漫谈矿山法隧道技术第五讲——衬砌(一)

关宝树

(西南交通大学， 四川 成都　610031)



漫谈矿山法隧道技术第五讲
——衬砌(一)

关宝树

(西南交通大学， 四川 成都610031)

摘要：从使用性、应对未来不确定因素和特殊围岩时补充支护的力学功能等方面分析二次衬砌的功能，说明二次衬砌是确保隧道使用性、耐久性、降低不确定因素影响及具有力学功能的不可或缺的构件。分析衬砌的耐久性： 目前各国对衬砌的计划使用期限的规定一般是100年；调查显示，混凝土衬砌经过修补或采用“预防维护”体制，可以满足100年的耐久性要求，但运营隧道的衬砌有随时间逐渐劣化的趋势。隧道结构劣化的原因除了施工质量未达到设计要求外，主要是围岩劣化和衬砌本身劣化。结合日本的试验分析认为： 在耐久性设计中，可以不考虑围岩劣化的问题。混凝土衬砌的耐久性，多数情况下取决于混凝土的施工工艺。调查发现目前衬砌存在的主要问题有： 1)衬砌混凝土不密实； 2)衬砌背后留有空洞； 3)衬砌厚度不均匀，拱顶厚度偏薄且留有空隙； 4)衬砌混凝土存在潜在的裂缝。总结各国在提高隧道二次衬砌耐久性方面的主要措施： 1)尽可能不采用钢筋混凝土衬砌； 2)采用钢筋混凝土时，保护层厚度应不小于50 mm； 3)采用喷混凝土作为二次衬砌时，除计算厚度外，应增加50 mm的保护层厚度； 4)二次衬砌应设置仰拱； 5)仰拱和拱墙须“闭合成环”； 6)改善混凝土施工工艺； 7)减少混凝土衬砌的初始缺陷。认为在现有技术的基础上做好6)、7)两点，衬砌的耐久性将得到极大的改善。针对6)、7)两点，介绍日本在衬砌施工关键工艺——浇筑、捣固和养生方面的做法： 拱顶部水平压入浇筑工法、隧道衬砌拱顶捣固系统、喷雾养生和采用塑料模板，以期为我国同仁提供借鉴。

关键词：隧道； 矿山法； 二次衬砌； 衬砌耐久性； 围岩耐久性； 浇筑； 捣固； 喷雾养生

0引言

与围岩、喷混凝土、锚杆、钢架一样，衬砌也是构成隧道支护结构的一个构件。在不同的国家，由于围岩、技术、环境等条件不同，处理衬砌的方法也不同。形成了以我国和日本为代表的复合式衬砌支护结构和以欧洲国家为代表的喷锚支护结构2个不同的支护结构体系。前者认为衬砌不需要承载，但应满足构造(安全储备)及耐久性的要求；后者认为衬砌可以独立承载或与喷锚支护共同承载，同时满足耐久性的要求。

二次衬砌是确保隧道结构耐久性的基本方法。本讲针对二次衬砌的功能以及在复合式支护结构中的作用，重点说明在现行设计和现有技术条件下提高二次衬砌的功能及耐久性的方法和对策。

1复合式支护结构中衬砌的功能

自从引进喷混凝土和锚杆技术后，由围岩、初期支护和二次衬砌构成的复合式支护结构已成为我国公路和铁路矿山法隧道支护构造的主体。在一般围岩条件下，要求初期支护能够保证隧道的长期稳定，此时，围岩与初期支护成为隧道构造的承载主体。在这种情况下，理论上二次衬砌不是必须的。一些欧洲国家，在良好围岩条件下，基本上是不施作混凝土衬砌的，包括海底隧道；而把我们所谓的初期支护作为永久支护。有的国家，例如日本，与我国的做法是一致的，都将衬砌作为安全储备来设置，仅在构造上要求能够确保隧道的长期使用性和耐久性。只有在一些地层破碎带、土砂围岩或特殊围岩中，才要求衬砌发挥承受后期荷载和长期耐久性的功能。

