第3章-第三节-隧道平纵断面设计教材课件

隧道平纵断面设计 铁路隧道平面设计：隧道曲线设计铁路隧道平面设计：隧道曲线设计1.附加技术要求附加技术要求 坡道坡道形式形式 铁路隧道纵断面设铁路隧道纵断面设计计 坡度大小坡度大小 坡段长度坡段长度 坡段联结坡段联结 平面线形平面线形2.公路隧道的平面和纵断面线形公路隧道的平面和纵断面线形 纵断面线形纵断面线形 引线引线隧道内的线路是整条线路中的一个区段。隧道隧道内的线路是整条线路中的一个区段。隧道设计时，首先要满足线路明线所规定的各种技设计时，首先要满足线路明线所规定的各种技术指标。由于隧道的施工、运营养护及改建等术指标。由于隧道的施工、运营养护及改建等工作条件均比明线差，所以，在设计隧道内的工作条件均比明线差，所以，在设计隧道内的线路时，除了遵照线路明线所规定的技术指标线路时，除了遵照线路明线所规定的技术指标以外，还要附加上为适应隧道内工作条件的一以外，还要附加上为适应隧道内工作条件的一些技术要求。些技术要求。附加的技术要求可以从附加的技术要求可以从平面设计平面设计和和纵断面纵断面设计设计两个方面来阐述。两个方面来阐述。一一 隧道平面设计隧道平面设计直线隧道的优点直线隧道的优点 线线路路顺顺直直，列列车车可可以以快快速速通通过过，走走行行的的距距离离也也较较短短，有有利利于于列列车车多多拉拉快快跑跑，提提高高线线路路的的运运营效率。营效率。在隧道内，线路就更应设计成直线在隧道内，线路就更应设计成直线。曲线隧道的缺点曲线隧道的缺点 缺点缺点1 1：曲线上的隧道，由于列车倾斜和平移，隧道建筑曲线上的隧道，由于列车倾斜和平移，隧道建筑限界需要加宽，坑道的尺寸相应加大，不但增大了开挖限界需要加宽，坑道的尺寸相应加大，不但增大了开挖土石数量，而且增加了衬砌的圬工量；土石数量，而且增加了衬砌的圬工量；缺点缺点2 2：在不同曲率曲线上的隧道建筑限界加宽不同，隧在不同曲率曲线上的隧道建筑限界加宽不同，隧道的断面是变化的，因而施工时，支护和衬砌的尺寸均道的断面是变化的，因而施工时，支护和衬砌的尺寸均不一致，技术上较为复杂；不一致，技术上较为复杂；缺点缺点3 3：列车运行在曲线隧洞内，空气阻力比直线隧道大，列车运行在曲线隧洞内，空气阻力比直线隧道大，机车牵引力的损失大，降低了运营效率，甚至可能造成机车牵引力的损失大，降低了运营效率，甚至可能造成溜车事故；溜车事故；缺点缺点4 4：列车在曲线上行驶，产生了离心力，再加上洞内列车在曲线上行驶，产生了离心力，再加上洞内空气潮湿，使得钢轨磨损加速，从而使洞内的养护工作空气潮湿，使得钢轨磨损加速，从而使洞内的养护工作量增大；量增大；缺缺点点5 5：曲曲线线隧隧道道洞洞身身弯弯曲曲，洞洞壁壁对对气气流流的的阻阻力力加加大大，使使通风条件变坏，有害气体不易排出；通风条件变坏，有害气体不易排出；缺缺点点6 6：运运营营中中为为了了保保证证隧隧道道建建筑筑限限界界的的要要求求和和正正常常的的行行车车条条件件，需需要要经经常常检检查查线线路路平平面面和和水水平平，曲曲线线隧隧道道也也较直线隧道增加了维护作业量和难度；较直线隧道增加了维护作业量和难度；缺缺点点7 7：由由于于曲曲线线关关系系，洞洞内内进进行行施施工工测测量量时时，操操作作变变得复杂，精度也有所降低。得复杂，精度也有所降低。由此可见，从节省工程投资、减少施工难度、简由此可见，从节省工程投资、减少施工难度、简化洞内施工维修作业并缩短作业时间、争取较好化洞内施工维修作业并缩短作业时间、争取较好的通风条件、改善维修养护人员和乘务员的工作的通风条件、改善维修养护人员和乘务员的工作环境及看视条件以及提高行车速度等方面来看，环境及看视条件以及提高行车速度等方面来看，直线隧道都优于曲线隧道，因此隧道内的线路应直线隧道都优于曲线隧道，因此隧道内的线路应该设计为直线，这在一般情况下是容易做到的。该设计为直线，这在一般情况下是容易做到的。但是，由于受到某些地形的限制或是地质的原因，但是，由于受到某些地形的限制或是地质的原因，有时也不得不采用曲线。