作者：孟维军 王国博
出版社：中国铁道出版社
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高速铁路隧道工程施工技术试读：
前言
目前，高速铁路在铁路建设中占据着主导地位，而隧道工程又在高速铁路建设项目中占较大比重。例如武广高速铁路中建有隧道226座，总长度177km，占线路总长16.6％。在高速铁路隧道工程中，为降低空气动力学效应而实施的增大断面净空面积、增设缓冲结构等措施使得施工更为复杂，控制更为严格。作为高速铁路建设的施工技术人员，必须掌握隧道工程施工的工艺流程、控制方法和实践技能。
本书以高速铁路隧道工程施工过程为主线，阐述了高速铁路隧道工程的基本知识、隧道工程施工准备、洞口工程施工、超前地质预报、隧道开挖技术、装渣运输、初期支护、二次衬砌、防排水、现场监控量测、辅助坑道、辅助作业、特殊岩土和不良地质段隧道施工等内容。书中以《高速铁路隧道工程施工技术指南（铁建设〔2010〕241号）》、《高速铁路隧道工程施工质量验收标准（TB 10753—2010）》等规范、标准为依据，引入大量的高速铁路隧道工程的典型案例，融入了国内隧道施工方面专家的宝贵经验，将理论知识与工程实践相结合，针对工程的关键工序提出解决方案和控制措施。
本书由哈尔滨铁道职业技术学院孟维军、王国博任主编，哈尔滨铁道职业技术学院张凤阳、孙龙梅任副主编，中铁三局集团专家组组长魏家君任主审。具体编写分工如下：项目1、4、5、9由孟维军编写；项目2、6、8、11由王国博编写；项目3、7、12、13由张凤阳编写；项目10由孙龙梅编写；项目14由哈尔滨铁道职业技术学院冯浩龙编写。教材在编写过程中，得到了中铁三局集团桥隧公司李存军、郑怀方等企业专家的大力支持和帮助，在此表示衷心的感谢。
本书既可作为相关专业的教材、参考书外，还可作为铁路施工技术人员的工具书。
由于编者水平有限，书中难免存在疏漏之处。诚请广大读者和各位同行批评指正，以便日后对本书进行修改，使之不断完善。
编者2014年4月项目1隧道基本知识
项目描述
本项目主要学习铁路隧道的一些基本概念及隧道施工的必要基础知识，为学习隧道工程施工打下相应的知识和技能基础。
教学目标
1.能力目标（1）具备隧道围岩分级的能力；（2）具备松动围岩压力计算的能力。
2.知识目标（1）掌握隧道工程的基本概念；（2）掌握高速铁路隧道的特点；（3）掌握隧道的结构构造。
3.素质目标（1）养成用联系的观点分析问题；（2）树立施工安全第一的思想；（3）具备一定团队协作的能力。任务1.1隧道工程的分类
相关案例：秦岭特长隧道、秦岭终南山隧道和大伙房隧道
1.铁路隧道
秦岭特长隧道属于铁路隧道，全长18.45km，最大埋深1600m，隧道长度为当时国内第一位、世界第六位。秦岭隧道处在一个极为复杂的地质构造断裂带，穿过数个断层和高地应力、涌水等不良地质灾害段。
隧道按一级、重型、电气化铁路标准设计。中部6614m为钻爆法施工段，其余为TBM施工段。衬砌为复合式衬砌和湿喷钢纤维混凝土两种结构，隧道内铺设超长无缝钢轨线路。
隧道1997年12月开工，2000年5月竣工。秦岭隧道的建成，对带动陕西经济发展和实施大西北开发战略发挥了重大作用。
该工程于2001年获原铁道部优质工程一等奖，2002年鲁班奖。
2.公路隧道
秦岭终南山隧道属于公路隧道，位于国家高速公路网包头—茂名线，全长2×18.02km，是目前双洞总长世界第一的公路隧道。该工程于2002年3月开工建设，施工时利用了已经贯通的西康铁路秦岭隧道H形平导，将18km隧道分为9段，多开工作面，长隧短打，节省投资约3.54亿元，缩短建设周期2.5年，于2007年10月建成通车。
3.水工隧道
大伙房隧道属于水工隧道，地处辽宁中部，全长85.32km，直径8m，穿越50余座山峰，50多条河谷，29条断层。其地表到隧道顶端距离最大630m，最小60m。隧道东起辽宁省桓仁县，西至辽宁省新宾县，工程总投资103亿元，是东北地区最大的输水工程，也是国家重点工程。该工程于2003年开工建设，使用3台TBM（全断面硬岩隧道掘进机），创造了TBM日掘进63.5m、月掘进1111m、误差2cm的世界级高精度贯通等多项纪录，于2009年全线贯通。
支撑知识：隧道的种类及其作用
隧道是用以保持地下空间作为运输孔道的地下工程。1970年世界经济合作与发展组织OECD隧道会议从技术方面将隧道定义为：以任何方式修建，最终使用于地表面以下的条形建筑物，其空洞内部净空断面在2m 2 以上者均为隧道。从这个定义出发，隧道包括的范围很大，且种类繁多，从不同的角度出发，就有不同的分类方法。（1）从隧道所处的地质条件来分，可以分为土质隧道和石质隧道。（2）从隧道的长度（L）来分，可以分为短隧道（铁路隧道规定L≤500m；公路隧道规定L≤500m）、中长隧道（铁路隧道规定500m
1.交通隧道
交通隧道的作用是提供交通运输和人行的通道，以满足交通线路畅通的要求，一般包括有以下几种。（1）铁路隧道
铁路隧道直接穿山而过，既可以使线路顺直，避免许多无谓的展线，缩短线路；又可以减小坡度，使运营条件得以改善，从而提高牵引定数，多拉快跑。（2）公路隧道
高速公路对道路的修建技术提出了较高的标准，要求线路顺直、坡度平缓、路面宽敞等。
公路隧道的修建在改善公路技术状态，缩短运行距离，提高运输能力以及减少事故等方面起到了重要的作用。（3）水底隧道
当交通线路需要跨越江、河、湖、海、洋时，一般可以选择的方案有架桥、轮渡和隧道。
河道通航需要较高的净空，而桥梁受两端引线高程的限制，当无法抬起必要的高度时，就要采用水底隧道。
水底隧道的优点是不受气候影响，不影响通航，引道占地少，战时不暴露交通设施目标等，越来越受到人们的青睐。（4）地下铁道
