復(fù)合襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究

張敬博　劉愿英

摘 要：復(fù)合襯砌是用錨噴支護(hù)作初期支護(hù)，針對(duì)于二次襯砌的一種組合襯砌結(jié)構(gòu)即模筑混凝土作（二層間可根據(jù)需要設(shè)置防水層）。文章闡述了隧洞復(fù)合襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的研究現(xiàn)狀，并對(duì)隧洞復(fù)合襯砌結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法做了簡(jiǎn)要介紹，包括初期支護(hù)及二次襯砌的設(shè)計(jì)方法。

關(guān)鍵詞：復(fù)合襯砌；初期支護(hù)；二次襯砌

中圖分類號(hào)：TU311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-8937（2015）12-0141-01

復(fù)合襯砌是用錨噴支護(hù)作初期支護(hù)，模筑混凝土作二次襯砌的一種組合襯砌結(jié)構(gòu)（二層間可根據(jù)需要設(shè)置防水層）。由于其理論先進(jìn)、技術(shù)合理，大大加快了施工進(jìn)度，降低了工程造價(jià)，因此近幾年在國(guó)內(nèi)外的地下工程中得到了廣泛的應(yīng)用。對(duì)于水工隧洞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，《水工隧洞設(shè)計(jì)規(guī)范》SL279-2004中明確規(guī)定：當(dāng)圍巖條件較差，襯砌需要的厚度過(guò)大時(shí)，可采用外層為混凝土或鋼筋混凝土、內(nèi)層為錨噴支護(hù)（必要時(shí)可配置鋼支撐）的組合式雙層襯砌，即復(fù)合襯砌。

1 隧洞復(fù)合襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究現(xiàn)狀

目前，國(guó)內(nèi)對(duì)復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)中的二次襯砌設(shè)計(jì)大多是通過(guò)工程類比結(jié)合一定的結(jié)構(gòu)計(jì)算分析綜合確定。復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)形式特殊，受力狀態(tài)復(fù)雜。在設(shè)計(jì)時(shí)，可以認(rèn)為全部荷載都由二次襯砌承受，而初期支護(hù)僅是施工階段的臨時(shí)支護(hù)，不考慮承載；也可以認(rèn)為初期支護(hù)和二次襯砌聯(lián)合承載，即初期支護(hù)和二次襯砌分別承擔(dān)一定比例的荷載。無(wú)論是初次支護(hù)還是二次襯砌，其承擔(dān)的荷載大小都與其剛度成正比的，但過(guò)分增大初期支護(hù)或二次襯砌的剛度也是不經(jīng)濟(jì)的。因此，在進(jìn)行復(fù)合襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，需要結(jié)合工程實(shí)際，既要滿足到結(jié)構(gòu)安全性要求，又需考慮結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)性要求。

2 隧洞復(fù)合襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法

復(fù)合襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、施工是以新奧法為基礎(chǔ)的。新奧法（New Austrian Tunnelling Method）是20世紀(jì)50年代奧地利學(xué)者Rabcewiz教授等一大批學(xué)者和工程技術(shù)人員在長(zhǎng)期工程經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上創(chuàng)立并于1962年正式命名的一種隧洞工程方法。它的創(chuàng)立，給隧洞工程實(shí)踐的科學(xué)化和技術(shù)經(jīng)濟(jì)的合理化帶來(lái)了根本性變革，因其工藝簡(jiǎn)單，結(jié)構(gòu)可靠和造價(jià)低廉等特點(diǎn)而引起隧洞工程界的重視，并已在世界各地的礦山、鐵道、水工隧洞、軍事工程洞庫(kù)或其它地下建筑工程中推廣應(yīng)用。

2.1 復(fù)合襯砌結(jié)構(gòu)初期支護(hù)設(shè)計(jì)方法

初期支護(hù)一般指錨桿噴射混凝土支護(hù)，必要時(shí)配合使用鋼筋網(wǎng)和鋼拱架。目前，國(guó)內(nèi)錨噴支護(hù)的設(shè)計(jì)規(guī)范有明確規(guī)定，錨噴支護(hù)應(yīng)以工程類比法為主，監(jiān)控量測(cè)法和理論驗(yàn)算法為輔來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2.1.1 工程類比設(shè)計(jì)的原則

