隧道襯砌簡述

隧道開挖后，坑道周圍地層原有平衡遭到破壞，引起坑道變形或崩塌。為了保護圍巖的穩(wěn)定性，確保行車安全，隧道必須有足夠強度的支護結(jié)構(gòu)即隧道襯砌。

隧道襯砌是為了防止圍巖變形或坍塌，沿隧道洞身周邊用鋼筋混凝土等材料修建的永久性支護結(jié)構(gòu)。在不同的圍巖中可采用不同的襯砌形式。常用的襯砌形式有噴混凝土襯砌、噴錨襯砌及復(fù)合式襯砌，多數(shù)情況下采用復(fù)合式襯砌。復(fù)合式襯砌常分為初期支護（一次襯砌）和二次支護（二次襯砌）。

常用的隧道襯砌材料有：混凝土及鋼筋混凝土、片石混凝土、料石或混凝土預(yù)制塊，以及噴射混凝土等。隧道的襯砌結(jié)構(gòu)形式，主要是根據(jù)隧道所處的地質(zhì)地形條件，考慮其結(jié)構(gòu)受力的合理性、施工方法和施工技術(shù)水平等因素來確定的。隧道襯砌的構(gòu)造、形狀和尺寸因其用途、地形、地質(zhì)、施工和結(jié)構(gòu)性能等條件的差異而不同。

1．石料

(1)石料質(zhì)量要求。石料應(yīng)符合設(shè)計規(guī)定的類別和強度，石質(zhì)應(yīng)均勻、耐風(fēng)化、無裂紋。

(2)石料加工要求。

1)所有料石加工時，外露面四邊整齊、棱角方正，拼縫前口要直，尾部略呈斜面。

2)每邊向內(nèi)收口不得大于10mm。

2．砂漿

(1)砂漿中所用水泥、砂、水等材料的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)宜符合混凝土工程相應(yīng)材料的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。砂漿中所用砂，宜采用中砂或粗砂，當(dāng)缺乏中砂及粗砂時，在適當(dāng)增加水泥用量的基礎(chǔ)上，也可采用細砂。砂的最大粒徑，當(dāng)用于砌筑片石時，不宜超過5mm；當(dāng)用于砌筑塊石、粗料石時，不宜超過2.5mm。如砂的含泥量達不到混凝土用砂的標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)砂漿強度等級大于或等于M5時，可不超過5%，小于M5時可不超過7%。

(2)石灰水泥砂漿所用生石灰，成分應(yīng)純正，煅燒均勻、透徹。一般宜熟化成消石灰粉或石灰膏使用，也可磨細成生石灰粉使用。消石灰粉和石灰膏應(yīng)通過網(wǎng)篩過濾，并且石灰膏應(yīng)在沉淀池內(nèi)儲存14d以上。磨細生石灰粉應(yīng)經(jīng)4900孔/cm2篩子過篩。

一般說，隧道襯砌可按其結(jié)構(gòu)、功能等劃分為各種形式。應(yīng)根據(jù)地質(zhì)條件和運營要求加以選擇。

初砌按構(gòu)件類型分類①半襯砌：僅由拱圈組成；②無仰拱的襯砌：由拱圈和邊墻組成，也稱非封閉式襯砌；③有仰拱的襯砌：由拱圈、邊墻及仰拱組成，也稱封閉式襯砌。

襯砌按功能分類①飾面襯砌；②構(gòu)造襯砌；③承載襯砌；④特殊承載襯砌。

襯砌按位置分類①洞口段襯砌；②洞身襯砌。

隧道襯砌的構(gòu)造與圍巖的地質(zhì)條件和施工方法密切相關(guān)。歸納起來，常用的有以下幾種：

(1)整體式混凝土襯砌

是指就地灌注混凝土襯砌，也稱模筑混凝土襯砌。模筑襯砌的特點是：對地質(zhì)條件的適應(yīng)性強，易于按需要成型，整體性好、抗?jié)B性強，適用于多種施工條件，如可用木模板、鋼模板或襯砌臺車等，是我國隧道工程中廣泛采用的襯砌結(jié)構(gòu)類型。按其邊墻的形式，又可分為直墻式和曲墻式兩種形式。

(2)裝配式襯砌

是指在工廠或現(xiàn)場預(yù)先制備成若干構(gòu)件，運入坑道內(nèi)，用機械將其拼裝成一環(huán)接一環(huán)的襯砌。這種襯砌的優(yōu)點是一經(jīng)裝配成環(huán)，不需要養(yǎng)護時間，即可承受圍巖壓力；由于構(gòu)件是預(yù)先在工廠成批生產(chǎn)的，可以保證質(zhì)量；在洞內(nèi)采用機械化拼裝，縮短了工期，改善了勞動條件；拼裝時不需要臨時支撐，可節(jié)省大量的支撐材料和勞力。但裝配式襯砌在實際應(yīng)用中也存在著一些缺點。如需要坑道內(nèi)有足夠的拼裝空間，制備構(gòu)件尺寸要求一定的精度，接縫多，防水較困難等?；谝陨显颍b配式襯砌多用在使用盾構(gòu)法施工的城市地下鐵道中，在我國的鐵路和公路隧道中還未能推廣應(yīng)用。