有时也不得不采用曲线。例如，当线路绕行于山嘴时，为了避免直穿隧道例如，当线路绕行于山嘴时，为了避免直穿隧道太长，或是为了便于开辟辅助性的施工横洞，有太长，或是为了便于开辟辅助性的施工横洞，有时也会有意识地设置与地形等高线相接近的曲线时也会有意识地设置与地形等高线相接近的曲线隧道。隧道。对于越岭线上的隧道，线路常常是沿着垭口的对于越岭线上的隧道，线路常常是沿着垭口的一侧山谷转入山体后，又沿顺垭口的另一侧山一侧山谷转入山体后，又沿顺垭口的另一侧山谷转出。可以使隧道较长的中段放在直线上，谷转出。可以使隧道较长的中段放在直线上，但由于地形原因，隧道两端为了转向都要落在但由于地形原因，隧道两端为了转向都要落在曲线上，这种情况是常见的。此时，如果垭口曲线上，这种情况是常见的。此时，如果垭口两侧沟谷地势开阔，则可将曲线放在洞口以外。两侧沟谷地势开阔，则可将曲线放在洞口以外。如果地势条件必须把曲线引进隧道，那么，施如果地势条件必须把曲线引进隧道，那么，施工时先按主体的直线隧道开挖，两端暂开直的工时先按主体的直线隧道开挖，两端暂开直的照准导坑，以补救曲线所形成的缺点，待全隧照准导坑，以补救曲线所形成的缺点，待全隧道的导坑开通后，再把两端按原设计的曲线调道的导坑开通后，再把两端按原设计的曲线调整过来，如图所示。整过来，如图所示。隧道设置曲线示例隧道设置曲线示例 隧道内的线路宜设置为隧道内的线路宜设置为直线直线，当因地，当因地形、地质等条件限制必须设计为曲线时，形、地质等条件限制必须设计为曲线时，宜采用宜采用较大的较大的曲线半径，慎用最小曲线曲线半径，慎用最小曲线半径，并宜将半径，并宜将曲线设在洞口附近曲线设在洞口附近。隧道。隧道内不宜设置反向曲线。内不宜设置反向曲线。-隧道设置曲线时应注意的问题隧道设置曲线时应注意的问题 应应尽尽可可能能采采用用较较短短的的曲曲线线或或半半径径较较大大的的曲曲线线，且且将将曲曲线线设设置置在在 隧隧道洞口附近为宜，使曲线的影响小一些。道洞口附近为宜，使曲线的影响小一些。在曲线两端应设缓和曲线时，最好不使洞口恰落在缓和曲线上。在曲线两端应设缓和曲线时，最好不使洞口恰落在缓和曲线上。隧道内若设圆曲线，其长度不应短于一节车厢的长度（隧道内若设圆曲线，其长度不应短于一节车厢的长度（26m）。）。在在一一座座隧隧道道内内最最好好不不设设一一个个以以上上的的曲曲线线，尤尤其其是是不不宜宜设设置置反反向向曲曲线线(S)或复合曲线。如果列车同时跨在两个曲线上，行驶很不稳当。或复合曲线。如果列车同时跨在两个曲线上，行驶很不稳当。当当必必须须设设置置两两条条曲曲线线时时，两两曲曲线线间间应应有有足足够够长长的的夹夹直直线线，一一般般是是要求在三倍车辆长度以上。要求在三倍车辆长度以上。第二节第二节 隧道纵断面设计隧道纵断面设计坡道形式坡度大小 坡段长度坡段联结 坡道形式坡道形式 隧隧道道处处于于地地层层之之内内，除除了了地地质质有有变变化化时时以以外外，线线路路的的坡坡型型本本来来不不受受什什么么限限制制，用用不不着着采采用用复复杂杂多多变变的的型型式式。一般可采用简单的一般可采用简单的单坡型单坡型或或人字坡型人字坡型。坡道形式坡道形式 单坡多用于线路的紧坡地段或是展线的地区，单坡多用于线路的紧坡地段或是展线的地区，因为单坡可以争取高程，拔起或降落一定的高度。因为单坡可以争取高程，拔起或降落一定的高度。此外，单坡隧道两洞口的高程差较大，由此外，单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，能促进洞内的自此而产生的气压差和热位差也大，能促进洞内的自然通风。单坡道的优点还有施工及测量上都比较方然通风。单坡道的优点还有施工及测量上都比较方便。它的缺点是在施工阶段，下坡进洞的一端，出便。它的缺点是在施工阶段，下坡进洞的一端，出于上部的水自然地流向下部开挖工作面，使开挖工于上部的水自然地流向下部开挖工作面，使开挖工作受到干扰，不但需要随时抽水外排，而且影响到作受到干扰，不但需要随时抽水外排，而且影响到电爆破的绝缘质量；此外，运碴时，空车下坡重车电爆破的绝缘质量；此外，运碴时，空车下坡重车上坡，运输效率低。