隧道结构设计与计算,,隧道结构形式 荷载组合 明洞计算 洞门计算 衬砌计算,隧道结构设计与计算——结构形式,隧道结构形式 一、洞门 二、衬砌 三、明洞,隧道结构设计与计算——结构形式,一、洞门 洞门是隧道两端的外露部分，是隧道洞口用圬工砌筑并加以建筑装饰的支挡结构物它联系衬砌和路堑，是整个隧道结构的主要组成部分，也是隧道进出口的标志 洞门结构常由坡面稳定构造物、坡面截排水系统、碎落阻挡构件组成 洞门的主要作用 ① 保证洞口边坡的安全和仰坡的稳定； ② 汇集在洞口附近的仰、边坡上的地表水，并引离隧道，减少洞口土石方开挖量； ③ 作为隧道的标志性建筑物，应与隧道的规模、使用特性以及周围建筑物、地形条件等要相协调 隧道结构设计与计算——结构形式,隧道常用的洞门分为有墙洞门和无墙洞门两大类可以细分为： 1、环框式洞门（装饰洞门） 2、端墙式（一字墙式）洞门 3、翼墙式（八字式墙）洞门 4、柱墙式洞门 5、台阶式洞门 6、削竹式洞门 7、遮光棚式洞门,隧道结构设计与计算——结构形式,1、环框式洞门 将衬砌略伸出洞外,增大其厚度，形成洞口环框，适用于洞口石质坚硬、地形陡峻而无排水要求的场合起到加固洞口和减少洞口雨后滴水的作用，可用混凝土整体灌筑。
隧道结构设计与计算——结构形式,2、端墙式洞门 俗称一字式洞门，适用于自然山坡陡峻，岩质稳定的Ⅳ类以上围岩和地形开阔的地区，是最常使用的洞门形式端墙式洞门由端墙和洞门顶排水沟组成端墙的作用是抵抗纵向推力及支持洞口正面上的仰坡，保持其稳定，洞门顶水沟用来将仰坡流下来的地表水汇集后，向两侧排走洞顶排水沟用圬工砌筑或砂浆抹平，洞门拱圈与洞身拱圈应连成整体，以加强洞门稳定，墙背空隙用浆砌片石回填隧道结构设计与计算——结构形式,3、翼墙式（八字式墙）洞门 是在端墙式洞门的两侧或一侧加设翼墙（挡墙）而成当洞口地质条件较差，山体纵向推力较大时，可以在端墙式洞门的单侧或双侧设置翼墙，翼墙抵抗山体推力，增加洞门的抗滑及抗倾覆能力的作用两侧面保护路堑边坡起挡土墙作用翼墙顶面与仰坡的延长面一致，其上设置水沟，将洞门顶水沟汇集的地表水引至路堑侧沟内排走隧道结构设计与计算——结构形式,隧道结构设计与计算——结构形式,4、柱墙式洞门 当地形较陡，仰坡有下滑的可能性，又受地形或地质条件限制，不能设置翼墙时，可在端墙中部署2个（或4个）断面较大的桩墩，以增加端墙的稳定性柱式洞门比较美观，适用于城市附近、风景区或长大隧道的洞口。
隧道结构设计与计算——结构形式,隧道结构设计与计算——结构形式,隧道结构设计与计算——结构形式,5、台阶式洞门 傍山隧道洞口，地面横坡较陡，为了适应地形，减少开挖，多采用台阶式洞门隧道结构设计与计算——结构形式,6、削竹式洞门 当洞口为松散的堆积层时，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，可采用削竹式洞门隧道结构设计与计算——结构形式,隧道结构设计与计算——结构形式,7、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,隧道结构设计与计算——结构形式,二、洞身衬砌 1、防护衬砌（饰面衬砌） 防护衬砌的作用是防止坑道围岩的风化适用于I级围岩，在围岩极不容易风化及无局部掉块的情况下，亦可不加防护，一般在围岩表面喷射不大于5cm的砼层隧道结构设计与计算——结构形式,2、直墙式衬砌 ※ 适用场合：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I，II级围岩，有时也可用于IV级围岩 ※ 拱部形状： ①坦三心圆拱(R1 R2) ②尖三心圆拱 (R2 R1) ③割圆拱（ R1 ＝ R2 ）,隧道结构设计与计算——结构形式,直墙式衬砌,隧道结构设计与计算——结构形式,※ 围岩完整性比较好的I、II级围岩，边墙可以 采用连拱或柱，称为连拱边墙或柱式边墙 ※ 大拱脚薄边墙衬砌：适用于I、II级围岩，边墙可用喷射砼做成，亦可用砼整体浇灌。
此类衬砌可使拱脚稳固的直接支承在两侧围岩上，以改善拱圈的受力条件，减少边墙的开挖及衬砌圬工数量，降低造价大拱脚薄边墙衬砌,隧道结构设计与计算——结构形式,3、曲墙式衬砌 ※ 适用范围：适用于IV级以上围岩，水平压力大或除了垂直压力外，还有底鼓压力的情况①地质条件较差，为抵御底鼓压力，配以仰拱使衬砌形成环状封闭结构；②基础地基较好，可采用无仰拱的曲墙式衬砌 ※ IV级以上围岩，地基松软，往往侧压力较大，故宜采用曲墙带仰拱的衬砌 ※ 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，并在施工中根据情况设置伸缩缝 ※ 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设置仰拱,,作用,,使结构及时封闭，提高整体承载力和侧墙抵抗侧压力的能力,抵御结构下沉变形，调整围岩和衬砌的应力状态,隧道结构设计与计算——结构形式,曲墙式衬砌,仰拱,隧道结构设计与计算——结构形式,4、喷混凝土衬砌、喷锚衬砌及复合式衬砌 ①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； ②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； ③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，即为复合式衬砌隧道结构设计与计算——结构形式,喷锚衬砌与复合衬砌,隧道结构设计与计算——结构形式,喷锚衬砌 ※ 锚喷支护作为隧道的永久性衬砌，一般考虑是在Ⅲ级及以上围岩中采用；在Ⅳ级及以下围岩中，采用锚喷支护经验不足，可靠性差； ※ 在层状围岩中，采用喷锚支护效果较好； ※ 喷锚支护作为柔性支护，变形量较大，其外轮廓线宜预留稍大的空间（20cm）； ※ 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锚喷衬砌的内轮廓线，宜采用曲墙式的断面形式；,隧道结构设计与计算——结构形式,※ 锚喷衬砌内表面不太平整顺直，美观性差，影响司机在行车中视觉感观，应根据需要考虑内装 ※ 不宜采用锚喷支护作为永久衬砌的情况 ① 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； ② 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； ③ 有很高的防水要求的隧道； ④ 寒冷和严寒地区有冻害的地方(锚喷衬砌抗冻胀能力较差) ⑤ 围岩及覆盖太薄，且其上已有建筑物，不能沉落或拆除者 ⑥ 地下水有侵蚀性，可能造成喷射混凝土和锚杆材料的腐蚀,隧道结构设计与计算——结构形式,复合式衬砌 由初期支护和二次支护组成的，是目前隧道工程常采用的衬砌形式。
