第二節(jié)　鐵路隧道構(gòu)造

鐵路隧道結(jié)構(gòu)由主體建筑物和附屬建筑物兩部分組成。

隧道的主體建筑物是為了保持隧道的穩(wěn)定，保證列車的安全運(yùn)行而修建的，它由洞身襯砌和洞門組成。在洞口容易坍塌或有落石的危險時，還需要加筑明洞。

隧道的附屬建筑物包括防排水設(shè)施、大小避車洞、電纜槽、長大隧道的通風(fēng)設(shè)施；根據(jù)電信傳輸衰耗和通信設(shè)計要求而增設(shè)的無人增音站（洞）；在電氣化鐵路上，當(dāng)隧道較長或在隧道群地段，為了將接觸線和承力索進(jìn)行錨固而設(shè)置的下錨裝置；用于存放維修接觸網(wǎng)用的絕緣梯車的專門洞室（絕緣梯車洞）等。隧道內(nèi)設(shè)置何種附屬建筑物，應(yīng)根據(jù)具體情況決定。

一、鐵路隧道凈空

（一）直線隧道凈空

“限界”是一種規(guī)定的輪廓線，這種輪廓線以內(nèi)的空間是保證列車安全運(yùn)行所必需的。“建筑限界”是建筑物不得侵入的一種限界。基本建筑限界是指全國鐵路線上所有的建筑物和設(shè)備都不允許侵入的輪廓線。隧道建筑限界是指包圍“基本建筑限界”外部的輪廓線。即要比“基本建筑限界”大一些，留出少許空間，用于安裝通信信號、照明、電力等設(shè)備。

直線隧道凈空是指隧道襯砌的內(nèi)輪廓線所包圍的空間。“直線隧道凈空”要比“隧道建筑限界”稍大一些，除了滿足界限要求外，還考慮了在不同的圍巖壓力作用下，襯砌結(jié)構(gòu)的合理受力形狀以及施工方便等因素。

（二）曲線隧道的凈空加寬

1.單線曲線隧道加寬

車輛通過曲線時，轉(zhuǎn)向架中心點(diǎn)沿線路運(yùn)行，而車輛本身是一個剛體卻不能隨線路彎曲而發(fā)生變形，仍保持其矩形形狀，故車輛兩端向曲線外側(cè)偏移，中間向曲線內(nèi)側(cè)偏移，由于曲線外軌超高，車輛向曲線內(nèi)側(cè)傾斜，使車輛限界上的控制點(diǎn)在水平方向上向內(nèi)移動了一個距離，因此，為了保證列車能順利地通過曲線隧道，必須將隧道凈空加寬。

經(jīng)計算可知，曲線隧道內(nèi)外側(cè)加寬值不同（內(nèi)側(cè)加寬大于外側(cè)加寬），斷面加寬后，隧道中線應(yīng)向曲線內(nèi)側(cè)偏移一定距離，如圖2-7所示。

2.曲線隧道與直線隧道襯砌的銜接

《鐵路隧道設(shè)計規(guī)范》規(guī)定：位于曲線地段的隧道，其斷面加寬除圓曲線部分按計算值加寬外，緩和曲線部分可分兩段加寬：（1）自圓曲線終點(diǎn)至緩和曲線中點(diǎn)，并向直線方自延伸13m，這一段用圓曲線加寬的斷面；（2）緩和曲線的其余半段，并自緩和曲線終點(diǎn)向直線方向延伸22m，這一段采用圓曲線加寬值的一半。