工程類比法分為直接對(duì)比法和間接類比法。直接對(duì)比法是將設(shè)計(jì)的工程與條件基本相同的已建工程進(jìn)行對(duì)比以確定錨噴支護(hù)的類型和參數(shù)。間接類比法是按照錨噴支護(hù)技術(shù)的現(xiàn)行規(guī)范，參照圍巖級(jí)別表及錨噴支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)將擬建工程的錨噴支護(hù)類型及參數(shù)確定出來(lái)。

初期支護(hù)工程類比設(shè)計(jì)應(yīng)遵循以下原則：

①根據(jù)大量錨噴工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)確定的錨噴支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)表是以工程實(shí)例為基礎(chǔ)，進(jìn)行全面綜合的分析，按照圍巖級(jí)別與洞跨確定相應(yīng)支護(hù)類型及參數(shù)；②根據(jù)不同圍巖不同的壓力特點(diǎn)，對(duì)不同部位的拱、墻采用相應(yīng)的的支護(hù)參數(shù)；③根據(jù)巖體和部位的不同的分別采用不同的支護(hù)類型與參數(shù)。力求體現(xiàn)錨噴支護(hù)靈活性及圍巖局部破壞局部加固、整體加固與局部加強(qiáng)的等強(qiáng)度支護(hù)原則。根據(jù)錨噴支護(hù)現(xiàn)行規(guī)范參數(shù)表，參考同一級(jí)的圍巖級(jí)別和洞跨相應(yīng)的錨噴支護(hù)類型和參數(shù)；④錨噴支護(hù)參數(shù)表中，雖然表中給出的支護(hù)參數(shù)是根據(jù)工程類比確定的，但最終要借助于監(jiān)控設(shè)計(jì)和理論設(shè)計(jì)來(lái)確定最終支護(hù)參數(shù)；⑤根據(jù)工程的不同而適當(dāng)調(diào)整。對(duì)一般工程宜采用支護(hù)參數(shù)表中的下限值而重要工程則要采用上限值；⑥支護(hù)參數(shù)依據(jù)錨噴支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)表和有關(guān)條文共同進(jìn)行確定。

2.1.2 錨噴支護(hù)的類型及參數(shù)

錨噴支護(hù)參數(shù)應(yīng)既包括支護(hù)類型、支護(hù)參數(shù)，又包括開(kāi)挖方式，仰拱施作時(shí)間和最終支護(hù)時(shí)間等。錨噴支護(hù)參數(shù)表中也只給出了錨噴支護(hù)類型和參數(shù)。確定錨噴支護(hù)類型與參數(shù)時(shí)，應(yīng)遵循如下原則：

①對(duì)拱墻根據(jù)圍巖壓力的特點(diǎn)的不同采用相應(yīng)的支護(hù)參數(shù)；②根據(jù)巖體和圍巖的不同及其部位的不同采用相應(yīng)的支護(hù)類型和參數(shù)。體現(xiàn)出使用錨噴支護(hù)類型的靈活性及允許進(jìn)行局部加固圍巖等特點(diǎn)；③雖然錨噴支護(hù)參數(shù)表中的錨噴支護(hù)參數(shù)是根據(jù)工程類比確定的，但最終支護(hù)參數(shù)的確定需要時(shí)還應(yīng)借助監(jiān)控設(shè)計(jì)與理論設(shè)計(jì)；④錨噴支護(hù)表中的錨噴參數(shù)，一般是本部門將以往修建工程的設(shè)計(jì)參數(shù)經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析后確定的。

