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1、隧道工程,主讲教师:曹志军,隧道工程设计是出于开拓并持续安全应用地下通道空间的目的，勘察地形、地质、地物等环境条件，确定隧道位置，并根据隧道围岩自稳能力的强弱，选择确定为保持隧道稳定所需提供帮助的多少即需要的加固范围，以及选择确定支护的材料种类、结构形式，力学性能、参与时机、施作方法、监测方法、质量标准等支护技术参数，并评估支护的有效性和经济性的一系列工程规划活动。,隧道工程设计,隧道建筑设计,隧道结构设计,隧道施工设计,隧道工程设计,包括选择隧道方案，确定隧道位置，洞口位置、隧道平面、纵断面及横断面设计。,主要是指隧道支护结构设计,包括施工方案选择、施工方法选择、施工技术选择、量测监控方法选
2、择、施工程序设计，以及施工质量控制措施、施工安全控制措施、环境保护措施的制定等。,第三章 隧道线路及断面设计,第一节 隧道勘测,第二节隧道位置的选择,第三节 隧道洞口位置的选定,第四节 隧道平面设计,第六节 隧道横断面设计,第三章 隧道线路及断面设计,第五节 隧道纵断面设计,第一次课（1）了解隧道勘测内容（2）掌握隧道位置的选择（3）了解隧道方案比选内容,第三章 隧道线路及断面设计,第一节 隧道勘测,一、隧道勘测概述,二、文献资料的收集,三、地形、地质的调查测绘,四、气象调查,五、环境调查与评价,六、工程评价及处理措施,一、隧道勘测概述,隧道勘测的目的在于查明隧道所处位置的工程地质和水文地质条
3、件，以及隧道施工和运营对环境保护的影响，为规划、设计、施工提供所需的勘察资料，并对存在的岩土工程问题、环境问题进行分析评价提出合理的设计方案和施工措施，从而使隧道工程经济合理和安全可靠。,1、意义,2、制定勘测计划,3、勘测的阶段,勘测计划包括：既有资料的收集和调查、地质勘察、环境调查、施工条件调查、调查采取的方法等内容。勘测计划应按不同调查阶段，针对提出的要求并考虑隧道的规模、特点编制，编制时应对调查项目、调查方法、精度要求、范围和顺序、成果等做出明确规定。,3、勘测的阶段,隧道勘测,定测是根据有关单位批准的初步设计文件及审核意见，在初测基础上进一步核对、落实、深化相关勘测资料，对复杂地质问
4、题给出可靠性结论，为施工图设计提供资料。,设计阶段勘测,施工阶段勘测,初测阶段,定测阶段,初测为初步设计提供资料，应完成的勘测工作有：隧道所在地区自然条件的调查、隧道工程对周围环境影响的调查、工程地质及水文地质的勘查、地形测量、导线测量等。,二、文献资料的收集,（一）地形地貌资料 （二）工程地质与水文地质资料 （三）工程资料 （四）气象资料 （五）用地及环境资料 （六）灾害资料 （七）概预算资料调查 （八）与隧道建设相关的资源资料 （九）相关法律、法令调查,三、地形、地质的调查测绘,地形调查是为路线服务的，目的是在现有地形条件下使路线满足规范要求，并尽可能的得到优化，这是设计的需要；地质调查是
5、核对在实际地质条件上是否可能，是否可以得到一个稳定的结构物。,（一）地形地质调查的主要内容,（二）地形与地质初步调查,（三）地质详查,（四）施工阶段地质调查,（一）地形地质调查的主要内容,（1）地形与地貌,（2）工程地质特征:地质构造 地层、岩性,（3）水文地质特征,（4）不良地质和特殊地质现象,（5）地震裂度,(6) 有害气体和放射性物质,(7) 对于深埋隧道，应作隧道地温升温预测,(8) 分段确定隧道围岩级,（二）地形与地质初步调查初测阶段,1地形地质调查要按隧道勘测规程展开工作,2.地质调查,3.初测阶段完成野外地质工作后应整编的资料,1地形地质调查要按隧道勘测规程展开工作,2.地质调查
6、,(1)隧道工程地质说明书； (2)隧道工程地质平面图，在比例尺1：2000-1：5000的图上填绘物探、钻探、挖探的平面位置； (3）隧道工程地质纵断面图，在比例尺为1：500-1：5000（横）、1：200-1：1000（竖）的图上，标明勘探点的位置和岩层的弹性波波速（进行震探时）； (4）洞口、洞身工程地质横断面图，在比例尺为1：2001：500的图上，标明勘探点和岩层的弹性波波速（进行震探时）； (5)钻孔地质柱状剖面图； (6)试验资料汇总表； (7)航空照片地质解释资料、工程地质照片和野外素描图等； (8）严重影响隧道方案的特殊地质和不良地质地区应有专项资料； (9)有关地震烈度的