隧道襯砌施工中，對不同寬度襯砌斷面的銜接，可做成直角臺階的錯臺或自加寬斷面終點(diǎn)向不加寬斷面延伸1m范圍內(nèi)逐漸過渡的順坡。

二、隧道襯砌

隧道開挖以后，為了保持圍巖的穩(wěn)定性，一般需要進(jìn)行支護(hù)（襯砌）。隧道襯砌的構(gòu)造與圍巖的級別和施工方法是密切相關(guān)的。修建隧道襯砌的材料，應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度和耐久性，在某些環(huán)境中，還必須具有抗凍、抗?jié)B和抗腐蝕性。此外，還應(yīng)滿足就地取材，降低造價，施工方便及易于機(jī)械化施工等要求。常用的鐵路隧道襯砌材料有混凝土和鋼筋混凝土、噴射混凝土（簡稱噴混凝土）、片石混凝土、料石或混凝土塊。

（一）整體式混凝土襯砌

整體式混凝土襯砌是指就地灌注混凝土（鋼筋混凝土）襯砌，也稱模筑混凝土襯砌。它對地質(zhì)條件的適應(yīng)性較強(qiáng)，易于按需要成型，整體性好，抗?jié)B性強(qiáng)，而且可以適合多種施工條件，如可用木模板、鋼模板或模板臺車等。因而，在我國鐵路隧道工程中廣泛采用。依照不同的地質(zhì)條件，或是按照不同的圍巖級別，又有直墻式和曲墻式兩種形式。

1.直墻式襯砌

適用于地質(zhì)條件比較好，以垂直圍巖壓力為主而水平圍巖壓力較小的情況。主要適用于Ⅱ、Ⅲ級圍巖，個別情況也適用于Ⅳ級圍巖。結(jié)構(gòu)形式由襯砌上部拱圈、兩側(cè)豎直邊墻和下部鋪底三部分組合而成。在地質(zhì)條件較好時，為了節(jié)省圬工，直墻式襯砌在構(gòu)造上可采取若干改進(jìn)措施。

（1）在Ⅱ級圍巖中采用大拱腳噴混凝土（或噴砂漿）邊墻襯砌，如圖2-8所示。

（2）在Ⅰ、Ⅱ級圍巖中采用柱式邊墻，或連拱式邊墻，統(tǒng)稱為花邊墻。柱式邊墻是做成一排均勻間隔的立柱，其高度一般不宜小于3m，其間是孔洞，柱間間隔不宜大于3m，表面噴3～5cm厚的混凝土。連拱墻襯砌則把邊墻部分做成連拱形式，如圖2-9所示。

2.曲墻式襯砌

適用于地質(zhì)條件比較差，有較大水平圍巖壓力的Ⅳ級及以上的圍巖。

結(jié)構(gòu)形式由頂部拱圈、側(cè)面曲邊墻和底部仰拱（或鋪底）組成，如圖2-10所示。除在Ⅳ級圍巖無地下水，且基礎(chǔ)不產(chǎn)生沉陷的情況下可以不設(shè)仰拱，只做平鋪底外一般均設(shè)仰拱，以抵抗底部圍巖壓力和防止襯砌沉降，使襯砌形成一個環(huán)狀的封閉整體結(jié)構(gòu)，以提高襯砌的承載力。

（二）噴錨襯砌

噴錨襯砌是指采用混凝土噴射機(jī)，將摻有速凝劑的混凝土干拌料和水高速噴射到清洗干凈的巖石表面凝結(jié)（當(dāng)圍巖不夠穩(wěn)定時，可加設(shè)錨桿或鋼筋網(wǎng)），構(gòu)成的一種支護(hù)形式，簡稱“噴錨支護(hù)”。

采用噴錨支護(hù)可充分發(fā)揮圍巖的自承能力，控制圍巖的變形，可有效地利用洞內(nèi)凈空，提高作業(yè)安全性和作業(yè)效率，并能適應(yīng)軟弱和膨脹地層中隧道的開挖，還可用于整治塌方和隧道襯砌的破損。

（三）復(fù)合式襯砌

目前大都采用外襯和內(nèi)襯兩層，最常用的內(nèi)襯是噴錨支護(hù)，外襯是整體式混凝土襯砌，在兩層間設(shè)置防水層的一種永久性防水結(jié)構(gòu)，如圖2-11所示。