上坡，运输效率低。l单坡特点单坡特点人字型坡道多用于长隧道，尤其是越岭隧道。人字型坡道多用于长隧道，尤其是越岭隧道。地下水发育的长隧道宜采用人字坡。地下水发育的长隧道宜采用人字坡。因为越岭无需争取高程，而垭口两端都是沟因为越岭无需争取高程，而垭口两端都是沟谷地带，同是向下的人字型披道，正好符合谷地带，同是向下的人字型披道，正好符合地形条件。人字坡的优点是施工时，水自然地形条件。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，有时也排除不干顶峰处，尽管用机械通风，有时也排除不干净长时积累，浓度渐渐增大，使列车司乘净长时积累，浓度渐渐增大，使列车司乘人员以及洞内维修人员的健康受到影响。人员以及洞内维修人员的健康受到影响。l人字坡特点人字坡特点 对于线路来说，考虑到运营效率，应具有良好的行车条件，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，需要随着地形的变化设置与之相适应的线路坡度。但坡度不能太大，若坡度超过了线路最大允许的限制坡度，机车的牵引能力达不到，不是列车爬不上去，就是必须减轻列车的牵引重量。所以设计坡度时，注意应不超过限制坡度坡度大小坡度大小 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。的当量坡度。即(2-1)式中式中 设计中允许采用的最大坡度；设计中允许采用的最大坡度；按照线路等级规定的限制最大坡按照线路等级规定的限制最大坡度；度；曲线阻力折算的坡度折减量。曲线阻力折算的坡度折减量。坡度折减的原因坡度折减的原因（1）列车车轮与钢轨踏面间的粘着系数降低；列车车轮与钢轨踏面间的粘着系数降低；（2）洞内空气阻力增大。洞内空气阻力增大。此为明此为明线坡度要求线坡度要求!明线坡度要求明线坡度要求!规范中范中规定了隧道内定了隧道内线路坡度折减系数路坡度折减系数m m的的经验数数值,如下表。如下表。隧道长度电力牵引内燃牵引40110000.950.90100140000.900.8040000.850.75隧道内线路最大坡度系数隧道内线路最大坡度系数坡度折减区段示意坡度折减区段示意 隧道内线路的最大允许坡度隧道内线路的最大允许坡度 隧道坡度不宜小于隧道坡度不宜小于3 3，在最冷月平均气，在最冷月平均气温低于温低于 -5-5的地区，地下水的地区，地下水发育的地区宜适育的地区宜适当加大坡度。当加大坡度。位于位于长大坡道上大坡道上长度大于度大于400m400m的隧道，的隧道，其坡度不得大于最大坡度按其坡度不得大于最大坡度按规定折减后的数定折减后的数值；位于；位于长大坡道且曲大坡道且曲线地段的隧道，地段的隧道，应先先进行隧道内行隧道内线路最大坡度折减，再路最大坡度折减，再进行曲行曲线坡度减坡度减缓。坡段长度坡段长度隧道内的线路坡段也不宜太短，因为坡段太短就意味着变坡点多而密集，列车行驶就不平稳，司机操纵要随时调整。当列车经过变坡点时，受力情况也跟着变化，车辆间会发生相互的冲撞，产生附加力和附加加速度。如果坡度太短，一列车在行驶中，同时跨越两个变坡点，车体、车钩都在同时受到不利的影响，有时会因此发生事故。另外，如果隧道内坡度变化甚多，也将给施工和运营养护维修养护增加困难。从行车平稳的要求和照顾施工和养护的方便从行车平稳的要求和照顾施工和养护的方便出发，隧道内坡段长度最好不小于列车的长出发，隧道内坡段长度最好不小于列车的长度度 考虑到长远的发展，坡段长度最好不小于考虑到长远的发展，坡段长度最好不小于远期到发线的长度远期到发线的长度 凸形纵断面分坡平段，当隧道位于两端货凸形纵断面分坡平段，当隧道位于两端货物列车以接近计算速度通过时，允许分坡平物列车以接近计算速度通过时，允许分坡平道长度缩短至道长度缩短至200m。