隧道断面设计

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- 同时,衬砌结构底部在列车振动荷载的作用下,也容易出现疲 劳性破坏。
大断面隧道设计-衬砌结构耐久性设计
结构物劣化曲线
性能的水准
设计水准
施工质量好
环境荷载条件比设计条件好 材料、施工、维修管理好
早期维修的 管理水准
最终的水准 (极限状态)
环境、荷载、条件比、 设计时差、材料、施工、 维修管理差
施工质量差
1.3 m
m
2.3 m 2.1 m
2.5 m
Ext. good
Exc. good
20
11
7
1.0 m
20
5
9
CCA
10
8
7
6
5
4
32
1
RRS
Sfr
Sfr
Sfr
B(+S) B
sb
4.0 m
3
25 cm
5 2
15 cm
1.0
9 m
cm
1.3
m
Bolt
1.6 m
spacing
in
u2.n0smhotcreted
大断面隧道设计-衬砌结构耐久性设计
影响高速铁路隧道衬砌结构耐久性的因素:
环境因素:环境类别分为碳化环境、氯盐环境、化学 侵蚀环境、冻融破坏环境和磨蚀环境;
列车运行因素:高速列车运行引起的压力波动以及列 车振动作用也是影响结构耐久性的主要因素。
- 有初始裂纹的衬砌结构,在气动压力波正压、负压的反复作用 下,衬砌结构将产生疲劳,裂纹不断扩展,直到断裂破坏;
复合式衬砌设计与施工中应注意的问题: 衬砌断面形状应力求圆顺,减少围岩和衬砌在荷载作 用下产生应力集中; 采用分部开挖时,应加强各连接点的强度和刚度,防 止接头受力变形破坏; 大断面隧道衬砌设计参数应根据施工方法适当调整; 合理设置二次衬砌纵向施工缝位置,施工缝处宜设置 加强钢筋; 加强施工中的监控量测通过监控量测结果合理调整支 护参数。
(and unreinforced shotcrete, 4 - 10 cm), B(+S)
5) Fibre reinforced shotcrete and bolting, 5 - 9 cm, Sfr + B 6) Fibre reinforced shotcrete and bolting, 9- 12 cm, Sfr + B 7) Fibre reinforced shotcrete and bolting, 12 - 15 cm, Sfr + B 8) Fibre reinforced shotcrete, > 15 cm,
大断面隧道设计
隧道断面设计主要考虑下列因素: 隧道建筑限界; 轨道数量和线间距; 缓解空气动力学效应所需的空间; 需预留的空间,如安全空间、避 难和救援空间、养护维修及工程 技术作业空间、其他使用要求所 需的空间; 设备安装空间等。
隧道洞口设计
斜切式洞口设计:降低瞬变压力与微气压波。 需要时设置洞口缓冲结构。
3.0 m
areas
2.4 1.5
1 0.001
0.004 0.01
0.04 0.1
0.4 1
4 10
40 100
400 1000
Q值
Rock mass quality Q = RQD x Jr x Jw Jn Ja SRF
支护设计
REINFORCEMENT CATEGORIES: 1) Unsupported 2) Spot bolting, sb 3) Systematic bolting, B 4) Systematic bolting,
大断面隧道设计-衬砌结构设计
单层衬砌结构设计
单层衬砌结构设计方法目前有: 基于挪威法的Q系统支护设汁法 极限状态设计法 基于能量守恒的能量原理设计法。
挪威Q值法是一种较成熟的单层衬砌结构设计方法。由巴顿 于1974年提出,并于1993年,2002年两次更新完善。特 别适用于钻爆法施工的,大跨度岩石隧道。在国外得到 广泛应用。
大断面隧道设计-衬砌结构设计
现代隧道衬砌结构设计的特点:
采用岩石力学模型,而不采用传统的荷载-结构模型; 围岩既是荷载的来源,又是承载结构; 围岩是主要的承载结构; 锚喷支护只是用来加固围岩,提高围岩的承载能力; 二次衬砌作为安全储备,视具体情况决定是否施设; 强调信息化施工。
