隧道單層襯砌研究現(xiàn)狀綜述

潘會(huì)濱

1980年以后，復(fù)合式襯砌在我國隧道工程中作為一種主要的支護(hù)形式被廣泛使用，并積累了很多經(jīng)驗(yàn)。復(fù)合式襯砌為“三明治”式結(jié)構(gòu)，外層為掛網(wǎng)錨噴支護(hù)，內(nèi)層為模筑襯砌，中間夾PVC柔性防水層。雖然復(fù)合襯砌在承載機(jī)理設(shè)計(jì)上最有利于體現(xiàn)新奧法的原理，但施作厚厚一層作為安全儲(chǔ)備的二次襯砌在經(jīng)濟(jì)上是不合理的。同時(shí)，在防水設(shè)計(jì)上，初期支護(hù)不防水，通過柔性防水層和二次襯砌結(jié)構(gòu)自防水這兩道防線進(jìn)行防水。因此，復(fù)合式襯砌存在下列一些難以解決的問題［1］:

1)對于節(jié)理裂隙發(fā)育的巖層在采用爆破法開挖時(shí)，開挖面凸凹不平，圍巖與初期支護(hù)之間、初期支護(hù)與二次襯砌之間貼合不緊密，削弱了襯砌對圍巖的支護(hù)作用。2)復(fù)合式襯砌防水本質(zhì)上為“被動(dòng)”防水。由于錨噴初期支護(hù)不防水，復(fù)合式襯砌實(shí)際上是將地下水引入襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)部，在襯砌內(nèi)部形成存水空間，誘發(fā)水壓力。3)由于防水板搭接、焊接質(zhì)量問題，二襯鋼筋綁扎、焊接過程中易刺破和燒壞防水板等原因，使得薄膜防水層的敷設(shè)質(zhì)量不易保證。

針對復(fù)合式襯砌在施工、承載和防水方面存在的問題，單層襯砌(single shell lining)施工技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，以統(tǒng)一解決承載、防水問題，并已在一些隧道工程中應(yīng)用。

1 單層襯砌概念綜述

關(guān)于單層襯砌的概念，文獻(xiàn)［2］這樣定義:“由單層或多層混凝土構(gòu)成的支護(hù)體系，支護(hù)層與襯砌層是一體的，各層間能夠充分傳遞剪力的支護(hù)體系，稱為單層襯砌。”為避免單層襯砌與噴錨襯砌的概念混淆，文獻(xiàn)［3］對單層襯砌的描述為:在取消防水板的前提下，洞室開挖后立即噴射一層具有防水性能的混凝土，并根據(jù)圍巖級別設(shè)置必要的支護(hù)構(gòu)件，如錨桿、鋼拱架等，然后根據(jù)耐久性及平整度的要求，再施作一層或多層混凝土，構(gòu)成層間具有很強(qiáng)粘結(jié)力并可充分傳遞剪力的支護(hù)體系。

顯然，單層襯砌與復(fù)合式襯砌的本質(zhì)區(qū)別就是支護(hù)層間不設(shè)防水板，通過各混凝土層間徑向和縱向上的抗滑移性，使得各混凝土層形成共同承載體系［4］。

2 單層襯砌國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

單層襯砌是20世紀(jì)70年代發(fā)展起來的一種隧道支護(hù)體系，最近幾十年隨著噴射混凝土施工工藝、質(zhì)量性能的提高，其技術(shù)得到了迅速的發(fā)展。位于斯堪的納維亞半島的挪威和瑞典，是使用單層襯砌較早的國家。在挪威約有460 km的干線公路隧道中共有160 km采用噴射混凝土或鋼纖維噴射混凝土作為永久襯砌;在瑞典的斯德哥爾默地鐵中大量使用單層襯砌技術(shù)，如地鐵區(qū)間、地鐵車站等。在瑞士修建的費(fèi)爾艾那隧道，97%的支護(hù)都采用單層襯砌技術(shù)［5］。同時(shí)，在世界上許多國家單層襯砌都有了不同程度的應(yīng)用。

