Southwest Jiaotong University 《山岭隧道》课程 第 三 讲 隧道与线路工程规划 许炜萍 西南交通大学 Southwest Jiaotong University

铁路、公路隧道是山区线路穿越山岭时用来克服高程障碍的一种建筑物，是整条线路的重要组成部分。同迂回绕线的方法相比，往往可以缩短线路长度、改善线路的平纵断面以及日后的运营条件，但它相对路基建筑物而言，造价比较高，施工难度大，施工进度也比较慢。

隧道的位置与线路是互为相关的。在一般情况下，当一段线路的方案比选一旦确定以后，区段上中、短隧道的位置一般依从于线路的位置大体决定，最多是在上、下、左、右很小幅度内作些小的移动。但是，如果隧道很长、工程规模很大、技术上也有一定的困难，属于本区段的重点控制工程，那么这一区段的线路就得依从于隧道所选定的最优位置，然后线路以相应的展线到隧道的位置。

所以，隧道位置的选定与线路的选定是同时考虑的，不可分开。 隧道具体位置的选择与区域工程地质条件、水文地质条件、地形地貌条件、工程难易程度、投资的数额、工期的要求，以及现有的施工技术水平和今后运营条件等因素有关。

主要内容 第一节：隧道位置的选择 地形条件与隧道位置的选择 地质条件与隧道位置的选择 不良地质与特殊地质地区隧道位置的选择 第二节：隧道洞口位置的选择 隧道洞口位置选择原则 洞口防护及绿化原则

第一部分 隧道位置选择

要选择好隧道线路位置，一般说来，主要应对沿线的地形、地质作详尽的了解，充分掌握这两方面的资料，认识它们之间的内在联系，分清主次，统筹研究，处理好近期与远期、隧道工程与其它工程的关系，就可选择出较为理想的隧道线路位置和恰当的隧道进出口位置。

一、地形条件与隧道位置的选择 隧道是克服地形障碍的有利手段，隧道位置的选择很大程度上受地形的制约。地形障碍有高程障碍和平面障碍两方面。

一、地形条件与隧道位置的选择 1、高程障碍 不管是铁路还是公路，在前进方向上如遇到高山，由于线路的坡度有严格的限制，不能在一定距离内拔起越过山峰，于是高山就成了线路上的高程障碍。要客服这种障碍，可以有三种方案供选择。

一、地形条件与隧道位置的选择 1、高程障碍 （1）绕行方案 当附近地形开阔，山坡地带宽敞时，可以避开前方的山峰，迂回绕行而过。上述条件具备，比较简易的办法。工程容易，工期较短，工程费用也较少。 但绕行路线要延长，长期运程增加；路线弯道增多，曲线半径可能减少，运行条件恶化，行车速度和牵引能力降低。尤其对于高速铁路，给技术改造带来困难。此外，绕行方案靠近山坡，地质条件复杂，易于产生塌方、滑坡等。所以，从长远来看，这一方案不可取，只有具备条件相宜时，才宜采用。

一、地形条件与隧道位置的选择 1、高程障碍 （2）深路堑方案 当地形比较开阔，有山谷台地可以展线时，就可以尽量地把线路展长、坡度用足以争取把线路高程抬起到可能的高度。然而抬高高程尚有不足之处，需在山顶部位开凿深路堑通过。这种展线比绕行方案略少一点，但前者的缺点依然存在。而且在山顶开挖深路堑，破坏植被和环境，甚至对数百万年形成的生态平衡造成不可逆转的破坏。另外工程量也很大，施工困难，边坡稳定性差，易引起塌方落石，后期养护工程量很大。现在随着隧道工程能力的增强，应当尽量避免深路堑方案。