地下铁道是解决大城市交通拥挤、车辆堵塞问题，且能大量快速运送乘客的一种城市交通设施。
地下铁道可以使很大一部分地面客流转入地下而不占用地面面积。它没有平面交叉，因而可以高速行车，且可缩短车次间隔时间，节省乘车时间，便利乘客的活动。在战时，还可以起到人防的功能。（5）航运隧道
当运河需要越过分水岭时，克服高程障碍成为十分困难的问题。如果修建航运隧道，把分水岭两边的河道沟通起来，既可以缩短船只航程，又可以省掉船闸的费用，使航运条件大为改善。（6）人行地道
为了提高交通运送能力，减少交通事故，除架设街心高架桥以外，也可以修建人行地道来穿越街道或跨越铁路、高速公路等。这样可以缓解地面交通，少占用地面空间，同时大大减少交通事故。
2.水工隧道
水工隧道是水利工程和水力发电枢纽的一个重要组成部分。水工隧道包括以下几种：（1）引水隧道：用于进行水资源的调动或把水引入水电站的发电机组，产生动力资源。引水隧道有的内部充水因而内壁承压，有的只是部分过水，因而内部只受大气压力而无水压，分别称之为有压隧道和无压隧道。（2）排水隧道：是把发电机组排出的废水送出去的隧道。（3）导流隧道或泄洪隧道：它是水利工程中的一个重要组成部分，它可疏导水流并起补充溢洪道流量超限后的泄洪作用。（4）排沙隧道：用来冲刷水库中淤积的泥沙，把泥沙裹带运出水库。有时也用来放空水库里的水，以便进行库身检查或修理建筑物。
3.市政隧道
市政隧道是城市中安置市政设施的地下孔道。（1）给水隧道：城市自来水管网遍布市区，必须要有合理规划和布置的地下孔道来安置这些管道。地下孔道既不破坏市容景观，也不占用地面，并且可避免遭受人为的损坏。（2）污水隧道：本身导流排污或在隧道中安放管道排污。一般排污隧道的进口处多设有拦渣隔栅，把漂浮的杂物拦在隧道之外，不致涌入造成堵塞。（3）管路隧道：用于煤气、暖气、热水等管路的放置。（4）线路隧道：用于输送电力的电缆以及通讯电缆的放置。
在现代化的城市中，将以上四种具有共性的市政隧道，按城市的布局和规划，合建一个大隧道，称之为共同管沟。共同管沟是现代城市基础设施科学管理和规划的标志，也是合理利用城市地下空间的科学手段，是城市市政隧道规划与修建发展的方向。（5）人防隧道：为战时的防空目的而修建的防空避难隧道。人防隧道内除应设有排水、通风、照明和通信设备以外，还应考虑储备饮水、粮食和必要的救护设备，此外在洞口处还需设置各种防爆装置，以阻止冲击波的侵入。同时，要做到多口连通、互相贯穿，在紧急时刻，可以随时找到出口。
4.矿山隧道
在矿山开采中，常设一些为采矿服务的隧道，从山体以外通向矿床，并将开采到的矿石运输出来。（1）运输巷道：向山体开凿通到矿床的隧道称为主巷道，是主要出入口和主要的运输干道。由主巷道再开辟巷道通往各个开采面。（2）给水隧道：送入清洁水为采掘机械使用，并将废水及积水通过泵抽排出洞外。（3）通风隧道：净化巷道中的空气，创造良好的工作环境，用通风机及时把有害气体和污浊空气排除出去，并把新鲜空气补充进来。任务1.2高速铁路隧道的特点
相关案例：太行山隧道
太行山特长隧道长27839m，最大埋深445m，设计为双洞单线隧道，两线线间距35m。隧道位于直线上，左线、右线隧道的纵向设计坡度基本一致。进口段长95m的坡度为13.4‰的上坡；出口段长594m的坡度为6‰的上坡；其余部分均位于14.3‰的上坡。高速铁路隧道防灾救援要求较高，是其一大特点。
1.防灾救援设计基本原则（1）隧道防灾救援贯彻“以防为主，防消结合。方便自救，安全疏散”的原则，健全防灾救援系统，预防灾害发生，减轻发生灾害所产生的影响。（2）针对隧道内灾害的特点，防灾以防止旅客列车发生火灾为主，采取可靠的防火措施和消防手段，做到安全可靠，技术先进，经济合理，使用维修方便。（3）阻止发生火灾事故的列车进入隧道，旅客列车发生火灾后，不得在隧道内停车，综合牵引能力、火灾发生规模，确有必要，在隧道内设置“紧急救援站”进行停车疏散。（4）隧道内设置贯通的救援通道，双洞单线隧道段设置横通道、以满足突然停车后人员安全疏散。（5）本着“简单、可靠、经济”的原则，隧道内设置必要的防灾救援系统设备。
2.隧道内设置“紧急救援站”
太行山隧道设置两个“紧急救援站”，“紧急救援站”长度为550m，其中Ⅰ号救援站设在太行山隧道5号斜并与正洞交叉部位；Ⅱ号救援站设在太行山隧道进口端。
3.洞外疏散平台、引接道路及陡道紧急出口
太行山隧道进口设引接道路到附近的乡村道路。
4.防护门
太行山隧道两座单线隧道之间间隔420m，设置一处垂直于线路中线的横通道。横通道两端设置“防护门”，开启宽度为3.0m，高度为2.1m（钢筋混凝上单扇平开门，质量3.9t）。
每个“紧急救援站”内设置9个横通道，横通道两端设置“防护门”。开启宽度3.0m，高度2.1m（钢筋混凝土单扇平开门、质量4.2t）。
所有“防护门”均应满足双向开启，防护门的抗爆荷载不应小于0.05MPa，门扇启闭力不大于200N。
5.排烟竖并
根据环控通风要求，在DK84+570两座单线隧道之间设排烟竖井一处，竖井内净空直径为5.0m，竖井与正洞之间采用横通道连接。
支撑知识：高速铁路隧道的特点
高速铁路以其运行速度高、线路平直、安全舒适、节约时间等特点，比其他交通工具有更多的优越性。高速铁路的隧道工程具有占地少、环境污染小、结构安全可靠、拆迁量和对城市干扰小等优点。从技术上来看有以下几个主要特点。
1.空气动力学效应
当高速列车进入隧道时，强烈冲击处于隧道中的静止空气场，空气的黏性以及隧道壁面和列车表面的摩阻作用使得被排开的空气不能像在隧道外那样及时、顺畅地沿列车两侧和上部形成绕流。于是列车前方的空气受到压缩，列车后方则形成一定的负压，产生一个压力波动过程。这种压力波动又以声速传播至隧道口形成反射波，回传，叠加，产生一系列复杂的空气动力学效应。图1.1为列车进入隧道引起的压力波动实态。
