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1、精选优质文档-倾情为你奉上专心-专注-专业第2章 铁路隧道规划与位置选择2.1 铁路隧道线路位置选择铁路隧道是山区线路穿越山岭时用来克服高程障碍的一种建筑物，是整条线路的组成部分，同迂回绕线的方法相比，往往可以缩短线路长度、改善线路的平纵断面以及日后的运营条件，但它相对路基建筑物而言，造价比较高，施工难度大，施工进度也比较慢。铁路隧道是铁路线上的一种建筑物，其位置选择与线路走向有着密切关系。一般而言， 中、短隧道的位置服从于线路走向的大体位置，可作小幅度的调整。对于长大隧道，如遇到复杂地质情况，修建技术上有一定困难时，隧道成为线路修建的控制工程，其位置往往影响线路走向的位置，这时线路就得服从隧
2、道所选择的最优位置。所以，隧道位置的选择与线路的选线是相互关联的，应该综合考虑两者的利弊来决定。 隧道具体位置的选择与区域工程地质条件、水文地质条件、地形地貌条件、工程难易程度、投资的数额、工期的要求，以及现有的施工技术水平和今后运营条件等因素有关。1越岭线上隧道平面和立面位置的选择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。选择越岭隧道的位置主要以选择垭口和确定隧道高程两大因素来决定。 选择垭口分水岭的山脊线上高程较低处称为垭口。平面位置选择主要是对隧道穿越分水岭的不同高程的多个垭口的选择，选择时主要考虑垭口地质条件、隧道长度、两侧展线的难易程度、线
3、形和工程量的大小。比选考虑的主要因素有:接近线路航空方向的低垭口、具有良好的展线条件的沟谷且不损失越岭高程者、两边沟谷标高相差不多且两边沟谷平面位置接近处、工程和水文地质条件良好、施工难易度和运营条件等。 选定高程越岭隧道立面位置的选择主要是对隧道高程的选择。高程不同带来不同长度的隧道方案，一般讲隧道位置高，山体较薄，隧道长度短，工程量小，但线路拔起高度大，两端引线长度增加，技术条件恶化;低位置隧道则与之相反。所以在选定隧道高程时，务必全面衡量，从技术和经济两方面，尤其在今后长远运营条件上，做出综合的比较，决定取舍。 2傍山隧道位置的选择铁路线沿河傍山修建的隧道称为傍山隧道。傍山隧道受山坡和河
4、谷的制约，一般埋藏较浅，岩层风化破碎，常有不良地质现象，洞顶覆盖薄，易受山体的偏侧压力，对施工和结构受力不利。因此在选择傍山隧道位置时，应根据地形地质、河流冲刷情况以及洞外相关工程和运营条件等综合考虑。并注意在埋藏较浅的地段处洞身覆盖的厚度，隧道位置宁里勿外，即隧道位置以稍向内靠为好。一般要求隧道外侧最小覆盖厚度不应小于表2.1.1中的数值。当岩层结构面倾向山体一侧时，岩层比较稳定，覆盖厚度可以酌减。当岩层结构面倾向河流一侧时，覆盖厚度易于加大。河岸存在冲刷现象的地段，要考虑冲刷对山体和洞身稳定的影响，隧道位置最好设在稳定的岩层中. 表2.1.1 傍山浅埋隧道最小覆盖厚度参考表围岩级别最小覆盖
5、层厚度t(m)单线双线4679710101511201630注：1.t为覆盖层或风化破碎层厚度； 2.表列数值不适用于有显著不利结构面的情况； 3.表列数值未考虑隧道外侧有其它工程或建筑物的情况。 3.地质条件对隧道位置的影响隧道是埋置在岩层内的结构物，它受岩体的包围。周围岩层的地质条件，对隧道结构型式和施工方法都有着决定性的影响。如何避开不良地质的区域，或如何拟定克服不良地质的措施，是选择隧道位置时必须审慎考虑的问题。单斜构造在单斜构造的地区，岩层各层面间，有紧密的，也有张开的，有胶结或无胶结的，有充填或无充填的不同情况。不管是哪一种情况，层间接触面比之岩层实体总是较为薄弱的。从力学观点来看