芬兰的很多公路宁以高工程成本修建暗挖隧道，而不以低工程经费开挖地面、修建边坡。

一、地形条件与隧道位置的选择 1、高程障碍 （3）越岭隧道方案 当地形紧迫，山坡陡峭，不具备上述条件时，开凿隧道，穿山通过，就成为唯一可行，而且是比较有利的方案。修建隧道可能工程量要大一些，工期也会长一些，但是，它能使线路平缓顺直，不需要较大的坡度，不需设置太多、太急的曲线。今后在长期的运营中，由于技术条件好，可以牵引更大的重量，可以提高行驶速度，缩短运程，还不受外界干扰，战争时期将是良好的掩护所。因此，从全局和长期考虑，越岭隧道方案是比较合理的。

一、地形条件与隧道位置的选择 1、高程障碍 （4）工程案例 既有兰新铁路乌鞘岭地段，建于建国初期，线路翻越海拔3600m相对高差1000多米的乌鞘岭，受当时技术水平的制约，采用技术标准低。打柴沟至黄羊镇间，线路长103.20km，采用20‰双机坡，设有车站13处，到发线有效长度仅650m；为充分利用地形克服高差，尽量避免设置隧道或缩短隧道长度，越岭地段使用300m小半径，进行了多次足坡迂回展线，在乌鞘岭山顶上的安远盆地形成了大坡道、蛇形弯，“蔚为壮观”的来回展线场面，致使该段线路成为整个兰新线的“瓶颈”。

一、地形条件与隧道位置的选择 1、高程障碍 （4）工程案例 在兰新Ⅱ线穿越乌鞘岭地段，选线既要达到消除既有线上述弊端的目的，又要做好对既有线的有效利用和衔接，加之乌鞘岭地区地形、地质条件复杂，所以控制线路方案选择的因素较多。勘察、设计人员在线路可能经行的广大区域内，进行了大范围、多手段的加深地质工作，并结合展线工程，选择不同越岭隧道位置、高程及长度，采用20‰、16‰、13‰三种限坡，进行了数十个方案的研究比选。

一、地形条件与隧道位置的选择 1、高程障碍 （4）工程案例 经过比选，最终选定了技术可行、地质条件相对较好和经济合理的13‰坡度、20.05km特长隧道越岭线路方案。该方案将既有兰州西至武威南段的打柴沟——龙沟之间7个车站8个区间改为1个区间，运营线路长度由59.7km缩短为29.3km，限坡由20‰降为13‰，从而大幅度提高兰州至武威段的运能和运量。

一、地形条件与隧道位置的选择 1、高程障碍 （4）工程案例

一、地形条件与隧道位置的选择 2、平面障碍 铁路、公路进入山区，这里山峦起伏，河谷蜿蜒，线路不得不依山傍河迂回前进。有时走行在凹岸，则需注意是否受到河水冲刷。如果走行在凸岸山嘴，则沿山坡绕行，凸度较大时，曲线半径势必很小，行车条件恶化。若是山嘴伸出太急，线路就无法随之环绕，这就出现了平面障碍。解决平面障碍有以下两种方案。

一、地形条件与隧道位置的选择 2、平面障碍 （1）沿河傍山绕行方案 沿着山体自然弯曲傍山绕行，如果地形条件尚能允许，则可采用。在不得已时，只能大量劈坡，或高层填土，上设挡土墙，下设护坡护岸，有时还须跨谷建桥，有时为防滚石坠落，还特设置防护明洞。由于线路走形在山坡表层内，多为风化松散地层，施工时极易坍方。这种方案只有在条件允许时，才能采用。

一、地形条件与隧道位置的选择 2、平面障碍 （2）隧道直穿方案 如果在平面障碍的前方，开凿隧道，穿山而过，虽然初期工程略大一些，但线路顺直平缓，可不设急弯，没有陡坡，线路行程缩短，运营条件改善，而且不受山坡坍方落石的威胁，从长远的利益来看，隧道方案往往是比较合理的。

一、地形条件与隧道位置的选择 关村坝隧道：原设计沿大渡河绕行，迂回长16.6km，其间隧道8座总4.2km，大中桥2座，还有路基挖填，通过长达8km的不良地质，占用不少农田，因而研究了隧道直穿方案。经比选，采用现行6107m长的关村坝隧道方案。裁弯取直与绕行方案相比，缩短线路10.1km，减少了25个弯道和车站一处，避开了不良地段，占用农田显著减少，节约大量运营费。

