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1、 第三章地下工程的利用形态 西南交通大学土木工程学院申玉生编制 本节课的主要内容 二 铁路隧道 三 公路隧道 四 海峡通道工程 第四节大规模国土有效利用的地下工程 一 概述 第四节大规模国土有效利用的地下工程 大规模国有土地的有效利用 多数是指以跨省和跨国家的交通建筑为主 如大规模的铁路 公路 管道运输设施以及国际间的联络通道工程等 在500m以内适宜徒步 500m 4km为公共汽车 4km 15km为地下铁道 6km 400km为汽车 电车和高速铁路 400km以上采用铁路和航空运输 这种趋势代表着目前和今后交通运输的基本规律 一 概述 第四节大规模国土有效利用的地下工程 一 概述 铁路隧道
2、公路隧道地下铁道航运隧道 按用途分 交通隧道 水工隧道 市政隧道 矿山隧道 本节讲述 国际的发展1829年美国 第一条铁路隧道 利物浦 曼切斯特 1190m 1857 1871年 仙尼斯隧道 法国 意大利 12850m 1898年意大利 辛普伦隧道 19700m 1971年日本 大清水隧道 新干线 22230m 1988年日本 青函隧道 53850m 正修建及规划的穿越阿尔卑斯的铁路隧道国内的发展第一座铁路隧道 狮球岭隧道 台湾 基隆 台南 261m 大陆第一条铁路隧道 八达岭隧道 1907 京包线 建国以来的发展分为三个阶段 50年代 成渝线 13座 宝 天 兰线 改建136座 建48座 宝
3、成线 304座 50 60年代 川黔线 成昆线 80年代 京九线 西安 安康线 二 铁路设施 我国自上世纪末开始兴建隧道以来到2006年为止 已兴建7000余座 总长度超过4000km的铁路隧道 称为名副其实的 铁路隧道大国 位居世界首位 我国已建成的兰武复线的乌哨岭隧道 其长度超过20km 西安至安康的秦岭铁路隧道长度为18 4km 而正在建设的关角隧道长度达到32km 居世界铁路隧道长度的第1位 二 铁路设施 目前世界上长度超过15km以上的国外铁路特长隧道 一 铁路隧道的规划设计 二 铁路隧道 三 铁路隧道的组成和构造 四 实例 乌稍岭隧道 二 铁路隧道净空 1 隧道位置的选择 2 隧道
4、的纵断面规划设计 一 铁路隧道的规划设计 一 铁路隧道的规划设计 1 隧道位置的选择 按地形条件进行选择 按地质条件进行选择 按线路类别进行选择 隧道洞口位置的确定 选择因素 按地形条件进行选择 高程障碍1 绕行方案 工期短 工程容易 工程费用低 线路长 弯道多 线路条件和运营条件差 2 深路堑方案 工期短 工程较易 工程费较低 线路长 弯道多 运营条件差 3 隧道方案 工期长 工程难 工程费较高 线路短 运营条件好 按地形条件进行选择 平面障碍1 沿河傍山方案 工程费低 路基差 施工易塌方 线路条件差 运营条件差2 隧道直穿方案 初期工程大 费用高 线路短 运营条件改善 原方案 16 6km
5、隧道8座 4 2Km 桥2座25个弯道 一个车站隧道方案 6 107km 按地形条件进行选择 按地质条件进行选择 单斜构造地层 褶曲构造地层 不良地质条件 滑坡地段岩堆地段泥石流地段 单斜构造 尽可能避开软弱结构面 隧道不能与软弱结构面平行 应成一定角度 正确 错误 错误 较好 好 褶曲构造 通常 若隧道必须通过褶曲时 置于翼部较为有利 但需考虑偏侧压力 隧道不能置于向斜内 特别是向斜的轴部 同时尽量避免把隧道置于背斜的轴部 滑坡地段 错误 正确 山体在重力作用下 沿某一软弱面发生整体下滑 形成滑坡 隧道处于滑坡地段易受到推力 挤压或剪切断开 造成破坏 隧道易置于滑床的以下一定厚度的稳固地层中
