大断面隧道设计
高速铁路的大断面隧道与公路大断面隧道相比要小得多。
高速公路隧道断面积达到170 - 200m2，局部断面积甚至达230m2开挖 宽度达23m以上。 我国最大断面的铁路隧道是位于设计时速达350公里的郑西高速铁路 上的张茅隧道（全长8483米），其最大开挖断面面积达164平方米。
• 车头形状
– 选择长细比大的流线形车头是缓解微气压波的一个重要措施
空气动力学效应
空气动力学效应影响的解决办法： • 扩大隧道断面
– 从经济、技术的合理性出发，采用相对比较富裕的 净空有效面积。
• 密封车辆
– 通过提高车辆的密封性来减小瞬变压力对乘客的影 响。
• 设置辅助坑道
– 合理设置的辅助坑道(斜井、竖井和横洞)能缓解压 力波动的程度。
中等断面 大断面 超大断面
10-50 50-100 >100
大断面隧道
我国高速铁路隧道净空有效面积标准（m2） 类别 200km/h 客运专线兼顾货物运输 单线 双线
52（53.6） 80(85)
250km/h 高速铁路 300～350km/h 高速铁路
58(60) 70
92 100
注：括号内数值为客运专线兼顾双层集装箱运输条件下， 考虑特定接触网高度等因素的面积。
我国第一条地铁－北京地铁
• 北京地铁是我国第一条地铁，一期工程于1965年动工，
1969年10月通车试运行，宣告了中国没有城市地铁历史的 结束。
国内公路大断面隧道 最大宽度：33 m
世界海拔最高的隧道－风火山隧道
青藏铁路重点难点控制工程风火山隧道坐落于海拔超过5000 米的青藏高原风火山上，全长1338米，轨面海拔高程为 4905米，比秘鲁铁路的海拔最高点4817米高出88米，是世 界海拔最高的隧道 。为修建该隧道，施工单位研制建成 了两座每小时可生产24立方米医用氧的世界海拔最高的大 型医用制氧站，对洞内实行弥漫式供氧和氧吧车供氧。
日本青函隧道
• 日本青函隧道：世界上最长的一条隧道。为双线隧道，全 长为53.86km，其中海底部分为23.3km。隧道为双线设计， 标准断面宽11.9米，高9米，断面80平方米。 • 于1971年4月正式动工开挖主坑道。经过12年的施工，
1983年1月27日，青函隧道的先导坑道打通。1988年3月13 日，青函隧道正式通车，
大断面隧道设计－衬砌结构设计
复合式衬砌结构设计
• 排水型复合式衬砌
• 防水型复合式衬砌
新建和改建隧道防排水，应 采用“防、排、截、堵结合， 因地制宜，综合治理”的原 则
大断面隧道设计－衬砌结构设计
• 排水型复合式衬砌
二次衬砌不承受水压力；
初期支护承担施工阶段全部荷载； 二次衬砌承担附加荷载以及作为安全储备。
大断面隧道设计－衬砌结构设计
单层衬砌和复合式衬砌的本质区别： 单层衬砌各支护层间不设置隔离层（防水板），而是采
用自防水措施。
图14.
大断面隧道设计－衬砌结构设计
单层衬砌和复合式衬砌的一般适用性：
单层衬砌更适用于围岩
自稳能力较好，地下水 不丰富的岩石隧道； 复合式衬砌更适合地下 水丰富的土质或软弱围 岩隧道。
>140
三车道
隧道开挖面积约＝1.4倍隧道净空断面积
国外大断面隧道 最大宽度：21.2m 最大断面：252m2
世上最早的地下工程
• 公元前2180～前2160年，巴比伦王朝修建了一条穿越幼发 拉底河，从王宫到朱庇特庙的长约 900米的人行隧道.
世界上最早的铁路隧道
• 1829－1830年在英国建成的利物浦－曼彻斯特铁路线上， 出现了世界上最早的一座铁路隧道，全长达1190 米。从 此，隧道偕同铁路一起在世界各国修建开来。
较大的松弛地压。开挖宽度越大,要求产生拱作用的埋深越 大,在埋深作用不能发挥作用时,就会产生很大的松弛压力。 因此,大断面隧道支护结构将承受更大的松弛荷载。 支护结构的承载力相对较小。跨度越大,扁平形状的拱形支 护结构支护条件不利，相对承载力变小。
大断面隧道
位移
最大主应力
大断面隧道
最大主应力
• 挪威的洛达尔隧道：最长的单洞公路隧道，长24.5km。
跨度最大的地下洞室
• 挪威1994冬季奥运会地下冰上曲棍球场，长90m, 宽62m, 高 25m。RQD=67%，Q=9，无模筑混凝土衬砌，仅用9个月建成。
RQD J r J w Q J n J a SRF
世界第一条地铁
• 1863年1月10日，世界于当时电动机车尚未问世，机车牵引仍用蒸汽 机车。尽管隧道里烟雾弥漫，但人们仍争着去坐，第一年 就运载了乘客950万人。
空气动力学效应
空气动力学效应影响因素： • 阻塞比β：
– 列车断面积/隧道断面积 – 阻塞比越大，影响越大
• 车速ν
– 与车速成二次方正比关系 – 隧道长度
p kv 2 N
• 车辆密封指数