一、地形条件与隧道位置的选择

二、地质条件与隧道位置的选择 无论是越岭线路或沿河傍山线路，在选择隧道位置时，都应力求选择在地质构造简单，岩性较好的稳固地层中通过。尽量避免通过断层、崩坍、滑坡、流砂、溶洞、陷穴以及偏压显著、地下水丰富等地质不良地段，当绕避有困难时，应尽量采取必要的工程措施。

二、地质条件与隧道位置的选择 1、单斜构造与隧道位置的选择 单斜构造是指成层的岩层向一个方向倾斜的地质构造。常见的工程地质问题为不均匀的地层压力、偏压、顺层滑动等现象。按岩层的倾角不同，可分为三种情况： （1）水平或缓倾角岩层 当隧道通过坚硬的厚层岩层时，较为稳定。若通过很薄的岩层，则施工时顶部易产生掉块现象，此时，以不透水的坚硬岩层作顶板为最好。

二、地质条件与隧道位置的选择 1、单斜构造与隧道位置的选择 （2）陡倾角岩层 （a） （b） 地表及地下水汇集区 1、单斜构造与隧道位置的选择 （2）陡倾角岩层 陡倾角岩层一般有偏压和不均匀压力存在，当有软弱夹层伴以有害节理切割时，易产生坍方和顺层滑动。 隧道中线可能沿两种不同岩性的岩层走向通过时，避免将隧道置于两种不同岩层软弱构造（破碎）带，图a；宜将隧道置于岩性较好的单一岩层中，图b。 （a） （b）

二、地质条件与隧道位置的选择 1、单斜构造与隧道位置的选择 （3）直立岩层 隧道通过直立岩层时，其中线宜垂直于岩层的走向穿过，如图。当层状岩层较薄，并有软弱夹层，伴有微量地下水活动时，亦可产生不对称压力，在隧道开挖中，易产生坍塌，甚至导致大的坍方，致使地面形成“天窗” 。

二、地质条件与隧道位置的选择 2、褶皱构造与隧道位置的选择 褶皱构造有向斜和背斜，隧道通过褶皱时，尽量避免将隧道置于向斜或背斜的轴部。如图中（a）、（b），而应将隧道置于翼部，如图（c），隧道所处的地质条件类似于单斜构造。轴部岩层均比翼部破碎；背斜较向斜略好，向斜容易富水。

二、地质条件与隧道位置的选择 3、断裂构造、接触带与隧道位置的选择 断裂构造及不同岩层的接触带，其裂隙发育，并有被挤压呈破碎的块碎石角砾及断层泥存在，地下水量也较大，常呈突水涌出。（1）切忌沿着（或靠近平行）断层带或破碎带修建隧道，如图；（2）隧道必须通过断层带时，应尽量使线路与断层走向正交，如图。

三、不良地质与特殊地质地区隧道位置的选择 1、不良地质地区隧道位置的选择 不良地质系指滑坡、错落、崩坍、岩堆、危岩、落石、岩溶、陷穴、泥石流、流砂、断层、褶皱、涌水及第四纪堆积层等不良地段。如线路难以绕避或绕避而有损于线路的总体性时，在技术条件许可和经济合理的条件下，亦可因地制宜地采取相应工程措施通过。

三、不良地质与特殊地质地区隧道位置的选择 1、不良地质地区隧道位置的选择 （1）滑坡地区隧道位置的选择 ① 采取隧道避开滑坡时，应使隧道洞身埋深在滑床（可能的滑动面）以下一定厚度的稳固地层中，如图，以确保施工及运营过程中滑坡滑动时不致影响隧道安全。

