软土地基上喷射混凝土衬砌的设计

Mott+MacDonald++白杨

摘 要：在最近20年内，喷射混凝土衬砌隧道在英国迅速发展。为了更新过去的设计理念和方法，对软质岩层中SCL隧道的未来发展趋势进行讨论。从过去SCL隧道的设计概述开始，特别是临时喷射混凝土衬砌，依次介绍最近在设计观念上大多数重要性的转变，从临时性衬砌到永久衬砌的过渡，与它的安全建设、成本和环境影响的含义，以及最近一些在数理模型技术上的进步对永久衬砌设计的促进。总之，对隧道喷射混凝土衬砌设计在未来的发展趋势进行讨论，特别是“复合壳”衬砌，以及建筑项目的潜在利益、成本和环境影响，然后提出改善软质岩层隧道衬砌数值模型的一些想法。

关键词：软土地基；SCL技术；衬砌；设计理念

中图分类号：U455 文献标识码：A 文章编号：2095-6835（2014）11-0081-03

1 介绍

使用喷射混凝土衬砌是软质地基隧道用喷射混凝土来支撑临时或永久开挖的一种建造方法。与其他方法相比，比如隧道掘进机技术（TBM），SCL技术的最大优势就是它允许隧道与连接在不同横截面和尺寸的建立比较适合；同时，SCL技术的成本比较低，适合长度较短的隧道施工。

2 临时建筑的SCL设计

直到最近，由一层临时性喷射一次衬砌、一层防水模板和一层永久性二次衬砌组成的SCL隧道主导了市场，这是对安全水密性和耐久性的考虑。从全文的意思来看，这叫作“SCL的一次衬砌牺牲”。SCL仅仅被当作临时建筑的因素有两个，即喷射混凝土的局限性和设计方法的局限性。以下将分别对这两个因素进行讨论。

2.1 SCL技术的局限性

20年前，喷射混凝土的早期强度发展是作为地面支持工作的首要任务，只是因其他性能不得不作出让步，这就导致了SCL技术只能被当作临时结构。那时，在隧道行业的主要关注中，与SCL相关的有加速剂导致的长期低化的最终强度、钢筋背后的衰减导致的长期耐久性问题、干湿混合喷涂和手工喷涂导致的质量控制差异问题。

2.2 设计方法的局限性

缺乏可靠的设计方法是SCL被认为只能作为临时结构的另一个原因，特别是在软土地基上，比如黏土。隧道行业是一个基于经验的行业，经验方法被广泛采用。然而，软土地基的经验方法大多是根据对先前地区进行实践评估得出的，并未被普遍接受（ICE 2004）。同时，封闭分析方法也因隧道设计而发展。然而，它们中的大多数不适合SCL隧道，因为多步骤的SCL建设序列引起土结构的复杂多变的相互作用无法被准确地模拟。直到20世纪90年代，数值模拟仍没有被作为对SCL隧道可行的一种设计工具而考虑，这主要是因为其计算力不足。

第一个建立于软土地基上的SCL隧道是1992年建于伦敦的希斯罗机场试验隧道。设计使用了有限差分软件FLAC2D（Deane & Bassett 1995）。这个项目代表着当时英国最先进的设计。该项目主要有以下几个特点：①采用了保守方法。由于之前缺乏当地的项目，对于伦敦的黏土采用最坏情况的参数。②一个小应变非线性刚度分向同性模型被用来模拟伦敦黏土的顶峰状况。③应变的软化应力—应变关系采用峰后的数值。④假设弹性模拟方法（HME）是用来模拟早期的喷射混凝土和3D效果隧道形体的影响。尽管有些人尝试给它一个理论基础，但HME实际上还是一个经验校正因数（Tomas，2008）——一个非常有用但仍然是经验的因数。

