隧道的结构构造

3.隧道的结构构造

道路隧道结构构造包括主体构造物和附属构造物两大类。主体构造物通常指洞身衬砌和洞门构造，洞身衬砌的形状由道路隧道的几何设计确定，厚度由计算确定。在山体坡面可能发生崩塌和落石时，通常接长洞身或修筑明洞。洞门构造型式由岩体稳定性、通风方式、照明状况、地形地貌和环境条件等因素决定。附属构造物是为了运营管理、维修养护、给水排水、供蓄发电、通风、照明、通讯、安全等修建的构造物。

（1）洞身衬砌

隧道衬砌结构形式主要根据地质地形条件、受力情况、施工方法等因素确定，主要的结构形式有直墙整体式衬砌、曲墙整体式衬砌、装配式衬砌、锚喷支护、复合式衬砌。由于衬砌需要承受较大的围岩压力、地下水压力、化学物质的侵蚀、高寒地区的冻害等，因此要求衬砌材料应有足够的强度、耐久性、抗渗性、耐腐蚀性和抗冻性等。常用的衬砌材料有混凝土、钢筋混凝土、喷射混凝土、锚杆和石料等。

直墙式衬砌适用于地质条件较好，以垂直围岩压力为主的情况。衬砌由上部拱圈、两侧竖直边墙和下部铺底三部分组成。上部拱圈轴线采用半圆、圆弧或三心拱形。两侧边墙和拱圈是等厚的，洞内一侧设置排水沟，这一侧的边墙基础要深一些。如图3.46所示。

图3.46　直墙式衬砌

曲墙式衬砌适用于地质条件较差，岩体破碎松散，强度低，存在地下水，且侧向水平压力较大的情况。它由顶部拱圈、侧边曲边墙和底部仰拱组成，如图3.47所示。对于Ⅲ类围岩，无地下水，基础不产生沉陷时，可以不设置仰拱，只作平铺。仰拱虽然是圆弧形，但洞内一侧需要设置排水沟，因此其结构并不是对称的。

图3.47　曲墙式衬砌

随着隧道施工机械化的发展，出现了装配式衬砌。构件在工厂或者现场预制好，然后运入隧道内，由机械拼装而成，装配好后可以承受岩土压力，如图3.48所示。

图3.48　装配式衬砌

锚喷支护是喷射混凝土、锚杆、钢筋网喷射混凝土等结构组合起来的支护形式，可以根据围岩的稳定性，采用锚喷支护的一种或几种结构的组合。锚喷支护是一种积极主动的支护方法，可以充分发挥围岩自身的自承能力，把以前视为外荷载的围岩，变成整个支护系统的一个组成部分，共同担负支护任务。

复合式衬砌由外衬和内衬两层组成，一般外衬为喷锚支护，内衬为整体混凝土衬砌，采用新奥法施工，如图3.49所示。施工时先在洞壁表面上喷射混凝土，安装锚杆，形成柔性支护。柔性支护和围岩共同变形，释放围岩变形压力，使外衬和围岩共同组成的初步支护体系处于暂时平衡状态，保证施工安全。内衬整体混凝土是刚性的，在施工中根据围岩变形和施工工艺，在时间和空间上与外衬相隔一段时间和一段距离施工。为了防止地下水深入隧道内，在外衬而后内衬之间铺设一层塑料防水板、土工布或土工复合膜作防排水层。

图3.49　复合式衬砌示意图

（2）洞门

隧道洞门是隧道两端的外露部分，是联系洞内衬砌和洞外路堑的支护部分。洞门用以保证洞口边坡的安全和仰坡的稳定，引离地表流水，减少洞口土石方开挖量。应根据隧道洞口的地形、地质条件、隧道照明等因素确定洞口形式，适当对洞口环境进行美化。道路隧道对照明要求高，为了处理好司机通过隧道时一系列视觉变化，有时应在入口一侧设置减光棚等，为洞外环境作减光处理。这样洞门位置就不再设置洞门建筑，而是用明洞和减光建筑将衬砌接长，直至减光建筑物的端部，构成新的入口。当岩土体可能滚落碎石时，一般应接长明洞，减少对仰坡和边坡的扰动，使洞门离开仰坡底部一段距离，确保落石不滚落在行车道上。

洞门还须具备拦截、汇集、排除地表水的功能，使地表水沿着排水沟有序离开洞门，防止地表水沿着洞门流入洞内。洞门上方女儿墙应有一定高度，并有排水沟渠。常见的洞门形式主要有端墙式、翼墙式、柱式、斜交式、喇叭口式、台阶式和环框式等。如图3.50所示。

图3.50　常见的洞门形式

（a）端墙式洞门（b）翼墙式洞门（c）台阶式洞门（d）柱式洞门

（3）明洞

当隧道埋深较浅，上覆岩土体较薄，难以采用暗挖时，应采用明挖法修建隧道，用明挖法修筑的隧道结构，称之为明洞，多用于隧道洞口或有落石、塌方等地段，在隧道洞口或线路上起防护作用。明洞结构形式根据地形、地质和危害程度确定，采用最多的拱式明洞和棚式明洞。

拱式明洞由拱圈、边墙和仰拱组成，其内轮廓和隧道一致。由于其周围为回填的土石，无可靠围岩抗力支持，故其结构截面尺寸要略大一些。如图3.51所示。

图3.51　装配式衬砌

有些傍山隧道，地形自然横坡比较陡，外侧没有足够的场地设置外墙及基础来确保隧道稳定性，这时可以采用棚式明洞，如图3.52所示。棚洞是一种框架结构，其顶上不是拱圈而是平板梁，内墙一般为重力式墩台结构，以抵抗山体的侧向压力。棚洞的基础必须设置在稳定基岩上，若是侧坡较陡，地表水不大，坡面稳定坚实，采用重力式内墙开挖量太大时，也可以采用钢筋混凝土锚杆挡墙的形式。棚洞常见的结构形式有盖板式、刚架式和悬臂式三种。

图3.52　复合式衬砌示意图

（4）附属建筑物

为了保持隧道正常运营，除了上述主体建筑物外，还需要一些附属建筑物，包括防水、排水、电力、通风、通讯等设施。不同用途的隧道在附属设施有一定差异，如铁路隧道为保障洞内行人、维修人员和维修设备的安全，需要修建避车洞。

公路隧道为了保障行车安全，其环境需要保持在合适的水平上。可以通过内装修提高隧道内的环境，增强能见度，吸收噪音，如图3.53所示。内装修材料应表面光洁，可以吸收噪音，具有抗污染和抗腐蚀的性能。顶棚可以提高照明效果，通过顶棚的发光使路面产生二次反射，增加路面亮度。顶棚采用漫反射材料可以避免眩光。顶棚在变坡点附近可以令司机觉察障碍和隧道内的异常现象，另外也可以起到美化作用。

图3.53　公路隧道的内部装修