第四节 隧道横断面设计

在地层中修成的隧道，必须要有足够的净空以满足运营安全的要求。不同用途的隧道，净空大小也不一样。目前，隧道断面大小的划分采用国际隧道协会建议的标准，见表3-5。

一、铁路隧道

（一）隧道净空

隧道净空是指隧道衬砌的内轮廓线所包围空间。铁路隧道净空是根据隧道建筑限界确定的，而隧道建筑限界是根据基本建筑限界制定的，基本建筑限界又是根据机车车辆限界制定的。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。

1.机车车辆限界

机车车辆限界是指机车车辆最外轮廓的限界尺寸。要求所有在线路上行驶的机车车辆停在平坡直线上时，车体所有部分都必须容纳在此限界范围内而不得超越。

2.基本建筑限界

基本建筑限界是指线路上各种建筑物和设备均不得侵入的轮廓线。它的用途是保证机车车辆的安全运行及建筑物和设备不受损害。

3.隧道建筑限界

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。

4.直线隧道净空

直线隧道净空要比隧道建筑限界稍大一些，除了满足限界要求，考虑避让等安全空间、救援通道及技术作业空间外，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（拱部采用三心圆，边墙采用直墙式或曲墙式）以及施工方便等因素。以时速120km/h单线电力牵引铁路隧道衬砌内轮廓为例，将隧道各限界情况绘制于图3-1中。

（二）曲线隧道净空加宽

1.加宽原因

（1）车辆通过曲线时，转向架中心点沿线路运行，而车辆本身却不能随线路弯曲仍保持其矩形形状。故其两端向曲线外侧偏移（d_外），中间向曲线内侧偏移（d_内1），如图3-2（a）所示。

（2）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d_内2，如图3-2（b）所示。据此，曲线隧道净空的加宽值为：

内侧加宽

W₁=d_内1+d_内2

外侧加宽

W₂=d_外

总加宽

W=W₁+W₂=d_内1+d_内2+d_外

2.加宽值的计算

（1）单线曲线隧道加宽值的计算。

1）车辆中间部分向曲线内侧的偏移d_内1。

式中 l——车辆转向架中心距，取18m；

R——曲线半径，m。

则

2）车辆两端向曲线外侧的偏移d_外。

式中 L——标准车辆长度，我国为26m。

3）外轨超高使车体向曲线内侧倾移d_内2。

式中 H——隧道限界控制点自轨面起的高度，cm；

E——曲线外轨超高值，其最大值不超过15cm；

v——铁路远期行车速度，km/h。

在我国铁路隧道标准设计中，d_内2系将相应的隧道建筑限界绕内侧轨顶中心转动角求得，可近似取d_内2=2.7E（cm），则

隧道内侧加宽值为

隧道外侧加宽值为

隧道总加宽值为

或

（2）双线曲线隧道加宽值的计算。双线曲线隧道的内侧加宽值W₁及外侧加宽值W₂与单线隧道加宽值的计算相同。内外侧线路中线间的加宽值W₃按以下情况计算［图3-3（b）］。

当外侧线路的外轨超高大于内侧线路的外轨超高时，有

式中 H——车辆外侧顶角距内轨顶面的高度，取360cm；

E——外侧线路的外轨超高值，cm；

R——同前。

则

或

其他情况时

3.曲线隧道中线与线路中线偏移距离

从以上计算可知，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个d值。

单线隧道如图3-3（a）所示。

双线隧道如图3-3（b）所示。

内侧线路中线至隧道中线的距离为

外侧线路中线至隧道中线的距离为

（三）曲线隧道与直线隧道衬砌的衔接方法

根据TB 10003—2005《铁路隧道设计规范》规定：位于曲线地段的隧道，断面加宽除圆曲线部分按上述计算值予以加宽外，缓和曲线部分可分两段加宽，即自圆曲线至缓和曲线中点，并向直线方向延长13m，采用圆曲线加宽断面（按W值加宽）；其余缓和曲线，并自直缓分界点向直线段延长22m，采用缓和曲线中点加宽断面，其加宽值取圆曲线之半，即按W/2加宽（图3-4）。

上述分别延长22m和13m的理由是：当列车由直线进入曲线，车辆前面的转向架进到缓和曲线起点后，由于缓和曲线外轨设有超高，故车辆开始向内侧倾斜，车辆的后端点亦已偏离线路中心，所以从车辆的前转向架到车辆后端点的范围内应按圆曲线加宽值的一半（W/2）加宽，此段长度为两转向架间距离18m加转向架中心到车辆后端点距离4m，共22m。当车辆的一半进入缓和曲线中点时，其车辆后端偏离中线值应根据前面的转向架所在曲线的半径及超高值决定。此时，前面转向架已接近圆曲线，故车辆后段（按切线支距法原理推算，近似取车长之半26/2=13m）应按圆曲线加宽值（W）加宽。

位于曲线车站上的隧道，断面加宽应根据站场线路具体要求计算确定。

当隧道位于反向曲线上且其间夹直线长度小于44m时，重叠部分按两端不同的曲线半径分别计算内外侧加宽值，取其中较大者。

隧道衬砌施工中，对不同宽度衬砌断面的衔接，可采用在衬砌断面变化点错成直角台阶的错台法及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法。