三、不良地质与特殊地质地区隧道位置的选择 1、不良地质地区隧道位置的选择 （1）滑坡地区隧道位置的选择 ② 当隧道或明洞必须通过滑坡体时，应在查明滑坡的成因、性质、类型、构造的基础上，采取上部减载、下部支挡、抗滑桩（墙）、地表及地下排水、加强衬砌结构等工程措施。 ③ 当隧道穿山皮进洞，通过不稳定并有软弱夹层的岩体时，多有引起山体滑动的可能，为此，选择隧道位置时，应充分预计由于施工开挖和爆破、河岸冲刷和剥蚀、人文活动等影响所导致软弱夹层的不稳定和山体的滑动。

三、不良地质与特殊地质地区隧道位置的选择 1、不良地质地区隧道位置的选择 （2）岩堆、崩坍、错落、堆积层以及危岩落石地区隧道位置的选择 岩堆：常处在极限平衡状态或趋于暂时稳定的过渡状态，一经外界扰动，即会丧失平衡，向下滑移或坍落。 崩坍：破坏是急剧、猛烈的，规模大者达万方以上，可导致砸毁隧道洞口或明洞衬砌，中断行车，甚至堵塞河道。 错落：在外形和成因方面与滑坡有些类似，但它的错动面或软弱带不像滑坡面那样光滑和有规律。 堆积层：一般呈松散状态，隧道开挖后容易引起坍塌，情况严重者常导致地表开裂、坍陷。

三、不良地质与特殊地质地区隧道位置的选择 1、不良地质地区隧道位置的选择 （2）岩堆、崩坍、错落、堆积层以及危岩落石地区隧道位置的选择 在上述不良地质地区，应将洞身置身于稳定的地层，如图。当隧道必须通过时，应分析其稳定性，且采取有效措施。另外在运营期间，危岩、落石常常危害运营安全，引起断道。

三、不良地质与特殊地质地区隧道位置的选择 1、不良地质地区隧道位置的选择 （3）泥石流地区隧道位置的选择 隧道位置应使洞身置于基岩中或稳定的地层内，并保证有足够的顶板覆盖厚度。在受彼岸山嘴或洪积扇影响而压缩河床，导致冲刷侧蚀威胁线路安全时，线路位置宜往里靠。 因下切、侵蚀、改道、侧蚀等形成的基准面（最低下切线） 侧蚀或下切

三、不良地质与特殊地质地区隧道位置的选择 1、不良地质地区隧道位置的选择 （4）岩溶地区隧道位置选择 当洞身不能避开时，宜使隧道与岩溶间壁有足够的岩壁厚度，或采取相应的工程处理措施，如图，并要选择在岩溶水不发育的地带通过，特别注意岩溶水突然袭击的可能性。

三、不良地质与特殊地质地区隧道位置的选择 2、特殊地质地区隧道位置选择 特殊地质地区系指膨胀岩（土）、含盐地层、煤系地层、黄土、多年冻土、地震地区以及水库坍岸区等。 （1）膨胀岩（土）地区隧道位置的选择 膨胀岩种类有：页岩、泥岩、含有长石、云母、辉石等的风化岩、蛇纹岩。膨胀原因有： ① 吸水膨胀 岩体中含有蒙脱土等粘土矿物质，吸水后会呈现明显膨胀。 ② 风化膨胀 围岩接触外界空气引起风化，随着岩石的崩坏呈现的膨胀。 ③ 潜在应力释放引起的膨胀 围岩的内部潜在应力，由于隧道开挖而得到释放，当围岩强度不足时，隧道即承受膨胀性压力。

三、不良地质与特殊地质地区隧道位置的选择 2、特殊地质地区隧道位置选择 （2）含盐地层隧道位置的选择 含盐地层系指含盐岩石中含有盐类矿物，如岩盐、芒硝、钙芒硝、硬石膏、石膏等矿物成分的可溶性地层。当其在恒定天然含水状态下，具有较大的强度。但当含水量发生变化时及变化后，则严重影响岩层的稳定性。 含盐地层对隧道的危害大致有下列三种类型： ① 膨胀作用的危害，将导致衬砌结构承受附加压力。 ② 湿陷作用的危害，使底板呈现不规则的隆起或沉陷。 ③ 含有高浓度SO42-的水溶液和芒硝矿物对混凝土的侵蚀，严重者使混凝土呈豆腐渣状，对钢筋也有腐蚀作用。 为此，当隧道通过含盐地层时，宜选择在干燥无水或地下水位低、含盐量最小的地段通过，并对衬砌采取相应的加强措施