坡段长最小为。坡段长最小为200m。隧道内线路的坡型单一，但不宜把坡段定得太长，尤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，会使机车疲劳或超负荷。虽然坡度未超奋进。这样，会使机车疲劳或超负荷。虽然坡度未超限制，但坡段长了，也会越爬越慢，以至有停车的可限制，但坡段长了，也会越爬越慢，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，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，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，使机车有一个喘息或缓和的时间。机车有一个喘息或缓和的时间。此外，顺坡设排水沟时，如果坡段太长，水沟就此外，顺坡设排水沟时，如果坡段太长，水沟就难于布置，不是流量太大，就是沟槽太深。有时为此难于布置，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。这就需要设置许多抽水、扬水设施，分级分段排水。这就给今后的运营和维修增加了工作量。所以，隧道内线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。路的坡段不宜太长。坡段联接坡段联接 为了行车平顺，两个相邻坡段坡度的代数差值为了行车平顺，两个相邻坡段坡度的代数差值不宜太大。因为，坡差太大会引起车辆之间仰俯不不宜太大。因为，坡差太大会引起车辆之间仰俯不一，车钩受到扭力，容易发生断钩。一，车钩受到扭力，容易发生断钩。两个相邻坡段坡度的代数差值两个相邻坡段坡度的代数差值 不宜太大不宜太大 两坡段间的代数差值两坡段间的代数差值 不应大于重车方向的不应大于重车方向的 坡值坡值 。旅客列车设计行车速度小于旅客列车设计行车速度小于 160km/h 160km/h 的铁路，相临坡的铁路，相临坡度差大于度差大于3 3时，应以圆形竖曲线连接，竖曲线的半径时，应以圆形竖曲线连接，竖曲线的半径应采用应采用10 000m10 000m。旅客列车设计行车速度为旅客列车设计行车速度为160km/h 160km/h 的铁路段，应以圆曲的铁路段，应以圆曲线型竖曲线连接，竖曲线的半径应采用线型竖曲线连接，竖曲线的半径应采用15 000m15 000m，竖曲，竖曲线不应与平面圆曲线重叠设置，困难条件下，竖曲线可线不应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与半径不小于2 500m2 500m的圆曲线重叠设置；特殊困难条件的圆曲线重叠设置；特殊困难条件下，经技术经济比选，竖曲线可与半径不小于下，经技术经济比选，竖曲线可与半径不小于1 600m1 600m的的圆曲线重叠设置。圆曲线重叠设置。位于车站上的隧道，应采取必要的工程措施确保位于车站上的隧道，应采取必要的工程措施确保排水畅通。排水畅通。当隧道洞口位于滨河可能被洪水淹没地带、水库当隧道洞口位于滨河可能被洪水淹没地带、水库回水影响范围或受山洪威胁地段，其路肩高程应高回水影响范围或受山洪威胁地段，其路肩高程应高出设计水位加波浪侵袭高度和壅水高度至少出设计水位加波浪侵袭高度和壅水高度至少0.5m0.5m。、级铁路设计水位的洪水频率标准为级铁路设计水位的洪水频率标准为1/1001/100；当观测洪水当观测洪水(包括调查可靠的有重现可能的历史洪包括调查可靠的有重现可能的历史洪水水)高于上述设计洪水频率标准时，则应按观测洪高于上述设计洪水频率标准时，则应按观测洪水设计；当观测洪水的频率超过水设计；当观测洪水的频率超过1/3001/300时，时，、级铁路应按级铁路应按1/3001/300洪水频率设计。洪水频率设计。公路隧道的平面线形和纵断面线形公路隧道的平面线形和纵断面线形平面线形平面线形 隧道的平面线形原则上采用直线，避免设置曲线。