图1.1 列车进入隧道引起的压力波动图
当高速列车通过隧道时，产生的压缩波实态和大小与许多因素有关。其中主要有：列车速度、列车断面积、列车长度、列车头部形状、隧道断面积、隧道长度、隧道内道床的类型等。因此，在高速铁路设计时，应从车辆及隧道两方面采取措施，以减缓空气动力学效应。
高速列车运行引起的问题有：（1）由于瞬变压力造成旅客及乘务人员耳膜不适，舒适度降低。由于车内外压差使车辆产生危害。（2）高速列车进入隧道时，会在隧道出口产生微气压波，发出轰鸣声，并会对临近建筑物产生危害。如果隧道净空较小，且洞口处没有缓冲结构，则会发生强烈的爆破声，引起扰民问题。（3）行车阻力增大，使运营能耗增大，并要求机车动力增大。（4）形成空气动力学噪声（与车速的6～8次方成正比）。（5）列车风加剧，影响隧道维修养护人员在洞内通车情况下作业。（6）列车克服阻力所做的功转化为热量，在洞内积聚引起温度升高等。
2.可靠性和结构耐久性要求高
所谓可靠性，是指结构在规定的时间内，在正常规定的条件下，完成预定功能的能力，包括安全性、适用性和耐久性。当以概率来度量时，成为结构的可靠度。
所谓结构耐久性，是指结构及其部件在可能引起材料性能劣化的各种作用下能够长期维持其应有性能的能力。高速铁路隧道由于其运营速度比较高，对结构和各种运营设施所产生的作用影响也就比较大，对相应工程结构的可靠性和耐久性的要求也就相应提高。
例如，高速铁路隧道对衬砌混凝土的裂缝要求就特别严格，因为高速铁路隧道内空气压力在不断的变化，特别是洞内会车情况下，压力的波动对结构的表层稳定是不利的。欧洲及日本的研究成果表明：同样的一条裂纹，对普速铁路隧道来说在外荷载停止发展后，将不再继续变化，而高速铁路隧道就不同了，即使外荷载停止了发展，但在频繁变化的洞内空气压力波的作用下，裂缝还将继续发展，从而降低隧道衬砌耐久性和使用功能，甚至危及行车安全。因此，在高速铁路隧道设计中，要采取有效措施减少隧道衬砌裂缝。
3.对环境的影响更加明显
环境包括自然环境、生态环境和周边人文环境，高速铁路列车以较高的速度运行，其产生的轮轨噪声、机械噪声、弓网噪声和空气动力学等噪声将比普速列车明显，对环境的影响也比普速列车大。例如，列车进入隧道后，形成压缩波，当压缩波传到隧道出口突然释放形成微气压波时，会对洞口的环境造成一定的影响，严重时会产生爆破音，影响附近的建筑物和居民的正常生活。所以，高速铁路隧道的修建就应该更加重视对环境的影响，围绕降低噪声，减少对自然环境、生态环境和周边人文环境的破坏，采取不同于普速铁路隧道的工程措施。
4.防灾救援要求高
高速铁路隧道中运行的主要是高速度的旅客列车，一旦发生事故和灾害，后果比一般铁路要严重得多。如何避免高速度的旅客列车在隧道内发生事故和灾害，以及旅客列车在隧道内因故停车时，如何快速疏散乘客，发生灾害事故时如何快速救援等，是高速铁路隧道应该重点考虑的问题，相对普速客货共线的铁路隧道来讲，高速铁路隧道对防止发生事故和灾害以及快速救援的要求更高。任务1.3隧道结构构造
相关案例：京沪高速铁路隧道
京沪高速铁路是新中国成立以来一次建设里程长，投资大，标准高的高速铁路。线路由北京南站至上海虹桥站，全长1318km，纵贯北京、天津、上海三大直辖市和冀鲁皖苏四省，连接环渤海和长江三角洲两大经济区，总投资约2209亿元，设24个车站。基础设施设计速度为350km/h，2008年4月18日正式开工，2011年6月30日通车，北京到上海最快只需4h48min。
在京沪高速铁路隧道设计时，对设计构造进行了以下规定：
1.隧道净空及建筑限界
隧道建筑限界采用《京沪高速铁路线桥隧站设计暂行规定》中规定的限界。隧道断面内轮廓轨面以上净空面积100m 2 。隧道净空考虑车辆限界和预留空间要求，预留空间主要包括安全空间、救援通道和工程技术作业空间。
2.隧道洞门形式
隧道进出口均设置洞门结构，洞口选择新型洞门结构形式以适合高速铁路的特点，并满足结构安全和环保要求。
3.隧道衬砌结构
衬砌类型：隧道全部按新奥法设计与施工，采用钢筋格栅锚杆喷混凝土初期支护与模筑混凝土二次衬砌的复合式衬砌。
衬砌结构形式：采用曲墙式带仰拱衬砌，衬砌轮廓尽量圆顺，对Ⅳ、Ⅴ级围岩衬砌结构的底部适当加强。
4.建筑材料
初期支护喷射纤维混凝土，强度等级为C20；二次衬砌采用防水混凝土，强度等级为C30；其他结构混凝土强度等级不低于C20。
5.隧道防排水
在裂隙水较发育地段，采用超前帷幕注浆和开挖后径向注浆封堵大面积淋水或股流，减少地下水流失。在岩溶发育地段，尽量维系岩溶水的既有通道，不宜随意封堵溶洞。
隧道洞内设双侧水沟，水量较大的隧道必要时设中心深水沟。衬砌拱部及边墙设防水板。衬砌背后设竖向盲沟，纵向10m一道。隧道边墙下部两侧各设一道纵向盲沟，使环向盲沟在底部通过纵向盲沟连通，并通过泄水孔与洞内水沟相连。
6.隧道内防灾与救援
隧道内两侧设置贯通整个隧道的救援通道，救援通道走行面不低于轨面高程，其宽度为1.5m，净高为2.2m。长度大于800m的隧道内两侧设置紧急呼叫电话，单侧两部电话的距离为600m，隧道两侧错开设置。对L≥1000m的隧道，可结合现场条件设置紧急出入口。出入口横断面最小尺寸：宽度≥2.3m，高度≥2.5m，纵向仰角≤35°。竖井作为出口时应设置旋梯。
支撑知识1：衬砌构造
开挖后的隧道，为了保持围岩的稳定性，一般需要进行支护和衬砌。支护的主要方式有：锚杆、钢架、钢筋网、喷射混凝土及其组合。衬砌的主要方式有：整体式模筑混凝土衬砌、装配式衬砌、锚喷混凝土衬砌和复合式衬砌等。
1.整体式模筑混凝土衬砌
整体式模筑混凝土衬砌是指就地灌注混凝土衬砌，也称模筑混凝土衬砌。其工艺流程为：立模→灌注→养生→拆模。模筑衬砌的特点是：对地质条件的适用性较强，易于按需要成型，整体性好，抗渗性强，并适用于多种施工条件，如可用木、钢模板或衬砌模板台车等。