6、，一种岩体的强度常常不是由岩石本身的强度来控制，而是由它的软弱结构面的强度来控制的。单斜构造的层面大体平行而有同一倾角，当层间的抗剪强度不足时，岩层在外力作用下将会发生层间相对错动。如果隧道的位置恰在层间软弱面上，岩层滑动将使隧道结构受到很大的剪力，以致把结构物损坏。如果隧道恰在层间软弱面处，岩层滑动会使隧道的某一段发生横向推移，而导致断开错位，如图2.1.1所示。因此，在单斜构造的地质条件下，必须事先把岩层的构造和倾角大小调查清楚，一定要尽可能避开大型软弱结构面。尽量不要把隧道中线设计成与软弱结构面的走向一致或平行，要正交或有成一定的交角。图2.1.1 隧道位置选择褶曲构造向斜背斜在褶曲构造
7、的地区，岩层一部分向上弯曲翘起成为背斜，另一部分向下弯曲挠成为向斜。背斜的岩层受弯而在下面出现节理、裂隙，切割岩体成为上大下小的楔块，楔块受到两侧邻块的挟制，使得楔块的重量由邻块分担，因而只产生小于原重的压力。与此相反，向斜地层受弯而在下面开裂，切割岩体成为上小下大的楔块，这种楔块在重力作用下，极易脱离母岩而坠落，于是产生较大的压力，也就是给结构物以较大的荷载，而且在施工时，极易发生掉块或坍方，对工程产生不利影响。所以，隧道穿过褶曲构造时，选在背斜中要比在向斜中有利。如果恰在褶曲的两翼，将受到偏侧压力，结构需加强，如图2.2.2所示。图2.1.2褶曲构造隧道位置选择在断层构造的地区，断层带中的
8、岩体呈破碎状态，称为断层碎裂体；当严重揉挤可成为泥状。断层带的强度很低，而且往往是地下水的通道。施工时，遇到这种地质条件，十分困难。选择隧道位置时，应尽可能避开。不得已时，隧道走向与断层走向隔开足够的安全距离，或隧道走向正交与斜交跨过。施工时，还应作好各种支护及防水措施。其它不良地质条件从地质条件进行隧道位置选择时，最重要的影响因素是不良地质。不良地质是指滑坡、崩塌、岩堆、泥石流、溶洞和含瓦斯地区等。它们各有其特点，也各有其影响。1)滑坡地区山坡地区，由于地下水的活动，或河流冲刷坡脚，或人为切坡，造成山坡土体在重力作用下，沿某一软弱面整体下滑。隧道通过滑坡地区时，将会受到突然的土体推力，造成隧
9、道挤压或剪切破坏，甚至可能使隧道整体随土体下移。所以，选择隧道位置时，应尽量避开滑坡体或在可能滑动面以下一定深度通过，其深度一般参考傍山障道最小覆盖厚度来确定。在不得已必须将隧道置于滑坡体内时，应考虑上部减载和加强排水措施。 2)崩塌地区山坡陡峻的地段，山体裂隙受风化而崩解，脱离母岩，成块地从斜坡翻滚坠落。它的出现是突然的，冲击力很大，不易防范。选择隧道位置时，最好不要沿这类山坡通过。不得已时，应当尽可能地把隧道置于山体之中，穿过稳定的岩层。岩体崩塌的情形不太严重，而洞口又必须落在崩塌地区，则可设置一段明洞来解决。3)岩堆地区岩石经过风化作用，分解和剥离成为大小不一的块体，从山坡上方滚下，或冲
10、刷夹持而堆积在山坡较平缓处或坡脚处，形成无粘结力的堆积体。隧道通过这类地区，开挖时极易发生坍方，给施工带来极大困难。这时，宜把隧道位置放在岩堆以下的稳定岩体之中。4)泥石流山顶积聚的土壤和各种砾石、岩块受到洪水的浸融成为流体，顺山沟或峡谷而下，来势凶猛，破坏力极大。有时可能摧毁铁路路基，甚至掩埋铁路、堵塞隧道。因此，在选择隧道位置时，务必躲开泥石流泛滥区，如躲避不开，也应选在泥石流下切深度以下的基岩中。要查明泥石流洪积扇范围，不可把洞口放在洪积扇范围以内。5)溶洞地区碳酸盐类岩石（如灰岩、白云岩）可溶类岩石在水力和水的化学作用下溶蚀而形成各种岩溶现象，溶洞形式是其中之一。溶洞中无水或积水，无填
11、充或填充。选择隧道位置时，应尽可能避开。如无法避开时，应探明溶洞的规模、性质和与隧道的位置关系，采取相应的设计，施工措施。6)瓦斯地区在煤系地层中，蕴藏着如甲烷(CH4)和二氧化碳(CO2) 的有害气体。隧道开挖时，有害气体逸出。轻者致人窒息，重则引起爆炸，危害甚大。途择隧道位置时，尽量避开。7)地下水地下水多是由地表水的渗透或地下水源补给的。例如岩层裂隙中的裂隙水，或溶洞中储藏的岩溶水，它们有时是流动的，有时是静止的，有时还有压力水头。它们的存在，使岩石软化、强度降低，层间夹层软化或稀释，促成了层间的滑动。裂隙中的水在开挖时涌入坑道，使施工发生困难，给以后养护也带来无休止的灾害。选择隧道位置
