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1、隧道衬砌构造 洞门与明洞 附属建筑物 高速铁路隧道空气动力学问题及工程措施,第四章隧道结构构造,第三节附属建筑物,第四章隧道结构构造,一、防排水设施,水对隧道的危害： 降低围岩稳定性，引起支护困难，费用增加； 地下、地上水位下降及水环境的改变，影响农业生产和生活用水；或被迫停工，影响工程进展等； 水进入隧道后，造成洞内通风、照明、供电等设备锈蚀，使路面积水或结冰，造成打滑，危及行车安全。,第四章隧道结构构造,对于交通隧道，通过理论和实践经验的总结，提出了“防、堵、截、排，因地制宜，综合治理”的防治原则。,1、“防” 指衬砌防水，即防止地下水从衬砌背后渗入隧道内。,其办法是充分利用混凝土结构的自
2、防水能力，并在衬砌与支护之间设置防水层。,第四章隧道结构构造,(1)防水混凝土结构： (2)防水层：包括粘贴式防水层和喷涂式防水层。,第四章隧道结构构造,3、“截” 指截断地表水或地下水流入隧道的通路。,主要采取的措施：上游泄水洞、井点降水、开沟疏导等 。,第四章隧道结构构造,第四章隧道结构构造,第四章隧道结构构造,在洞口仰坡外缘5m以外，设置天沟，并加以铺砌。当岩石外露，地面坡度较陡时可不设天沟。仰坡上可种植草皮、喷抹灰浆或加以铺砌。,对洞顶天然沟槽加以整治，使山洪渲泄畅通。,对洞顶地表的陷穴、深坑加以回填，对裂缝进行堵塞。,为了防止地表水渗入地层内，主要采取的措施：,第四章隧道结构构造,4
3、、“排”,将地下水排入隧道内，再经由洞内水沟排走。,(1)排水沟 排水沟的断面按排水量计算确定，但一般沟底宽不应小于40cm，沟深不应小于35cm。沟底纵坡宜与线路纵坡一致。水沟上面应设有预制的钢筋混凝土盖板，其顶面应与避车洞底面齐平。,第四章隧道结构构造,侧式水沟：设在线路的两侧或一侧，视水流量大小而定。当为一侧时，应设在来水的一侧；如为曲线隧道，则应设在曲线内侧。双侧水沟隔一定距离应设一横向联络沟，以平衡不均匀的水流量。,第四章隧道结构构造,中心式水沟：隧道中心水沟设在线路中线的下方，或设在双线隧道两线路之间。,第四章隧道结构构造,(2)盲沟 在衬砌背后，用片石或埋管设置环向或竖向盲沟，以
4、汇集衬砌周围的地下水，并通过盲沟底部泄水孔(或预埋管)引入隧道侧沟排出。,第四章隧道结构构造,第四章隧道结构构造,第四章隧道结构构造,第四章隧道结构构造,客运专线铁路隧道横向排水系统断面,第四章隧道结构构造,环向排水盲管安装,纵向排水管安装 横向排水管预留出口,第四章隧道结构构造,二、铁路隧道附属建筑物,1、避车洞 当列车通过隧道时，为了保证洞内行人、维修人员及维修设备(小车、料具)的安全，在隧道两侧边墙上交错均匀修建的为人员躲避及放置车辆、料具的洞室叫避车洞。 避车洞根据其断面尺寸的大小分为大避车洞及小避车洞两种。,第四章隧道结构构造,(1)避车洞的布置 大避车洞 在碎石(整体)道床的隧道内
5、，每侧相隔300(420)m布置一个大避车洞。 当隧道长度在300400m时，可在隧道中间布置一个大避车洞；隧道长度在300m以下时，可不布置大避车洞；如果两端洞口接桥或路堑，当桥上无避车台或路堑两边侧沟外无平台时，应与隧道一并考虑布置大避车洞。,第四章隧道结构构造,第四章隧道结构构造,第四章隧道结构构造,小避车洞 无论在碎石道床或整体道床的隧道内，每侧边墙上应在大避车洞之间间隔60m(双线隧道按30m)布置一个小避车洞。如隧道邻近有农村市镇，或曲线半径小，视距较短时，小避车洞可适当加密。 不同衬砌类型或不同加宽断面衔接处，或沉降缝、工作缝、伸缩缝处应避开设置避车洞。,第四章隧道结构构造,为了