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
直墙式衬砌适用于地质条件比较好的情况，属于我国铁路隧道围岩分级中的Ⅱ、Ⅲ级围岩，有时也可用于Ⅳ级围岩。围岩压力以竖向为主，几乎没有或仅有很小的水平侧向压力。衬砌由上部拱圈、两侧竖直边墙和下部铺底三部分组成。图1.2为单线非电气化铁路隧道衬砌断面。顶部拱圈可采用圆弧形拱、坦三心圆拱或尖三心圆拱。洞内一侧设有排除洞内积水的排水沟。
在地质条件较好时，为了节省圬工，也可以采用大拱脚薄边墙衬砌，见图1.3。其缺点是大拱脚支座施工困难，在非均质岩层中很难用钻爆法做出整齐稳定的支座。
在地质条件尚好，侧压力不大，但又不宜采用大拱脚喷混凝土边墙衬砌时，为了节省边墙圬工，可以简化边墙。一种方法是降低边墙建筑材料的等级，如将混凝土边墙改为石砌边墙；另一种方法是采用柱式边墙或连拱式边墙，统称为花边墙，如图1.4所示。
图1.2 单线非电气化直墙式衬砌
图1.3 大拱脚薄边墙衬砌
图1.4 连拱式边墙衬砌（2）曲墙式衬砌
曲墙式衬砌适用于地质条件比较差，岩体松散破碎，强度不高，又有地下水，侧向水平压力也相当大的Ⅳ、Ⅴ和Ⅵ级围岩情况。曲墙式衬砌由顶部拱圈、侧面曲边墙和底部仰拱（或铺底）组成。仰拱的作用是抵御底部围岩压力和防止衬砌沉降，并使衬砌形成一个环状的封闭整体结构以提高衬砌的承载能力。图1.5为单线非电气化铁路隧道衬砌Ⅴ级围岩直线断面曲墙式衬砌标准图，其内部轮廓线由五心圆曲线组成。
2.装配式衬砌
装配式衬砌是将衬砌分成若干块构件，这些构件在现场或工厂预制，然后运到坑道内用机械将它们拼装成一环接着一环的衬砌。这种衬砌的特点是：拼装成环后立即受力，便于机械化施工，改善劳动条件，节省劳力。目前多在使用盾构法施工的城市地下铁道中采用。
图1.5 单线非电气化曲墙式衬砌（单位：cm）
这种衬砌具备以下优点：（1）一经装配成环，不需养生时间，即可承受围岩压力。（2）预制的构件可以在工厂成批生产，在洞内可以机械化拼装，从而改善了劳动条件。（3）拼装时，不需要临时支撑，如拱架、模板等，从而节省大量的支撑材料和劳力。（4）拼装速度因机械化而提高，缩短了工期，还有可能降低造价。
装配式衬砌的构造应满足下列条件：①强度足够而且耐久。②能立即承受荷载。③装配简便，构件类型少，形式简单，尺寸统一，便于工业化制作和机械化拼装。④构件尺寸大小和重量适合拼装机械的能力。⑤有防水的设施。
3.锚喷混凝土衬砌
锚喷混凝土衬砌是指锚喷结构既作为隧道初期支护，又作为隧道永久结构的衬砌形式。它具有衬砌及时、施工方便和经济的显著特点。纤维喷射混凝土中的纤维能够显著改善喷混凝土的性能，在围岩整体性较好的军事工程、各类用途的使用期较短及重要性较低的隧道中广泛使用。在铁路、公路隧道设计规范中，都有根据隧道围岩地质条件、施工条件和使用要求可采用锚喷衬砌的规定。
铁路隧道设计规定中规定，锚喷衬砌设计应符合下列要求：（1）锚喷衬砌内轮廓线应比整体式衬砌适当加大，除考虑施工误差和位移量外，应再预留10cm作为必要时补强用。（2）遇下列情况不应采用锚喷衬砌：地下水发育或大面积淋水地段；能造成衬砌腐蚀或特殊膨胀性围岩地段；最冷月平均气温低于-5℃地区的冻害地段；有其他要求的隧道。
4.复合式衬砌
复合式衬砌把衬砌分成两层或两层以上，可以是同一种形式、方法和材料施作的，也可以是不同形式、方法、时间和材料施作的。目前大都采用内外两层衬砌。图1.6所示为铁路隧道Ⅳ级围岩复合式衬砌标准图。
图1.6 铁路隧道Ⅳ级围岩复合式衬砌标准图（单位：mm）
复合式衬砌是先在开挖好的洞壁表面喷射一层早强的混凝土（有时也同时施作锚杆），凝固后形成薄层柔性支护结构（称初期支护）。它既能容许围岩有一定的变形，又能限制围岩产生有害变形，其厚度多在5～20cm之间。一般待初期支护与围岩变形基本稳定后再施作内衬（二次衬砌）。为了防止地下水流入或渗入隧道内，可以在外衬和内衬之间设防水层，其材料可采用软聚氯乙烯薄膜、聚异丁烯片、聚乙烯等防水卷材，或用喷涂防水涂料等。
复合式衬砌可以保证初期支护施作及时，刚度小，易变形，与围岩密贴，从而能保护围岩和加固围岩，促进围岩的应力调整，充分发挥围岩的自承能力。二次衬砌完成后，衬砌内表面光滑平整，可以防止外层风化，装饰内壁，增强安全感。它既能够充分发挥喷锚支护的优点，又能发挥二次衬砌永久支护的可靠作用。
复合式衬砌是目前隧道工程常采用的衬砌形式。其设计、施工工艺过程与其相应的衬砌及围岩受力状态均较合理，十分符合衬砌结构的力学变化过程。其质量可靠，能够达到较高的防水要求；也便于采用喷锚、钢支撑等工艺。因此，它是比较合理的结构形式，是目前铁路隧道主要的结构形式。
支撑知识2：洞门与明洞
1.洞门
洞门是隧道洞口用圬工砌筑用以保护洞口、排放流水并加以建筑装饰的支挡结构物。它联系衬砌和路堑，是整个隧道结构的主要组成部分，也是隧道进出口的标志。
洞门的作用有以下几个方面：（1）减少洞口土石方开挖量。洞口段范围内的路堑是根据地质条件以一定坡率开挖的，当隧道埋置较深时，开挖量较大，设置隧道洞门可以起到挡土墙的作用，减少土石方开挖量。（2）稳定边、仰坡。修建洞门可减小引线路堑的边坡高度，缩小正面仰坡的坡面长度，使边坡及仰坡得以稳定。（3）引离地表水流。地表水流往往汇集在洞口，如不排除，将会浸害线路，妨碍行车安全。修建洞门可以把水流引入侧沟排走，确保运营安全。（4）装饰洞口。洞口是隧道唯一的外露部分，是隧道的正面外观。修建洞门可起装饰作用，特别在城市附近、风景区及旅游区内的隧道更应配合当地的环境，给予艺术处理进行美化。
由于隧道洞口所处的地形、地质条件不同，洞门形式也有所不同，主要有如下几种：（1）环框式洞门