12、时，最好不从富水区中经过。2.2铁路隧道规划洞口位置的选择B A图2.2.1 沟底附近洞口平面位置示意图隧道位置选定以后，隧道长度由它的两端洞口位置确定(即隧道长度为其进出口洞门墙外表面与线路内轨顶面标高线交点之问的距离)。洞口位置选择是否合理，将对隧道的施工工期、造价、运营安全等产生重大的影响。所以在隧道线路设计中，洞口位置的选择应结合洞口的地形、工程地质和水文地质条件、施工技术、运营条件以及附近相关工程综合考虑，详细比较、决定。其中最重要的是考虑洞门边坡的稳定和仰坡的安全。一般应尽量避免大挖方和大刷坡，破坏地层稳定状态。根据我国多年实践经验，总结出“早进晚出”的原则，洞口位置尽量设在山体稳
13、定、地质较好、地下水不太丰富的地方，避免不良地质。避不开时，要采取措施保证施工和运营安全。理想的洞口位置应选择地质条件良好，地势开阔，施工方便，技术、经济合理之处。在选择隧道洞口位置时应注意以下几个原则：1.洞口不宜设在垭口沟谷的中心或沟底低洼处(如图2.2.1中的A线)，在一般情况下，垭口沟谷在地质构造上是最薄弱的环节，常会遇到断层带、古坍方、冲积土等不良地质。此外，地表流水都汇集在沟底，再加上洞口路堑开挖，破坏了山体原有的平衡，更容易引起坍方，甚至不能进洞。所以，洞口最好选在沟谷一侧(如图2.2.1中的B线)。2.洞口应避开不良地质地段，如断层、滑坡、岩堆、岩溶、流砂、泥石流、盐岩、多年冻
14、土、雪崩、冰川等，以及避开地表水汇集处。3.当隧道线路通过岩壁陡立，基岩裸露处时，最好不刷动或少刷动原生地表，以保持山体的天然平衡。此时，洞口位置应根据具体情况，采取贴壁进洞(图2.2.2)或设置一段明洞(当山坡上有落石、掉块而难以清除时)(图2.2.3)；或修建特殊结构洞门，如悬臂式洞门、钢筋混凝土锚杆洞门、洞门桥台联合结构、悬臂式托盘基础洞门或长腿式洞门等。图2.2.2 贴壁进动时洞口纵断面示意图图2.2.3 陡壁下接常明洞时纵断面示意图4.减少洞口路堑段长度，延长隧道，提前进洞。对处于漫坡地形的隧道，其洞口位置变动范围较大，一般应采取延长隧道的办法，以解决路堑弃土及排水的困难。5.洞口线
15、路宜与等高线正交。使隧道正面进入山体(如图2.2.4)，洞口结构物不致受到偏侧压力。对于傍山隧道因限于地形，有时无法与等高线正交，只能斜交进洞时，其交角不应太小(不小45)，并根据具体情况，采取斜交洞门、台阶式正交洞门或修建一段明洞。图2.2.4洞门平面示意图a) 正交洞门b) 斜交洞门6.当线路位于有可能被水淹没的河滩或水库回水影响范围以内时，隧道洞口标高应高出洪水位加波浪高度，以防洪水灌入隧道。7.为了确保洞口的稳定和安全，边坡及仰坡均不宜开挖过高。8.当洞口附近遇有水沟或水渠横跨线路时，可设置拉槽开沟的桥梁或涵洞，排泄水流。9.当洞口地势开阔，有利于施工场地布置时，可利用弃碴有计划、有目
16、的地改造洞口场 地，以便布置运输便道、材料堆放场、生产设施用地及生产、生活用房等。另外，在桥隧相连时，应注意防止因弃碴乱堆造成堵塞桥孔或推坏桥梁墩台建筑物。 总之，隧道洞口位置的选择，应根据地形、地质条件，考虑边坡、仰坡的稳定，结合洞外有关工程及施工难易程度，本着“早进晚出”的指导思想，全面综合地分析确定。2.3 铁路隧道平面与纵断面设计铁路隧道是线路的一个组成部分，平、纵断面设计首先应满足露天线路地段的各种技技术要求，还应考虑适应隧道内特点的一些要求，如运营、养护条件比明线地段差等特点。 2.3.1隧道平面设计隧道平面是指隧道中心线在水平面上的投影，显然是越直越好。因此，在可能的情况下， 隧
17、道平面线形应尽量采用直线或大半径曲线，避免小半径曲线。因隧道位于曲线上，将有下列缺点: 曲线隧道建筑限界需加宽，净空尺寸相应加大，增加了开挖和衬砌的工程量; 列车在曲线隧道内运行，空气阻力加大，抵消了部分机车牵引力，并使洞内通风条恶化; 列车在曲线隧道行驶，产生的离心力使钢轨磨耗严重，增加了线路维修工作量; 曲线隧道施工难度增加，支护和衬砌技术较为复杂。 受地形和地质条件的限制，曲线隧道在实际工程中是十分多见的。如河谷线的傍山 穿过山嘴时，就会出现如图3 -71所示的曲线隧道。考虑运营和施工的因素，隧道内应尽 避免设置反向曲线;必须设置时，要求夹直线长度不宜小于44m。当洞外明线出现曲线时 最