6、使避车洞的位置明显，应将洞内全部及洞周边30cm刷成白色。在洞的两侧各10m处的边墙上标一白色箭头指向避车洞。,第四章隧道结构构造,(2)避车洞的净空尺寸及衬砌类型 大避车洞4.0m(宽)2.5m(深)2.8m(中心高)。,第四章隧道结构构造,小避车洞2.0m(宽)1.0m(深)2.2m(中心高)。,第四章隧道结构构造,2、电力及通讯设施,(1)电缆槽 电缆槽用混凝土浇筑，可与水沟同侧并与水沟并行，或设置在水沟的异侧。槽内铺以细砂做垫层，低压电缆可直接放在垫层面上，高压电缆则吊在槽边预埋的托架上。槽顶设有盖板防护。盖板顶面应与避车洞底面或道床顶面齐平。当电缆槽与水沟同侧并行时，应与水沟盖板齐平
7、。,第四章隧道结构构造,(2)信号继电器箱和无人增音站洞 隧道内如需设置信号继电器时，则应在电缆槽同侧设置信号继电器箱洞，其宽度为2m，深度为2m，中心宽度为2.2m。 根据电讯传输衰耗和通讯设计要求，在隧道内设置无人增音站时，其位置可根据通信要求确定，尺寸与大避车洞相同。,第四章隧道结构构造,三、公路隧道附属建筑物,1、避车洞 当公路隧道内不设人行道时，应根据隧道长短和车流量考虑是否设置避车洞。避车洞尺寸为：高宽深2.2m2.0m1.0m。 避车洞设置间距：5060m。,第四章隧道结构构造,2、内装 为了确保行车安全，在道路隧道中必须采取措施，使墙面亮度在长期的运营中保持在必要的水平以上，墙
8、面须用适当的材料加以内装处理。 其作用如下： 改善隧道内环境，起诱导作用； 提高墙面的反射率，增强照明效果； 吸收噪音(通风机、汽车行驶发出的噪音等)。,第四章隧道结构构造,(1) 常用的内装材料 块状混凝土材料； 饰面板、镶板等质地致密材料； 瓷砖镶面材料； 油漆材料。 (2)内装材料应具有如下性质 耐火性，在高温条件下仍能维持原状，不燃烧、不分解有害成分等； 耐蚀性，长期在油垢及有害气体作用下不变质，在洗涤剂等化学物质作用下不被侵蚀；,第四章隧道结构构造,不怕水，大多数隧道都存在漏水问题，在水的浸泡下，在潮湿环境中不变质、不霉烂； 材料来源广泛，价格相对便宜，隧道是大型构造物，用材量很大，
9、价格高昂的材料不适于作隧道内装； 能吸收噪音； 颜色淡，易清洁； 具有阻燃性。,第四章隧道结构构造,3、顶棚 色彩的选择：顶棚用漫反射材料可以避免产生眩光，其颜色的明亮程度直接影响到路面亮度(浅色的，避免弦光) 美化隧道，并且起视觉诱导作用 顶棚可做成平顶或者拱顶：在自然通风或诱导通风时，可以用拱顶；在半横向或横向通风时可以用平顶。 顶棚以上可作为通风道和供管理人员使用的通道，因此设计荷载可按(据国外资料)10MPa考虑。,第四章隧道结构构造,4、路面 (1) 路面材料应具备如下性能： 路面材料应具有抵御水冲刷和含有化学物质的水的浸蚀能力 ; 车辆在隧道内的减速及制动次数较高，路面材料应具有较
10、高的抗侧滑的能力； 抗裂性、耐久性； 容易修补。 (2) 路面材料主要有两种：砼和改性沥青；,第四章隧道结构构造, 路面与车道分隔线等交通标志之间应保证有明显的亮度对比和鲜明的颜色对比 路基应具有足够的承载力，尤其要求在有丰富地下水的条件下也能满足要求，这就要求有良好的排水设施 。,第四章隧道结构构造,5、噪声的消减 隧道内噪声水平应保持在60分贝以下； 采取的措施： 内装材料的制作 墙面材料的制作 路面材料的制作 利用原理： 主要利用声波的反射原理,第四章隧道结构构造,6、紧急停车带 紧急停车带是为故障车辆离开干道进行避让，专供紧急停车使用的停车位置。 隧道内紧急停车带单侧设置间距：5008
11、00m。,第四章隧道结构构造,隧道内紧急停车带的有效长度，应满足停放车辆进入所需的长度，宽度一般为3.0m。隧道内的缓和路段施工复杂，所以通常是将停车带两端各延长5m左右。,第四节 高速铁路隧道空气动力学问题及工程措施,第四章隧道结构构造,一、列车进入隧道诱发的空气动力学效应,空气的黏性以及隧道壁面和列车表面的摩阻作用使得被排开的空气不能像在隧道外那样及时、顺畅地沿列车两侧和上部形成绕流。于是，列车前方的空气受到压缩，列车的后方则形成一定的负压。这就产生一个压力波动过程。,第四章隧道结构构造,第四章隧道结构构造,对隧道设计而言，在以上一系列空气动力学效应中，瞬变压力和微气压波问题是关注的重点。