復(fù)合式襯砌初期支護(hù)剛度小，易變形，能充分發(fā)揮圍巖的自承能力；初期支護(hù)施作及時，且與圍巖結(jié)合密切，從而能保護(hù)和加固圍巖；二次襯砌完成后，襯砌內(nèi)表面光滑平整，可以裝飾內(nèi)壁，增強(qiáng)安全感，是一種較為理想的結(jié)構(gòu)形式，目前應(yīng)用廣泛。

三、洞門

（一）洞門的作用

隧道兩端洞口處應(yīng)設(shè)置洞門。修建洞門可以起到以下作用：

（1）減少洞口土石方開挖量。洞口段范圍內(nèi)的路塹是依照地質(zhì)條件以一定的邊坡而開挖的。當(dāng)隧道埋深較大時，開挖量就很大。設(shè)置隧道洞門可起到擋土墻的作用，同時減少土石開挖量。

（2）穩(wěn)定邊坡、仰坡。由于邊坡上的巖體不斷受到風(fēng)化，坡面松石極易脫落滾下。邊坡太高，難于自身穩(wěn)定，仰坡上的石塊也會沿著坡面向下滾落，有時會堵塞洞口，甚至砸壞線路軌道，對行車造成威脅。修建洞門就可以減小引線路塹的邊坡高度，縮小正面仰坡的坡面長度，從而使邊坡及仰坡得以穩(wěn)定。

（3）引離地表流水。地表流水往往匯集在洞口，如不予以排除，將會漫及線路，危及行車安全，修建洞門，可以把流水引入側(cè)溝，保證了洞口的正常干燥狀態(tài)。

（4）裝飾洞口。洞口是隧道唯一的外露部分，是隧道正面的外觀。修建洞門也可以算是一種裝飾。在城市附近、風(fēng)景區(qū)的隧道，尤其應(yīng)當(dāng)配合當(dāng)?shù)氐沫h(huán)境，予以藝術(shù)處理。

（二）洞門的形式

1.環(huán)框式洞門

適用于洞口石質(zhì)堅硬穩(wěn)定（Ⅰ級圍巖），且地形陡峻無排水要求時，起到加固洞口和減少洞口雨后滴水的作用，如圖2-12所示。

2.端墻式洞門

適用于較為穩(wěn)定的Ⅰ～Ⅲ級石質(zhì)圍巖。用于抵抗山體的縱向推力及支持洞口正面上的仰坡，保持其穩(wěn)定，洞門頂水溝用來將從仰坡流下來的地表雨水匯集后排走，如圖2-13所示。

3.翼墻式（八字式）洞門

它由端墻、翼墻、排水溝組成。適用于洞口地質(zhì)條件較差（Ⅳ～Ⅵ級），圍巖山體縱向推力較大，地形開闊時。可起到支持洞口正面上的仰坡，保持其穩(wěn)定，抵抗山體的縱向推力，增加洞門的抗滑和抗傾覆能力的作用，兩側(cè)面保護(hù)路塹邊坡，起到擋土墻的作用，將地表水引至路塹側(cè)溝內(nèi)排走，如圖2-14所示。

4.柱式洞門

適用于地形較陡，Ⅲ、Ⅳ級圍巖，仰坡有下滑的可能，設(shè)置翼墻式洞門又受地形、地質(zhì)條件的限制，如圖2-15所示。

5.臺階式洞門

適用于洞門位于靠山側(cè)坡地區(qū)，洞門一側(cè)邊仰坡較高時，可減少洞門圬工及仰坡開挖數(shù)量，起美化作用，如圖2-16所示。

四、明洞

以明挖法施工修建的隧道或在露天修建而有回填土覆蓋的襯砌結(jié)構(gòu)，稱為明洞。它適用于洞頂覆蓋層較薄，難以用暗挖法修建隧道地段；受塌方、落石、泥石流等威脅的隧道洞口或路塹地段；線路之間形成立體交叉，但又不宜做立交橋時，通常也宜修建明洞。