18、好要使曲线的缓直，点(或直缓点)距洞口不小于25m，如图2.3.1所示。 图2.3.1曲线隧道示意图铁路隧道在曲线两端应设缓和曲线时，最好不使洞口恰恰落在缓和曲线上。缓和曲线在平面上半径总在改变，竖向的外轨超高也在变化，这样，在双重变化下，列车行驶不平稳。所以，应尽可能将缓和曲线设在洞外一个适当距离以外，圆曲线的长度也不应短于一节车厢的长度。在一座隧道内最好不设一个以上的曲线。尤其是不宜设置反向曲线或复合曲线。如果列车同时跨在两个曲线上，行驶很不稳当。所以，两曲线间应有足够长的夹直线，一般是要求在三倍车辆长度以上。2.3.2隧道纵断面设计隧道纵断面是中心线展直后在垂直面上的投影。纵断面设计主要
19、是对坡度的设计，包括隧道内线路的坡道形式、坡度大小和折减、坡段长度和坡段间的衔接等内容。(1)铁路隧道坡道型式隧道处于岩层之中，除了地质有变化以外，线路走向不受任何限制，不必采用复杂多变的型式。一般可采用单面坡型(图2.3.2(a)或人字坡型（图2.3.2(b)）。单面坡多用于线路的紧坡地段或是展线的地区，因为单面坡可以争取高程，拔起或降落一定的高度。单面坡隧道两洞口的高程差较大，由此而产生的气压差和热位差也大，能促进洞内的自然通风。它的缺点是：在施工阶段，由于下坡开挖，洞内的水自然地流向开挖工作面，使开挖工作受到干扰，需要随时抽水外排。此外，运碴时，空车下坡重车上坡，运输效率低。人字型坡道多
20、用于长隧道，尤其是越岭隧道。因为越岭无需争取高程，而垭口两端都是沟谷地带，同是向下的人字型坡道，正好符合地形条件。人字坡的优点是：施工时水自然流向洞外，排水措施相应地简化，而且重车下坡，空车上坡，运输效率高。它的缺点是：列车通过时排出的有害气体聚集在两坡间的顶峰处，尽管用机械通风，有时也排除不干净，长时间积累，浓度渐渐增大，使司机以及洞内维修人员的健康受到影响。 两种不同的坡型适用于不同的隧道。对位于紧坡地段，要争取高程的区段上的隧道、位于越岭隧道两端展线上的隧道、地下水不大的隧道、或是可以单口掘进的短隧道，可以采用单面坡型。对于长大隧道、越岭隧道、地下水丰富而抽水设备不足的隧道，宜采用人字坡
21、型。图2.3.2 坡道型式示意图(a)单面坡(b)人字坡坡度大小铁路隧道对于行车来说线路的坡度以平坡为最好。但是，天然地形是起伏不定的，为了能适应天然地形的形状以减少工程数量，只好随着地形的变化设置与之相适应的线路坡度。但依据地形设计坡度时，注意应不超过限制坡度，如果在平面上有曲线，还需为克服曲线的阻力，再减去一个曲线的当量坡度，即 i允i限i曲式中 i允设计中允许采用的最大坡度（）；i限按照线路等级规定的限制最大坡度（）；i曲曲线阻力折算的坡度当量（）。隧道内行车条件要比明线差，对线路最大限制坡度的要求更为严格。因此，隧道内线路的最大允许坡度要在明线最大限制坡度上乘以一个折减系数。考虑坡度折
22、减有以下原因：l)列车车轮与钢轨踏面间的粘着系数降低机车的牵引能力有时是由车轮与轨面之间的粘着力来控制的。隧道内空气的相对湿度较露天处大，因而钢轨踏面上凝成一层薄膜，使轮轨之间的粘着系数降低，于是机车的牵引力也随之降低。此外，如果是蒸汽机车牵引，机车喷出的煤烟渣滓落在轨面上，也会使粘着系数降低。因此，隧道内线路的限制坡度应比明线的限制坡度有所减小。2)洞内空气阻力增大列车在隧道内行驶，其作用犹如一个活塞，洞内空气将像活塞那样给前进的列车以空气阻力，使列车的牵引力减弱。所以，隧道内的限制坡度要比明线的限制坡度小。由于上述原因，隧道内线路的限制坡度要在明线限制坡度上乘以一个小于1的折减系数。按现行