三、不良地质与特殊地质地区隧道位置的选择 2、特殊地质地区隧道位置选择 （3）煤系地层隧道位置的选择 当隧道通过煤系地层时，要注意有害气体、煤窑采空区以及地层膨胀等影响隧道结构安全的问题。 因此，在选择隧道位置时，应设法避开有害气体含量较高和煤窑采空密集地段，当不可避免时，应选择影响最小的方案通过，同时保证底部隔层有足够厚度或预留煤柱，以减少其对隧道工程的威胁，确保施工安全和结构稳定。

三、不良地质与特殊地质地区隧道位置的选择 2、特殊地质地区隧道位置选择 （4）黄土地区隧道位置的选择 黄土具有干燥时甚坚固，遇水容易剥落和遭受侵蚀的特征。在黄土地区常见有冲沟、陷穴、滑坡及泥流等不良地质现象，对隧道的危害是不容忽视的，特别是在有地下水活动和陷穴密集的地段，在隧道施工中极易发生坍塌，产生较大的围岩压力，导致支撑变形，基础下沉及衬砌开裂等危害。

三、不良地质与特殊地质地区隧道位置的选择 2、特殊地质地区隧道位置选择 （5）多年冻土地区隧道位置的选择 凡是温度低于或等于0℃，且含有固态水的土（石）称为冻土，这种状态能保持三年或三年以上者，称为多年冻土。 多年冻土地区，多分布于我国东北大兴安岭和西北的青藏高原一带，由于气候严寒，防排水工程设计及施工均比较复杂，处理不当将造成隧道病害。 多年冻土地区修建的隧道，在洞口地段及衬砌背后会形成一个冻融交替的融化圈，因冻融循环的交替作用，洞门易遭到破坏，融化圈内的围岩强度则有所降低，在冻结时，对衬砌产生冻胀力，程度不同地影响着衬砌结构的安全。

三、不良地质与特殊地质地区隧道位置的选择 2、特殊地质地区隧道位置选择 （6）地震区隧道位置的选择 地震对隧道影响的大小，与地形、地质及隧道埋藏深度有着密切的关系，地震的破坏作用，由地表向地下隧道深度增加而迅速减弱，故一般对深埋隧道影响较小、对浅埋，偏压的隧道及明洞和洞门等结构的影响较大。另外，一般在松散的山坡堆积层或滑坡地段、断层破碎带、泥石流发育地区、不稳定的悬崖深谷、易坍陷的地下空洞等处，由于地震波的冲击作用，对抗震均属不利作用。一旦地震发生，将可能导致隧道洞口地面塌陷、衬砌出现开裂破损等病害，直接威胁行车安全。

三、不良地质与特殊地质地区隧道位置的选择 2、特殊地质地区隧道位置选择 （7）水库地区隧道位置的选择 水库蓄水后，改变了岸边的工程地质和水文地质条件，岸壁将受库水的浸润和波浪的冲刷而导致坍塌，即所谓的水库坍岸，见下图。同时，由于库水向岸壁土层（或破碎岩层）渗透，致使地下水位上升，在库水消落时，地下水又随之下降。库水水位的变化除加剧坍岸的发展外，还可能引进岩（土）体力学性质（承载力、摩擦力）的降低，老滑坡体的复活或产生新滑坡等不同程度的危害。

三、不良地质与特殊地质地区隧道位置的选择 2、特殊地质地区隧道位置选择 （7）水库地区隧道位置的选择 隧道位置应置于牢固的基岩中；另外隧道设置高程一般均应设于水库设计正常高水位以上规定高度。