(3)錨噴襯砌

錨噴襯砌是指以錨噴支護作永久襯砌的通稱。錨噴支護包括錨桿支護、噴射混凝土支護、噴射混凝土錨桿聯(lián)合支護、噴射混凝土鋼筋網(wǎng)聯(lián)合支護、噴射混凝土與錨桿及鋼筋網(wǎng)聯(lián)合支護及由上述幾種類型支撐（或格柵支撐）組成的聯(lián)合支護。

錨噴支護是常用的一種圍巖支護手段。采用錨噴支護可以充分發(fā)揮圍巖的自承能力，并有效地利用洞內(nèi)凈空，提高作業(yè)效率，并能適應(yīng)軟弱和膨脹性地層中的隧道開挖，以及用于整治塌方和隧道襯砌的裂損。

(4)復(fù)合式襯砌

復(fù)合式襯砌是指外層用錨噴作初期支護，內(nèi)層用模筑混凝土或噴射混凝土作二次襯砌的永久結(jié)構(gòu)。初期支護可以采用噴混凝土襯砌和錨桿噴射混凝土襯砌。當(dāng)巖石條件較差時，也可在噴層中增設(shè)鋼筋網(wǎng)或型鋼拱架，或采用鋼纖維噴射混凝主，初期支護的厚度多在5～20cm之間。二次支護常為整體式現(xiàn)澆混凝土襯砌，或噴射混凝土襯砌，其中整體式現(xiàn)澆混凝土襯砌有表面平順光滑，外觀視覺較好，通風(fēng)阻力較小等優(yōu)點，適宜于對洞室內(nèi)環(huán)境要求較高的場合。噴射混凝土襯砌工藝簡單，省工省時，投資較低，但外觀視覺相對較差，通風(fēng)阻力較大，對洞室環(huán)境要求較低時可以使用，否則需另設(shè)內(nèi)襯改善景觀和通風(fēng)條件。

(5)連拱襯砌

連拱隧道是洞室襯砌結(jié)構(gòu)相連的一種特殊雙洞結(jié)構(gòu)形式，兩隧道之間的巖體用混凝土替代，中間的連接部分通常稱為中墻。

隧道襯砌是指支持和維護隧道的長期穩(wěn)定和耐久性的永久結(jié)構(gòu)物。所以，隧道襯砌必須有足夠強度、耐久性和一定的抗凍、抗?jié)B和抗侵蝕性。

隧道支護是用以加固巖層的臨時或永久支撐，可有效地限制巖層變形的自由發(fā)展，調(diào)整巖層的應(yīng)力分布，防止巖體松散墜落。

不同類型的隧道襯砌結(jié)構(gòu)適用于不同的隧道圍巖條件，如直邊墻式隧道襯砌適用于圍巖條件較好和無側(cè)壓力或側(cè)壓力較小的隧道；曲邊墻式隧道襯砌適用于圍巖條件復(fù)雜和側(cè)壓力較大的隧道；曲邊墻加仰拱式隧道襯砌適用于圍巖側(cè)壓力較大，且基底松軟或有較大的底壓力的隧道。

結(jié)構(gòu)隧道襯砌一般是由拱、邊墻（直邊墻或曲邊墻）、仰拱或鋪底等部分組成（見圖）。

隧道襯砌結(jié)構(gòu)根據(jù)使用要求和圍巖的特性而有不同的襯砌內(nèi)輪廓，從而定出寬度、高度、形式和襯砌截面及厚度。中國根據(jù)隧道圍巖的穩(wěn)定性及其結(jié)構(gòu)特征和完整狀態(tài),把圍巖劃分為六類。屬于圍巖穩(wěn)定、無坍塌,呈巨塊狀整體結(jié)構(gòu)的屬Ⅵ類；圍巖極易坍塌，呈泥砂角礫或易蠕動的松散結(jié)構(gòu)的定為Ⅰ類。其他類別圍巖則依次介于Ⅵ類和Ⅰ類之間。中國的單線和雙線鐵路隧道襯砌，在各類圍巖條件下的襯砌主要形式和尺寸見表

襯砌設(shè)計根據(jù)隧道圍巖特征和使用要求，需應(yīng)用隧道襯砌理論和相應(yīng)計算方法，確定隧道襯砌的形狀、尺寸，以及襯砌用料和施工方法等。