23、铁路隧道设计规范，除隧道长度小于400m时，上述影响不太显著，坡度可以不折减以外，其它凡长度大于400 m的隧道都要考虑坡度的折减。折减的方法按下式进行：i允m i限i曲 其中，m为隧道内线路的坡度折减系数，它与隧道的长度有关。当隧道内有曲线时，注意要先进行隧道内线路坡度的折减，然后再扣除曲线折减，如上式所列。铁路隧道设计规范中规定了隧道内线路坡度折减系数m的经验数值，列于表2.3.1可参照使用。表2.3.1 各种牵引种类的隧道内线路最大坡度系数m隧道长度（m）电力牵引内燃牵引40110000.950.90100140000.900.8040000.850.75另外，不但隧道内的线路应按上述方
24、式予以折减，洞口外一段距离内，也要考虑相应的折减。因为当列车的机车一旦进入隧道，空气阻力就增加，粘着系数也开始减少。所以在上坡进洞前半个远期货物列车长度范围内，也要按洞内一样予以折减。至于列车出洞，机车已达明线，就不存在折减的问题了。如图2.3.3所示。图 2.3.3 隧道内线路坡度折减除了最大坡度的限制以外，还要限制最小坡度。因为隧道内的水全靠排水沟向外流出。铁路隧道设计规范规定，隧道内线路不得设置平坡，最小的允许坡度应不小于3。坡段长度铁路隧道内线路的坡型单一，但不宜把坡段定得太长，尤其是单坡隧道，坡度已用到了最大限度。如果是一气上大坡，列车就必须用尽机车的全部潜在能力，持续奋进。这样，会
25、越爬越慢，以至有停车的可能或出现车轮打滑的情况，容易发生事故。在下坡时，由于坡段太长，制动时间过久，机车闸瓦摩擦发热，将使燃油失效，以致刹不住车，发生溜车事故。所以，在限坡地段，坡段不宜太长。如果隧道很长，坡度又不想变动，为了不使机车爬长坡，可以设缓坡段，使机车有一个喘息和缓和的时间。此外，顺坡设排水沟时，如果坡段太长，水沟就难以布置。不是流量太大，就是沟槽太深，有时为此需要设置许多抽水、扬水设施，分级分段排水。这也给今后的运营和维修增加了工作量。所以，隧道内线路的坡段不宜太长。坡段联接对于铁路隧道来说，为了行车平顺两个相邻坡段坡度的代数差值不宜太大，否则会引起车辆之间仰俯不一，车钩受到扭力，
26、容易发生断钩。因此，在设计坡度时，坡间的代数差要有一定的限制。从安全的观点出发，两坡段间的代数差值i不应大于重车方向的限坡值i。铁路隧道设计规范规定，旅客列车设计行车速度小于160km/h的铁路段，相邻坡段的坡度差大于3时，应以圆曲线型竖曲线连接，竖曲线的半径应采用10000m；旅客列车设计行车速度为160km/h的铁路段，相邻坡段的坡度差大于1时，应以圆曲线型竖曲线连接，竖曲线的半径应采用15000m，竖曲线不宜与平面圆曲线重叠设置，困难条件下，竖曲线可与半径不小于2500m的圆曲线重叠设置；特殊困难条件下，经技术经济比较，竖曲线可与半径小于1600m的圆曲线重叠设置。隧道内线路坡度不但要考
27、虑上述因素，还要检算列车在相应坡段上的行车速度。因为列车上坡需要有一定的速度，才能将动能转为势能。如果列车开始上坡时，还有足够的前进能力，行至中途机车的效能就会有所降低，逐渐衰减以至趋近于不能前进而出现打滑、停车以致倒退等危险情况。即使能勉强爬上，缓缓而过，洞内行车时间过长，发出的污蚀空气会使机车乘务人员以及旅客感到非常不舒服，甚至酿成窒息、晕倒等事故。2.4隧道横断面设计2.4.1.直线隧道净空隧道净空是指隧道衬砌的内轮廓线所包围空间。铁路隧道净空是根据“隧道建筑限界”确定的，而“隧道建筑限界”是根据“基本建筑限界”制定的，“基本建筑限界”又是根据“机车车辆限界”制定的。 “限界”是一种规定
28、的轮廓线，这种轮廓线以内的空间是保证列车安全运行所必需的。“建筑限界”是建筑物不得侵入的一种限界。机车车辆限界它是指机车车辆最外轮廓的限界尺寸。要求所有在线路上行驶的机车车辆停在平坡直线上时，沿车体所有部分都必须容纳在此限界范围内而不得超越。基本建筑限界它是指线路上各种建筑物和设备均不得侵入的轮廓线。它的用途是保证机车车辆的安全运行及建筑物和设备不受损害。隧道建筑限界它是指包围“基本建筑限界”外部的轮廓线。即要比“基本建筑限界”大一些，留出少许空间，用于安装通讯信号、照明、电力等设备。对于时速120km/h新建和改建的蒸汽及内燃牵引的单线和双线铁路隧道，采用“隧限1A”和“隧限1B”，如图2.