环框式洞门（图1.7），即只镶饰隧道衬砌两端部分，适用于隧道洞口仰坡极为稳固，岩层坚硬，节理不发育，不易风化，地形陡峻而又无排水要求的情况。其作用是加固洞口，减少雨后洞口滴水的作用，并对洞口做出简单的装饰。（2）端墙式洞门
端墙式洞门俗称一字式洞门（图1.8），适用于地形开阔，岩层较为坚硬完整，山体压力很小的洞口地段，由端墙、洞门顶排水沟组成。端墙的作用是抵抗山体纵向推力及支持洞口正面上的仰坡，保持其稳定。洞门顶水沟用来将仰坡流下来的地表水汇集后排走。
图1.7 环框式洞门
图1.8 端墙式洞门（3）柱式洞门
柱式洞门是从端墙式洞门发展起来的，它实际也是一种端墙形式的洞门。当岩层有较大主动侧压力时，如仍向端墙式洞门那样采用同一厚度的端墙，则过于安全，浪费圬工。为此，区别受力大小，将洞门设计成横向不等厚，且最厚处即为柱形的柱式洞门。柱式洞门适用于洞口地形较陡，地质条件较差，岩层有较大侧压力，仰坡有下滑可能性的地段，或洞口处地形狭窄，受地形或地质条件限制，设置翼墙无良好基础或不能设置冀墙的地段，这时可以在端墙中部设置两个断面较大的柱墩，以增加端墙的稳定性，如图1.9所示。（4）翼墙式洞门
当洞口地质较差（Ⅳ级及以上围岩），山体纵向推力较大时，可以在端墙式洞门的单侧或双侧设置翼墙（图1.10）。翼墙在正面起到抵抗山体纵向推力，增加洞门的抗滑及抗倾覆能力的作用。两侧面保护路堑边坡，起挡土墙作用。翼墙顶面与仰坡的延长面相一致，其上设置水沟，将洞门顶水沟汇集的地表水引至路堑侧沟内排走。
图1.9 柱式洞门
图1.10 翼墙式洞门（单位：cm）（5）台阶式洞门
当洞门处于傍山侧坡地区，地面横坡较陡，洞门一侧边坡较高时，为了减小仰坡高度及外露坡长，可以将端墙一侧顶部改为逐步升级的台阶形式，以适应地形的特点，减少仰坡土石开挖量。这种洞门也具有一定的美化作用，如图1.11所示。（6）斜交式洞门
当线路方向与地形等高线斜交时，可采用平行于地形等高线方向与线路成斜交的洞门，如图1.12所示。
在松软地层中，不宜采用斜洞门。斜洞门与线路中线的交角不应小于45°，一般斜洞门与衬砌斜口段是整体砌筑的。由于斜洞门与线路中线斜交，因而洞口环节衬砌跨度加大，衬砌斜口段的受力情况复杂，施工也不方便，因此，只有在十分必要时才采用。
图1.11 台阶式洞门
图1.12 斜交式洞门（单位：cm）（7）喇叭口式洞门
高速铁路隧道，为了减缓高速列车的空气动力学效应，对单线隧道，一般设喇叭口缓冲段，同时兼作隧道洞门。
由上述可知，洞门的形式较多，洞门形式应根据洞口的地形、地质条件、隧道程度和所处的位置等确定，特别要注意洞口施工后地形改变的特点。
2.明洞
明洞是隧道的一种变化形式，它用明挖法修筑。所谓明挖是指把岩体挖开，在露天修筑衬砌，然后回填土石。这样修筑的构筑物，外形几乎与隧道无异，有拱圈、边墙和底板，净空与隧道相同，和地表相连处，也设有洞门、排水设施等。
明洞一般修筑在隧道的进出口处，当遇到地质差且洞顶覆盖层较薄，用暗挖法难以进洞时，或洞口路堑边坡上有落石而危及行车安全时，或铁路、公路、河渠必须在铁路上方通过，且不宜做立交桥或涵渠时，均需要修建明洞。它是隧道洞口或线路上起防护作用的重要建筑物，在铁路线上使用的较多。
明洞的结构类型常因地形、地质和危害程度的不同，有多种形式，采用最多的为拱式明洞和棚式明洞两种。
1.拱式明洞
拱式明洞由拱圈、边墙和仰拱（或铺底）组成，它的内轮廓与隧道相一致，但结构截面的厚度要比隧道大一些，可分为路堑式对称型、路堑式偏压型、半路堑式偏压型、半路堑式单压型。（1）路堑式对称型
路堑式对称型明洞适用于路堑边坡处于对称或接近对称，边坡岩层基本稳定，仅防边坡有少量坍塌、落石，或用于隧道洞口岩层破碎，覆盖层较薄而难以用暗挖法修建隧道时。
在挖出路堑的基面上，先修建与隧道衬砌相似的结构，然后在上面回填覆盖土石，夯紧并覆盖防水黏土层，层上留有排水的沟槽，以防止地面水的渗入。两侧墙外填以浆砌片石，使其密实，如图1.13所示。（2）路堑式偏压型
路堑式偏压型明洞适用于两侧边坡高差较大的不对称路堑。它承受不对称荷载，拱圈为等截面，边墙为直墙式，外侧边墙厚度大于内侧边墙的厚度，如图1.14所示。
图1.13 路堑式对称型明洞
图1.14 路堑式偏压型明洞（单位：cm）（3）半路堑式偏压型
半路堑式偏压型明洞适用于地形倾斜，低侧处路堑外侧有较宽敞的地面供回填土石之用的地段，以增加明洞抵抗侧向压力的能力。此种明洞承受偏压荷载，拱圈为等截面，内侧边墙为等厚直墙式，外侧边墙为不等厚斜墙式，如图1.15所示。
图1.15 半路堑式偏压型明洞（单位：cm）
图1.16 耳墙式拱形明洞（单位：cm）（4）半路堑式单压型
在傍山隧道的洞口或傍山线路上半路堑地段，一侧边坡陡立且有塌方、落石的可能，对行车安全有威胁时；或隧道必须通过不良地质地段而急需提前进洞时，由于外侧地形狭小，地面陡峻，无法回填土石以平衡内侧压力，此时都宜修建半路堑单压型明洞。由于它受到单侧的压力，虽然它的结构内轮廓与隧道一致，仍是左右对称的，但结构截面却是左右不同的，内侧边墙为等厚直墙，外墙需要相对地加大，而且必须把基础放在稳固的基岩上。有时，拱圈也可能采用变截面，以抵抗单侧的压力。
当外侧地形较低，不能保持回填土的天然稳定坡度，或是按天然稳定坡度则边坡将延伸很远时，可以在结构的外墙顶上接高一段挡墙，用以拦截土石的流走，称之为耳墙式拱形明洞，如图1.16所示。
2.棚式明洞
当山坡的塌方、落石数量较少，山体侧向压力不大，或因受地质、地形限制，难以修建拱形明洞时，可以修建棚式明洞，如图1.17所示。
图1.17 棚式明洞
棚式明洞常见的结构形式有盖板式、刚架式和悬臂式三种。（1）盖板式棚洞
盖板式棚洞是由内墙、外墙及钢筋混凝土盖板组成的简支结构。顶上不是拱圈而是平的盖板，其上回填土石，以保护盖板受山体落石的冲击。