希思罗机场实验隧道的成功，给隧道行业在伦敦软土地基上建设SCL隧道极大的信心。然而，希思罗机场项目也为设计师带来了更大的挑战，因为它在靠近航站楼的地方包含了3条大口径的平行SCL隧道（范登、伯格等人，2003）。这些隧道之间由区间隧道连接。设计师主要面临的挑战有：①之前关于补偿灌浆造成的SCL隧道额外的经验太少；②SCL隧道引起的地面运动造成建筑损毁的潜在危险很难估计；③关于新SCL隧道建筑引起相邻SCL隧道额外的知识很缺乏；④区间隧道连接处的集中应力缺少可用来估计的数据。

为了确保安全，设计师在SCL隧道里放了大量钢筋。对于横截面直径为9 m的隧道，临时喷射混凝土衬砌包括300 mm的喷射混凝土、两层直径8 mm的钢筋网和全断面格构框架，保持配筋率为0.23%.这个量的钢筋喷涂很困难，可能导致质量

控制和衬砌长期耐久性问题。可以这么说，SCL被认为是临时结构不仅是因为喷射混凝土技术发展的不足，也因为缺乏有效的设计方法。应该注意的是，除了设计的局限性，希思罗机场实验隧道施工失败也有施工管理方面的因素，特别是质量控制和数据监控（HSE 2000）。

2.3 临时喷射混凝土衬砌的其他问题

20世纪90年代中期，在英国大多数喷涂使用的干混法都是隧道工人站在非常接近隧道的位置进行混凝土喷射，从而引发了重大的施工人员健康和安全问题。干混法比湿混合喷洒产生更多的灰尘。此外，临时SCL会引起材料的浪费、成本效率低下和负面环境影响等问题。

3 SCL建筑的永久性设计

为了提高SCL隧道的性能，隧道不同部分的产业，比如材料供应商、机械制造商、设计师和承包商作出了不懈的努力。以下所取得的一些进步使SCL作为永久结构使用成为了可能：①SCL的生产从干混法转变到湿混合喷涂，这大大提高了质量控制和生产力（奥斯汀&罗宾斯，1995）。②不含碱加速器的运用，改善了早期和最终强度，减少了对环境的影响，保证了隧道工人的安全（Kusterle，1997）。③使用纤维钢筋代替钢筋网消除了“衰退”问题，缩短了建设计划周期，降低了总成本（托马斯，2008）。④从人工喷涂到机械喷涂的转变，加快了工程进度，减少了材料的浪费（Franzén 1992），这与英国越来越严格的H&S法律相符。⑤通过实时观测，确保了正确的隧道开挖面，能够通过控制衬砌厚度来加快建筑速度，消除了一个关键的耐久性问题。这是一个巨大的飞跃。最近使用全站仪来控制的项目是希思罗机场5号航站楼的一个项目，项目采用的是Morgan Est提出的“LaserShell”方法（琼斯等人，2008）。⑥喷射混凝土的发展使成熟的喷射混凝土和正常施工现场混凝土被同等对待，在长期强度的发展中，低渗透性能和耐久性方面都是相同的（Annett等人，1997）。

永久性喷射混凝土在某些领域（尤其是水电领域）、某些国家（例如挪威）被广泛传播已经有很多年了，但是最近才在世界和软土地质的应用上获得了更广泛的认可。对于本文的说明，在英国的软土SCL隧道有一种被称为“复合壳”SCL的最新设计，它由一层主要的永久性喷射混凝土、一层防水膜和一层二次衬砌组成，在混凝土-膜的连接界面不用黏合剂而是靠剪固结力来连接。除了隧道连接处，大多采用钢纤维作为主要钢筋而不是钢条或钢筋网，并去掉了格构梁，由全站仪来控制隧道。这种设计在几个重要的项目中被采用，比如A3 Hindhead.