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，初期支护应按主要承载结构设计； 二次支护：是提供结构的安全储备或承受后期围岩压力，二次支护在Ⅲ级及以上围岩时按安全储备设计；在Ⅳ级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 设计方法：目前以工程类比为主，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； Ⅳ级及以下围岩或可能出现偏压时，应设置仰拱隧道结构设计与计算——结构形式,仰拱的重要性 ① 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； ② 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，提高结构的整体承载力； ③ 增加底部和墙部的支护抵抗力，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，即隔离层 ① 当初支产生形变及形变压力时，隔离层允许其有少量的变形，可降低形变压力； ② 当初支支护力不够时，可将少量形变压力均匀的传布到二衬上，依靠二衬制止其继续变形，且不使初衬出现裂缝时，二衬也出现裂缝隧道结构设计与计算——结构形式,5、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。
偏压衬砌示意图,隧道结构设计与计算——结构形式,三、明洞 当隧道埋深较浅，上覆岩(土)体较薄，难以采用暗挖法时，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：①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；②作为地下建筑物用于深路堑、浅埋地段不适宜暗挖隧道时而取代隧道的作用；③用于在与公路、灌溉渠立交处，以减少建筑物之间的干扰 明洞的结构形式：拱形明洞、棚式明洞 、箱式明洞,隧道结构设计与计算——结构形式,1、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 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3—5m)为节省圬工量，通常在浆砌片石的外墙上每隔3—4m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,隧道结构设计与计算——结构形式,①路堑对称型 ：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 ②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 ③半路堑偏压型：适用于半路堑靠山侧边坡较高，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 ④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,隧道结构设计与计算——结构形式,路堑对称型明洞,路堑偏压型明洞,半路堑偏压型明洞,半路堑单压型明洞,隧道结构设计与计算——结构形式,2、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、地形条件的限制，难以修建拱形明洞时，可采用棚式明洞 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 ①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 ②刚架式棚洞 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隧道结构设计与计算——结构形式,墙式棚洞,隧道结构设计与计算——结构形式,③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 ④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,柱式棚洞,悬臂式棚洞,隧道结构设计与计算——结构形式,明洞填土 ⑴明洞顶填土厚度：铁路规范确定为l.50m公路隧道跨度一般比铁路单线隧道跨度大，公路系统设计施工经验少，养护力量弱，故规定不小于2. 0m； 明洞顶填土横坡以能顺畅排除坡面水为原则，不小于2% ⑵明洞拱背和墙背的回填： ①拱脚用素砼或浆砌片石回填； ②边墙背后超挖部分，宜用片石砼或浆砌片石密实回填； ③墙背回填料的内摩擦角应不低于围岩的计算摩擦角或设计回填料的计算摩擦角。
隧道结构设计与计算——结构形式,3、箱式明洞 在明洞净高、建筑高度受到限制，地基软弱的地方，可采用箱形明洞图为一方形刚构明洞，全部用钢筋混凝土制成的方形整体明洞若右侧岩层顺层滑动，利用上部回填土石的压力及底层的弹性抗力，平衡侧向岩层滑动的推力，并传于左侧岩层上回填土高度根据两侧岩层滑动力的大小决定需要分段施工，两侧紧贴岩层，。