明洞的類型有拱式明洞和棚式明洞兩種。

1.拱式明洞

拱式明洞的結(jié)構(gòu)形式與一般隧道基本相似，也是由拱圈、邊墻和仰拱或鋪底組成，如圖2-17所示。它的內(nèi)輪廓也和隧道一致。但是，由于它周圍是回填的土石，得不到可靠的圍巖抗力的支持，因而結(jié)構(gòu)的截面尺寸要略大一些。

當(dāng)邊坡塌方數(shù)量較大，落石較多，基礎(chǔ)條件較好時，常常需要修筑拱式明洞來防護(hù)。拱式明洞結(jié)構(gòu)堅固，可以抵抗較大的推力，其適用的范圍較廣。

2.棚式明洞

當(dāng)山坡的塌方、落石數(shù)量較少，山坡路塹外側(cè)較低，不能適當(dāng)?shù)匕仓霉笆矫鞫吹凝嫶笸鈮r，可以修建棚洞，如圖2-18所示。

棚洞是一種框架結(jié)構(gòu)。頂上不是拱圈而是平的梁板，內(nèi)墻一般為重力式墩臺結(jié)構(gòu)，以抵抗山體的側(cè)向壓力。它的基礎(chǔ)必須放在穩(wěn)固的基巖上。若是邊坡坡度較陡，地面水量不大，坡面穩(wěn)定而堅實(shí)，采用重力式內(nèi)墻開挖量太大時，也可以采用鋼筋混凝土錨桿擋土墻的形式。當(dāng)外墻不受側(cè)向壓力僅承受梁和蓋板的豎向荷載時，可以根據(jù)落石的嚴(yán)重與否以及地質(zhì)情況，采用立柱式、連拱墻式或剛架結(jié)構(gòu)。

五、鐵路隧道附屬建筑物

為了使隧道能夠正常使用，保證列車安全運(yùn)行，鐵路隧道除修筑主體建筑物以外，還要修建一些附屬建筑物，包括避車洞、防排水設(shè)施和電力及通信設(shè)施等。

（一）避車洞

避車洞分為小避車洞和大避車洞。小避車洞是為了保證隧道內(nèi)行人和維修人員的安全而設(shè)置的。大避車洞是為了存放一些必要的維修材料、工具及軌道小車避讓列車而設(shè)置的。

避車洞襯砌類型一般與隧道襯砌類型相適應(yīng)。

為使避車洞的位置明顯，便于人員在光線暗淡的隧道內(nèi)尋找，得以迅速地奔向最近的避車洞，且可不跨越線路，在避車洞內(nèi)以及周邊上用石灰漿刷成白色，并在兩側(cè)距離為10m處的邊墻上各繪一個白色的指向箭頭，如圖2-19所示。在運(yùn)營期間應(yīng)保證這些標(biāo)志的鮮明醒目。

（二）防排水設(shè)施

1.隧道內(nèi)的排水設(shè)施

主要排水設(shè)施有：襯砌內(nèi)的縱橫向排水溝，襯砌上的引水管（暗槽）或泄水孔，襯砌背后的縱橫向盲溝和集水鉆孔等。

2.隧道內(nèi)的防水設(shè)施

防水是指防止地下水從襯砌背后滲入隧道內(nèi)，可以采取防水混凝土結(jié)構(gòu)、外貼式防水層（由瀝青和油氈間隔鋪貼而成）、內(nèi)貼式防水層（噴水泥砂漿防水層、抹面防水層或陽離子乳化瀝青膠乳防水層）、復(fù)合式襯砌中間防水層（鋪設(shè)塑料防水板或噴防水材料薄膜）等。