29、4.1。新建和改建的电力牵引的单线和双线铁路隧道，采用“隧限2A”和“隧限2B”，如图2.4.2。对于时速200km/h新建铁路单线和双线隧道，建筑限界如图2.4.3所示。直线隧道净空“直线隧道净空”要比“隧道建筑限界”稍大一些，除了满足限界要求外，考虑避让、救援通道，还考虑了在不同的围岩压力作用下，衬砌结构的合理受力形状（拱部采用三心圆，边墙采用直墙式或曲墙式）以及施工方便等因素。我国客运专线隧道的建筑限界根据不同的速度目标值、不同种类的货运限界组合,共分为速度目标值200 km/h客运专线兼顾普通货物运输和双层集装箱运输的单、双线隧道建筑限界；速度目标值250 km/h的客运专线兼顾普通货
30、物运输和双层集装箱运输的单、双线隧道建筑限界；速度目标值350 km/h的客运专线单、双线隧道建筑限界。在满足上述限界和速度目标值的条件下,考虑空气动力学效应和各种安全预留空间,拟定相应的隧道有效内净空面积,如表2.4.1所示。图2.4.4为时速350km/h双线铁路隧道建筑限界及衬砌内轮廓。表2.4.1 我国客运专线隧道采用的有效内净空面积 类别标准单线（m2）双线（m2）200 km/h客专兼顾普货运输52.8685.8200 km/h客专兼顾双箱运输56.6792.94250 km/h客专兼顾普货运输5890.16250 km/h客专兼顾双箱运输5895.06350 km/h客运专线70
31、100 注:隧道内净空面积是指轨面以上部分的面积图2.4.1 蒸汽及内燃牵引的单线、双线隧道限界图 图2.4.2 电力牵引的单线、双线隧道限界图图2.4.3 时速240km/h新建铁路隧道建筑限界图2.4.4 时速350km/h新建铁路隧道建筑限界2.4.2曲线隧道净空加宽加宽原因车辆通过曲线时，转向架中心点沿线路运行，而车辆本身却不能随线路弯曲仍保持其矩形形状。故其两端向曲线外侧偏移（d外），中间向曲线内侧偏移（d内1），如图2.4.5所示。 由于曲线外轨超高，车辆向曲线内侧倾斜，使车辆限界上的控制点在水平方向上向内移动了一个距离d内2，如图2.4.6所示。据此，曲线隧道净空的加宽值为图2.
32、4.6曲线隧道净空加宽原因断面示意图ABFd内2CGHEBFOC车辆轴线O车辆长度L车辆前后转向架间距l线路中线曲线半径d外d内2d外图2.4.5 曲线隧道净空加宽原因图内侧加宽 W1= d内1d内2外侧加宽 W2= d外总加宽 W= W1W2 d内1d内2d外加宽值的计算单线曲线隧道加宽值的计算1)车辆中间部分向曲线内侧的偏移d内1 (2-4-1)式中 l车辆转向架中心距，取18m； R曲线半径（m）。则 d内1100(cm) 2)车辆两端向曲线外侧的偏移d外 (2-4-2)式中，L为标准车辆长度，我国为26m。（cm）3）外轨超高使车体向曲线内侧倾移d内2（cm） (2-4-3)式中 H隧
33、道限界控制点自轨面起的高度（cm）；E曲线外轨超高值，其最大值不超过15cm，且（cm） (2-4-4)其中，v为铁路远期行车速度（km/h）。在我国铁路隧道标准设计中，系将相应的隧道建筑限界绕内侧轨顶中心转动arctg角求得，非电气化铁路隧道可近似取2.7E(cm)，电气化铁路隧道可近似取2.8E(cm)。则隧道内侧加宽值为W1= d内1d内2(cm) (2-4-5)隧道外侧加宽值为 W2= d外(cm) (2-4-6)隧道总加宽值为W= W1W2 （cm）或 W（cm）双线曲线隧道加宽值的计算双线曲线隧道的内侧加宽值 W1及外侧加宽值W2与单线隧道加宽值的计算相同。内外侧线路中线间的加宽值
34、W3按以下情况计算。当外侧线路的外轨超高大于内侧线路的外轨超高时：W3（cm） (2-4-7)式中 H车辆外侧顶角距内轨顶面的高度，取360cm；E外侧线路的外轨超高值（cm）；R同前。则 W3=（cm）或 W3（cm） (2-4-8)其它情况时 W3（cm） (2-4-9)曲线隧道中线与线路中线偏移距离从以上计算可知，曲线隧道内外侧加宽值不同（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。单线隧道如图2.4.8所示。d=(cm) (2-4-10)双线隧道如图2.4.7所示。内侧线路中线至隧道中线的距离 d1=200(cm) (2-4-11)外侧线路中线至隧道中线的距离
