隧道结构设计，这几招让你热血沸腾
一、衬砌
1
衬砌形式
整体式模筑混凝土衬砌 —就地灌筑混凝土衬砌
装配式衬砌—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。
喷锚支护—喷射混凝土 和加设锚杆、金属网和钢架 共同支护
复合式衬砌—外衬和内衬两层，所以也叫它为“双层衬砌”
喷锚支护
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衬砌的适用条件
整体式模筑混凝土衬砌 — 对地质条件的适用性较强，易于按需要成型，整体性好，抗渗性强，并适用于多种施工条件，如可用木模板、钢模板或衬砌模板台车等
装配式衬砌 — 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的城市地下铁道中采用。
喷锚支护 — 喷锚支护是目前常用的一种围岩支护手段，适用于各种围岩地质条件，但是若作为永久衬砌，一般考虑在Ⅰ、Ⅱ级等围岩良好、完整、稳定的地段中采用。
复合式衬砌 — 是一种较为合理的结构形式，适用于多种围岩地质条件， 有其广阔的发展前途。
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衬砌的一般结构要求
混凝土与钢筋混凝土
隧道工程所用的混凝土强度等级不应低于C15
洞门用混凝土整体灌筑，其强度不应低于C20
强度等级对于衬砌段不应低于C20，对于洞门不应低于C15
片石混凝土
在岩层较好地段的边墙衬砌，可采用片石混凝土（片石的掺量不应超过总体积的20%）。
当起拱线以上1m以外部位有超挖时，其超挖部分也可用片石混凝土进行回填。
选用的石料要坚硬，其强度等级不应低于MU40，有裂隙和易风化的石料不应采用。
石料和混凝土预制块
石料或混凝土预制块用强度等级不低于M10的水泥砂浆砌筑衬砌。石料的强度等级不应低于MU60，并且有裂隙和易风化的石料不应采用。混凝土预制块强度等级不应低于MU20。
喷射混凝土
喷射混凝土的强度等级采用C20，所用的水泥应优先采用硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥
喷射钢纤维混凝土中的钢纤维宜采用普通碳素钢制成，等效直径为0.3～0.5㎜的方形或圆形断面，长度宜为20～25㎜
锚杆
锚杆的杆体宜用20 MnSi钢筋，也可采用Q235钢筋；缝管式锚杆宜采用16 MnSi钢管，亦可采用Q235钢管；锚杆直径宜为18～22㎜，垫板可采用Q235钢板。
装配式材料
对于衬砌材料，可采用一些装配式材料，如钢筋混凝土大型预制块、加筋肋铸铁预制块等
铁路隧道净空及要求
直线隧道净空
机车车辆限界 — 它是指机车车辆最外轮廓的限界尺寸
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
隧道建筑限界 — 它是指包围“基本建筑限界”外部的轮廓线
直线隧道净空— 要比“隧道建筑限界”稍大一些，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。
基本建筑限界
最大级超限货物装载限界
隧限-1A和隧限-1B
隧限-2A和隧限-2B
单线电力牵引铁路隧道衬砌内轮廓
双线电力牵引铁路隧道衬砌内轮廓
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）。
车辆通过曲线时的平面图
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）。
加宽值的计算
- 单线曲线隧道加宽值的计算
· 车辆中间部分向曲线内侧的偏移d内1
式中l — 车辆转向架中心距，取18m；
R — 曲线半径（m）
车辆通过曲线时的横断面图
车辆两端向曲线外侧的偏移d外
式中 L— 标准车辆长度，我国为26m。
外轨超高使车体向曲线内侧倾移d内2
式中H—— 隧道限界控制点自轨面起的高度
E —— 曲线外轨超高值，其最大值不超过15㎝，且