12、,瞬变压力关系到旅客和乘务员健康以及旅客乘车的舒适度，是确定隧道净空断面尺寸的制约因素并据以对车辆密封性提出要求。,微气压波则有可能对隧道口的环境造成危害，必须通过缓冲结构加以消减。,第四章隧道结构构造,列车车型、长度、表面摩擦系数、隧道长度、壁面摩擦系数等也对瞬变压力产生影响。,直接影响旅客舒适度的因素是车辆车辆内部的瞬变压力。而车辆的密封性对缓解车内压力波动程度又有很大影响。我国参照国外经验，针对不同场合制定出了3秒时间内瞬变压力数值作为舒适度标准。,试验和分析研究表明，列车运行速度和阻塞比(隧道净空有效面积Av/列车截面积At)对洞内瞬变压力变化率影响十分显著。,第四章隧道结构构造,合理
13、设置辅助坑道（斜井、竖井和横洞）能缓解瞬变压力的波动程度。竖井位置对减压效果影响最大，可以根据压力波叠加情况，计算出竖井距洞口的最佳位置。竖井横断面积也存在最佳值，无端加大面积也起不到好效果。在两个单线隧道之间的隔墙上开设孔洞，也可缓解瞬变压力。,第四章隧道结构构造,二、隧道口的微气压波和缓冲结构设计,1.微气压波的传播 高速列车进入隧道，前方的空气受到挤压，这种挤压状态以声速传播至隧道出口，骤然膨胀，产生一个被称为微气压波的次生波。由于微气压波的产生伴有影响环境的爆破噪声，并会对临近建筑物产生危害，因此，微气压波的控制与消减瞬变压力一样，成为高速铁路隧道设计中的重要课题。,第四章隧道结构构造
14、,微气压波的发生形态主要与列车速度、列车横断面积、列车长度、列车头部形状、隧道横断面积、隧道长度、隧道内道床的类型等有关。,第四章隧道结构构造,研究表明，压缩波在隧道中的传播规律随道床有所差别。在碎石道床隧道中，不但“首波”峰值有较明显的衰减，而且压力变化梯度在传播过程中逐渐变得平缓。而对于板式轨道，当隧道长度增加时，压力梯度反而有一定程度的加大。,在压缩波镶嵌传播的过程中，空气的密度和温度随之增加，引起声速的提高。压缩波的后部比前端传播得更快。,第四章隧道结构构造,2.缓冲结构物的设计,在是否需要设置缓冲结构物，可根据洞口微压波峰值的大小来确定。,在隧道入口设置净空断面积大于隧道有效净空面积
15、的缓冲结构物（如棚洞），是消减微压波的主要措施。可以通过数值计算和模型试验来探讨缓冲结构的合理参数和形式。,第四章隧道结构构造,缓冲结构物设置基准,断面90m2可不设置，双线隧道可不设置，两个单线应于设置。,第四章隧道结构构造,缓冲结构的形式： 按断面变化的规律可分为两类：断面渐变的喇叭形以及断面突变的阶梯形。但不同形状的缓冲结构对缓解微压波的效果差别不显著，缓冲结构的形状对减压效果的影响不大。,缓冲结构的长度： 关于缓冲结构的长度Lh，日本新干线曾采用1d2d时，缓解效果不再有进一步改善。而模型试验又出现Lh=1d、2d、3d时，减压效果不断改善，这与数值分析结果有差别。,第四章隧道结构构造
16、,适用于碎石道床的缓冲结构长度,开口率： 数值计算和模型试验都表明在缓冲结构上开口可增强缓解微气压波的效果，最佳开口率为0.3。,第四章隧道结构构造,缓冲结构的净空面积： 数值计算表明，当缓冲结构断面面积/隧道净空有效面积1.6时，效果最佳。这同日本隧道模型试验资料当缓冲结构断面面积/隧道净空有效面积1.55时，阶梯式缓冲结构效果最佳的结论基本一致。根据计算结果，当缓冲结构断面面积/隧道净空有效面积1.3时，开窗的缓冲结构即有显著效果。,第四章隧道结构构造,当洞口50m范围内无建筑物、洞口外20m处的微压波峰值大于50pa时，须设置洞口缓冲结构；当洞口50m范围内有建筑物时，一般情况下当建筑物处的微压波大于20pa，须设置洞口缓冲结构；当对建筑物处的峰值有特殊要求时，洞口缓冲结构应进行特殊设计。,当隧道口无建筑物，无特殊环境要求时，双线隧道可不设置洞口缓冲结构。单线隧道应设置长度5.0m的洞口缓冲结构。,第四章隧道结构构造,隧道口缓冲结构尽量采用与隧道内轮廓形式相似的断面，也可采用棚