内墙一般为重力式墩台结构，厚度较大，用以抵抗山体的侧向压力，它的基础必须放在基岩或稳固的地基上。若是侧坡较陡，地面水不大，坡面稳定而坚实，采用重力式内墙开挖量太大时，也可以用钢筋混凝土锚杆挡墙的形式。
外墙不受侧向压力，仅承受梁和盖板的竖向荷载时，它要求的地基承载力较小，此时外墙可以较薄，或可以根据落石的严重与否以及地质情况，采用立柱式（梁式）或连拱墙式结构。当外侧基岩较浅，地基基础承载力较大时，可采用立柱式，如图1.18所示。（2）刚架式棚洞
地形狭窄，山坡陡峻，基岩埋置较深而上部地基稳定性差时，可采用刚架式或长腿式外墙，将基础置于稳固的地基上，称为刚架式棚洞（或长腿式棚洞）。该种棚洞主要由外侧刚架、内侧重力式墩台结构、横顶梁、底横撑及钢筋混凝土盖板组成，并做防水层及回填土石处理。见图1.19。（3）悬臂式棚洞
对稳固而陡峻的山坡，外侧地形难以满足一般棚洞的地基要求，而且落石不太严重时，可修筑悬臂式棚洞，如图1.20所示。
图1.18 盖板式棚洞（单位：cm）
图1.19 刚架式棚洞
图1.20 悬臂式棚洞
悬臂式棚洞内墙为重力式，上端接筑悬臂式横梁，其上铺以盖板，在盖板的内端设平衡重来维持结构受外荷载作用下的稳定性。同时为了保证棚洞的稳定性，要求悬臂必须伸入稳定的基岩内。但是，由于对内墙的稳定性要求很严，施工必须十分谨慎，又因其是不对称结构，所以应当慎重选用。
支撑知识3：隧道附属建筑物
为了使隧道正常使用，保证列车安全运营，除上述主体建筑物外，还要修筑一些附属建筑物。其中包括：防排水设施、电力及通信信号的安放设备及运营通风设施等。
1.防排水设施
保持隧道干燥是使其能够正常运营的重要条件之一。但隧道内经常有一些地下水渗漏进来，且维修工作也会带来一些废水，使隧道内保持不了干燥。隧道漏水易引起漏电事故和造成金属的电蚀现象，使隧道内的各种附属设施霉烂、锈蚀、变质、失效。在严寒地区，冬季渗入洞内的水结成冰凌，倒挂在衬砌拱顶上，侵入净空限界，危及行车安全。因此，隧道的防排水是隧道设计、施工和运营中的一个重要问题。
隧道的永久性防排水，是用防排水工程措施实现的。通过理论和实践经验的总结，提出了“防、堵、截、排，因地制宜，综合治理”的原则，采取切实可靠的设计、施工措施，达到防水可靠、排水畅通、经济合理的目的。（1）“防”“防”即要求隧道衬砌结构具有一定的防水能力，能防止地下水渗入。其措施有如下几个方面：
①防止地表水的下渗。当隧道地表的沟谷、坑洼积水对隧道有影响时，宜采取疏导、勾补、铺砌和填平等措施，对废弃的坑穴、钻孔等应填实封闭，防止地表水下渗。
②隧道附近水库、池沼、溪流、井泉的水，当有可能渗入隧道时，应采取措施处理。
③混凝土衬砌抗渗等级不得低于P6，必要可采用防水混凝土（不小于P8）。
④施工缝、变形缝应采用可靠的堵水措施。
⑤围岩破碎、含水、易坍塌地段，宜采用注浆加固围岩和防水措施。
⑥在初期支护与二次衬砌之间，宜设置防水板或设系统盲（管）沟。当隧道底部有涌水时，应采用封闭式防水板。
⑦有侵蚀性地下水时，应针对侵蚀类型，采用抗侵蚀性混凝土以及压注抗侵蚀浆液，敷设防水、防蚀层等措施。
⑧最冷月平均气温低于-15℃地区和高海拔地区，对地下水的处理应以堵为主。（2）“截”“截”是指截断地表水和地下水流入隧道的通路。为了防止地表水渗入地层内，主要采取以下措施：
①在洞口仰坡外缘5m以外，设置天沟，并加以铺砌。当岩石外露，地面坡度较陡时可不设天沟。仰坡上可种植草皮、喷抹灰浆或加以铺砌。
②对洞顶天然沟槽加以整治，使山洪渲泄畅通。
③对洞顶地表的陷穴、深坑加以回填，对裂缝进行堵塞。处理隧道地表水时，要有全局观点，不应妨害当地农田水利规划，做到因地制宜，一改多利，各方满意。（3）“堵”“堵”是指衬砌防水，即堵住地下水，防止其从衬砌背后渗入隧道内。其办法是在衬砌外围、衬砌中间或在其内表面设置防水层或进行压浆。
①防水层：防水层种类很多，大致可归纳为两类。一类为粘贴式防水层，如用沥青将油毡（或麻布）粘贴在衬砌的外表面（适用于明挖修建的地下工程），复合式衬砌在初期支护与二次模筑衬砌之间可粘贴软聚氯乙烯薄膜、聚异丁烯片、聚乙烯片等防水卷材。另一类为喷涂式防水层，如“881”涂膜防水胶、阳离子乳化沥青等防水剂。
②压浆：向支护背后压注水泥砂浆，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。采用压浆分段堵水，使地下水集中在一处或几处后再引入隧道内排出，此法可收到良好的防水效果。（4）“排”“排”是将地下水排入隧道内，再经由洞内水的沟排走。隧道内设置的排水建筑物有排水沟和盲沟。
①排水沟。除了长度在100m以下，且常年干燥无水的隧道以外，一般的隧道都应设置排水沟，使渗漏到洞内的和从道床涌出的地下水，沿着带有流水坡的排水沟，顺着线路方向引出洞外。排水沟的断面按排水量计算确定，但一般沟底宽不应小于40cm，沟深不应小于35cm。沟底纵坡宜与线路纵坡一致。水沟上面应设有预制的钢筋混凝土盖板，其顶面应与避车洞底面齐平。排水沟在一定长度上应设检查井，以便随时清理残渣。
排水沟有两种方式：一种是侧式水沟，它设在线路的两侧或一侧，视流量大小而定。当为一侧时，应设在来水的一侧；如为曲线隧道，则应设在曲线内侧。双侧水沟隔一定距离应设一横向联络沟，以平衡不均匀的水流量。这种排水沟便于检查而不受行车的干扰。另一种是中心式水沟，隧道采用整体道床时水沟没在线路中线的下方；双线隧道时，水沟设在两线之间。水沟是用混凝土砌筑的，维修工作量较小，一旦需要清理或维修时，必须在行车间隔的时间内进行，不甚方便。
在严寒地区，可修筑浅埋保温水沟，即将水沟沟身加深，用轻质混凝土作成上、下两层，各自设有钢筋混凝土盖板。上层用保温材料密实填充，厚度不小于70cm，可保流水不冻。图1.21为侧式浅埋保温水沟。