35、 d2=200(cm) (2-4-12)时速200km/h以上曲线隧道净空加宽直墙衬砌内轮廓内轨顶面隧道中线内侧线路中线外侧线路中线曲墙衬砌内轮廓890Wd1d2245+W1400+W3245+W2图 2.4.7 双线隧道曲线加宽示意图图 2.4.8 单线隧道曲线加宽示意图曲线隧道中心线加宽后隧道内轮廓线W内dW外直线隧道中心线直线隧道内轮廓线最高时速200km的新建铁路单、双线隧道内净空面积采用52m2和80m2断面形式也是经过优化比选的，既充分满足了空气动力学效应标准的要求，又完全满足建筑物接近限界及其它工程使用空间的需要，且留有富余量，考虑到最高时速200公里新建铁路隧道线路采用最小圆曲
36、线半径2200m，推荐圆曲线半径为35006000m，按铁路隧道设计规范曲线隧道的加宽也是较小的，完全在富余量以内，可以不考虑内轮廓加宽，见表2.4.2。表2.4.2 按铁路隧道设计规范计算的最高时速200公里新建铁路曲线隧道加宽表圆曲线半径(m)外轨超高(mm)隧道内外侧加宽总和(cm)25004515300035124000259最高时速200km/h以上的新建铁路单、双线隧道，因考虑满足空气动力学标准的要求，其净空已满足建筑物接近限界需要，且留有富余量。因此，曲线上的隧道内轮廓不考虑曲线加宽。2.4.3.曲线隧道与直线隧道衬砌的衔接方法图2.4.9 曲线隧道与直线隧道衬砌衔接方法平面示意
37、图根据铁路隧道设计规范规定：位于曲线地段的隧道，断面加宽除圆曲线部分按上述计算值予以加宽外，缓和曲线部分可分两段加宽，即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22 m，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）(图2.4.9)。2.5铁路隧道构造设计隧道可分为主体建筑物和附属建筑物。前者是为了保持隧道的稳定，保证隧道正常使用而修建的，由洞身结构及洞门组成。后者指保证隧道正常使用所需的各种辅助设施，例如铁路隧道供过往行人及维修人员避让列车而设的避车洞、长大隧道中为加强洞内外空气更换而设的机械
38、通风设施以及必要的消防、报警装置等等。2.5.1衬砌构造(1)衬砌类型开挖后的隧道，为了保持围岩的稳定性，一般需要进行支护和衬砌。支护的主要方式有：锚杆、钢架、钢筋网、喷射混凝土及其它的组合。衬砌的主要方式有：整体式混凝土衬砌、拼装式衬砌、喷射混凝土衬砌和复合式衬砌等。整体式混凝土衬砌隧道开挖后，以较大厚度和刚度的整体模筑混凝土作为隧道的结构。为防止围岩掉坎，坍塌，采用支撑或临时支护（传统上为各类支撑，如木支撑、钢支撑等），随着喷锚技术形成改为喷锚支护。但这种支撑或支护现作临时支护，而不作为结构的组成部分。整体式衬砌按照工程类比不同的围岩类别采用不同的衬砌厚度，其形式有直墙式和曲墙式两种，而曲
39、墙式又分为有仰拱和无仰拱两种。当有较大的偏压、冻胀力、倾斜的滑动推力或施工中出现大量坍方以及七度以上地震区等情况时，则应根据荷载特点进行个别设计。 1)直墙式衬砌这种类型的衬砌适用于地质条件比较好，垂直围岩压力为主而水平围岩压力较小的情况。主要适用于I级围岩，在短距离的高级别围岩相同的级围岩区段也可采用。衬砌由上部拱圈、两侧竖直边墙和下部铺底三部分组合而成。图2.5.1为铁路隧道级围岩直墙式衬砌定型设计图，拱部内轮廓线系由三心圆曲线组成。图2.5.1 铁路隧道级围岩整体式衬砌标准图 图2.5.2 铁路隧道级围岩整体曲墙式衬砌标准图2)曲墙式衬砌曲墙式衬砌适用于地质较差，有较大水平围岩压力的情况
40、。主要适用于级及以上的围岩，级围岩双线。多线隧道也采用曲墙有仰拱的衬砌。它由顶部拱圈、侧面曲边墙和底板(或铺底)组成。除在级围岩无地上水，且基础不产生沉降的情况下可不设仰拱，只做平铺底外，一般均设仰拱，以抵御底部的围岩压力和防止衬砌沉降，并使衬砌形成一个环状的封闭整体结构，以提高衬砌的承载能力，图2.5.2为铁路隧道V级围岩整体曲墙式衬砌标准图，其内部轮廓线由五心圆曲线组成。装配式衬砌装配式衬砌是将衬砌分成若干块构件，这些构件在现场或工厂预制，然后运到坑道内用机械将它们拼装成一环接着一环的衬砌。这种衬砌的特点是：拼装成环后立即受力，便于机械化施工，改善劳动条件，节省劳力。目前多在使用盾构法施工