日本在隧道结构物的性能设计中，明确规定二次衬砌的功能是： 1)具有隧道使用性的必要功能； 2)具备应对未来不确定因素的功能； 3)在小埋深、断层破碎带、膨胀性围岩、城市矿山法隧道等特殊围岩条件，具有补充支护的力学功能。

表1是针对上述规定，对公路隧道和铁路隧道二次衬砌提出的基本功能要求。

表1　二次衬砌的基本功能[1]

注： ◎—重要度高的作用和功能； ○—一般的作用和功能； △—视情况要求的作用和功能。

由表1可知： 二次衬砌不是可有可无的构件，而是确保隧道使用性、耐久性、降低不确定因素影响及具有力学功能的构件；即使在初期支护能够把变形控制在容许范围之内的情况下，设置二次衬砌对提高隧道结构的耐久性也具有一定的意义。

2衬砌的耐久性

衬砌的耐久性不仅是性能要求，也是一个时间概念。任何混凝土结构物，根据其用途和性能要求的不同，对耐久性的要求也是不同的。例如：日本在2009年版的日本建筑学会标准JASS-5[1]中，将计划使用期间的级别修订为超长期、长期、标准及短期4类；计划使用期间不同，对衬砌耐久性的要求也不同。

关于隧道混凝土结构的计划使用期限，各国的规定基本上都是100年，但对海底隧道的计划使用期限也有规定120年的。因此，目前讨论的衬砌是使用期限为100年的隧道结构物。

根据国内外近期对现有的二次衬砌的调查显示： 1)混凝土衬砌有经过补修而使用超过100年的事例； 2)采用“预防维护”体制，混凝土衬砌可以满足100年的使用期限(耐久性)的要求； 3)运营隧道的衬砌随时间有逐渐劣化的趋势。

隧道结构劣化的原因多数是由于施工质量没有达到设计要求。除此之外，造成隧道结构劣化的原因主要有2个方面： 一是衬砌背后的围岩随时间的劣化；二是衬砌本身随时间的的劣化。

因此，研究隧道的耐久性必须从这2方面着手，即围岩的耐久性和衬砌的耐久性。其中，对围岩耐久性的研究比较少，而对混凝土耐久性的研究虽然比较多，但针对隧道二次衬砌混凝土耐久性的研究较少。

2.1围岩耐久性

对围岩耐久性研究的文献资料比较少，日本在《冻融循环作用下岩石的破坏过程和耐久性评价》[2]一文中，对12种岩类进行了质量损失率、吸水率、动弹性系数和P波速度等方面的试验，并提出了评价岩石在冻融循环作用下的耐久性的方法。研究采集了裂隙发育、具有层理构造的岩石等12种岩石样品，进行了300次冻融循环的试验。12种岩石样品包括砂岩、绿岩、泥质片岩、有方解石贯入的绿岩、片理裂隙发育的泥质片岩a、没有裂隙的泥质片岩b、凝灰岩、石灰岩、安山岩(破碎)b、白云岩、片岩及泥岩等。这些样品有的裂隙发育、有的有岩脉侵入、有的破碎，以便在试验时考虑软弱面的影响。

经300次冻融循环未破坏岩石的质量损失率和吸水率见表2。

表2经300次冻融循环未破坏岩石样本的质量损失率和吸水率

Table 2Mass loss and water absorption of rock samples after 300 times of freeze-thaw cycles

%

由表2可知，经300次冻融循环，未破坏岩石的质量损失率都在0.17%以下，几乎没有产生剥离。这说明在这些岩类中开挖隧道，不必担心围岩的劣化；导致隧道变异的原因，基本上可以归结为混凝土衬砌的缺陷。

