第二节　铁路隧道构造

铁路隧道结构由主体建筑物和附属建筑物两部分组成。

隧道的主体建筑物是为了保持隧道的稳定，保证列车的安全运行而修建的，它由洞身衬砌和洞门组成。在洞口容易坍塌或有落石的危险时，还需要加筑明洞。

隧道的附属建筑物包括防排水设施、大小避车洞、电缆槽、长大隧道的通风设施；根据电信传输衰耗和通信设计要求而增设的无人增音站（洞）；在电气化铁路上，当隧道较长或在隧道群地段，为了将接触线和承力索进行锚固而设置的下锚装置；用于存放维修接触网用的绝缘梯车的专门洞室（绝缘梯车洞）等。隧道内设置何种附属建筑物，应根据具体情况决定。

一、铁路隧道净空

（一）直线隧道净空

“限界”是一种规定的轮廓线，这种轮廓线以内的空间是保证列车安全运行所必需的。“建筑限界”是建筑物不得侵入的一种限界。基本建筑限界是指全国铁路线上所有的建筑物和设备都不允许侵入的轮廓线。隧道建筑限界是指包围“基本建筑限界”外部的轮廓线。即要比“基本建筑限界”大一些，留出少许空间，用于安装通信信号、照明、电力等设备。

直线隧道净空是指隧道衬砌的内轮廓线所包围的空间。“直线隧道净空”要比“隧道建筑限界”稍大一些，除了满足界限要求外，还考虑了在不同的围岩压力作用下，衬砌结构的合理受力形状以及施工方便等因素。

（二）曲线隧道的净空加宽

1.单线曲线隧道加宽

车辆通过曲线时，转向架中心点沿线路运行，而车辆本身是一个刚体却不能随线路弯曲而发生变形，仍保持其矩形形状，故车辆两端向曲线外侧偏移，中间向曲线内侧偏移，由于曲线外轨超高，车辆向曲线内侧倾斜，使车辆限界上的控制点在水平方向上向内移动了一个距离，因此，为了保证列车能顺利地通过曲线隧道，必须将隧道净空加宽。

经计算可知，曲线隧道内外侧加宽值不同（内侧加宽大于外侧加宽），断面加宽后，隧道中线应向曲线内侧偏移一定距离，如图2-7所示。

2.曲线隧道与直线隧道衬砌的衔接

《铁路隧道设计规范》规定：位于曲线地段的隧道，其断面加宽除圆曲线部分按计算值加宽外，缓和曲线部分可分两段加宽：（1）自圆曲线终点至缓和曲线中点，并向直线方自延伸13m，这一段用圆曲线加宽的断面；（2）缓和曲线的其余半段，并自缓和曲线终点向直线方向延伸22m，这一段采用圆曲线加宽值的一半。

隧道衬砌施工中，对不同宽度衬砌断面的衔接，可做成直角台阶的错台或自加宽断面终点向不加宽断面延伸1m范围内逐渐过渡的顺坡。

二、隧道衬砌

隧道开挖以后，为了保持围岩的稳定性，一般需要进行支护（衬砌）。隧道衬砌的构造与围岩的级别和施工方法是密切相关的。修建隧道衬砌的材料，应具有足够的强度和耐久性，在某些环境中，还必须具有抗冻、抗渗和抗腐蚀性。此外，还应满足就地取材，降低造价，施工方便及易于机械化施工等要求。常用的铁路隧道衬砌材料有混凝土和钢筋混凝土、喷射混凝土（简称喷混凝土）、片石混凝土、料石或混凝土块。

（一）整体式混凝土衬砌

整体式混凝土衬砌是指就地灌注混凝土（钢筋混凝土）衬砌，也称模筑混凝土衬砌。它对地质条件的适应性较强，易于按需要成型，整体性好，抗渗性强，而且可以适合多种施工条件，如可用木模板、钢模板或模板台车等。因而，在我国铁路隧道工程中广泛采用。依照不同的地质条件，或是按照不同的围岩级别，又有直墙式和曲墙式两种形式。

1.直墙式衬砌

适用于地质条件比较好，以垂直围岩压力为主而水平围岩压力较小的情况。主要适用于Ⅱ、Ⅲ级围岩，个别情况也适用于Ⅳ级围岩。结构形式由衬砌上部拱圈、两侧竖直边墙和下部铺底三部分组合而成。在地质条件较好时，为了节省圬工，直墙式衬砌在构造上可采取若干改进措施。