在國內(nèi)，20世紀(jì)60年代在成昆鐵路圍巖較好的短隧道中成功地采用了噴射混凝土加錨桿的單層襯砌，使用至今，情況基本良好。1999年在汕頭液化石油氣儲(chǔ)庫工程中采用單層襯砌支護(hù)技術(shù)，效果良好。西康鐵路秦嶺隧道中的高碥溝隧道采用了鋼纖維噴射混凝土單層襯砌，西南鐵路的磨溝嶺隧道采用模筑鋼纖維混凝土單層襯砌。另外，單層襯砌技術(shù)除應(yīng)用于鐵路、公路、水工隧道外，還應(yīng)用于地下酒窖以及地下體育館等工程中。

3 單層襯砌結(jié)構(gòu)形式及結(jié)構(gòu)材料

目前單層襯砌主要采用的支護(hù)形式是噴錨支護(hù)。噴射混凝土和錨桿聯(lián)合支護(hù)，不僅是安全可靠的支護(hù)形式，而且是在巖層中構(gòu)筑地下工程最為優(yōu)越的襯砌形式。

可以說，單層襯砌結(jié)構(gòu)形式是隨著噴混凝土技術(shù)的出現(xiàn)而不斷發(fā)展和完善起來的，特別是濕噴技術(shù)的出現(xiàn)以及噴鋼纖維混凝土在隧道工程中的廣泛應(yīng)用，為單層襯砌的發(fā)展創(chuàng)造了良好的條件。而國外單層襯砌的構(gòu)成，多數(shù)是采用鋼纖維噴混凝土。在圍巖條件較好的情況下，鋼纖維混凝土襯砌可以作為一個(gè)永久承載結(jié)構(gòu)來支護(hù)圍巖，國內(nèi)外學(xué)者對鋼纖維混凝土的力學(xué)性能以及持續(xù)荷載作用下的長期抵抗變形和耐久性等方面進(jìn)行了大量的試驗(yàn)［6］。

我國在隧道中應(yīng)用鋼纖維噴射混凝土始于1984年，起步相對較晚，但近些年發(fā)展很快，已經(jīng)取得了較好的效果。重慶大學(xué)土木學(xué)院在摩天嶺隧道通風(fēng)斜井施作了濕噴鋼纖維混凝土，以單層襯砌代替原設(shè)計(jì)的復(fù)合式襯砌［7］。

實(shí)踐證明，濕噴纖維高性能混凝土單層永久襯砌代替復(fù)合式襯砌，變被動(dòng)防水為主動(dòng)防水，防水效果良好;同時(shí)，工程量小，施工速度快，節(jié)約造價(jià)。

4 單層襯砌設(shè)計(jì)方法現(xiàn)狀

對單層襯砌設(shè)計(jì)方法的研究，主要是針對噴鋼纖維混凝土支護(hù)結(jié)構(gòu)展開的，目前有基于挪威法的Q系統(tǒng)支護(hù)設(shè)計(jì)法、極限狀態(tài)法以及基于能量守恒的能量原理設(shè)計(jì)法。

挪威法(也稱NMT)是以挪威工程地質(zhì)研究院為主，根據(jù)工程地質(zhì)條件和在隧道質(zhì)量指標(biāo)系統(tǒng)法及濕噴鋼纖維混凝土工藝長足發(fā)展的基礎(chǔ)上產(chǎn)生的，它仍是一種以經(jīng)驗(yàn)為主的設(shè)計(jì)方法。在實(shí)際應(yīng)用中，隧道質(zhì)量指標(biāo)Q值對“經(jīng)驗(yàn)”做出一定程度上的定量衡量，來反映圍巖質(zhì)量的好壞。

極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法是歐洲混凝土委員會(huì)在1964年開始提倡的，以后于1970年和國際預(yù)應(yīng)力混凝土協(xié)會(huì)合作公布了規(guī)范，現(xiàn)在英國規(guī)范也采用這種方法作為基準(zhǔn)?？梢哉f，國際上總的趨勢是向極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法方面發(fā)展。一般情況下，在極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法中，通過驗(yàn)算兩種極限狀態(tài)即破壞極限狀態(tài)和使用極限狀態(tài)來確保結(jié)構(gòu)的安全性和使用性。