3.1 设计要求

在最新的设计选择中，主体永久性喷涂衬砌是为了让短期土压力、水压力和其他压力（比如表面附加力和补偿灌浆）能在二次衬砌安装前完全进行。在一些地面条件下，有一个依赖于时间的地面荷载和长期水压力的变化。伦敦的黏土就是一个例子。假定松软的地面2年内不透水，用此来作不排水短期分析。这种假设与Wongsaroj等人的发现相符，即黏土的渗透率应该与在JLE绿色公园观察到的情形一样，在10-11～10-10 m/s的范围内。

在伦敦黏土的条件下，长期土压力和表面附加力的增长作用在两者间的厚度上按比例分开了，长期水压力被认为只适用于长期性分析二次衬砌的排水。如上所述，这是由主要衬砌开裂的假设、无胶和连接预定的喷涂混凝土-膜界面来决定的。地下水被认为穿过了主要衬砌的拱背流到内弧面的裂缝，衬砌水压力直接作用于喷涂防水膜，因此需进行二次衬砌。根据时间和预算，可以在复杂的整合分析和简单的完全渗透分析中选一个作为排水长期分析的数值模型。

初始基本衬砌通常在25～75 mm之间，而在长期设计案例中通常都是被当作牺牲或者忽略掉。这主要是考虑到质量控制，因为这一层喷射混凝土的质量往往不及后面的混凝土层。将这一层作为牺牲的另一个原因是为了抵抗地下水中的化学物质，特别是硫酸盐，将会腐蚀钢纤维，减少主要衬砌的厚度。混凝土层的厚度主要取决于地下水化学物质的类型和浓度，可以说75 mm是一个相当保守的假设了。

在设计和建筑中，使用指定的中等强度喷射混凝土。对于不同衬砌，典型圆柱体抗压强度的下限分别是在28 d内达到28 N/mm2和在90 d内达到32 N/mm2，混凝土应该在第一个24 h内超过修改的J2曲线（EN 14487—1∶2005）。喷射混凝土抗压强度的下限规范是衬砌能够履行其功能需求。尽管结构合成纤维更经济、具有更好的抗腐蚀性（Bernard，2009），但仍然选择钢纤维作为钢筋。其主要原因是在抵抗长期蠕变张力上，钢纤维有更好的性能（Bernard，2004）。合成纤维在蠕变下有良好的表现。在二次衬砌内设计一层混入微合成纤维的50 mm防火喷射混凝土层，能够减少混凝土在火灾情况下的剥落（shuttleworth，2001）。

3.2 设计方法

目前，由于模拟被广泛应用于SCL隧道的设计，可以这样认为，提高设计的准确性取决于本结构模型的精度。SCL隧道设计主要在三个地方可以改进数值模拟结果，即地面的结构模型、喷射混凝土的结构模型和建模方法的校准。产业界和学术界在收集现场和实验室测试数据上花费了巨大努力，用以开发地面层结构模型，比如伦敦黏土结构模型（Gaspare，2005；Jardine等人，1984，1986）。可以说，黏土结构模型发展用了翻倍的时间和资源，却可能只是稍微地改善了结果。因此，通过在模拟工作中输入资源，这依赖于设计师的判断来平衡结果的精度。同时还应该注意，数值模型只是一个近似的表现，它的准确性会受到地面实际模型的选择性和不确定性的显著影响（Thomas，2008）。

最近一个大型项目采用了A*模型（Eadington & O'Brien，2011），这是一个小应变刚度非线性弹性模型。这个模型能够识别出在对隧道有适当压力下黏土出现问题之前的重要情况，特别是几条隧道接近处的情况。特雷斯卡失效准则（关联性塑性流动法则）和莫尔-库伦破坏准则（非关联性塑性流动法则）分别被用来建立排水和不排水的地层情况模型。应变依赖刚度模型的概念和失效准则在产业界和学术界都很著名，而且有重要的历史数据。除此之外，这些模型所用的参数相对而言更容易获得，而且与使用参数更复杂的模型相比，计算时间上也比较适合。