（1）在Ⅱ级围岩中采用大拱脚喷混凝土（或喷砂浆）边墙衬砌，如图2-8所示。

（2）在Ⅰ、Ⅱ级围岩中采用柱式边墙，或连拱式边墙，统称为花边墙。柱式边墙是做成一排均匀间隔的立柱，其高度一般不宜小于3m，其间是孔洞，柱间间隔不宜大于3m，表面喷3～5cm厚的混凝土。连拱墙衬砌则把边墙部分做成连拱形式，如图2-9所示。

2.曲墙式衬砌

适用于地质条件比较差，有较大水平围岩压力的Ⅳ级及以上的围岩。

结构形式由顶部拱圈、侧面曲边墙和底部仰拱（或铺底）组成，如图2-10所示。除在Ⅳ级围岩无地下水，且基础不产生沉陷的情况下可以不设仰拱，只做平铺底外一般均设仰拱，以抵抗底部围岩压力和防止衬砌沉降，使衬砌形成一个环状的封闭整体结构，以提高衬砌的承载力。

（二）喷锚衬砌

喷锚衬砌是指采用混凝土喷射机，将掺有速凝剂的混凝土干拌料和水高速喷射到清洗干净的岩石表面凝结（当围岩不够稳定时，可加设锚杆或钢筋网），构成的一种支护形式，简称“喷锚支护”。

采用喷锚支护可充分发挥围岩的自承能力，控制围岩的变形，可有效地利用洞内净空，提高作业安全性和作业效率，并能适应软弱和膨胀地层中隧道的开挖，还可用于整治塌方和隧道衬砌的破损。

（三）复合式衬砌

目前大都采用外衬和内衬两层，最常用的内衬是喷锚支护，外衬是整体式混凝土衬砌，在两层间设置防水层的一种永久性防水结构，如图2-11所示。

复合式衬砌初期支护刚度小，易变形，能充分发挥围岩的自承能力；初期支护施作及时，且与围岩结合密切，从而能保护和加固围岩；二次衬砌完成后，衬砌内表面光滑平整，可以装饰内壁，增强安全感，是一种较为理想的结构形式，目前应用广泛。

三、洞门

（一）洞门的作用

隧道两端洞口处应设置洞门。修建洞门可以起到以下作用：

（1）减少洞口土石方开挖量。洞口段范围内的路堑是依照地质条件以一定的边坡而开挖的。当隧道埋深较大时，开挖量就很大。设置隧道洞门可起到挡土墙的作用，同时减少土石开挖量。

（2）稳定边坡、仰坡。由于边坡上的岩体不断受到风化，坡面松石极易脱落滚下。边坡太高，难于自身稳定，仰坡上的石块也会沿着坡面向下滚落，有时会堵塞洞口，甚至砸坏线路轨道，对行车造成威胁。修建洞门就可以减小引线路堑的边坡高度，缩小正面仰坡的坡面长度，从而使边坡及仰坡得以稳定。

（3）引离地表流水。地表流水往往汇集在洞口，如不予以排除，将会漫及线路，危及行车安全，修建洞门，可以把流水引入侧沟，保证了洞口的正常干燥状态。

（4）装饰洞口。洞口是隧道唯一的外露部分，是隧道正面的外观。修建洞门也可以算是一种装饰。在城市附近、风景区的隧道，尤其应当配合当地的环境，予以艺术处理。

（二）洞门的形式

1.环框式洞门

适用于洞口石质坚硬稳定（Ⅰ级围岩），且地形陡峻无排水要求时，起到加固洞口和减少洞口雨后滴水的作用，如图2-12所示。

2.端墙式洞门

适用于较为稳定的Ⅰ～Ⅲ级石质围岩。用于抵抗山体的纵向推力及支持洞口正面上的仰坡，保持其稳定，洞门顶水沟用来将从仰坡流下来的地表雨水汇集后排走，如图2-13所示。

3.翼墙式（八字式）洞门

它由端墙、翼墙、排水沟组成。适用于洞口地质条件较差（Ⅳ～Ⅵ级），围岩山体纵向推力较大，地形开阔时。可起到支持洞口正面上的仰坡，保持其稳定，抵抗山体的纵向推力，增加洞门的抗滑和抗倾覆能力的作用，两侧面保护路堑边坡，起到挡土墙的作用，将地表水引至路堑侧沟内排走，如图2-14所示。