能量原理設(shè)計(jì)法是根據(jù)能量守恒原理來判斷整體系統(tǒng)的穩(wěn)定情況，從而完成隧道襯砌的設(shè)計(jì)。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，文獻(xiàn)［8］認(rèn)為圍巖釋放的總能量由兩部分組成:一部分來源于隧道噴鋼纖維混凝土完成到圍巖達(dá)到穩(wěn)定整個(gè)過程中釋放掉的能量值;另一部分是在隧道建成后，由于地震或其他因素導(dǎo)致襯砌上方塌落拱范圍的巖層徹底破壞時(shí)，可以偏于安全的假定其儲(chǔ)存的應(yīng)變能完全釋放給襯砌，此能量等于毛洞開挖到達(dá)穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)該范圍內(nèi)單元儲(chǔ)存的應(yīng)變能之和。為了保證圍巖能量釋放可以最終達(dá)到穩(wěn)定，襯砌破壞吸收能量的能力應(yīng)該大于圍巖釋放的能量，從而進(jìn)行單層襯砌結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。

5 單層襯砌防排水研究現(xiàn)狀

與復(fù)合式襯砌相比，單層襯砌最顯著的特征之一就是層間取消了防水板，結(jié)構(gòu)的防水靠襯砌材料的自防水來實(shí)現(xiàn)。所以，單層襯砌的防水性一直是各國隧道學(xué)者關(guān)注的焦點(diǎn)。

目前多數(shù)國家都采用在鋼纖維噴混凝土中加入硅粉的措施來提高混凝土的耐水性。1994年第4期瑞士期刊《瑞士工程和建筑》詳細(xì)介紹了費(fèi)爾艾那隧道在施作單層襯砌時(shí)，摻入硅粉后，粘著力強(qiáng)，密實(shí)度大，滲水最大深度僅為13 mm這一事實(shí)。國內(nèi)，在重慶巫奉高速公路摩天嶺隧道1號斜井中，采用了硅粉鋼纖維濕式噴射混凝土。試驗(yàn)表明，微硅粉混凝土的滲透性很低，具有較高的抗腐蝕能力［7］。

對比各個(gè)國家的隧道防排水模式，德國隧道的排水模式以排水為主，防水為輔。挪威法主要是依靠噴混凝土本身自防水。

6 有待研究的問題

通過對隧道單層襯砌的結(jié)構(gòu)形式、耐水性能、設(shè)計(jì)方法的研究，學(xué)者們提出了很多具有實(shí)用價(jià)值的觀點(diǎn)，為單層襯砌在隧道中的應(yīng)用和推廣奠定了基礎(chǔ)，但還存在以下問題有待進(jìn)一步研究:

1)國內(nèi)外對單層襯砌的作用機(jī)理研究甚少，目前我國還沒有單層襯砌的設(shè)計(jì)及施工指南。因此，確定單層襯砌對不同圍巖的適應(yīng)性顯得尤為重要。

2)用作永久單層襯砌的噴混凝土不同于普通噴混凝土，對其力學(xué)性能指標(biāo)需作深入研究，如設(shè)計(jì)基準(zhǔn)強(qiáng)度、混凝土初期強(qiáng)度、粘結(jié)強(qiáng)度及耐久性指標(biāo)等。

［1］賀少輝，馬萬權(quán)，曹德勝，等.隧道濕噴纖維高性能混凝土單層永久襯砌研究［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2004，23(20):3509-3517.

［2］關(guān)寶樹.隧道工程設(shè)計(jì)要點(diǎn)集［M］.北京:人民交通出版社，2003:394-397，419-420.

［3］張俊儒，仇文革.隧道單層襯砌研究現(xiàn)狀及評述［J］.地下空間與工程學(xué)報(bào)，2006，2(4):693-699.

［4］王彬譯.對采用單層噴混凝土襯砌的隧道施工的幾點(diǎn)看法［J］.世界隧道，1995(2):85-86.

［5］王志杰.噴射鋼纖維混凝土及其在隧道和地下工程中的應(yīng)用［J］.公路，2004(1):145-148.

［6］史世雍，馬金榮.隧道鋼纖維噴射混凝土強(qiáng)度試驗(yàn)研究［J］.山西建筑，2004，30(2):55-56.

［7］杜國平，李曉紅，宋戰(zhàn)平.纖維噴射混凝土單層襯砌施工技術(shù)探討［J］.隧道工程，2010(9):8-12.

［8］劉紅艷.鋼纖維混凝土的韌性特征在隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用［D］.成都:西南交通大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文，2003:43-60.