在我国铁路标准设计中，d内2系将相应的隧道建筑限界绕内侧轨顶中心转动arctg
角求得，可近似取d内2=2.7E （㎝）。
对于单线曲线隧道净空的加宽值为：
内侧加宽：
外侧加宽：
总加宽：
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与单线曲线隧道加宽值的计算相同。即
内侧加宽：
外侧加宽：
当外侧线路的外轨超高大于内侧线路的外轨超高时
式中 H—— 车辆外侧顶角距内轨顶面的高度，取360㎝；
E—— 外侧线路的外轨超高值（㎝）；
R—— 曲线半径（m）。
其它情况时
总加宽
曲线隧道中线与线路中线偏移距离
单线曲线隧道如图3-10所示，隧道中线与线路中线偏移距离d为：d =（W1－ W2） （㎝）
双线曲线隧道如图3-11所示，内侧线路中线至隧道中线的距离为d1= 200－（W1－ W2－ W3） （㎝）
双线曲线隧道外侧线路中线至隧道中线的距离为
d2= 200 +（W1－ W2+ W3） （㎝）
单线曲线隧道中线偏移
曲线隧道与直线隧道衬砌的衔接方法
《铁路隧道设计规范》规定：位于曲线地段的隧道，其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22m，采用缓和曲线中点加宽断面，其加宽值取圆曲线之半（按W/2值加宽）
双线曲线隧道中线偏移
曲线隧道与直线隧道衬砌的衔接
公路隧道的净空
公路隧道建筑限界一般规定如图所示。图中各符号的含义如下：
W—行车道宽度；
S—行车道两侧路缘带宽度；
C—余宽，当计算行车速度≥100km/h时为0.5m，小于100km/h时为0.25m；
H—净高，一条公路应用一个净高，高速公路和一级、二级公路为5.0m；三、四级公路为4.5m；
E—建筑限界顶角宽度，当L≤1m时，E=L；当L＞1m时，E=1m；
L—侧向宽度，高速公路、一级公路的侧向宽度为硬路肩宽度（L1或L2），其它各级公路的侧向宽度为路肩宽度减去0.25m；
公路隧道建筑限界
隧道衬砌的其它构造要求
一般单线隧道洞口应设置不小于5m长的模筑混凝土衬砌，双线和多线隧道应适当加长；
围岩较差段的衬砌应向围岩较好地段延伸5～10m；
偏压衬砌段应延伸至一般衬砌段内5m以上；
不设仰拱的隧道应做底板，单线隧道其厚度不得小于20㎝，双线隧道其厚度不得小于25㎝；
对衬砌有不良影响的硬软地层分界处，应设置变形缝；
电力牵引的隧道，其长度大于2000m及位于隧道群地段和车站两端时，为了使接触网有良好的工作和维修条件，应根据需要设置接触网补偿下锚的衬砌段。
运营通风洞、联络通道等与主隧道连接处的衬砌设计应做加强处理。
二、洞身支护结构的构造
1
整体式模筑混凝土衬砌
直墙式衬砌
适用于地质条件比较好，属于我国铁路隧道围岩分类中的Ⅱ、Ⅲ级围岩，有时也可用于Ⅳ级围岩；
围岩压力以竖向为主，几乎没有或仅有很小的水平侧向压力 ；
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 ；
单线直墙式衬砌
在地质条件较好时，为了节省圬工，直墙式衬砌在构造上采取若干改进措施。例如在整体岩层坚固的情况下，几乎没有什么水平侧压力，也没有地下水侵入，则可采用大拱脚喷混凝土（或喷砂浆）边墙衬砌；
在地质条件尚好，侧压力不大，但又不宜采用大拱脚喷混凝土（或喷砂浆）边墙衬砌时，为了节省边墙圬工，可以简化边墙
大拱脚喷混凝土边墙衬砌
2
曲墙式衬砌
适用于地质比较差，岩石松散破碎，强度不高，又有地下水，侧向水平压力也相当大的Ⅳ、Ⅴ和Ⅵ级围岩情况 · 由顶部拱圈，侧面曲边墙和底部仰拱（或铺底）所组成 · 除在Ⅳ级围岩无地下水，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 。
连拱式 边墙衬砌
图为单线非电气化铁路隧道衬砌Ⅴ级围岩直线断面曲墙式衬砌标准图，其内部轮廓线由五心圆曲线组成。
单线非电气化铁路隧道衬砌
双线或三线隧道的洞身衬砌，可以采取单孔式，四线隧道可采取双孔式。单孔式衬砌应满足双线或三线隧道衬砌净空要求。
