隧道衬砌断面初拟定，隧道工程成果

1．隧道横断面形式的选择

隧道截面形式多样，如图3-5-23所示，有圆形截面（a）、椭圆形截面（b）、马蹄形截面（c、d）、矩形截面（e、f）、双孔隧道（g）、孪生隧道及多跨隧道（h）、双层隧道及多层隧道（i）以及分岔式隧道（j）、偏压隧道（k）等形式。在选择隧道横断面形状时，采用单孔还是双孔或多跨、分岔隧道，如前所述，与隧道平纵断面设计相关。就单孔隧道横断面设计来说，除满足运营功能要求外，还应考虑地质条件及建造方式的影响。

图3-5-23　隧道横截面形状

（1）地质条件的影响。影响隧道横断面选择的地质条件主要包括岩体的受力状态和围岩的强度。当覆盖层很薄，岩体作用在隧道上的水平力及垂直外力都较小时，隧道截面可取矩形或带顶拱的矩形；当岩体的垂直压力较大、水平压力较小时，可取无仰拱的不封闭形的半椭圆、抛物线或半圆形截面；随着岩体垂直压力及水平压力的增大，隧道承重结构中的弯矩和轴力也增大，隧道横截面形式需逐渐接近圆形或采用圆形，必要时采用仰拱，形成封闭截面。洞周围岩强度越大，一般自承能力也越大，则在隧道结构上引起的内力越小，可供选择的隧道截面形状也越多。当围岩为稳固岩石且裂缝少时，截面形状可选为不封闭的马蹄形或带平坦顶拱的矩形截面；当围岩为松软的可塑性岩石时，隧道截面需趋于圆形，并设置仰拱，仰拱的曲率随着围岩强度的降低而增大；在复杂地质条件下，隧道截面需接近圆形或做成圆形。

在特殊地质条件下，隧道横截面的选择要尽可能适应地质情况，使隧道处于较为有利的受力状态。如在不对称受力情况下，可选择不对称的横截面形式；又如在膨胀性的岩体中，需设置很深的仰拱，并由刚度很大的钢筋混凝土构成，以抵抗仰拱上的膨胀应力。

（2）建造方式的影响。建造方式对选择截面的影响主要和施工方法以及使用的机械设备有关。如采用全断面掘进机和盾构开挖隧道时，隧道断面最好为圆形或接近圆形。就截面的大小而言，要与所采用的机械设备相适应，既要有足够作业空间，不影响机械作业，又能减少不必要的多余开挖，提高效益。

（3）各类隧道的横断面形状。铁路隧道多为山岭隧道，需要承受来自岩体的竖向和侧向压力，所以截面的形式多为马蹄形，单线时呈长马蹄形，双线时为压肩式马蹄形。在采用掘进机或盾构施工时，也采用圆形截面。公路隧道横截面的形式比较多样化，典型的横截面有马蹄形、扁椭圆形及带平坦仰拱的扁椭圆形。地铁隧道，当覆盖层较薄时，一般用矩形或带顶拱的矩形截面；当覆盖层较厚时，则选择圆形或偏圆形截面。

2．隧道横断面设计的基本内容

隧道衬砌是一个超静定结构，不能直接地用力学方法计算出应有的截面尺寸，其横断面设计，需依据隧道类型，确定隧道的净空限界，在此基础上考虑围岩条件进行隧道衬砌断面的初步拟定，再经过力学检算和优化设计进行调整，最终确定隧道横断面，使之满足运营功能要求，并安全、经济、合理可行。

初步拟定结构形状和尺寸可以采取工程类比的方法，主要解决隧道内轮廓线（净空）、结构轴线和衬砌厚度三个问题。

（1）隧道内轮廓线（净空）。

隧道设计断面基本轮廓线主要包括衬砌内轮廓线、衬砌外轮廓线与实际开挖线，如图3-5-24所示。衬砌内轮廓线是衬砌的完成线，在内轮廓线之内的空间，即为隧道的净空断面。

隧道内轮廓线的设计原则为：衬砌的内轮廓线应满足隧道功能要求，并尽可能接近建筑限界，以保证车辆安全通过并力求开挖和衬砌的数量最小。衬砌内表面力求圆顺以减少应力集中，还应考虑衬砌施工的简便。(www.xing528.com)

如前所述，目前一般铁路隧道和公路隧道的限界和净空可查规范标准图，不需做专门的设计；但当隧道有特殊使用要求或有较大偏压、冻胀力、倾斜的滑动推力或施工中出现大量坍方以及位于7度以上地震区等情况时，则应进行个别设计。

图3-5-24　隧道断面轮廓线

图3-5-25　衬砌断面拟定示意图

隧道总体设计实例分析

（2）隧道衬砌断面形状（结构轴线）。

衬砌横断面的形状是用结构轴线来代表的。结构轴线的形状决定着衬砌横断面的形状及衬砌结构受力的合理性，也影响着坑道横断面的形状及围岩的二次应力状态和稳定状态。

隧道衬砌断面的轴线设计原则为：结构轴线应当尽量与断面压力线重合（图3-5-25），使各截面主要承受压应力。当衬砌承受径向分布的静水压力时，结构轴线以圆形最合适。当衬砌主要承受竖向荷载和不大的水平荷载时，结构轴线上部宜采用圆弧形或尖拱形，下部可以做成直线形（即直墙式）。当衬砌在承受竖向荷载的同时，又承受较大的水平荷载时，衬砌结构的轴线上部宜采用圆弧形或平拱形，下部可采用凸向外方的圆弧形（即曲墙式）。如果还有底鼓压力，或衬砌有沉陷的可能，则结构底部还应有凸向下方的仰拱为宜。

为了保证仰拱的作用，仰拱的矢跨比，一般单线隧道取1/6～1/8，双线隧道取1/10～1/12。铁路隧道底部轮廓尺寸与轨道结构形式直接相关，并与轨道维护方式相关，当采用有砟轨道时，需满足大型养路机械作业要求。另外尚需考虑各种设备沟槽及排水设施等需要。

（3）衬砌截面厚度。

隧道衬砌截面的厚度随工程地质及水文地质条件的不同而变化。隧道衬砌厚度的设计原则是要求设计的截面具有足够的强度，并满足施工构造要求，保证施工质量。衬砌拱圈可设计为等截面或变截面形式。仰拱应具有与其使用目的相适应的强度、刚度和耐久性，仰拱厚度宜与拱、墙厚度相同。所确定的各截面厚度尺寸最后应通过内力分析检算决定。

【隧道总体设计实例分析】请扫描二维码获取。