隧道的平面线形原则上采用直线，避免设置曲线。在在某某些些情情况况下下必必须须设设置置曲曲线线时时，其其曲曲线线半半径径不不宜宜小小于于不设超高的平面曲线半径，并应符合视距要求。不设超高的平面曲线半径，并应符合视距要求。在隧道洞口不应采用小半径曲线的引线与隧道衔接。在隧道洞口不应采用小半径曲线的引线与隧道衔接。这里有两个问题应当引起注意：一是小半径曲线，二是超高。如果设置小半径曲线，会产生视距问题，为确保视距，势必要加宽隧道断面。设置超高时，车辆倾斜，也会导致隧道断面的加宽。隧道断面加宽，一方面要增加工程费用，另一方面使施工变得困难。加宽后的断面宽度不统一，以及不同断面之间的相互过渡都给隧道施工带来困难。由于隧道内一般是禁止超车的，只能采用停车视距，设计时根据停车视距可以换算出设置曲线时的不加宽最小平曲线半径。l纵断面线形纵断面线形 道路隧道的纵坡以不妨碍排水的缓坡为宜。在道路隧道的纵坡以不妨碍排水的缓坡为宜。在变坡点处应设置足够的竖曲线，保持线路的良好衔变坡点处应设置足够的竖曲线，保持线路的良好衔接。隧道纵坡设置不宜过大，否则无论是在汽车行接。隧道纵坡设置不宜过大，否则无论是在汽车行使上还在隧道施工及养护上都不利。道路隧道控制使上还在隧道施工及养护上都不利。道路隧道控制纵坡的主要因素是隧道通风问题，汽车排出的废气纵坡的主要因素是隧道通风问题，汽车排出的废气及有害物质随着纵坡的增大而急剧增多。及有害物质随着纵坡的增大而急剧增多。一般将隧道纵坡保持在一般将隧道纵坡保持在2%以下比较好以下比较好，纵坡，纵坡大于大于 3%是不可取的。是不可取的。从隧道施工排水和竣工后的排水需要上考虑，隧从隧道施工排水和竣工后的排水需要上考虑，隧道内不宜设置平坡道内不宜设置平坡 ，在施工时需要设置不小于，在施工时需要设置不小于0.3%的纵坡的纵坡 。竣工后的排水，包括涌水、漏水、清洗隧道用水、竣工后的排水，包括涌水、漏水、清洗隧道用水、消防用水等，如果能满足施工排水的需要，那么消防用水等，如果能满足施工排水的需要，那么在用混凝土修建的排水沟中排水是没有问题的，在用混凝土修建的排水沟中排水是没有问题的，其最小坡度不宜小于其最小坡度不宜小于0.2%；在高寒地区，为了；在高寒地区，为了减少冬季排水沟产生冻害，适当加大纵坡坡度，减少冬季排水沟产生冻害，适当加大纵坡坡度，使水的流动能增大，对排水是有利的；从两个洞使水的流动能增大，对排水是有利的；从两个洞口开挖隧道时，采用口开挖隧道时，采用“人人”字坡，施工涌水容易字坡，施工涌水容易排出，采用单坡，处于高位的洞口，涌水不能自排出，采用单坡，处于高位的洞口，涌水不能自然向外排出，这是设计时应当考虑的问题；陡坡然向外排出，这是设计时应当考虑的问题；陡坡隧道且涌水量大时，应考虑减缓坡度。隧道且涌水量大时，应考虑减缓坡度。引引线线的的平平面面及及纵纵断断线线形形，应应当当保保证证有有足足够够的的视视距距和和行行车车安安全全，尤其在进口一侧，需要在足够的距离外能够识别隧道洞口尤其在进口一侧，需要在足够的距离外能够识别隧道洞口。通常，汽车驶近隧道但尚有一定距离时，驾驶员若能自然地集中注意力观察到隧道洞口及其附近的情况，并保证有足够的安全视距，对障碍物可以及时察觉，采取适当措施，从而保证行车安全。将开始注视的点称为注视点，从注视点到安全视距点所需时间称为注视时间。从注视点到洞口采用通视好的线形极为重要。在洞口及其附近设置平面曲线或竖曲线的变坡点时，应以不妨碍观察隧道且保证有足够的注视时间为最低限度。l引线引线隧道需要机械通风时，引线的纵坡应使汽车隧道需要机械通风时，引线的纵坡应使汽车能以均匀速度驶入隧道，洞口前的引线纵坡能以均匀速度驶入隧道，洞口前的引线纵坡与隧道纵坡在必要的距离之内应保持一致与隧道纵坡在必要的距离之内应保持一致 隧道内的路肩宽度与一般道路相比要缩小隧道内的路肩宽度与一般道路相比要缩小很多，需要进行平滑过渡，路肩应在适当的很多，需要进行平滑过渡，路肩应在适当的距离内收缩，使汽车进出隧道时顺利距离内收缩，使汽车进出隧道时顺利 。