7、资料。,3.初测阶段完成野外地质工作后应整编的资料,（三）地质详查定测阶段,根据批准的初步设计文件及审核意见，对已选定的隧道位置进行详细的工程地质勘察，为编制隧道施工图提供工程地质依据。 地质详查的工作任务如下：(1)对隧道所在地区的地形、地貌（包括引线）、工程地质特征及水文地质条件给出正确的评价。(2）根据控制围岩的各种因素和地层弹性纵波的波速，分段确定隧道洞身的围岩类别。这里的段落划分不能简单的以岩石接触面分界划定，而是要权衡岩石稳定性科学划分，一般都要向较坚硬一侧跨越一个宽度。(3)为各类围岩衬砌设计、施工支护提出建议。根据实际需要，可以进一步用补充调查、补充弹性波测定、补充钻探挖探等。
8、根据隧道的规模和地质情况，在完成地形地质等初步调查之后，基本上可以确定隧道路段的走向，在此基础上作进一步地质详查，获得最终的隧道定位、设计与施工等所需资料,1.地质详查,详查可以采用调绘、物探、坑探、槽探、触探、钻探等。根据地形、地质条件，采用综合勘探，相互印证，才能取得正确结论。重要的特别复杂的地质情况，有时需要采用探测导坑或试验洞实测，取得设计及施工所需技术资料。地质详查调绘的范围和测点，物探时的网、线、点的布置以及方法的运用，都要与地质初步调查配合，一般是针对那些有待进一步查明、补充、校核的复杂地质问题做工作。 复杂而重要的隧道地质纵剖面不应该有推断部分，各个层面的地质关系都能连接上，才
9、符合要求。从钻孔、坑（槽）探、对隧道有用的露头中取出的样品，应该做试验，它们分别是：（1）岩石的物理力学性试验；(2)特殊地质的有关特性的定量试验；(3)需要时，可作岩心复原率的对比；(4)地下水丰富时，应做钻孔抽水或提水试验；(5)水质分析试验；(6)有害气体性质、含量及压力测定。,2.详查阶段地质工作的方法和手段,(1)隧道地形地质平面图，其比例尺应与地形图一致，地质复杂时应单独绘制地质图。 (2）隧道纵断面图。在比例尺为1：1000-1：5000（横）、1：1001：500（纵）的纵断面上，逐段绘制地质及较大地质构造线、水文地质条件、注明围岩类别，确定洞口位置，拟定洞内外纵坡，地质条件复
10、杂时应单独绘制填绘地质的洞口放大纵断面图。 (3)绘制比例尺为1：50l：100的洞口和其附近的以及明洞的填绘地质的横断面图，比例尺为1：501：500的洞身地质横断面图若干张。 (4)绘制比例尺为1：200-1：1000填绘地质的洞口平面图。 (5）其它辅助工程的平面图及纵、横平面图。,3.定测时应完成的工程地质图纸,4.环境条件资料，施工组织及预算的调查资料，与有关单位的协议。,*定测阶段应该特别指出的问题,1.花岗岩、粉岩、斑岩、蛇纹岩、温泉变质作用的安山岩和凝灰岩、泥岩和粉沙岩、片岩类、粘板岩和千枚岩、岩堆等，都应特别给予注意。2.涌水调查，设计与施工中都应充分考虑。3.由于裂隙玫瑰图
11、能形象的统计裂隙走向、倾向和条数，所以定测报告中，应该给出这个统计结果。 4.现代遥感技术在工程地质测绘中，可以更客观更全面地看到站在地面上观测时看不到的或看不清楚的现象。 5.有关地震方面的资料。,涌水调查，设计与施工中都应充分考虑。,隧道与地下水的影响关系，主要出现两种现象：一是隧道内涌水，这将恶化围岩稳定状态，导致施工困难，增大工程造价。二是地表枯水，造成工业用水及饮水困难。涌水可以使岩质软化，使软岩山体松弛、降低强度；促使围岩中软弱夹层泥化；减少层间阻力，易于造成岩体滑动；使某些岩类溶解和膨胀，使山体出现附加压力；厚含水层出现大量涌水时，将产生动水压力，出现流沙及渗透压力；含有害化合物
12、的地下水（硫酸根、碳酸根等）对衬砌结构将产生侵蚀作用。涌水是造成塌方围岩丧失稳定的重要原因之一。枯水可能影响隧道上方和使四周的井和泉干涸。因此，必须进行调查预测。,（1）地下水涌水调查涌水可分为集中涌水和稳定涌水。隧道集中涌水主要是估计对工程有影响的涌水位置、涌水压力和涌水量等。预测时可根据地质调查、弹性波探测及钻探等分析地质构造，通过对构造裂隙、地下水露头的调查，判明含水层、透水层、隔水层的范围及其与隧道的关系和影响程度；地下水涌水调查的主要内容主要包括调查地下水的类型及其与地表水的相互补给关系，地下水的动态变化规律；调查地下水的流量、流向及水质等。稳定涌水受隧道长度、埋深、位置、含水层规模