二、公路隧道

公路隧道净空包括公路隧道建筑限界（图3-5）、通风及其他所需的断面积。断面形状和尺寸应根据围岩压力求得最经济值。公路隧道的建筑限界包括车道、路肩、路缘带、人行道等的宽度，以及车道、人行道的净高。公路隧道的净空除包括公路建筑限界以外，还包括通风管道、照明设备、防灾设备、监控设备、运行管理设备等附属设备所需要的空间以及富余量和施工允许误差等，如图3-6所示。JTG D70—2004《公路隧道设计规范》规定的建筑限界高度：高速公路、一级公路、二级公路取5.0m，三、四级公路取4.5m。各级公路隧道建筑限界基本宽度应按表3-6执行。

隧道行车限界指为了保证行车安全，在一定宽度、高度的空间范围内任何物件不得侵入的限界。隧道中的照明灯具、通风设备（如射流风机）、交通信号灯、运行管理专用设施如电视摄像机等都应安装在限界以外。

各级公路行车道的宽度，均按“限界”的规定设置，隧道内的车道宽度原则上应与前后道路一致，一般应避免产生“瓶颈”，并在车道两侧设置足够富余量。隧道墙壁往往给驾驶员以危险感，唯恐与之冲撞，行驶的车辆多向左侧偏离，无形中减少了车道的有效宽度，从而导致隧道中交通容量的降低，这种现象称为墙效应。因此，在道路隧道中，应在车道两侧留有足够的侧向净宽，以消除或减小墙效应的不良影响。

公路隧道中的基本组成部分是专供车辆通行使用的车行隧道。在每个车行隧道中，原则上规定采用对向交通的最小单位为2车道。如果交通量超过对向2车道的容量，则应设置两条各为单向交通的2车道，即合计4车道的隧道。从交通安全上考虑，不应设置对向交通的3车道隧道。大于4车道时，原则上隧道也应修成两条以上的2车道。隧道前后公路若为6车道时，有修成三条2车道隧道的先例（如纽约的林肯隧道和汉堡的易北河隧道等），但这对交通有很大不便。这种情况下，如有可能，应修成两条单向3车道隧道。

单车道隧道，为保证错车和安全运输，长隧道时，应设错车道（最好能供汽车调头），短隧道在进口能观察到出口引道时，洞内可不设错车道，但应在洞口外两端设错车道。

超过2km的长隧道，各国都在150～750m的间隔上设加宽带，PIARC隧道委员会推荐设宽2.5m、长25m以上的加宽带。超过10km的特长隧道，还应设置可供大型车辆使用的U形回车场。交通量大的城市隧道，考虑到故障车的停车，路面宽度最小推荐为8～8.5m。一般公路隧道，特别是1km以下的隧道，都应考虑自行车和行人的通过。但是隧道附近有迂回路时，为安全起见，自行车和行人不应通过隧道。一个自行车道的宽度为1.0m，自行车道数应根据交通量确定。人行道的宽度为0.75m或1m，大于1m时按0.5的倍数增加。在城市道路隧道中，在行人和自行车非常多的情况下，因修很宽的人行道而加大隧道断面，需要的通风设备也相应增大，这时人和自行车与车辆分开，修建小断面的人行隧管。人行隧管与车行隧管分开，对安全也极有利，在火灾时可以作为避难、救护伤员使用，平时亦可兼作管理人员用的通道。需通行自行车时，应另设自行车道，自行车不应混杂在行人中穿行。在山岭地区修建长大隧道时，专为行人需要加大通风设施及其功率是不经济的，应另寻其他途径解决行人问题。人行道、自行车道或自行车人行道与车行道在同一隧道中时，为保证安全，应使其比车行道高出25cm。为了彻底解决安全问题，或者对汽车速度严加管制，或者把人行道等与车行道用护栏隔开或者把设在路肩上的人行道等置于lm以上的台阶上并加设护栏，如图3-7所示。

车行道的净高，通常由汽车载货限制高度和富余量决定。另外，由于隧道内的路面全部更换很困难，一般应估计到将来可能进行罩面，其厚度通常按20cm预留。还应估计冬季积雪等可能减少净高。对不能满足净高要求的路段，应设标志牌，标明该处净高，并指明迂回道路。人行道、自行车道及自行车人行道的净高为2.5m。隧道的内轮廓线在施工中不可避免地要产生凸凹不平，一般还应考虑5cm的误差。

隧道的净空断面受通风方式影响很大。自然通风的隧道，断面应适当大些。假如采用射流通风机进行纵向通风时，应考虑射流通风机本身的直径、悬吊架的高度和富余量，总计约为1.5m的高度。长大隧道的通风管道断面积、通风区段的长度、通风竖井或斜井的长度和数量、设备费和长期运营费等应综合通盘考虑。重要的长大隧道，防灾设备（如火灾传感器、监视电视摄像机等）也要占空间。维修时往往是在不进行交通管制的条件下工作，还有管理人员的通道，根据实际需要可能设置在隧道的一侧或两侧等，都要根据实际隧道具体确定。