隧道襯砌作為支護的基本理論是把隧道圍巖和襯砌作為相互有聯(lián)系的統(tǒng)一體，即隧道圍巖不僅作為一種壓力作用在襯砌上，而且作為一種介質(zhì)與襯砌共同作用。圍巖壓力從廣義上講是圍巖原來應(yīng)力狀態(tài)受到隧道開挖擾動后出現(xiàn)的應(yīng)力重分布狀態(tài)，其大小同應(yīng)力重分布過程、圍巖特征、襯砌剛度、隧道埋置深度及施工技術(shù)等有關(guān)。

在這一理論特征基礎(chǔ)上，建立了許多圍巖壓力和襯砌計算理論派別。如以K.泰沙基為代表的松散介質(zhì)平衡理論認(rèn)為，隧道襯砌上方土體在垂直下沉?xí)r，將受到側(cè)向土壓的約束而產(chǎn)生卸荷作用；以M.M.普羅托季亞科諾夫為代表的壓力拱假定理論認(rèn)為，隧道襯砌上方的圍巖到一定范圍后能夠自穩(wěn)形成壓力拱，襯砌只承受壓力拱以下的圍巖重力；以溫克列爾為代表的襯砌計算局部變形假定理論則認(rèn)為，襯砌和圍巖共同作用過程中，相互間力和變形的規(guī)律，符合線性關(guān)系，類似各自獨立的彈簧作用系統(tǒng)。如此各種襯砌計算理論，都相應(yīng)地建立了各種襯砌計算方法。目前，各種計算方法可歸納為四類：①超靜定反力法，是把圍巖和襯砌作為超靜定系統(tǒng)進行計算的方法；②復(fù)合整體法，是把圍巖和襯砌作為復(fù)合體進行計算的方法；③特性曲線法，以圍巖和支護各自的徑向位移曲線作出發(fā)點進行分析計算的方法；④經(jīng)驗法，按已有工程經(jīng)驗進行的計算方法。

標(biāo)準(zhǔn)斷面由于隧道圍巖各有特性，而影響其穩(wěn)定性的因素又來自多方面，所以各種襯砌計算方法中的參數(shù)難以測出精確值，襯砌實際設(shè)計和計算尚屬于經(jīng)驗性的范疇。

為了簡化隧道襯砌的設(shè)計和計算工作，一般按照圍巖分類，在廣泛技術(shù)經(jīng)濟比較基礎(chǔ)上，經(jīng)過計算優(yōu)化過設(shè)計出相應(yīng)的襯砌類型，并且加以系列化供全國或地區(qū)范圍內(nèi)隧道襯砌設(shè)計時廣泛使用。這樣編制出來的襯砌，被稱為標(biāo)準(zhǔn)斷面。標(biāo)準(zhǔn)斷面的使用，也為施工和日后養(yǎng)護提供了方便條件。

襯砌施工方法隧道襯砌采用的建筑材料不同，其施工方法也往往不同，如用磚、料石、混凝土塊作襯砌材料，一般采用砌筑法或拼裝法施工；用混凝土和鋼拱架作襯砌材料，一般采用就地灌筑混凝土法施工。近年來，隨著隧道力學(xué)的發(fā)展，廣泛地采用新奧法。新奧法是奧地利學(xué)者所倡導(dǎo)的，因而得名。這種方法的要點是利用圍巖的自支承能力,使襯砌負(fù)擔(dān)減少,達到安全、經(jīng)濟目的，而噴錨能及時支護圍巖，使圍巖保持自穩(wěn)。通常把錨桿和噴混凝土作為第一次支護，根據(jù)量測信息再灌筑混凝土作為第二次支護，形成復(fù)合式隧道襯砌，所以噴錨和量測信息構(gòu)成新奧法的要素。新奧法具有支護及時、靈活、安全的特點,并在襯砌中可設(shè)置防水層,有利于提高襯砌的防水性,因而受到各國的重視。但是,新奧法目前尚存在一些有待解決的問題，如對圍巖應(yīng)力重分布中的變形量測控制；隧道巖層有大面積漏水時，噴混凝土工作會發(fā)生困難，且漿液可能被沖掉；又如噴混凝土的回彈量較大，噴射質(zhì)量也不易控制等。

《公路隧道襯砌結(jié)構(gòu)耐火技術(shù)》一方面是考慮在實際可能的火災(zāi)場景下，探討公路隧道襯砌結(jié)構(gòu)體系在高溫下的損傷機理和力學(xué)特性，為評定公路隧道襯砌結(jié)構(gòu)體系的火災(zāi)安全性提供科學(xué)依據(jù)；另一方面以預(yù)防為目的，為防火設(shè)計提供符合隧道實際情況的有效的耐火方法，提高我國公路隧道襯砌結(jié)構(gòu)體系的整體耐火能力和火災(zāi)安全性。 2100433B