对于喷射混凝土的龄期，相关性强度曲线建立在缓和J2曲线（EN 14487—1∶2005）的基础上，时间达到了24 h。这是由以前的SCL工程和之后的Chang & Stille方法得出的。喷射混凝土在每个阶段的刚度也可以从Chang & Stille压力刚度方程中得到。来自希思罗机场T5项目和A3Hindhead隧道的喷射混凝土强度刚度数据被用来检查。欧洲规范2（BSI 2004）规定了普通混凝土压应力变峰值（εc）为0.2%，压应力极限（εcu）为0.35%.目前混凝土的张力还没有得到公认的应力应变关系。由于混凝土抗拉强度通常非常小，因此不考虑结构性分析。普通混凝土是一种脆性材料，当加入钢筋或结构纤维时才能表现出一定程度的延性。因此，应当用不同的标准和方法对拉伸应力应变关系进行综述，然后选定设计方案。

另外，在衬砌里添加塑料铰链也是一种能够提高效率的设计。在混凝土结构设计中，弯矩再分配是一个行之有效的理论，很适合SCL隧道，特别是结构冗余部分。使用时间的相关线性弹性曲线模型和塑料铰链能够大幅度降低衬砌弯矩峰值，从而使弯矩分布更均匀。在因略微增加的地层运动导致的成本增加这方面也能有更有效的衬砌设计，克服了用弹性元素来模拟材料的非线性弹塑性的限制，这真是让人难以置信。这方面合适的方法和经验可以使SCL隧道很容易地重新将压力分配到隧道和地面上，使地面不致于承受过大压力。如果地面负载压力一直增加而不是重新分配，可以用数值模型来预测何时崩溃，这是一个安全的设计方法。

3.3 校准

如果地面和喷射混凝土的结构模型定义精确，由正确施工顺序建立起的3D模型对于建模者来说就会十分直观，结果也会十分精确。人们普遍认为，对于SCL隧道来说，3D模型比2D模型要好得多，因为前者可以对复杂的施工程序和隧道断面三维应力重新分配进行明确的建模。3D建模被广泛应用于校准工作中补偿灌浆和隧道连接处的研究。然而，必须承认的是，与2D建模相比，3D建模是非常耗时的，只在可以显著提高准确结果的时候使用。因此，大部分SCL隧道仍采用2D建模分析。最近有一个主要项目，对于隧道的监测结果，在设计之初就被提取出来进行广泛的校准，以验证关于地面和喷射混凝土的结构模型和参数，然后制定并采用了一个有效的二维模拟方法进行常规的二维分析。

对于数值模型的校准，最重要的是从隧道监测系统直接获得的隧道收敛和衬砌应力数据。隧道设计师们主要关注的是内壁荷载，而与隧道的稳定性相比，地层运动是一个次要问题。理想的校准过程如下文所述。

首先，从可靠的来源，比如公司自己的数据库或发表的论文，获得一个完整的SCL隧道项目工程的现场数据，包括地面、地下的沉降曲线，衬砌压力和衬砌变形。应该注意这些数据是否有缺少，而且很难找到地面状况相同的案例。对这些SCL隧道建立一个明确的3D模型，需要建造顺序和使用真正的喷射混凝土刚度和强度。对预测的衬砌应力、衬砌变形，地表、地下的沉降曲线和现场数据进行比较。甚至在现在，人们普遍认为预测隧道引起的地面沉降仍然是一个非常困难的任务（Potts & Zdravkovic，2001；Addenbrook，1997）。

将主要焦点集中在衬砌设计上，如果模型预测的地表沉降在测量和体积损失后，在合理范围内与校准数据相近，就很让人满意。SCL隧道建立于伦敦黏土之上，地层应变的非线性刚度不仅被用来考虑预测变形，还用来评估建立相邻隧道地层的应变。如果现场数据和数值模型预测在地面变形、衬砌压力和收敛无法同时达到一致时，应当优先考虑预测与现场数据最接近的输入参数。