– 车内压力从3600Pa降低到1350Pa所需的泄漏时间； – 采用密封车辆后，车内压力的峰值滞后，同时压力变化幅度 减小； – 密封效果短隧道比长隧道好。
隧道设计和施工的发展趋势
• 断面向着更大、更宽的形式发展 –铁路隧道：170m2 –公路隧道：230m2 • 大断面隧道施工方法的选择 –岩性较好的地层，采用台阶法； –岩性较差的地层，采用分部开挖法。 • 在浅埋、软弱地带 –需增加辅助施工方法
大断面隧道的力学特点
开挖后的应力重分布变得不利。对于扁平的大断面图隧道来说， 随着高宽比（高度/宽度）的减少，围岩内的最大主应力和衬砌 拱顶处的最大弯矩急剧增加，与近圆形隧道相比，将出现更大 的塑性区和更大的变形，需要更强大的支护结构来保持隧道的 稳定 ； 底脚处的应力集中过大,要求较大的地基承载力。力学分析结果 表明,开挖后围岩应力在侧壁处比较大。特别是侧压系数小时， 开挖宽度越大,围岩中的切向应力越大，衬砌中轴力也越大。底 脚处的应力集中过大,要求较大的地基承载力。 拱顶不稳定。隧道宽度的扩大将大大增加拱顶围岩内的拉应力， 导致拱顶掉块等失稳现象。同时，拱顶处衬砌弯矩增加，导致 衬砌开裂。因此，隧道断面的增大造成拱顶不稳定。
空气动力学影响 相对小
环境影响 工程投资 相对小 较低
相对大
相对大 大20～40％
隧道净空设计
单洞双线和双洞单线方案选择原则：
当隧道长度小于10km时，一般采用单洞双线隧道方案,可
利用施工时的辅助坑道作为防灾救援和人员疏散的紧急 出口。 当隧道长度为10～20km时，应结合隧道两端引线、车站 布点等相关工程情况进行系统的经济技术比选。也可结
合防灾救援及养护维修考虑,采用双线隧道加贯通平导的
方案进行比较。 当隧道长度大于20km时，从防灾救援方面考虑，一般采 用双洞单线隧道方案。
大断面隧道设计－衬砌结构设计
现代隧道衬砌结构设计的特点：
采用岩石力学模型，而不采用传统的荷载－结构模型； 围岩既是荷载的来源，又是承载结构；
围岩是主要的承载结构；
英法海底隧道
• 世界第二长铁路隧道，长50.5km，海底长37.9km，也是世
界海底长度最长的海底隧道，跨越英吉利海峡连接英国和 法国，即从英国的多佛尔到法国的加来。1990年12月1日， 英法海底隧道开通，1994年5月7日正式通車。
台湾海峡隧道－世界级特大工程
世界最长的公路隧道－洛达尔隧道
锦屏辅助洞穿越的设计地质剖面图
预测地下水位线
900m
2375m
国内铁路大断面隧道 最大宽度：21.2m 最大断面：257m2
狗磨湾隧道
• 狗磨湾隧道位于襄渝铁路白河—旬阳间。
• 隧道长1285米，分别由884.45米单线隧道,140米渡线隧道 及260.55米三线隧道组成。最大开挖断面高13.2米,宽22 米。
• 入口缓冲结构
– 减小高速列车进入隧道产生的空气动力学效应对洞 口周围环境的影响。
• 噪音处理措施
– 通过在洞内洞壁上贴吸音板来吸收噪音。
隧道洞口设计
斜切式洞口设计：降低瞬变压力与微气压波。
需要时设置洞口缓冲结构。
隧道洞口景观设计
和谐成为亮丽的风景
隧道净空设计
采用250km/h铁路隧道衬砌内轮廓设计
因此，我国高速铁路隧道均属于大断面隧道。
大断面隧道
云桂铁路正线隧道属于大断面隧道。
双线隧道＝92m2 单线隧道＝60m2
大断面隧道
隧道断面也有以开挖断面积来划分的，例如： 日本隧道断面划分 划分 标准断面 大断面 开挖断面积（m2） 70-80 100-140 说明 双车道 有人行横道的双车道
超大断面
双线隧道：净空断面积92m2 单线隧道：净空断面积60m2
隧道净空设计
单洞双线和双洞单线方案选择
比较项目 单洞双线隧道方案 双洞单线隧道方案
施工难度及风险 断面大，在软弱围岩中发生坍 断面较小，发生坍塌，变形的机 塌的机会较多，容易发生变 会相对较少，风险较小 形，风险较大
运营通风 防灾救援 难以利用活塞风 可以充分利用活塞风 当隧道内发生火灾时，消防灭 当一座隧道内发生火灾时，可通 火与救灾难度大，线路将中 过另一座隧道帮助灭火，并利 断运营 用横通道紧急疏散人员，仅中 断一条线路运营
• 1990年6月开工，1993年5月竣工。
我国最早的隧道
• 褒斜道石门。位于陕西汉中市，隧洞长16.3米，宽4.2米。 石门开凿于公元一世纪，始于汉明帝六年（公元63年）， 到九年（公元66年）4月建成，距今已有1900多年的历史， 也是世界上最早的人工穿山隧道。
我国最早的铁路隧道
台湾岛内的狮球岭隧道长261m，最大埋深61m，于１８８ ８年春开工，1890年夏建成。创下以下记录： • 中国最早建成的铁路隧道； 二十世纪初成为历史古迹 • 中国最早建成的窄轨铁路隧道； • 中国最早建成的铁路单线隧道； • 中国最早建成的窄轨铁路单线隧道；