6、 不良地质条件 岩堆地区 不良地质条件 错误 正确 岩石经过分离剥解后冲刷堆积在山坡平缓处形成无粘结力的堆积体 隧道通过易形成塌方 隧道易置于稳固地层中 泥石流 正确 错误 不良地质条件 山顶积聚的土壤或砾石 岩块受洪水浸融成为流体 顺山沟或峡谷急剧下滑 摧毁铁路路基或隧道 隧道宜置于牢固稳定的地基之上 切割深度以下 洞口置于冲击扇范围外 按线路类别进行选择 越岭隧道位置的选择 垭口 高程的选择 傍山隧道位置的选择 最小覆盖层厚度 越岭隧道 垭口 分水岭的山脊线上高程较低处 是选择越岭隧道线路位置的控制点 以线路顺直 隧道长度最短的垭口作为方案比选的基础 高程 高程越高 隧道越短 高程越低 隧
7、道越长 越岭隧道 当铁路线路从一个水系过渡到另一个水系时 穿越高程很大的分水岭而修建的隧道称为越岭隧道 越岭隧道 越岭隧道 成昆线上沙木拉达垭口是小相岭中垭口最低的隧道 所以最后选择了沙木拉达隧道方案 沿河傍山隧道特点 若稍向河流一侧偏移 线路位置会落在山体的风化表层内 易引起塌方落石 稍偏向靠山一侧 形成浅埋 洞顶覆盖层太薄 容易受到山体的偏侧压力 对施工和结构的受力十分不利 因此 隧道位置 宁里勿外 即隧道位置向山体内靠为好 注意洞身覆盖的厚度 最小覆盖层厚度 沿河傍山隧道 洞口位置选择的原则 考虑洞门边坡的稳定和仰坡的安全 其次才是经济的因素 基本思想 早进晚出 决定隧道洞口位置时 为了
8、施工及运营的安全 宁可早一点进洞 晚一点出洞 隧道位置的选择 隧道位置的选择 1 洞口位置应尽量设在山体稳定 地质较好 地下水不太丰富的地方 2 洞口不宜设在排水困难的沟谷低洼处 3 在岩壁陡峭 稳定无落石或坍方时 可采用贴壁进洞方式 4 应尽量避免大挖方和大刷坡 破坏地层稳定状态 5 考虑洞口段衬砌结构受力 洞口应尽可能与地形等高线大体相垂直 6 隧道洞口设计标高应高于设计洪水位 包含波浪高 以上0 5m 7 隧道洞口应考虑生产活动的场所 总之 选定隧道洞口位置时 首先按地质条件控制边坡和仰坡安全和稳定 然后是尽量躲避不良地质区域 最后才考虑经济方面的问题 2 隧道的平纵断面规划设计 1 隧
9、道平面设计隧道平面是指隧道中心线在水平面上的投影 隧道尽量采用顺直线路 因为曲线隧道具有很多缺点 增加开挖和衬砌的工程量 空气阻力加大 使洞内通风条件恶化 钢轨磨耗严重 增加线路维修工作量 支护和衬砌技术上较为复杂 隧道内必须采用曲线时 最好采用较短的曲线 或半径较大的曲线 并在曲线两端设缓和曲线 在一座隧道内最好不设一个以上的曲线 尤其是设置反向曲线或复合曲线 2 隧道的纵断面设计规划设计 纵断面设计 纵断面设计 坡道型式 坡道型式 单面坡 争取高程 对运营时通风 排水有利 但在上方洞口施工困难 人字坡 利于施工 通风不利 适用于长隧道 尤其是越岭隧道 纵断面设计 坡度大小 不宜用足限制坡度
10、 考虑排水需要 也不宜采用平坡 坡度一般不小于3 坡度大小与折减 坡度折减原因 1 机车动轮与钢轨间的粘着系数减小 机车牵引力不能充分发挥 2 列车在隧道内运行的活塞作用 空气阻力削弱了列车的牵引力 3 隧道长度小于400m时 上述影响不甚显著 折减方法 1 直线隧道 限制坡度要在明线限制坡度上乘以一个小于单位1的折减系数m f允 f限 m 2 曲线隧道 位于曲线上的隧道应先按上式折减后 再进行曲线折减 f允 f限 m i曲 折减范围 列车一旦进入隧道 空气阻力已增加 粘着系数已开始降低 所以在上坡前相当于1 2个远期货物列车长度范围的路段 都应当进行坡度折减 出口不存在折减 坡段长度 1 坡
11、段长度 相邻两换坡点间之距离 从平稳的角度来说 坡段长度不小于列车长度 2 换坡点 隧道纵断面上坡度的变化点 坡段联接 从安全和平稳的角度来说 1 换坡点处相邻坡度的最大代数差一般不应超过重车方向的f限 2 换坡点处的代数差 在 级铁路大于3 级铁路大于4 时 应设竖曲线 3 设计时竖曲线不宜与缓和曲线重叠 1 概念2 各类限界与隧道净空的关系3 圆曲线段隧道的净空加宽4 缓和曲线段隧道的净空加宽 二 铁路隧道净空 隧道横断面设计 1 概念隧道净空 铁路隧道衬砌内轮廓所包围的空间 限界 是一种规定的轮廓线 这种轮廓线以内的空间是保障列车安全运行所必需的 2 各类限界与隧道净空的关系机车车辆限界