4.柱式洞门

适用于地形较陡，Ⅲ、Ⅳ级围岩，仰坡有下滑的可能，设置翼墙式洞门又受地形、地质条件的限制，如图2-15所示。

5.台阶式洞门

适用于洞门位于靠山侧坡地区，洞门一侧边仰坡较高时，可减少洞门圬工及仰坡开挖数量，起美化作用，如图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盖的衬砌结构，称为明洞。它适用于洞顶覆盖层较薄，难以用暗挖法修建隧道地段；受塌方、落石、泥石流等威胁的隧道洞口或路堑地段；线路之间形成立体交叉，但又不宜做立交桥时，通常也宜修建明洞。

明洞的类型有拱式明洞和棚式明洞两种。

1.拱式明洞

拱式明洞的结构形式与一般隧道基本相似，也是由拱圈、边墙和仰拱或铺底组成，如图2-17所示。它的内轮廓也和隧道一致。但是，由于它周围是回填的土石，得不到可靠的围岩抗力的支持，因而结构的截面尺寸要略大一些。

当边坡塌方数量较大，落石较多，基础条件较好时，常常需要修筑拱式明洞来防护。拱式明洞结构坚固，可以抵抗较大的推力，其适用的范围较广。

2.棚式明洞

当山坡的塌方、落石数量较少，山坡路堑外侧较低，不能适当地安置拱式明洞的庞大外墙时，可以修建棚洞，如图2-18所示。

棚洞是一种框架结构。顶上不是拱圈而是平的梁板，内墙一般为重力式墩台结构，以抵抗山体的侧向压力。它的基础必须放在稳固的基岩上。若是边坡坡度较陡，地面水量不大，坡面稳定而坚实，采用重力式内墙开挖量太大时，也可以采用钢筋混凝土锚杆挡土墙的形式。当外墙不受侧向压力仅承受梁和盖板的竖向荷载时，可以根据落石的严重与否以及地质情况，采用立柱式、连拱墙式或刚架结构。

五、铁路隧道附属建筑物

为了使隧道能够正常使用，保证列车安全运行，铁路隧道除修筑主体建筑物以外，还要修建一些附属建筑物，包括避车洞、防排水设施和电力及通信设施等。

（一）避车洞

避车洞分为小避车洞和大避车洞。小避车洞是为了保证隧道内行人和维修人员的安全而设置的。大避车洞是为了存放一些必要的维修材料、工具及轨道小车避让列车而设置的。

避车洞衬砌类型一般与隧道衬砌类型相适应。

为使避车洞的位置明显，便于人员在光线暗淡的隧道内寻找，得以迅速地奔向最近的避车洞，且可不跨越线路，在避车洞内以及周边上用石灰浆刷成白色，并在两侧距离为10m处的边墙上各绘一个白色的指向箭头，如图2-19所示。在运营期间应保证这些标志的鲜明醒目。

（二）防排水设施

1.隧道内的排水设施

主要排水设施有：衬砌内的纵横向排水沟，衬砌上的引水管（暗槽）或泄水孔，衬砌背后的纵横向盲沟和集水钻孔等。

2.隧道内的防水设施

防水是指防止地下水从衬砌背后渗入隧道内，可以采取防水混凝土结构、外贴式防水层（由沥青和油毡间隔铺贴而成）、内贴式防水层（喷水泥砂浆防水层、抹面防水层或阳离子乳化沥青胶乳防水层）、复合式衬砌中间防水层（铺设塑料防水板或喷防水材料薄膜）等。

在变形缝（包括沉降缝和伸缩缝）处主要用沥青木板、沥青麻筋、沥青、橡胶带或塑料止水带等几种材料进行防水。常用的是沥青木板，将沥青木板塞在两段衬砌之间，在接缝处的外表面挖一宽12cm、深6cm的沟槽，用防水胶油、防水油膏及水泥灰浆等填塞封堵，外表面抹以M10水泥砂浆。橡胶止水带的防水性能质量可靠，可承受较大的相对变形，但价格较贵，可用于防水要求较严格的重要工程。

3.隧道内的堵水设施

向支护背后压注水泥砂浆及化学浆液，用以充填支护与围岩之间的空隙，以堵住地下水的通路，并使支护与围岩形成整体，改善支护受力条件。

4.隧道内的截水设施

截水是指截断地表水和地下水流入隧道的通路。主要采取的措施有洞顶天沟和泄水洞。

为防止地表水冲刷仰坡，流入隧道，一般应在洞口边仰坡上方设置天沟，但当地表横坡陡于1∶0.75时可不设。天沟设于边仰坡坡顶以外不小于5m处，黄土地区应不小于10m。天沟一般沿等高线向线路一侧或两侧排水。天沟坡度根据地形设置，但应不小于3‰，以免淤积。天沟长度应使边仰坡面不受冲刷，下游应将水引至适当地点排泄，避免危害农田和冲刷山体。