新意法(ADECO-RS法): ‐ 是一种系统的全断面机械化开挖的隧道设计、施工技术。 ‐ 该工法适用于软弱地层大断面隧道开挖、强调掌子面的作用及掌子面
稳定的重要性; ‐ 被意大利公路及铁路领域纳入规范并且被广泛采用; ‐ 欧洲国家的大型项目施工也较多地采用此工法。
大断面隧道设计-底部结构设计
• 多采用无咋轨道结构; – 降低隧道内轨道结构高度; – 从而减少开挖面积,降低工程造价; – 施工方便; – 缺点是噪音大,有条件时,采取消音措施。
长90米, 宽62米, 高25米 RQD=67%,Q=9
1994冬季奥运会地下冰上曲棍球 场 (挪威, 锚喷支护)
大断面隧道设计-衬砌结构设计
斯德哥尔摩地铁车站(瑞典) 只有喷混凝土
大断面隧道设计-衬砌结构设计
竣工后的地下洞室(新加坡, 锚喷支 护), 长100米, 宽27米, 高11米
大断面隧道设计-新意法
大断面隧道设计-衬砌结构设计
衬砌结构类型有: 单层衬砌; 复合式衬砌; 拼装式衬砌等。
拼装式衬砌(管片衬砌)一般用于盾构掘进机法施工; 对于钻爆法施工的隧道,多采用单层衬砌和复合式衬砌。
大断面隧道设计-衬砌结构设计
单层衬砌和复合式衬砌的本质区别: 单层衬砌各支护层间不设置隔离层(防水板),而是采 用自防水措施。
大断面隧道设计-防排水设计
• 满足一级防水标准,即二次衬砌不允许渗水、二次衬砌表 面无湿渍;
• 高速铁路隧道防排水应遵循“防、排、截、堵结合,因地 制宜,综合治理”的原则
• 优先设计防水型隧道情况
– 地面生态和社会环境敏感地区; – 地表下沉影响较大,从而危及结构物正常使用及周边环境的
场合; – 地下水具有腐蚀性,需要将地下水与混凝土隔离的场合。
图14.
大断面隧道设计-衬砌结构设计
单层衬砌和复合式衬砌的一般适用性: 单层衬砌更适用于围岩 自稳能力较好,地下水 不丰富的岩石隧道; 复合式衬砌更适合地下 水丰富的土质或软弱围 岩隧道。
源自文库 大断面隧道设计-衬砌结构设计
复合式衬砌结构设计
• 排水型复合式衬砌 • 防水型复合式衬砌
新建和改建隧道防排水,应 采用“防、排、截、堵结合, 因地制宜,综合治理”的原 则
大断面隧道设计-衬砌结构设计
• 排水型复合式衬砌
二次衬砌不承受水压力; 初期支护承担施工阶段全部荷载; 二次衬砌承担附加荷载以及作为安全储备。
• 防水型复合式衬砌
二次衬砌承受水压力,一般远大于围岩压力; 初期支护承担施工阶段全部荷载; 二次衬砌承担全部后期围岩压力。
大断面隧道设计-衬砌结构设计
运营通风
难以利用活塞风
可以充分利用活塞风
防灾救援
当隧道内发生火灾时,消防灭 当一座隧道内发生火灾时,可通
火与救灾难度大,线路将中 过另一座隧道帮助灭火,并利
断运营
用横通道紧急疏散人员,仅中
断一条线路运营
空气动力学影响 相对小
相对大
环境影响
相对小
相对大
工程投资
较低
大20~40%
隧道净空设计
单洞双线和双洞单线方案选择原则:
隧 道 跨 度 或 高 度
Span or height in m ESR
12 cm 5 cm 4 cm
岩石分类 ROCK CLASSES
G
F
E
D
C
B
A
Exceptionally poor
100
50
Extremely poor
Very poor
Poor
Fair
Good
Very good
Bolt
spacing in shotcre1te.5dmarea1.7
隧道洞口景观设计
和谐成为亮丽的风景
隧道净空设计
采用250km/h铁路隧道衬砌内轮廓设计
单线隧道:净空断面积60m2
双线隧道:净空断面积92m2
隧道净空设计
单洞双线和双洞单线方案选择
比较项目
单洞双线隧道方案
双洞单线隧道方案
施工难度及风险 断面大,在软弱围岩中发生坍 断面较小,发生坍塌,变形的机 塌的机会较多,容易发生变 会相对较少,风险较小 形,风险较大
reinforced ribs of shotcrete and bolting, Sfr, RRS+B 9) Cast concrete lining, CCA
锚 杆 长 度