试验中发生破坏的岩石的质量损失率以泥岩最为显著。

试验表明，在泥质片岩a、泥质片岩b、凝灰岩等软质岩类以及吸水率较高的泥质围岩中，要考虑围岩后期变化对隧道耐久性的影响。

一般来说，隧道建成后，受施工影响的围岩在超前支护和初期支护的作用下，基本上是稳定的。随着时间的推移，施工中施作的支护失效，最多是围岩恢复到没有支护前的状态或者支护成为围岩的一部分。此外，既使围岩劣化，其过程也是极为缓慢的，不会是突发性的(地震、暴雨、海啸等突发原因除外)。因此，在耐久性设计中，可以不考虑围岩劣化的问题。

某些有特殊性质的围岩，如膨胀性围岩和挤压性围岩，其变形是随时间而发展的，即使在施工中加以控制，但在使用期间由于自身的特性(遇水膨胀、高应力下的挤压等)也会出现“后荷”现象，但不是劣化。

总之，强化对围岩耐久性的研究是十分必要的。

2.2混凝土衬砌的耐久性

在矿山法隧道中，衬砌多数采用素混凝土或钢筋混凝土。因此，其耐久性能取决于混凝土的耐久性和混凝土的施工工艺。实际上，在多数情况下衬砌的耐久性取决于混凝土的施工工艺。也就是说，在确保施工工艺满足混凝土性能要求的条件下，混凝土的耐久性是完全可以保证的。

目前，在山岭隧道中二次衬砌主要采用的是素混凝土，部分采用的是钢筋混凝土。从目前修建的高速铁路隧道衬砌的情况看，钢筋混凝土衬砌的采用率有逐渐增长的趋势，这一点值得关注。

素混凝土衬砌的劣化是混凝土的劣化。造成素混凝土劣化的原因有冻融循环、化学侵蚀及碱-骨料反应等。钢筋混凝土二次衬砌的劣化主要是钢筋的腐蚀，而造成钢筋腐蚀的原因有衬砌开裂、碳化及氯离子侵蚀等。

通过对既有隧道衬砌的实地调查发现，目前衬砌存在的主要问题有： 1)衬砌混凝土不密实，造成衬砌强度不足； 2)衬砌背后留有空洞； 3)衬砌厚度不均匀，拱顶厚度偏薄且留有空隙； 4)衬砌混凝土存在潜在的裂缝等。这些施工缺陷是影响衬砌耐久性的主要原因。因此，从技术上构筑满足耐久性要求的密实的、厚度偏差小的、强度充分的、没有潜在缺陷的混凝土衬砌是我们追求的目标。

从耐久性角度出发，各国在隧道二次衬砌增加耐久性的主要措施是： 1)尽可能地不采用钢筋混凝土衬砌，必要时可采用纤维混凝土衬砌代替； 2)如必须采用钢筋混凝土时，其保护层厚度应满足100年使用期的要求，即不小于50 mm(碳化可能的深度)； 3)采用喷混凝土作为二次衬砌时，除计算厚度外，应增加50 mm的保护层厚度； 4)无特殊情况，二次衬砌都应设置仰拱，仰拱的厚度(包括喷混凝土在内)应大于拱墙的厚度；或者拱墙采用素混凝土，仰拱采用纤维混凝土；加强底部是提高二次衬砌耐久性的重要对策之一，不容忽视； 5)必须使仰拱和拱墙“闭合成环”，使隧道衬砌成为一体的封闭型结构； 6)改善混凝土配比、浇筑、捣固和养护等作业，尽可能地提高混凝土的质量，制造密实性高的混凝土，混凝土强度等级不宜低于C35； 7)减少混凝土衬砌的初始缺陷，特别是初始潜在的开裂。初始缺陷是影响二次衬砌耐久性的重要因素。许多国家都在这方面下功夫，并取得了一定的成果，我国也不例外。