13、和透水性等影响，并与流域的枯水流量有密切关系，所以预测是可能的。调查时根据地质调查、弹性波探测、钻探等，查明流域范围的地形、地质构造、地下水状况，并测定径流范围的涌泉、溪流、河川等的枯水流量。涌水调查通常由多孔抽水试验获得，用以确定涌水量与水位降低的关系，可以按照相应地计算公式计算渗透系数。根据抽水试验测定的渗透系数及涌水量，通常比压水、提水、注水试验等手段所取得的资料准确。而压水试验主要是了解岩层的裂隙性和渗透性。常常是当含水层埋藏较深抽水试验有困难时才使用，但在定量计算上欠成熟，缺乏可靠性。初勘时可做单孔抽水试验。为进行建筑确定用水量应在地下水位最高的季节进行。,（2）枯水调查水均衡资料调
14、查的目的是事先了解因隧道开挖可能引起的附近的水均衡问题，并制订相应的措施。在开工之前应对水源种类（井、泉、溪流、贮水池等）、用途与用量（饮用、农业、工业、渔业等）、降水量、地下水位及流量等的季节变化，作出观测。在开挖过程中，如果出现涌水现象，就要把涌水的位置、初期水量、水量累计、核定水量等各项内容调查清楚。同时，要调查分析前述各项调查的内容是否受到涌水的影响。明确判断枯水现象是由于开挖隧道引起还是由于气象条件变化所引起。而且，新旧工程的影响是相互交错的，须调查清楚以往工程影响的范围及状况。,隧道工程测绘遵守的规定（1）按设计阶段要求搜集或测绘地形图，纵断面图、横断面图；（2）测绘资料的图纸内容
15、需反映隧道所在地的工程地质及水文地质情况；（3）在隧道洞口和辅助坑道口的附近，按规定设置必要的平面控制点和水准点。（4）测绘资料符合规定的精度要求。,公路隧道测绘要求：可行性研究阶段：1：50001：50000；初步勘察阶段：1：20001：10000详细勘察阶段：1：2001：2000铁路隧道要求：线路方案平面图：1：50001：50000隧道线路平面图：1：10001：5000隧道洞口平面图，比例为1：1001：500隧道纵断面图依据隧道长度不同，可采用横向比例1：5001：5000，竖向比例：1：2001：2000其余如洞口纵断面图、洞口横断面图、洞身断面图等比例为1：1001：200,
16、（四）施工阶段地质调查（1）核定地质构造、岩性、地下水等；（2）及时预测和解决施工中遇到的工程地质及水文地质问题；（3）为验证修改设计提供依据。 目前各国对隧道及地下工程十分重视施工阶段地质调查工作，其中开挖工作面直接观察是极其重要的，在每次爆破后、应立即有专人进行开挖工作面观察并素描，其主要内容有：（1）地层、岩石分布、岩层走向、倾角；（2）固结程度风化及变质程度、软硬程度；（3）裂隙方向及频率、充填物及性质；（4）断层位置及走向、倾角、破碎程度；（5）涌水位置及涌水量；（6）坍塌位置及形态。,四、气象调查,降水：年降水量、月平均降水量、日最大降水量、小时最大降水量，最大降雪日、最大积雪量、
17、积雪期、最大日降雪量、雪密度、雪温。降水量调查资料主要是用来计算地表水对隧道洞口是否产生病害、是否会有排水障碍、对隧道衬砌排水的影响程度、雨水是否会发生倒灌、是否会发生风吹雪、是否会对施工产生严重影响等间题。洪水：洪水位、水量、时期。主要解决洞口设计标高，洞口是否会被水淹等问题。气温与地温：年平均气温、绝对最高最低气温、日温差、结冰期、冻结深度、多年冻土深度、水温。气温与地温调查主要是解决温度对地基、结构设计及边仰坡稳定可能产生的影响、对通风设计产生的影响、对施工可能产生的影响。风：风向、风速，频度分布（年间、月间、日间）。风的调查项目主要用来解决通风设计的可靠性、边仰坡防护的可靠性、洞口段行车的安全性等。雾：发生日数（频度）、滞留时间及其程度（能见度）。主要是用来解决照明设计的可靠性特别是洞口外接续路段的照明设计，对交通信号、情报板、交通标志标线设计的影响。雪崩与风吹雪：场所、规模、频度、时间、种类；主要解决在高寒地区隧道设计中，洞口段及引线段的设计施工和营运安全问题。,