双孔式 四线隧道衬砌
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装配式衬砌
优点
经装配成环，不需养生时间，即可承受围岩压力；
预制的构件可以在工厂成批生产、在洞内可以机械化拼装，从而改善了劳动条件；
拼装时，不需要临时支撑如拱架、模板等，从而节省大量的支撑材料和劳力；
拼装速度因机械化而提高，缩短了工期，还有可能降低造价。
应满足的条件
强度足够而且耐久；
能立即承受荷载；
装配简便，构件类型少，形式简单，尺寸统一，便于工业化制作和机械化拼装；
构件尺寸大小和重量适合拼装机械的能力；
有防水的设施
4
喷锚支护
喷射混凝土支护层
喷射混凝土的拌和材料是：标号不低于325号的普通硅酸盐水泥和粒径不应大于16mm的坚硬耐久的卵石或碎石，以及不含土质或杂物的河沙，再加上少量的速凝剂
喷层的厚度一般最薄不应小于125px,最厚应不大于625px，
在比较松散软弱的岩层中，可以加金属网或钢支撑，使之结合成一体，变为钢筋混凝土层
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锚杆
锚杆是一种插入到围岩岩体内的杆形构件 ；
利用锚杆杆体或杆端锚头的膨胀作用，或利用灌浆粘结，把锚杆固定在岩体内；
增加了岩体的紧密程度，补强了抗剪能力，起到了组合、悬吊及挤压加固的作用，提高了围岩的自稳能力。
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复合式衬砌
外衬（亦称初次衬砌）— 使用能达到早强的喷射混凝土和锚杆，使柔性的外衬既能容许围岩有所变形，而又约束它不让它变形发展太大太快
内衬（亦称二次衬砌）— 内衬可以用喷射混凝土层柔性结构，也可以用较厚的模筑混凝土
防水层 — 内外层衬砌之间的防水层可以用软聚氯乙烯薄膜、聚异丁烯片、聚乙烯片等防水卷材，或用喷涂乳化沥青等防水剂
复合式衬砌最适宜在Ⅱ～Ⅵ级围岩中使用，但遇到下列情况时，应慎重对待。必要时应辅以相应的加固措施。
拱顶以上覆盖厚度小于隧道直径时
有明显偏压力时；
在无自稳能力的未胶结砂砾石地层中时；
在大膨胀性的地层中时；
在大涌水的地层中时；
在严重冻害的地区中时。
三、明洞的构造
明洞是用明挖法修建的隧道，是在露天的路堑地面上，或是在敞口的基坑内，先修筑结构物，然后再回填覆盖土石。如图所示。
明洞位置示意图 路堑式拱形明洞
1
拱式明洞
路堑式拱形明洞
路堑式拱形明洞位于两侧都有高边坡的路堑中；
路堑式拱形明洞适用于路堑边坡处于对称或接近对称，边坡岩层基本稳定，仅防边坡有少量坍塌、落石，或用于隧道洞口岩层破碎，覆盖层较薄而难以用暗挖法修建隧道时；
承受对称荷载，拱、墙均为等截面，边墙为直墙式。
偏压直墙式拱形明洞
适用于两侧边坡高差较大的不对称路堑。
承受不对称荷载，拱圈为等截面，边墙为直墙式，外侧边墙厚度大于内侧边墙的厚度。
偏压斜墙式拱形明洞
适用于地形倾斜，低侧处路堑外侧有较宽敞的地面供回填土石，以增加明洞抵抗侧向压力的能力。
承受偏压荷载，拱圈为等截面，内侧边墙为等厚直墙式，外侧边墙不等厚斜墙式。
半路堑单压式拱形明洞
受单侧的压力，结构内轮廓与隧道一致，左右对称，结构截面左右不同，内侧边墙为等厚直墙，外墙需要相对地加大，而且必须把基础放在稳固的基岩上；
拱圈也可能采用变截面，以抵抗单侧的压力。
当外侧地形低下，不能保持回填土的天然稳定坡度，或是按天然稳定坡度则边坡将延伸很远时，可以在结构的外墙顶上，接高一段挡墙，用以拦截土石的流走，称之为耳墙式拱形明洞
当外侧边墙基底地质不好，不足以承受外墙传来的压力而必须把基础放到下方较深的基岩上时，外墙可以延伸直达基岩，成为内、外墙不同，内短外长的形式，称为长腿式拱形明洞
如果明洞外侧覆盖土不厚，还可以掏成侧洞，使露天的光线可以射进来，外界的新鲜空气可以流进来，改善了明洞内的环境条件 。
耳墙式拱形明洞
长腿式拱形明洞 连拱形外墙明洞
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棚洞