2.2 復(fù)合襯砌結(jié)構(gòu)二次支護(hù)設(shè)計(jì)方法

2.2.1 二次襯砌的主要作用

在復(fù)合襯砌結(jié)構(gòu)中，二次襯砌隨圍巖等級(jí)不同而作用不同：

①對(duì)于級(jí)穩(wěn)定硬質(zhì)圍巖，由于圍巖和初期支護(hù)變形較小且迅速趨于穩(wěn)定，因此二次襯砌的主要作用是通風(fēng)、防水以及修飾面層而并不承受圍巖壓力；②對(duì)于級(jí)基本穩(wěn)定硬質(zhì)圍巖，雖然初期支護(hù)和圍巖變形較小且圍巖壓力較小，但考慮到運(yùn)營(yíng)后洞室容易產(chǎn)生的一些問(wèn)題，一般以二次襯砌來(lái)加強(qiáng)支護(hù)襯砌的安全性；③對(duì)于級(jí)圍巖，由于巖體流變、地下水等作用及施工中偏壓、淺埋等原因，在圍巖變形趨于基本穩(wěn)定之前施作二次襯砌，此時(shí)的襯砌承受著較大的后期圍巖形變所產(chǎn)生的壓力。

2.2.2 二次襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

①設(shè)計(jì)基本要求：初期支護(hù)與二次襯砌的密貼程度，對(duì)復(fù)合式襯砌受力狀態(tài)有較大影響。當(dāng)支護(hù)與襯砌緊密粘結(jié)時(shí)，兩層間傳遞徑向力及切向力，按整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行驗(yàn)算，當(dāng)支護(hù)與襯砌之間設(shè)有防水層時(shí)，按組合結(jié)構(gòu)進(jìn)行驗(yàn)算；設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)對(duì)二次襯砌的變形予以控制，以防洞內(nèi)漏水；兩層間空隙部分應(yīng)回填密實(shí)；②二次襯砌的計(jì)算：針對(duì)地質(zhì)條件復(fù)雜的軟弱圍巖，為了確定出更為簡(jiǎn)便合理的計(jì)算方法，通常在進(jìn)行二次襯砌計(jì)算時(shí)，將上述幾種方法的結(jié)果進(jìn)行比較來(lái)加以確定；③二次襯砌施作時(shí)間的確定：二次襯砌在初期支護(hù)以及圍巖變形基本穩(wěn)定后采用模筑混凝土施作，并應(yīng)具備下述條件：洞室周邊位移明顯減緩，邊墻中部附近以及拱腳1 m以上的位移速度小于0.1～0.2 mm/d，或拱頂下沉速度小于0.07～0.15 mm/d；二次襯砌施作前的位移值，應(yīng)達(dá)到總位移值的80%～90%，對(duì)于可提前施作二次襯砌，且應(yīng)予加強(qiáng)；對(duì)于圍巖自穩(wěn)性較好且洞室較短的，應(yīng)在整個(gè)洞室貫通后再作二次襯砌用以減少各工序間的干擾；④加強(qiáng)二次襯砌的措施：在不良地質(zhì)地段和偏壓、淺埋、膨脹性圍巖條件下施作的二次襯砌，以及初期支護(hù)和圍巖還未達(dá)到基本穩(wěn)定而提前施作的二次襯砌，均要承受較大的圍巖壓力，為了加強(qiáng)二次襯砌，故要求采取以下措施：提高混凝土標(biāo)號(hào)，或采用抗彎曲強(qiáng)度高的材料；改變襯砌形狀，減少襯砌彎矩，使襯砌斷面基本受壓；采用注漿加固地層，超前支護(hù)等措施，增加巖體強(qiáng)度以及圍巖整體穩(wěn)定性；修建仰拱使襯砌形成封閉結(jié)構(gòu)，提高結(jié)構(gòu)的整體剛度，并減少圍巖變形。

3 結(jié) 語(yǔ)

復(fù)合襯砌技術(shù)合理且理論先進(jìn)，在提高襯砌承載力的同時(shí)，能充分發(fā)揮圍巖自承能力，且很好地加快了施工進(jìn)度，從而實(shí)現(xiàn)了工程造價(jià)的降低。在今后的復(fù)合襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，我們應(yīng)該結(jié)合工程實(shí)際，做出既滿足結(jié)構(gòu)安全性要求，又能滿足經(jīng)濟(jì)性要求的襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

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