第二節　鐵路隧道構造

鐵路隧道結構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定，保證列車的安全運行而修建的，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施、大小避車洞、電纜槽、長大隧道的通風設施；根據電信傳輸衰耗和通信設計要求而增設的無人增音站（洞）；在電氣化鐵路上，當隧道較長或在隧道群地段，為了將接觸線和承力索進行錨固而設置的下錨裝置；用于存放維修接觸網用的絕緣梯車的專門洞室（絕緣梯車洞）等。隧道內設置何種附屬建筑物，應根據具體情況決定。

一、鐵路隧道凈空

（一）直線隧道凈空

“限界”是一種規定的輪廓線，這種輪廓線以內的空間是保證列車安全運行所必需的。“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、電力等設備。

直線隧道凈空是指隧道襯砌的內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，襯砌結構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，轉向架中心點沿線路運行，而車輛本身是一個剛體卻不能隨線路彎曲而發生變形，仍保持其矩形形狀，故車輛兩端向曲線外側偏移，中間向曲線內側偏移，由于曲線外軌超高，車輛向曲線內側傾斜，使車輛限界上的控制點在水平方向上向內移動了一個距離，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。

經計算可知，曲線隧道內外側加寬值不同（內側加寬大于外側加寬），斷面加寬后，隧道中線應向曲線內側偏移一定距離，如圖2-7所示。

2.曲線隧道與直線隧道襯砌的銜接

《鐵路隧道設計規范》規定：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）自圓曲線終點至緩和曲線中點，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向不加寬斷面延伸1m范圍內逐漸過渡的順坡。

二、隧道襯砌

隧道開挖以后，為了保持圍巖的穩定性，一般需要進行支護（襯砌）。隧道襯砌的構造與圍巖的級別和施工方法是密切相關的。修建隧道襯砌的材料，應具有足夠的強度和耐久性，在某些環境中，還必須具有抗凍、抗滲和抗腐蝕性。此外，還應滿足就地取材，降低造價，施工方便及易于機械化施工等要求。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。它對地質條件的適應性較強，易于按需要成型，整體性好，抗滲性強，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。結構形式由襯砌上部拱圈、兩側豎直邊墻和下部鋪底三部分組合而成。在地質條件較好時，為了節省圬工，直墻式襯砌在構造上可采取若干改進措施。

（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

適用于地質條件比較差，有較大水平圍巖壓力的Ⅳ級及以上的圍巖。

結構形式由頂部拱圈、側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，且基礎不產生沉陷的情況下可以不設仰拱，只做平鋪底外一般均設仰拱，以抵抗底部圍巖壓力和防止襯砌沉降，使襯砌形成一個環狀的封閉整體結構，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，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（當圍巖不夠穩定時，可加設錨桿或鋼筋網），構成的一種支護形式，簡稱“噴錨支護”。

采用噴錨支護可充分發揮圍巖的自承能力，控制圍巖的變形，可有效地利用洞內凈空，提高作業安全性和作業效率，并能適應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）復合式襯砌

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

復合式襯砌初期支護剛度小，易變形，能充分發揮圍巖的自承能力；初期支護施作及時，且與圍巖結合密切，從而能保護和加固圍巖；二次襯砌完成后，襯砌內表面光滑平整，可以裝飾內壁，增強安全感，是一種較為理想的結構形式，目前應用廣泛。

三、洞門

（一）洞門的作用

隧道兩端洞口處應設置洞門。修建洞門可以起到以下作用：

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

（2）穩定邊坡、仰坡。由于邊坡上的巖體不斷受到風化，坡面松石極易脫落滾下。邊坡太高，難于自身穩定，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，可以把流水引入側溝，保證了洞口的正常干燥狀態。

（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、風景區的隧道，尤其應當配合當地的環境，予以藝術處理。

（二）洞門的形式

1.環框式洞門

適用于洞口石質堅硬穩定（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

適用于較為穩定的Ⅰ～Ⅲ級石質圍巖。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，兩側面保護路塹邊坡，起到擋土墻的作用，將地表水引至路塹側溝內排走，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，設置翼墻式洞門又受地形、地質條件的限制，如圖2-15所示。

5.臺階式洞門

適用于洞門位于靠山側坡地區，洞門一側邊仰坡較高時，可減少洞門圬工及仰坡開挖數量，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構，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