41、的城市地下铁道和水底隧道中采用。在铁路、公路隧道中由于装配式衬砌要求有一定的机械化设备，施工工艺复杂，衬砌的整体性及抗渗性差而未能推广使用。锚喷式衬砌锚喷式衬砌是锚喷结构既作为隧道支护，又作为隧道永久结构的形式。它具有隧道开挖后衬砌及时，施工方便和经济的显著特点，特别是纤维喷射砼技术显著改善喷混凝土性能后，在围岩整体性较好的军事工程、各类用途的使用期较短及重要性较低的隧道中广泛使用。在公路、铁路隧道设计规范中，都有根据隧道围岩地质条件、施工条件和使用要求可采用锚喷衬砌的规定。铁路隧道设计规定中规定，锚喷衬砌设计应符合下列要求：锚喷衬砌内轮廓线应比整体式衬砌适当发大，除考虑施工误差和位移量外，应
42、再预留10cm作为必要时补强用。遇下列情况不应采用锚喷衬砌：地下水发育或大面积淋水地段；能造成衬砌腐蚀或特殊膨胀性围岩地段；最冷月平均气温低于5地区的冻害地段；有其它要求的隧道。复合式衬砌图2.5.3 铁路隧道IV级围岩复合式衬砌标准图复合式衬砌把衬砌分成两层或两层以上，可以是同一种型式、方法和材料施作的，也可以是不同型式、方法、时间和材料施作的。目前大都采用内外两层衬砌。按内外衬砌的组合情况可分为：锚喷支护与混凝土衬砌；根据围岩条件不同分别采用不同的断面形式和支护、衬砌参数。如图2.5.3所示铁路隧道IV级围岩复合式衬砌标准图。复合式衬砌是先在开挖好的洞壁表面喷射一层早强的混凝土(有时也同时
43、施作锚杆)，凝固后形成薄层柔性支护结构(称初期支护)。它既能容许围岩有一定的变形，又能限制围岩产生有害变形，其厚度多在520之间。一般待初期支护与围岩变形基本稳定后再施作内衬。为了防止地下水流入或渗入隧道内，可以在外衬和内衬之间设防水层，其材料可采用软聚氯乙烯薄膜、聚异丁烯片、聚乙烯等防水卷材，或用喷涂防水涂料等。总之，复合式衬砌可以满足初期支护施作及时、刚度小易变形的要求，且与围岩密贴，从而能保护和加固围岩，充分发挥围岩的自承作用。二衬后，衬砌内表面光滑平整，可以防止外层风化，装饰内壁，增强安全感，是一种合理的结构形式，是目前公路铁路隧道主要的结构形式。2.5.2洞门与明洞(1)洞门洞门的作
44、用洞门的作用有以下几个方面：1)减少洞口土石方开挖量。洞口段范围内的路堑是根据地质条件以一定坡率开挖的，当隧道埋置较深时，开挖量较大，设置隧道洞门可以起到挡土墙的作用，减少土石方开挖量。2)稳定边、仰坡。修建洞门可减小引线路堑的边坡高度，缩小正面仰坡的坡面长度，使边坡及仰坡得以稳定。3)引离地表水流。地表水流往往汇集在洞口，如不排除，将会浸害线路，妨碍行车安全。修建洞门可以把水流引入侧沟排走，确保运营安全。4).装饰洞口。洞口是隧道唯一外露部分，是隧道的正面外观。修建洞门可起装饰作用，特别在城市附近、风景区及旅游区内的隧道更应配合当地的环境，给予艺术处理进行美化。洞门的形式由于隧道洞口所处的地
45、形、地质条件不同，洞门形式也有所不同，主要有如下几种，如图2.5.4所示：1).洞口环框当洞口石质坚硬稳定(II级围岩)，且地形陡峻无排水要求时，可仅修建洞口环框，以起到加固洞口和减少洞口雨后滴水的作用。2).端墙式(一字式)洞门端墙式(一字式)洞门是最常见的洞门。它适用于地形开阔、石质较稳定(级围岩)的地区，由端墙和洞门顶排水沟组成。端墙的作用是抵抗山体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排走。3)翼墙式(八字式)洞门图2.5.4洞门形式图当洞口地质较差(级及以上围岩)，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。翼墙在正面起到抵抗山体纵向推力，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相一致，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。4).柱式洞门