路隧道設(shè)計規(guī)范確定。圍巖級別單線隧道5710141825雙線隧道8101520303510C）荷載計算鐵 路 隧 道 規(guī) 范公 路 規(guī) 范地鐵規(guī)范1.采用概率極限狀態(tài)法進(jìn)行結(jié)構(gòu)計算時： 1）荷載設(shè)計值： Fd=fFk 式中：f荷載分項系數(shù)； Fk荷載標(biāo)準(zhǔn)值。 2）基本組合為： 結(jié)構(gòu)自重圍巖壓力或土壓力 基本組合系數(shù)為1.0 3）圍巖壓力： 按松散壓力考慮 （1）垂直勻布壓力（q） q=h； h=0.411.79s 式中 ： q圍巖垂直勻布壓力（kpa）； 圍巖重度（kN/m3）； h圍巖壓力計算高度（m）； S圍巖級別。 （2）水平勻布壓力（e） 圍巖水平

12、勻布壓力（e）表2.采用破損階段法或容許應(yīng)力法進(jìn)行結(jié)構(gòu)計算時： 圍巖壓力按松散壓力考慮 （1）垂直勻布壓力（q） q=h； h=0.452S-1 式中 寬度影響系數(shù)，=1i（B5）； B坑道寬度（m）； iB每增減1m時的圍巖壓力增減率：當(dāng)B5m時，取i=0.2；B5m時 可取i=0.1； 其余符號含義同上。 （2）水平勻布壓力同“1”。1.級圍巖壓力計算：其值可按釋放荷載計算。圍巖壓力為主要形變壓力，詳見設(shè)計規(guī)范附錄D國。2.級圍巖壓力計算：級圍巖中的深埋隧道的圍巖壓力為松散荷載時，其垂直均布壓力和水平均布壓力可按下列公式計算：（1）垂直均布壓力 q=h； h=0.452S-1 式中：q、S

13、、含意同左； （2）圍巖水平均布壓力 圍巖水平均布壓力同鐵路隧道設(shè)計規(guī)范。無具體規(guī)定。 可按鐵路隧道設(shè)計規(guī)范辦理圍巖級別e（kpa）00.15q（0.150.3）q（0.30.5）q（0.51.0）q117.隧道設(shè)計模式 目前在隧道設(shè)計中還沒有統(tǒng)一的設(shè)計模式。國內(nèi)常用的有以下幾種： 荷載結(jié)構(gòu)設(shè)計模式：是假定已知地層壓力和地層對結(jié)構(gòu)變形的約束抗力條件下，按彈性地基上桿系的結(jié)構(gòu)力學(xué)原理進(jìn)行襯砌內(nèi)力計算。在過去隧道設(shè)計中起到了一定的作用，但這種設(shè)計模式不能反映隧道的實際情況，致使支護結(jié)構(gòu)厚度偏大，造成浪費。 2.信息化設(shè)計模式：在二十世紀(jì)六七十年代，各種隧道開挖方法不斷涌現(xiàn)，建設(shè)者們逐漸發(fā)現(xiàn)地下結(jié)構(gòu)

14、遠(yuǎn)比地上結(jié)構(gòu)復(fù)雜得多，因而在建設(shè)的過程中根據(jù)地質(zhì)和圍巖的反饋信息對隧道支護結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整和修改結(jié)構(gòu)設(shè)計很有必要。就形成了信息化設(shè)計模式，其中典型代表就是新奧法。新奧法是在隧道開挖中把圍巖和支護系統(tǒng)力學(xué)形態(tài)的動態(tài)變化作為判定圍巖穩(wěn)定的依據(jù)，把施工監(jiān)測中所獲得的信息加以處理分析并與工程類比相結(jié)合，建立一些必要的判別標(biāo)準(zhǔn)，對隧道在開挖過程中修改支護設(shè)計。這種集設(shè)計、施工、現(xiàn)場量測為一體 ，并通過信息反饋修改支護設(shè)計和施工安全決策的方法就是信息化設(shè)計。 3.連續(xù)介質(zhì)模型巖石力學(xué)解析法和數(shù)值法：解析法分為常規(guī)的數(shù)值解析算法及有限元法、離散元法、邊界元法等，常規(guī)數(shù)值解析法很難計算多個斷面或多種復(fù)雜情況下的隧

15、道結(jié)構(gòu)內(nèi)力，在支護結(jié)構(gòu)中應(yīng)用較少。而采用計算機作有限元、離散元、邊界元等解析方法能較好地分析各種荷載作用下的隧道支護結(jié)構(gòu)的受力特征，可得到內(nèi)力和變形判斷穩(wěn)定或不穩(wěn)定區(qū)域，但由于計算參數(shù)和計算模型的取舍、結(jié)果分析方法的復(fù)雜性，一般利用這種結(jié)果對隧道結(jié)構(gòu)進(jìn)行校核，目前很少直接用設(shè)計計算中據(jù)此確定支護結(jié)構(gòu)。12續(xù) 4.典型類比分析法：此法是目前在隧道工程設(shè)計中應(yīng)用較多的一種方法，尤其是新奧法在中國隧道建設(shè)中的大量應(yīng)用，不僅僅是一種同類、同地區(qū)、相似地質(zhì)構(gòu)造的隧道進(jìn)行類比分析，并與信息化設(shè)計原理相結(jié)合，在隧道開挖前，用此法對圍巖的變形特性與破壞形態(tài)做出分析和預(yù)測，在施工的過程中利用對圍巖量測數(shù)據(jù)進(jìn)行位移反分析，修改設(shè)計，并應(yīng)用變形速率變化判別圍巖的穩(wěn)定性和支護效果做出定量判斷。 5.全壽命智能設(shè)計方法：此法是國際上近年提出的一種全新的方法，全壽命智能設(shè)計方法是在充分考慮結(jié)構(gòu)的耐久性的基礎(chǔ)上，對周圍地層的影響、地層的長久作用