拱式明洞的結構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，因而結構的截面尺寸要略大一些。

當邊坡塌方數量較大，落石較多，基礎條件較好時，常常需要修筑拱式明洞來防護。拱式明洞結構堅固，可以抵抗較大的推力，其適用的范圍較廣。

2.棚式明洞

當山坡的塌方、落石數量較少，山坡路塹外側較低，不能適當地安置拱式明洞的龐大外墻時，可以修建棚洞，如圖2-18所示。

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

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、防排水設施和電力及通信設施等。

（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行人和維修人員的安全而設置的。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置的。

避車洞襯砌類型一般與隧道襯砌類型相適應。

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

（二）防排水設施

1.隧道內的排水設施

主要排水設施有：襯砌內的縱橫向排水溝，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.隧道內的防水設施

防水是指防止地下水從襯砌背后滲入隧道內，可以采取防水混凝土結構、外貼式防水層（由瀝青和油氈間隔鋪貼而成）、內貼式防水層（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）、復合式襯砌中間防水層（鋪設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格的重要工程。

3.隧道內的堵水設施

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

4.隧道內的截水設施

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，一般應在洞口邊仰坡上方設置天溝，但當地表橫坡陡于1∶0.75時可不設。天溝設于邊仰坡坡頂以外不小于5m處，黃土地區應不小于10m。天溝一般沿等高線向線路一側或兩側排水。天溝坡度根據地形設置，但應不小于3‰，以免淤積。天溝長度應使邊仰坡面不受沖刷，下游應將水引至適當地點排泄，避免危害農田和沖刷山體。

泄水洞一般是在地下水特別發達、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。泄水洞應設在地下水上游一側，與隧道方向平行或近似平行，使周圍的地下水經由泄水洞的過濾孔眼流入泄水洞內排走，以達到攔截排水，防止地下水影響隧道的目的。

（三）電力及通信設施

1.電纜槽

當鐵路通信、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，應在隧道內設置電纜槽。

2.無人增音站（洞）

根據電訊傳輸衰耗和通信設計要求，每隔一定距離應設置無人增音站（洞）一處。當無人增音站（洞）位于隧道內時，則應在邊墻外增設無人增音站（洞），以便安裝無人增音機。

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

（四）運營通風建筑物

隧道交付使用以后，列車往返通過時經常排出大量有害氣體，同時還散發出許多熱量，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，洞內線路也容易被腐蝕。因此，必須設法把隧道內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洞來，使洞內空氣達到無害的程度，使列車司機、乘客和洞內維修人員能舒適而高效地工作。

1.縱向通風

在通風機的作用下，使風流沿著隧道軸線方向流動的通風方式。

（1）洞口風道式通風

這種通風方式是把通風機設置在隧道洞口端處，通風道與隧道聯通。當列車車尾一出洞口，立即開動通風機，將已被活塞風擠到出洞口段內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流帶進隧道內，從而完成一次通風作業。

為防止通風機工作時，新鮮空氣從出洞口吸進隧道造成短路，降低通風效果，需在出洞口設置一個用鋼或鋼木結構組成的框架式簾幕。它用軌道電路與信號系統進行連鎖，當列車駛向隧道時，簾幕自動提起，當列車通過后，簾幕自動落下。

（2）噴嘴式通風

對于列車運行密度大，長度不太長的隧道，可采用環形噴嘴式通風形式，如圖2-20所示。它是在隧道洞口處的襯砌上方，設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形噴嘴通向洞內。開動通風機，洞外新鮮空氣被壓送到空氣室，當積聚到一定壓力時，由噴嘴以高速和極小的交角噴進隧道內，形成穩定風流。洞口段可不做簾幕，新鮮空氣不會從洞口溢出，反而會由于高速風流引起的負壓，帶進一些新鮮空氣。但這種通風形式結構復雜，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

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道，把通風機置于豎井或斜井處，借助于通風機和豎井的換氣作用，以達到通風之目的。

2.橫向式通風

這種通風方式的特點是隧道內風流方向與隧道軸線方向成正交。它是隔出隧道部分斷面作為沿洞身軸線的通風渠。開動通風機，把新鮮空氣先送入隧道底部的壓入通風渠；再經出風口沿隧道全長范圍內均勻吹入隧道內。而污濁空氣，則經隧道頂部的吸出風渠吸出洞外。

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

隧道通風所需新鮮空氣的風量和風壓必須經過計算確定，根據計算確定的風量和風壓，再選擇合適的通風機。鐵路隧道一般是采用軸流式通風機，其特點為風量較大而風壓并不高。