泄水洞一般是在地下水特别发达、涌水地段较长且水压较高，用其他防排水措施难以奏效时才采用。泄水洞应设在地下水上游一侧，与隧道方向平行或近似平行，使周围的地下水经由泄水洞的过滤孔眼流入泄水洞内排走，以达到拦截排水，防止地下水影响隧道的目的。

（三）电力及通信设施

1.电缆槽

当铁路通信、信号电缆通过隧道时，为了避免电缆被损坏或腐蚀，以保证通信、信号工作的安全，应在隧道内设置电缆槽。

2.无人增音站（洞）

根据电讯传输衰耗和通信设计要求，每隔一定距离应设置无人增音站（洞）一处。当无人增音站（洞）位于隧道内时，则应在边墙外增设无人增音站（洞），以便安装无人增音机。

无人增音站（洞）因与大避车洞轮廓大致相同，一般多设于大避车洞内。洞内应有良好的防水、防腐、保温措施，保证增音机的正常使用。除此之外，根据具体情况，隧道内有时也设信号继电器箱洞、绝缘梯车洞、无线电通信电台箱洞、无线可调继电器洞、变压器洞等附属设施。

（四）运营通风建筑物

隧道交付使用以后，列车往返通过时经常排出大量有害气体，同时还散发出许多热量，此外，衬砌缝隙也不时渗透出某些天然地下气体和潮湿成分，再加上维修人员在工作时不断呼出二氧化碳。这些因素使得隧道内的空气变得污浊、炽热和潮湿。长时间积聚起来，浓度越来越大，将使人呼吸感到困难，健康受到威胁，工作效率降低，洞内线路也容易被腐蚀。因此，必须设法把隧道内积聚的有害气体和热量等排除出去，把洞外的新鲜空气引进洞来，使洞内空气达到无害的程度，使列车司机、乘客和洞内维修人员能舒适而高效地工作。

1.纵向通风

在通风机的作用下，使风流沿着隧道轴线方向流动的通风方式。

（1）洞口风道式通风

这种通风方式是把通风机设置在隧道洞口端处，通风道与隧道联通。当列车车尾一出洞口，立即开动通风机，将已被活塞风挤到出洞口段内的污浊空气排出洞外。与此同时，洞外新鲜空气由洞口另一端随着风流带进隧道内，从而完成一次通风作业。

为防止通风机工作时，新鲜空气从出洞口吸进隧道造成短路，降低通风效果，需在出洞口设置一个用钢或钢木结构组成的框架式帘幕。它用轨道电路与信号系统进行连锁，当列车驶向隧道时，帘幕自动提起，当列车通过后，帘幕自动落下。

（2）喷嘴式通风

对于列车运行密度大，长度不太长的隧道，可采用环形喷嘴式通风形式，如图2-20所示。它是在隧道洞口处的衬砌上方，设计一个汇集新鲜空气的空气室，室的尽端在衬砌周边上做成环形喷嘴通向洞内。开动通风机，洞外新鲜空气被压送到空气室，当积聚到一定压力时，由喷嘴以高速和极小的交角喷进隧道内，形成稳定风流。洞口段可不做帘幕，新鲜空气不会从洞口溢出，反而会由于高速风流引起的负压，带进一些新鲜空气。但这种通风形式结构复杂，施工工艺要求高，维修不方便，能量损失大，效率低。

（3）竖井、斜井式通风

长大隧道纵剖面为人字坡时，污浊空气常积聚在坡顶。若在隧道施工中，为增加开挖工作面而设置竖井或斜井作为辅助坑道时，可利用这些辅助坑道作为通风道，把通风机置于竖井或斜井处，借助于通风机和竖井的换气作用，以达到通风之目的。

2.横向式通风

这种通风方式的特点是隧道内风流方向与隧道轴线方向成正交。它是隔出隧道部分断面作为沿洞身轴线的通风渠。开动通风机，把新鲜空气先送入隧道底部的压入通风渠；再经出风口沿隧道全长范围内均匀吹入隧道内。而污浊空气，则经隧道顶部的吸出风渠吸出洞外。

横向式通风系统能将新鲜空气沿隧道全长范围内均匀吹入，而污浊空气就地直接被吸出，通风效果较好，在公路隧道中使用最适宜。

隧道通风所需新鲜空气的风量和风压必须经过计算确定，根据计算确定的风量和风压，再选择合适的通风机。铁路隧道一般是采用轴流式通风机，其特点为风量较大而风压并不高。