在變形縫（包括沉降縫和伸縮縫）處主要用瀝青木板、瀝青麻筋、瀝青、橡膠帶或塑料止水帶等幾種材料進(jìn)行防水。常用的是瀝青木板，將瀝青木板塞在兩段襯砌之間，在接縫處的外表面挖一寬12cm、深6cm的溝槽，用防水膠油、防水油膏及水泥灰漿等填塞封堵，外表面抹以M10水泥砂漿。橡膠止水帶的防水性能質(zhì)量可靠，可承受較大的相對變形，但價格較貴，可用于防水要求較嚴(yán)格的重要工程。

3.隧道內(nèi)的堵水設(shè)施

向支護(hù)背后壓注水泥砂漿及化學(xué)漿液，用以充填支護(hù)與圍巖之間的空隙，以堵住地下水的通路，并使支護(hù)與圍巖形成整體，改善支護(hù)受力條件。

4.隧道內(nèi)的截水設(shè)施

截水是指截斷地表水和地下水流入隧道的通路。主要采取的措施有洞頂天溝和泄水洞。

為防止地表水沖刷仰坡，流入隧道，一般應(yīng)在洞口邊仰坡上方設(shè)置天溝，但當(dāng)?shù)乇頇M坡陡于1∶0.75時可不設(shè)。天溝設(shè)于邊仰坡坡頂以外不小于5m處，黃土地區(qū)應(yīng)不小于10m。天溝一般沿等高線向線路一側(cè)或兩側(cè)排水。天溝坡度根據(jù)地形設(shè)置，但應(yīng)不小于3‰，以免淤積。天溝長度應(yīng)使邊仰坡面不受沖刷，下游應(yīng)將水引至適當(dāng)?shù)攸c(diǎn)排泄，避免危害農(nóng)田和沖刷山體。

泄水洞一般是在地下水特別發(fā)達(dá)、涌水地段較長且水壓較高，用其他防排水措施難以奏效時才采用。泄水洞應(yīng)設(shè)在地下水上游一側(cè)，與隧道方向平行或近似平行，使周圍的地下水經(jīng)由泄水洞的過濾孔眼流入泄水洞內(nèi)排走，以達(dá)到攔截排水，防止地下水影響隧道的目的。

（三）電力及通信設(shè)施

1.電纜槽

當(dāng)鐵路通信、信號電纜通過隧道時，為了避免電纜被損壞或腐蝕，以保證通信、信號工作的安全，應(yīng)在隧道內(nèi)設(shè)置電纜槽。

2.無人增音站（洞）

根據(jù)電訊傳輸衰耗和通信設(shè)計要求，每隔一定距離應(yīng)設(shè)置無人增音站（洞）一處。當(dāng)無人增音站（洞）位于隧道內(nèi)時，則應(yīng)在邊墻外增設(shè)無人增音站（洞），以便安裝無人增音機(jī)。

無人增音站（洞）因與大避車洞輪廓大致相同，一般多設(shè)于大避車洞內(nèi)。洞內(nèi)應(yīng)有良好的防水、防腐、保溫措施，保證增音機(jī)的正常使用。除此之外，根據(jù)具體情況，隧道內(nèi)有時也設(shè)信號繼電器箱洞、絕緣梯車洞、無線電通信電臺箱洞、無線可調(diào)繼電器洞、變壓器洞等附屬設(shè)施。

（四）運(yùn)營通風(fēng)建筑物

隧道交付使用以后，列車往返通過時經(jīng)常排出大量有害氣體，同時還散發(fā)出許多熱量，此外，襯砌縫隙也不時滲透出某些天然地下氣體和潮濕成分，再加上維修人員在工作時不斷呼出二氧化碳。這些因素使得隧道內(nèi)的空氣變得污濁、熾熱和潮濕。長時間積聚起來，濃度越來越大，將使人呼吸感到困難，健康受到威脅，工作效率降低，洞內(nèi)線路也容易被腐蝕。因此，必須設(shè)法把隧道內(nèi)積聚的有害氣體和熱量等排除出去，把洞外的新鮮空氣引進(jìn)洞來，使洞內(nèi)空氣達(dá)到無害的程度，使列車司機(jī)、乘客和洞內(nèi)維修人員能舒適而高效地工作。