第二部分 隧道洞口位置选择

洞口是隧道进出的咽喉，又是隧道施工中的主要通道。洞口位置选择是否合理，将对隧道的施工工期、造价运营安全等产生重大的影响。所以在隧道线路设计中，洞口位置的选择是一项很重要的工作。 隧道的进出口是隧道建筑物唯一的暴露部分，也是整个隧道的薄弱环节。根据我国多年实践经验，总结出“早进晚出”的原则。即在决定隧道洞口位置时，为了确保施工、运营的安全，宁可早一点进洞，晚一点出洞，这样做，虽然隧道修长了一些，却安全可靠。

一、隧道洞口位置选择原则 1、洞口不宜设在垭口沟谷的中心或沟底低洼处（图中的A线）， 一般情况垭口沟谷在地质构造上是最薄弱的环节。此外，地表流水都汇集在沟底，再加上洞口路堑开挖，破坏山体原有的平衡，更容易引起坍方。所以，洞口最好选在沟谷一侧（图中的B线）。

一、隧道洞口位置选择原则 贴壁进洞 接长明洞进洞 2、当隧道线路通过岩壁陡立、基岩裸露处时，最好不刷动或少刷动原生地表，以保持山体的天然平衡。 此时，洞口位置应根据具体情况，采取贴壁进洞或设置一段明洞（当山坡上有落石、掉块而难以清除时）。 贴壁进洞 接长明洞进洞

一、隧道洞口位置选择原则 3、洞口线路宜与等高线正交 使隧道正面进入山体，洞口结构物不致受到偏侧压力；此时，一般情况下都会采用斜切式、斜切帽檐式或喇叭口斜切式洞门。 正交洞门 喇叭口斜切式洞门

一、隧道洞口位置选择原则 4、对于傍山隧道限于地形，无法与等高线正交，只能斜交进洞时，其交角不应太小（不小于45°） 斜交洞门 此时按隧道低侧基础不露空并有足够的承载力及稳定性、高侧边坡挖方高度不超过15m确定洞口里程，洞门型式根据地面横坡及仰坡情况采用台阶式洞门或明洞门。 斜交洞门 台阶式洞门

一、隧道洞口位置选择原则 5、为了确保洞口的稳定和安全，边坡及仰坡均不宜开挖过高 过去，从单纯的经济观点出发，把隧道洞口位置选定在所谓与明挖的等价点上，即开挖每米路堑的造价和每延米隧道的造价相等的“经济洞口”位置上。此时，往往隧道定得偏短，路堑挖得过深，边、仰坡很高。 这样，不仅施工时容易发生坍方，行车后边坡也常滚石掉块、失稳，危及行车安全，最后不得不再修建接长隧道。这不但增加了投资，还对施工和运营造成后患，教训十分深刻。 所以，应根据开挖控制高度即坡度来决定洞口位置。

一、隧道洞口位置选择原则 隧道经济埋深示意图

一、隧道洞口位置选择原则 总之，隧道洞口位置的选择，应根据地形、地质条件，考虑边坡、仰坡的稳定，结合洞外有关工程及施工难易程度，本着“早进晚出”的指导思想，全面综合地分析确定。

二、洞口防护及绿化原则 1、洞口边仰坡应采取防护措施按“安全、可靠、绿化”的原则设计 当边仰坡高度小于12m时，对土质边仰坡采用液压喷播植草，对岩质边坡采用挂网喷混凝土植生防护；边坡刷方高度超过12m时，采用挡墙结构防护，以达到收坡效果，挡墙顶部边坡防护同上，边仰坡绿化的植物种类应适应当地的环境条件，并与所连接路基段绿化协调一致。

二、洞口防护及绿化原则 图为目前较为常用的洞口格构式护坡，在护坡内喷播植草。

二、洞口防护及绿化原则 2、对于高速铁路隧洞的洞口防护，隧道洞口边仰坡刷方线外5m采用防护栅栏隔离措施，有落石时，采用SNS防护网防护，防护网高度4m。 SNS柔性防护网系统以高强度钢丝绳柔性网、菱形钢丝绳网、环形网、高强度钢丝格栅作为主要构成部分，并以覆盖、紧固来防治坡面岩面崩塌、滚落、爆破飞石等的危害。