隧道的几何设计

2.隧道的几何设计

隧道的几何设计主要研究车辆行驶与隧道各个几何元素的关系，在设计速度、预计交通量、通风、照明、安全设施等条件下，确保行驶安全、经济、旅客舒适以及隧道美观等。因此，隧道几何设计把隧道中心线剖分为隧道平面、纵断面和净空断面来分别研究处理。

隧道平面线形除了应满足有关规范要求外，还应考虑到隧道运营和养护条件比洞外明线差的特点。隧道平面线形原则上采用直线，避免曲线。当必须设置曲线时，其半径也不宜小于不设超高的平面曲线半径。如果采用小半径曲线，则会产生视距问题，为确保视距，势必要加宽断面，从而增加工程费用。断面加宽，断面不统一，导致施工困难。设置超高时，也会导致断面加宽。一般在隧道内禁止超车，所以只能采用停车视距，根据停车视距可以计算处设置曲线时不加宽的最小平曲线半径。

即使曲线隧道不加宽，在测量、衬砌、内装饰、吊顶等工作也很复杂。另外，曲线隧道对通风很不利。从上述方面考虑一般不推荐采用曲线隧道。不过，是否采用曲线，应根据隧道洞口地形地质条件和引道线形等综合考虑。如沿河线的傍山隧道穿越山嘴时，就必须出现如图3.43所示的曲线隧道。再如原设计为直线的隧道，施工中如遇到溶洞，不得不改线绕行时也会出现部分曲线隧道。由隧道和前后引道组成的路段应线形平顺、连续，行车安全舒适，并于环境景观协调一致。

图3.43　曲线隧道示意图

隧道纵断面是隧道中心线展直后在垂直面上的投影。隧道内线路坡度可设置为单面坡或人字坡两种，如图3.44所示。一般单向坡设置在越岭线路的展线及沿河线隧道中，单向坡隧道在运行时通风和排水较好，但施工时存在一些困难；人字坡长出现在越岭隧道中，施工时有利于从两端出渣和排水，但对运营通风不利。

图3.44　单面坡和人字坡

隧道控制坡度的主要因素是通风问题。随着纵坡增大，汽车排出的有害物质也急剧增多，一般把纵坡控制在2％以下较好。采用人字坡从两个洞口开挖隧道时，容易排出施工涌水，但通风条件稍差，为便于控制和排放有害气体，纵坡控制在1％以下为宜。考虑到隧道施工和建成后洞内排水需要，隧道内的纵坡也不应小于0.3％。在高寒地区，为减少冬季排水沟产生冻害，应适当加大纵坡，增加水流动能，从而有利于排水。

隧道纵坡会影响施工作业安全和工程费用。纵坡变更处应根据视距要求设置竖曲线，其半径和竖曲线最小长度应符合工程设计标准的规定。为了提高视线的诱导作用，在隧道中只能选择较大的竖曲线长度。

高速公路和一级公路的特长隧道和长隧道，发生事故时，为了应急抢险，疏导车辆，迅速消除交通拥挤，减少损失，应设置紧急停车带。根据国际道路常设委员会隧道委员会的建议，长度超过2km以上的隧道必须设置宽2.5m、长25～40m的紧急停车带，间距为750m。1km以上的特长隧道应设置供大型车辆使用的U形回车场。单车道隧道，为保证运输安全，除了在两端洞外设置错车道外，洞内根据隧道长度也应设置间距不大于200m的错车道。隧道内排水边沟设计应根据人行道、检修道或余宽等因素考虑。

隧道净空是隧道衬砌内轮廓线所包围的空间，包括建筑界限、通风、照明、防灾设备、监控设备、运行管理设备及其他方面所需要的断面积，如图3.45所示。应根据围岩压力求得断面形状和尺寸的最佳经济值。隧道建筑界限是为保证隧道内各种交通正常运行与安全，规定在一定宽度和高度范围内不得有任何障碍物的空间界限，包括车道、路肩、路缘带、人行道等宽度和车道、人行道的净高。在设计中，应充分研究各种车道与公路设施之间的空间关系。任何部件均不得侵入隧道建筑界限之内。

图3.45　隧道净空

为了消除或减少隧道边墙对驾驶员造成恐慌心理，保证一定车速的安全通信，应在行车道两侧设置一定宽度的路缘带、余宽或人行道，以满足侧向净空的需要。隧道的净空除了应符合隧道建筑界限规定外，还应考虑洞内排水、通风、照明、防火、监控、营运管理等附属设施所需要的空间，并考虑土压力及施工等影响，使确定的断面形式和尺寸安全、经济、合理。应尽量选择净断面利用率高、结构受力合理的衬砌形式。

受地质条件影响，隧道宽度过大不经济，也增加施工难度，因此高速公路和一级公路一般设计为上下行分离的两个独立隧道。两个相邻隧道的最小净距根据围岩类别、断面尺寸、施工方法、爆破震动影响等因素确定。从理论上说，两个相邻隧道应分别设置在围岩压力相互影响和施工影响范围之外，或者说其间岩柱应具有足够的强度和稳定性，不致于危及相邻隧道的施工和结构的安全，保证车辆安全运行。但是由于影响两个相邻隧道间距的因素较多，且这些因素难以定量确定，因此一般根据经验和工程类比分析方法确定。

隧道洞口连接线的平面和纵断面线形应于隧道线形相配合，应有足够视距和行驶安全。尤其在进口一侧，需要在足够距离外能够识别处隧道洞口。为了使车辆顺利驶入隧道，驾驶员应提前知道前方有隧道。通常当车辆驶进隧道但还有一段距离时，驾驶员为了集中精力观察洞口附近情况，及时察觉障碍物，采取适当措施，保证行车安全，就需要有足够的安全视距。把开始注视的点成为注视点，从注视点到安全视距点所需要的时间成为注视时间，从注视点到洞口采用通视线形极为重要。在洞口附近设置平面曲线或竖曲线的变更点时，应以不妨碍观察隧道且有足够的注视时间为最低限度。

为设置竖曲线，保证各级公路停车，确保有一定的会车视距，隧道两端的接线纵坡应有一段距离与隧道纵坡保持一致。如果洞口前为陡坡，车速会降低，进入隧道后车辆加速行驶，必然增加排气量，所需要的通风设备也相应增加。另外，设计接线时还应考虑洞口附近的桥梁和路堤等。