1.縱向通風(fēng)

在通風(fēng)機(jī)的作用下，使風(fēng)流沿著隧道軸線方向流動的通風(fēng)方式。

（1）洞口風(fēng)道式通風(fēng)

這種通風(fēng)方式是把通風(fēng)機(jī)設(shè)置在隧道洞口端處，通風(fēng)道與隧道聯(lián)通。當(dāng)列車車尾一出洞口，立即開動通風(fēng)機(jī)，將已被活塞風(fēng)擠到出洞口段內(nèi)的污濁空氣排出洞外。與此同時，洞外新鮮空氣由洞口另一端隨著風(fēng)流帶進(jìn)隧道內(nèi)，從而完成一次通風(fēng)作業(yè)。

為防止通風(fēng)機(jī)工作時，新鮮空氣從出洞口吸進(jìn)隧道造成短路，降低通風(fēng)效果，需在出洞口設(shè)置一個用鋼或鋼木結(jié)構(gòu)組成的框架式簾幕。它用軌道電路與信號系統(tǒng)進(jìn)行連鎖，當(dāng)列車駛向隧道時，簾幕自動提起，當(dāng)列車通過后，簾幕自動落下。

（2）噴嘴式通風(fēng)

對于列車運(yùn)行密度大，長度不太長的隧道，可采用環(huán)形噴嘴式通風(fēng)形式，如圖2-20所示。它是在隧道洞口處的襯砌上方，設(shè)計一個匯集新鮮空氣的空氣室，室的盡端在襯砌周邊上做成環(huán)形噴嘴通向洞內(nèi)。開動通風(fēng)機(jī)，洞外新鮮空氣被壓送到空氣室，當(dāng)積聚到一定壓力時，由噴嘴以高速和極小的交角噴進(jìn)隧道內(nèi)，形成穩(wěn)定風(fēng)流。洞口段可不做簾幕，新鮮空氣不會從洞口溢出，反而會由于高速風(fēng)流引起的負(fù)壓，帶進(jìn)一些新鮮空氣。但這種通風(fēng)形式結(jié)構(gòu)復(fù)雜，施工工藝要求高，維修不方便，能量損失大，效率低。

（3）豎井、斜井式通風(fēng)

長大隧道縱剖面為人字坡時，污濁空氣常積聚在坡頂。若在隧道施工中，為增加開挖工作面而設(shè)置豎井或斜井作為輔助坑道時，可利用這些輔助坑道作為通風(fēng)道，把通風(fēng)機(jī)置于豎井或斜井處，借助于通風(fēng)機(jī)和豎井的換氣作用，以達(dá)到通風(fēng)之目的。

2.橫向式通風(fēng)

這種通風(fēng)方式的特點(diǎn)是隧道內(nèi)風(fēng)流方向與隧道軸線方向成正交。它是隔出隧道部分?jǐn)嗝孀鳛檠囟瓷磔S線的通風(fēng)渠。開動通風(fēng)機(jī)，把新鮮空氣先送入隧道底部的壓入通風(fēng)渠；再經(jīng)出風(fēng)口沿隧道全長范圍內(nèi)均勻吹入隧道內(nèi)。而污濁空氣，則經(jīng)隧道頂部的吸出風(fēng)渠吸出洞外。

橫向式通風(fēng)系統(tǒng)能將新鮮空氣沿隧道全長范圍內(nèi)均勻吹入，而污濁空氣就地直接被吸出，通風(fēng)效果較好，在公路隧道中使用最適宜。

隧道通風(fēng)所需新鮮空氣的風(fēng)量和風(fēng)壓必須經(jīng)過計算確定，根據(jù)計算確定的風(fēng)量和風(fēng)壓，再選擇合適的通風(fēng)機(jī)。鐵路隧道一般是采用軸流式通風(fēng)機(jī)，其特點(diǎn)為風(fēng)量較大而風(fēng)壓并不高。