当浅埋保温水沟不足以防止冻害时，可设置中心深埋渗水沟（图1.22），即利用地温本身的作用，达到保温防冻害之目的。当隧道内冻结深度较深，用明挖法会影响边墙稳定时，可采用暗挖法修筑泄水洞。
图1.21 侧式浅埋保温水沟（单位：cm）
图1.22 中心深埋渗水沟
②盲沟。在衬砌背后，用片石或埋管设置环向或竖向盲沟，以汇集衬砌周围的地下水，并通过盲沟底部泄水孔（或预埋管）引入隧道侧沟排出。
2.避车洞
当列车通过隧道时，为了保证洞内行人、维修人员及维修设备（小车、料具）的安全，在隧道两侧边墙上交错修建的人员躲避及放置车辆、料具的洞室叫做避车洞。速度200km/h以上的高速铁路隧道，避车洞的设置将从空气力学上影响高速运行的列车，而高速运行的列车将产生强烈的列车风。采用较大的隧道内净空面积后，在隧道内净空轮廓范围内设置宽1.2m人员待避区时，不再设置避车洞；或从维修管理模式上改变行车及行车间隔时间，不进洞维修。每天集中在停车“天窗”进行综合检查与维修时，可不设人员待避区或避车洞。
避车洞根据其断面尺寸的大小分为大避车洞和小避车洞两种。（1）大避车洞
大避车洞的净空尺寸为：宽4m，凹入边墙深2.5m，中心高2.8m，如图1.23所示。
图1.23 大避车洞（单位：cm）
在碎石道床的隧道内，每侧相隔300m布置一个避车洞，在整体道床的隧道内，因人员行车待避较方便，且线路维修工作量较小，为此，每侧相隔420m布置一个大避车洞。
当隧道长度在300～400m时，可在隧道中间布置一个大避车洞；隧道长度在300m以下时，可不布置大避车洞；如果两端洞口接桥或路堑，当桥上无避车台或路堑两边侧沟外无平台时，应与隧道一并考虑布置大避车洞。（2）小避车洞
小避车洞的净空尺寸为：宽2m，凹入边墙深1m，中心高2.2m，如图1.24所示。
无论在碎石道床或整体道床的隧道内，每侧边墙上应在大避车洞之间间隔60m（双线隧道按30m）布置一个小避车洞。如隧道邻近有农村市镇，或曲线半径小，视距较短时，小避车洞可适当加密。
为使避车洞的位置明显，便于人员在光线暗淡的隧道内易于寻找，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，在运营期间应保证这些标志的鲜明醒目，如图1.25所示。
图1.24 小避车洞（单位：cm）
图1.25 避车洞的指示标志（单位：m）
3.电缆槽及高低压供电（1）电缆槽
穿过隧道的各种电缆，如照明、通信、信号以及电力等电缆，必须有一定的保护措施来防止潮湿、腐烂以及人为的损伤。解决的办法是沿着衬砌边墙下方设置全长的电缆槽。
电缆槽是用混凝土浇筑围成的，附设在侧水沟的同侧（内侧）或异侧而不侵入隧道净空限界的位置上。槽内铺以细砂或自熄性泡沫塑料为垫层，低压电缆可以直接放在垫层面上，高压电缆则在槽边预埋的托架上吊起。槽顶有盖板用作防护。盖板顶面应与避车洞底面或道床顶面齐平。当电缆槽与水沟同侧并行时，应与水沟盖板齐平。通信信号的电缆可以放在同一个电缆槽内，但缆间距离不应小于100mm。电力线必须单独放在另外的电缆槽内。托架的间隔，在直线段不应超过20m，曲线段不应超过15m。
电缆槽在转折处，应以不小于1.2m的半径曲线连接，以免电缆弯曲而折断。
电力牵引区段隧道内接触网，对于单线隧道应悬吊在拱顶处，对于双线隧道应悬吊在线路中心上方的拱腰处。
隧道内养护维修或其他电气设备的供电一般是采用三相四线式供电，控制开关应集中设在隧道口便于操作处。
隧道照明主要为便于工作人员对隧道及其设备进行检查、养护维修以及洞内人员行走与躲避车辆而设置的。电力照明采用固定式灯具，装置高度（距轨面）一般为3.5～4m。
养护作业用的照明插座，一般设在避车洞内，装置高度（距轨面）不宜低于1.5m。
隧道长度大于500m时，需要在设有电缆槽的同侧大避车洞内设置余长电缆腔；隧道长度在500～1000m时，需要在隧道中间设置一处；1000m以上的隧道则每隔420m或600m增设一处。（2）信号继电器箱和无人增音站洞
隧道内如需要设置信号继电器时，应在电缆槽同侧设置信号继电器箱洞，其宽度为2m，深度为2m，中心高度为2.2m。
根据电讯传输衰耗和通讯设计要求，在隧道内设置无人增音站时，其位置可根据通信要求确定，亦可与大避车洞结合使用，但应将大避车洞加深2.5m。如不能结合时，则另行修建，其尺寸同大避车洞。
电力牵引的长隧道，如需设置存放维修接触网的绝缘梯车洞时，宜利用施工辅助坑道或避车洞修建，其间距约500m。
隧道内还有一些其他专门的构造设备，如洞门的检查梯、洞内变压器洞库、双孔隧道之间的行人横洞（宽2m，高2.2m，间距300～400m）和行车横洞（宽4m，高4.5m，间距600～800m）、存放消防器材及救援设施的洞室、报警及其他应急设施等，可以按照具体需要予以布置。
4.隧道通风设施
要达到铁路隧道规范规定的标准，除了提高列车运行速度、铺设整体道床、给避车洞安装防烟门和为隧道内工作人员配备防毒口罩以外，采取通风措施是最有效的一种方法。
通风可以分为借助自然条件的自然通风和依靠人为条件的机械通风两种方式。
自然通风是利用洞内的天然风流和列车运行所引起的活塞风来达到通风目的的。机械通风则是在自然通风不能满足要求时，设置一系列通风机械，送入或吸出空气来达到通风目的的。
铁路隧道设计规范总结了许多实践经验，归纳了隧道通风的一般规定：单线隧道，当用内燃机车牵引时2km以上和用电力机车牵引时8km以上的隧道，都应设置机械通风。双线隧道应根据行车密度、自然条件等具体情况而定，对于内燃机车牵引的双线隧道，当隧道长度L（km）×行车密度N（对/d）≤100时不应设置机械通风。
机械通风的方式可以分为两大类：纵向式通风、横向式通风（全横向式通风和半横向式通风）。思考题