大断面隧道设计-衬砌结构设计
离散单元法的应用
大断面隧道设计-衬砌结构设计
有限单元法模拟
离散单元法模拟
大断面隧道设计-衬砌结构设计
宽度达23m以上。 我国最大断面的铁路隧道是位于设计时速达350公里的郑西高速铁路
上的张茅隧道(全长8483米),其最大开挖断面面积达164平方米。
大断面隧道设计
大断面隧道设计包括: 净空断面形式设计; 衬砌结构设计; 辅助坑道设计; 防排水设计; 隧道洞口形式及景观设计; 防灾救援设计; 隧道内相关设施设计。
其中:RQD: 岩石质量;节理组数Jn;节理粗糙度 Jr; 节理填充物Ja;地下水Jw;地应力SRF。
2、支护结构选择 按支护结构设计图, 基于Q值,隧道跨度设计: 锚杆长度,间距; 喷混凝土(钢纤维混凝土)厚度; 混凝土衬砌。
大断面隧道设计-衬砌结构设计
Bolt length in m for ESR = 1
大断面隧道设计技术
秦岭终南山公路隧道
高速铁路隧道的特点: 需考虑列车在隧道内高速运行时的空气动力学效应; 一般采用扁平大断面隧道。
ITA隧道断面划分标准
划分 净空断面积(m2)
超小断面
<3
小断面
3-10
中等断面
10-50
大断面
50-100
超大断面
>100
日本隧道断面划分标准 划分 开挖断面积(m2)
标准断面
70-80
大断面
100-140
超大断面
>140
扁平大断面隧道的静力学特点 • 拱顶稳定性差(受拉); • 有较大松弛地压; • 支护的受力条件差(受拉); • 开挖后的围岩应力集中程度大 ,塑性区增大; • 隧道底脚处应力集中大,地基承载力要求高。
大断面隧道设计
高速铁路的大断面隧道与公路大断面隧道相比要小得多。 高速公路隧道断面积达到170 - 200m2,局部断面积甚至达230m2开挖
大断面隧道设计-衬砌结构设计
与新奥法NATM相比,挪威法NMT优点有: –快速施工; –安全施工; –造价低,综合经济效益 可节省达20~30%; –可操作性强; –维修费用低。
世界最长公路隧道- 挪威拉达尔隧道
大断面隧道设计-衬砌结构设计
挪威Q值法支护结构设计两步骤: 1、Q值的计算
Q RQD J r J w J n J a SRF
大断面隧道设计-防排水设计
防排水措施 • 以施工缝、变形缝防水为重点,施工缝防水同时采用背贴
式止水带与中埋式止水带或遇水膨胀止水条的防水措施; 变形缝防水同时采用中埋式止水带及其他两种可靠的防水 措施; • 应重视初期支护的防水,并辅以注浆防水、防水层、膨胀 止水胶加强防水,满足结构设计和使用要求; • 隧道内均应设置双侧排水沟。单洞双线隧道,根据地下水 量,可增设中心水沟; • 富水地层隧道应采用深排水沟(水沟水位在铺底面20cm以 下);
一次寿命
早期维修时
耐用期间=寿命
二次寿命
使用期间
大断面隧道设计-衬砌结构耐久性设计
二次衬砌的耐久性研究
大断面隧道设计-衬砌结构耐久性设计
复合式衬砌结构耐久性设计原则及方法:
• 当环境对衬砌结构侵蚀作用很小或无侵蚀作用时,
– 可考虑初期支护和二次衬砌共同承担荷载;
• 当环境对衬砌结构的侵蚀作用明显时,
当隧道长度小于10km时,一般采用单洞双线隧道方案,可 利用施工时的辅助坑道作为防灾救援和人员疏散的紧急 出口。
当隧道长度为10~20km时,应结合隧道两端引线、车站 布点等相关工程情况进行系统的经济技术比选。也可结 合防灾救援及养护维修考虑,采用双线隧道加贯通平导的 方案进行比较。
当隧道长度大于20km时,从防灾救援方面考虑,一般采 用双洞单线隧道方案。
大断面隧道设计-衬砌结构设计
挪威隧道方法的特点
–重视前期的地质调查,两步地质调查; –施工中对每个开挖面进行地质素描和支护设计; –非常系统定量的设计方法—Q值法; –锚喷为主要永久性支护; –施喷湿钢纤维混凝土,采用自立式锚杆; –施工及支护设计一体化,对现场施工人员要求高; –采用悬吊式防水板或自防水混凝土衬砌; –强调离散单元法(UDEC,3DEC)应用 。
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