12、 基本建筑限界 隧道建筑限界 直线隧道净空 二 铁路隧道净空 隧道横断面设计 机车车辆限界 机车车辆最外轮廓尺寸 基本建筑限界 线路上各种建筑物和设备不得侵入的限界 隧道建筑限界 比基本建筑限界稍大一些 用于安装通讯 信号 照明 电力的设备 直线隧道的净空 比隧道建筑限界稍大一些 考虑受力及施工因素 将隧道建筑限界圆顺成适当形状 单线电力牵引铁路隧道衬砌内轮廓 时速120km h单线电力牵引铁路隧道衬砌内轮廓图 1 曲线隧道净空加宽的原因 3 圆曲线段隧道的净空加宽 原因二 刚体车辆在曲线上 其中部及两端会分别向内及向外产生偏移 d内1的计算 2 曲线隧道净空加宽计算 d外的计算 d内2的计算
13、 ABC ODF H 限界倾斜时控制点至轨面的高度 360cm G 钢轨中心距 近似取143 5cm 150cm E 曲线外轨超高值 E 0 76v2 R cm 最大值不超过15cm v 远期行车速度 km h R 曲线半径 m 电气化铁路可近似取d内2 2 8E 非电气化铁路近似取d内2 2 7E 隧道内侧总加宽W1 隧道外侧总加宽W2 隧道总加宽W由平面内侧加宽d内1 垂直面内侧加宽d内2 平面外侧加宽d外三部分构成 W W1 W2 净空总加宽计算 隧道中线与线路中线的偏移 由于曲线隧道内外侧加宽不同 内侧加宽大于外侧加宽 断面加宽后 隧道中线应向曲线内侧偏移一个d值 双线曲线隧道加宽值的
14、计算 双线曲线隧道 除了外线外侧加宽和内线内侧加宽外 两线的中间间距也要由规定的直线间距4m加大一个水平距离 双线曲线隧道加宽值的计算 原因一 外线车辆中部向两线中间偏移 内线车辆外侧向两线之间伸出 导致车辆可能刮碰 原因二 外线超高值大于内线超高值 导致外线车辆向中间的倾斜程度大于内线车体向内的倾斜程度 单线铁路加宽计算示例 例 某非电气化铁路隧道曲线半径为600m 远期行车速度为160km h 计算隧道的净空加宽和衬砌中心线相对线路中心线的偏移值 作业 一直线电气化铁路隧道 标准断面净空宽度B 526cm 一段曲线隧道的半径R 1200m 远期行车速度V 80km h 计算曲线隧道的外轨超
15、高值和加宽后的衬砌断面净空宽度 并用图式表示直线隧道与曲线隧道的衔接 缓和曲线部分可分两段加宽 自圆曲线至缓和曲线中点 并向直线方向延长13m 采用圆曲线加宽断面 按W值加宽 其余缓和曲线 并自直缓分界点向直线段延长22m 采用缓和曲线中点加宽断面 其加宽值取圆曲线之半 即按W 2加宽 4 缓和曲线段隧道的净空加宽 曲线隧道与直线隧道衔接方法平面示意图 分别延长22m和13m的理由是 当列车由直线进入曲线 车辆前面的转向架进到缓和曲线起点后 由于缓和曲线外轨设有超高 故车辆开始向内侧倾斜 车辆的后端点亦已偏离线路中心 所以从车辆的前转向架到车辆后端点的范围内应按圆曲线加宽值的一半 W 2 加宽
16、 此段长度为两转向架间距离18m加转向架中心到车辆后端点距离4m共22m 当车辆的 半进入缓和曲线中点时 其车辆后端偏离中线值应根据前面的转向架所在曲线的半径及超高值决定 此时 前面转向架已接近圆曲线 故车辆后段 按切线支距法原理推算 近似取车长之半26 2 13m 应按圆曲线加宽值 W 加宽 三 铁路隧道的组成和构造 主体建筑物 铁路隧道 避车洞防排水设施电气设备轨下基础通风建筑物 洞门洞身衬砌明洞 附属建筑物 1 洞门 洞门的作用 工程的形式必须与周围环境紧密结合 对山体的破坏最小 并与周围景观协调 保持洞口边坡的稳定和仰坡的安全 减少洞口土石方开挖量 引离地表水流 装饰洞口 环框式洞门端墙式洞门翼墙式洞门 洞门的形式 条件 岩层坚硬而稳定 完整不易风化 地形陡峻且无排水要求时 这种洞门一般不承载 环框式洞门 图3 2 1清竹环框式洞门 端墙式洞门 又称一字式洞门 是最常用的一种洞门型式 端墙作用在于支护洞口仰坡稳定 并汇集排除仰坡地面水流 适用于地形开阔 岩质基本稳定的地区 构造包括 端墙 洞顶排水系统 洞门检查设备等 图3 2 2端墙式洞门 翼墙式洞门 洞口的岩体较差 山体纵向