1.1 隧道工程的分类有哪些？
1.2 高速铁路隧道工程有哪些特点？
1.3 隧道衬砌形式有哪些？各有什么特点？项目2隧道设计基础
项目描述
本项目通过对铁路隧道勘测设计、围岩分级及围岩压力的基本原理和基本方法的学习，为高速铁路隧道工程施工的学习打下相应的知识和技能基础。
教学目标
1.能力目标（1）具备隧道围岩分级的能力；（2）具备松动围岩压力计算的能力。
2.知识目标（1）了解隧道勘测设计的过程；（2）掌握铁路隧道围岩分级；（3）掌握铁路隧道围岩压力计算。
3.素质目标（1）培养学生树立全局观念；（2）培养学生的逻辑思维；（3）培养学生拼搏进取的意识。任务2.1隧道勘测设计
相关案例：狮子洋隧道
狮子洋隧道是广深港客运专线的重点和难点工程，确定为控制性工程，是国内第一条铁路水下隧道，也是国内第一条采用盾构法修建的最长隧道。狮子洋隧道位于广州市与东莞市交接的珠江八唐尾水道与狮子洋水道的汇合口处，处于广深港客运专线东涌站至虎门站区间。线路出东涌站后，在广州市沙公堡以7000m的曲线半径右转进入隧道，然后以直线先后下穿小虎沥、小虎岛、沙仔沥、沙仔岛、珠江狮子洋出海航道、虎门港沙田港区，再以7000m的曲线半径左转下穿沿江高速公路后，在东莞市沙田镇出洞。隧道全长10800m，按双洞单线隧道设计，进出口采用明挖法施工，中间采用盾构法施工，其中盾构圆形隧道长度为9340m，隧道内径9.8m，管片厚度0.5m，管片环宽2.0m；盾构隧道采用四台泥水平衡式盾构两两“地下对接，洞内解体”方式组织施工。
狮子洋隧道地处珠江三角洲平原区，两岸地形平坦开阔。狮子洋水道水深流急，过江处江面宽3300m，主航道宽700m，最大水深26.6m。小虎沥水道宽460m，最大水深8.2m；沙仔沥水道宽约540m，最大水深7.3m；隧道设计水压达65N/cm 2 。隧道所在的狮子洋水域，近岸水流流势与岸滩基本平行，往复潮流比较畅通。近年来冲淤幅度不大，接近冲淤平衡；潮汐动力有所加强，槽道以扩展为主；工程所在岸滩河势基本稳定。盾构隧道段两端及明挖隧道段穿越第四系土层，盾构隧道江中段穿越基岩风化层。第四系覆盖物主要为海陆交互相沉积层、冲积层、残积层及人工填土层；基岩为白垩系强风化和弱风化泥岩及泥质粉砂岩。岩石天然抗压强度6.54～82.6MPa。隧道所穿越的基岩地层粉黏粒（小于74μm）含量一般为23.3％～55.3％，石英含量约为60％左右。
1.设计方案一
线路出东涌站后，在DIK32+600处以2950m长、20‰的下坡进入隧道，并下穿小虎沥、小虎岛、沙仔沥到达沙仔岛；然后以3750m长、3‰的下坡通过沙仔岛进入狮子洋深水航道下；接着以1700m长、3.5‰的上坡通过狮子洋航道和虎门港沙田港区6号泊位；最后以3276.9m长、20‰的上坡通过规划虎门港的监管保税仓库，在沿江高速公路东侧出洞。隧道两端均采用20‰进入隧道，以尽量减少盾构软硬不均掘进段长度。
本方案在进出口明挖隧道与盾构隧道之间各设一工作井，其中进口工作井位于广州市东涌镇沙公堡东风农场内，出口工作井位于东莞市沙田镇穗丰年砖厂旁农田内。
2.设计方案二
本方案纵断面设计时在满足其他纵断面控制因素的基础上，尽量减少在中间工作井处的线路高程，减少中间工作井的开挖深度。线路出东涌站后，在DIK32+600处以2150m长、20‰的下坡进入隧道，并下穿小虎沥，到达小虎岛；然后以4550m长、5.9‰的下坡通过小虎岛、沙仔沥、沙仔岛，到达狮子洋深水航道下，接着以1350m长、16.2‰的上坡通过狮子洋航道和虎门港沙田港区6号泊位，再以1450m长、3.8‰的上坡通过规划虎门港的监管保税仓库，最后以2176.9m长、20‰的上坡在沿江高速公路东侧出洞。
全隧道共设置4座工作井，分别位于明挖隧道与盾构隧道之间、沙仔岛和虎门港区，其中进口工作井和出口工作井位置与方案一工作井位置相同。沙仔岛工作井位于珠江狮子洋西岸、沙仔岛北端，虎门港工作井位于规划的虎门港东侧，紧邻监管保税区。该方案隧道工程全长10490m，其中盾构段长9287m。
支撑知识1：隧道勘测
隧道勘测资料是勘测设计人员通过各种勘测手段，对隧道所处的位置、地形、地质等自然条件具体认识的反映，也是隧道位置的选择、工程布置、结构设计、计划工程投资等整个设计工作的依据，因而勘测资料必须按照设计要求进行搜集。
通过调查取得的资料，应能充分地说明隧道通过地段的地形、地质条件、自然条件和施工条件等。实践证明，这些资料是隧道设计和施工必备的基础资料，其内容及深细度可根据各阶段的勘测设计要求和隧道规模确定，使其能满足各阶段的设计和施工需要，最后应形成系统的、完整的资料。
1.隧道工程调查的内容（1）自然概况：地形、地貌特征。（2）工程地质特征：地层、岩性及地质构造特征，着重查清地质构造变动的性质、类型、规模；断层、节理、软弱结构面特征及其与隧道的组合关系和围岩的基本物理力学性质等。（3）水文地质特征：地下水类型及地下水位，含水层的分布范围及相应的渗透系数，水量和补给关系，水质及其对混凝土的侵蚀性，有无异常涌水、突水等。（4）影响隧道洞口安全或洞身稳定的不良地质和特殊岩土地段（如崩塌、错落、岩堆、滑坡、岩溶、人为坑洞、泥石流、含水砂层、风积沙、黄土、盐岩、膨胀土、地温、多年冻土、雪崩、冰川等），查明其类型和规模以及发生、发展的原因，根据其发展的趋势，判明对隧道影响的程度。（5）通过含有害气体、矿体及具有放射性危害的地层时，查明其分布范围、成分和含量。（6）地震动参数。（7）周围建筑物及人居状况。（8）气象资料：气温、气压、风向、风速以及雨量、雪量、冻结深度等。（9）施工条件：建筑材料及可供应的水、电情况，周围环境，交通、建筑物、水库、地下管线与采空区等，施工场地及弃渣条件，
试读结束[说明：试读内容隐藏了图片]