棚式明洞常见的结构形式有盖板式、刚架式和悬臂式三种。
盖板式棚洞
盖板式棚洞是由内墙、外墙及钢筋混凝土盖板组成的简支结构；
外墙不受侧向压力，仅承受梁和盖板的竖向荷载时，它要求的地基承载力较小 ；
当外侧基岩较浅，地基基础承载力较大时，可采用立柱式。
盖板式棚洞
刚架式棚洞
当地形狭窄，山坡陡峻，基岩埋置较深而上部地基稳定性差时，可采用刚架式外墙，此时称明洞为刚架式明洞（有时也可采用长腿式明洞）；
侧刚架、内侧重力式墩台结构、横顶梁、底横撑及钢筋混凝土盖板组成。并做防水层及回填土石处理。
悬臂式棚洞
适用于稳固而陡峻的山坡，外侧地形难以满足一般棚洞的地基要求，落石不太严重的情况 ；
内墙为重力式，上端接筑悬臂式横梁，其上铺以盖板，在盖板的内端设平衡重来维持结构受外荷载作用下的稳定性 。
悬臂式棚洞
四、洞门结构的构造
洞门（隧道门的简称，通常也泛指隧道门及明洞门）是隧道洞口用圬工砌筑用以保护洞口、排放流水并加以建筑装饰的支挡结构物。
对于铁路隧道，隧道的长度就是其进出口洞门墙外表面与线路内轨顶面标高线交点之间的距离；
对于公路隧道，隧道的长度就是其进出口洞门墙外表面与路面的交线同路线中线交点间的距离。
洞门的作用
减少洞口土石方开挖量
稳定边仰坡
引离地面流水
装饰洞口
1
洞门结构的类型
隧道门
隧道门指修建在不设明洞的隧道洞口的支挡结构物，包括环框式洞门、端墙式洞门、翼墙式洞门、柱式洞门、台阶式洞门、斜洞门和耳墙式洞门等
明洞门
明洞门主要配合明洞结构类型设计，明洞有拱形明洞和棚洞之分，相应明洞门也分拱形明洞门和棚式明洞门两大类
棚式明洞门
环框式洞门
环框式洞门，即只镶饰隧道衬砌两端部分
适用于隧道洞口仰坡极为稳固，岩层坚硬，节理不发育，不易风化，地形陡峻而又无排水要求的地段
环框式洞门
端墙式洞
适用于自然山坡陡峻，洞门地形开阔，岩层较为坚硬完整，山体压力很小，开挖坡度1：0.3～1：0.5的洞口地段
起御土墙的作用，而且能支持洞口正面上的仰坡，并将从仰坡溜下来的地面水，汇集到排水沟中去
端墙式洞
端墙的构造要求
端墙的高度约在11.0m上下
端墙厚度应按挡土墙的方法计算，但不应小于：浆砌片石—0.5m；片石混凝土—0.5m；混凝土、块石—0.3m；钢筋混凝土—0.2m。
端墙宽度与路堑横断面相适应
柱式洞门
适用于洞口地形较陡，地质条件较差，岩层有较大侧压力，仰坡有下滑的可能性的地段
柱式洞门工程量较翼墙式洞门大，造价较高，施工也较为复杂
柱式洞门
翼墙式洞门
当洞口地质较差，山体纵向推力较大时，可以在端墙式洞门以外，增加单侧或双侧的翼墙（挡墙），成为翼墙式洞门
翼墙式洞门的正面端墙一般采用等厚的直墙，微向后方倾斜，斜度为1：10
翼墙式洞门
耳墙式洞门
耳墙式洞门即带耳墙的翼墙式洞门,将翼墙式洞门端墙两侧各接出一个耳墙至边坡内，呈带耳墙的结构，形成耳墙式洞门
对于排泄仰、边坡地表汇水，阻挡洞顶风化剥落体，效果良好，并可大大减少对坡面的冲刷
洞口显得宽敞，结构式样比较美观，而且对于边、仰坡坡度不一致的洞口，设计时亦便于处理
耳墙式洞门
台阶式洞门
当洞门处于傍山侧坡地区，地面横坡较陡，洞门一侧边坡较高时，为了减小仰坡高度及外露坡长，可以将端墙一侧顶部改为逐步升级的台阶形式，以适应地形的特点，减少仰坡土石开挖量。这种洞门也有一定的美化作用
台阶式洞门
斜交式洞门
当线路方向与地形等高线斜交时，为了避免出现此种现象，通常应将隧道洞门做成近于平行地形等高线方向设置，使洞门左右可以仍保持近似对称，修建成斜交隧道门，简称斜洞门。这样将使衬砌洞口段和洞门相对于线路呈斜交形式 。在松软地层中，不宜采用斜洞门 。
拱形明洞门
拱形明洞门可分为路堑式和半路堑式两类。路堑式明洞门有端墙式（常用柱式）和翼墙式两种，与一般隧道门形式相类似
柱式拱形明洞门路堑式 翼墙式拱形明洞门路堑式
半路堑式明洞门
多用于傍山线路，其山侧与原地层相接，为了适应傍山、横向地面坡陡的地形，一般也多以台阶形式加高端墙，并在山侧设置挡墙支挡边坡，降低开挖高度
台阶式拱形明洞门（半路堑式） 台阶式拱形明洞门（偏压式）