在不同的地面压力分散程度匹配2D建模结果和3D建模结果，使用喷射混凝土刚度和强度。理想情况下，2D的分散比例应该使包括地面变形和衬砌性能在内的预测结果与现场数据一致。对于衬砌性能，需要检查的不仅是最大衬砌应力是否符合现场数据，还要检查衬砌变形模式是否与现场观测一致。不同的地面松散程度应采用不同的施工方法。

4 SCL隧道的进一步发展

SCL隧道在过去的20年内有了巨大的变化，已经从一个临时结构变成了永久性结构，在结构能力、水密性、耐久性、保证隧道工人的安全等方面都取得了很大成果，同时也缩短了施工周期，节约了材料。下面将讨论是否可以使SCL隧道更好、衬砌更薄、施工周期更短。

4.1 SCL技术的进一步发展

复合壳SCL是一个有前景的设计，它脱颖而出，吸引了最多的关注。就隧道施工的意义而言，复合壳SCL和双层壳SCL是一样的，均由一层永久性的喷射混凝土衬砌、一层防水膜和一层永久性喷射混凝土二次衬砌组成。它们的主要区别在于，前者假设在混凝土-膜界面上存在着一定程度的黏合剂和剪固结力，而后者没有。这种差异使两个衬砌选项在土壤和水的压力上是完全不同的表现方式。对于复合壳SCL，由于在界面上没有假设的黏合剂和剪固结力，水可以通过主要衬砌的裂缝渗透和临界面渗透，对防水膜的拱背施加压力。这是一个保守的设计假设，即使这个来自制造商的数据表明这是一个完全的黏结行为（Holter & Nermoen，2011）。二次衬砌会长期地独自承受水压力，这成为了一个二次衬砌厚度的主要考虑因素。相比之下，对于复合壳SCL，沿着界面的渗透会阻止水通过裂缝渗透，绝大多数水在设计的120年之内无法到达防水膜，这使SCL满足了最大的渗透性和密实度要求（Jones，2012）。主要衬砌和二次衬砌一起长期支持水压力，这会大量减少二次衬砌的厚度。对于复合壳的SCL，二次衬砌的厚度可能只要60 mm（Holter & Nermoen，2011）。

4.2 设计方法的进一步发展

一个可能的区域来自于对早期喷射混凝土蠕变效应的进一步了解。据了解，蠕变程度是依赖应力（Thomas 2008），关于这个问题现在只有很少的可用信息。理解了这个问题可以让SCL早期有更精确的建模。材料科学的领域仍在继续发展，在未来很有可能被广泛应用，在使用喷雾和防水膜的设计假设上与复合作用充分结合。后者则能显著降低整体衬砌厚度。同样地，应该进行更多的反演分析，由此可以细化地面和喷射混凝土的结构模型和2D建模方法。为了做到这一步，确定位置和安装监控系统的技术是很重要的，以便对更可靠的数据进行回馈分析。对于隧道行业来说，最近所取得的进步代表着一个重大的机遇，能够从未来的项目中学到更多的应用，比如HS2和横木2.

5 结论

在过去的20年里，喷射混凝土衬砌已经有了巨大的进步，包括从临时性结构转变到永久性结构。在喷洒混凝土-膜界面，混合作用成为了隧道行业的共识，SCL的设计理念将会经历另一个革命，那就是复合壳SCL将会取代主衬砌SCL和复合壳SCL，永久结构从二次衬砌转移到了主要衬砌上。二次衬砌将会作为主要支撑层，其作用是防火和进行内部固定。

原著名及编辑：World Tunnel Congress 2013 Geneva

Underground – the way to the future！

G.Anagnostou & H.Ehrbar （eds）

出版社：? 2013 Taylor & Francis Group，London.

刊号：ISBN 978-1-138-00094-0

作者：Mott MacDonald

本文为译文，如有不当之处，请加以指正。

〔编辑：刘晓芳〕