上述几点，是确保混凝土衬砌耐久性的基本途径。实践证实，在满足上述条件下，素混凝土和纤维混凝土可以确保衬砌使用期限100年的要求。

在上述各种技术措施中，如果能够在现有技术的基础上，解决6)和7)中存在的问题，衬砌的耐久性会得到极大的改善。下面重点说明国外(特别是日本)在这些方面的一些研究、试验和工程应用的情况，以供参考。

3衬砌施工的关键工艺

衬砌施工的关键工艺指浇筑、捣固及养生。这些工艺是提高混凝土密实度和强度的关键工艺。

死区周围炎症细胞浸润明显增多，以单核细胞、中性粒细胞、淋巴细胞及巨噬细胞为主；30～45 d 坏死区域逐渐缩小，网状纤维及胶原纤维增多，炎症细胞先后消失[13]。虽然不同细胞的热敏感性不同，但动物实验已证实肺、肾、胰腺、肌肉组织均有上述类似的病理变化过程[13]。目前尚缺乏人体甲状腺组织微波消融术后动态病理变化的实验支撑，而通过动物实验亦可推测人类甲状腺结节经微波消融后组织细胞同样可能经历迅速失活、坏死、炎症细胞浸润等一系列病理学改变。

3.1浇筑

目前日本隧道衬砌的混凝土浇筑主要采用拱顶部水平压入浇筑工法[3]。该工法在拱肩增设了4个能够压入的浇筑口(堵头板侧2个，另一侧2个)，可以在堵头板侧和搭接侧进行左右交错的混凝土浇筑。浇筑孔下侧的混凝土自然流下，浇筑孔上侧的混凝土用压力充填。

其特点是在拱顶部能够进行水平浇筑，使浇筑的高度尽可能地达到最大。如图1所示，减少了标准工法从拱顶部浇筑口的浇筑量，浇筑时间从过去的3 h缩短到1 h。可以实现更密实的充填和形成没有空洞的耐久性好的衬砌混凝土(见图2)，密实充填易于产生空洞的拱肩部和拱顶部。

其次，在浇筑中提高了混凝土的浇筑压力。一般来说，在标准工法中，因充填压力不足，即使确保了设计厚度，衬砌背后也可能产生空洞。使水压、土压等外力，或者收缩产生的开裂集中到空洞部分，使空洞成为衬砌很大的薄弱环节。此外，空洞部分由于是在混凝土上面形成自由面，如果捣固不到，就成为密实性差的混凝土。这也是衬砌强度不足、耐久性降低的原因之一。

(a) 标准工法　　　　　　　(b) 拱顶部水平压入浇筑工法

(a) 标准工法中的混凝土浇筑　　　　(b) 拱顶部水平压入浇筑

Fig. 2Comparison between conventional method and concrete grouting form crown

拱顶部水平压入浇筑系统是在模板拱顶部设置了压力传感器(最少5个)，一边用微机画面实时确认混凝土的浇筑压力，一边考虑模板的设计强度，以最大限度的浇筑压力浇筑混凝土，构筑没有空洞的密实的混凝土。图3是浇筑压测定管理图。

图3　浇筑压测定管理图

为了定量地分析浇筑压力对混凝土抗压强度增大和拱顶有无空隙对结构强度的影响，制作了如图4所示的小比例尺的隧道模型，对有无浇筑压力的混凝土试件进行抗压强度比较试验，同时也进行了有无空隙的结构强度比较试验。

试验结果表明，浇筑压力在40 kPa左右时，混凝土的抗压强度比没有浇筑压力的混凝土强度增加约28%(如图5所示)。拱顶完全充填没有空隙的衬砌混凝土与有空隙的衬砌混凝土对比，结构强度增加3倍左右。

图4　试件尺寸及形状(单位： mm)

图5　有无浇筑压混凝土试件抗压强度的比较

Fig. 5Comparison between compression strength under filling stress and that without filling stress

图6　混凝土密实浇筑试验步骤

密实浇筑后，打开顶盖，混凝土上面出现鼓起现象。此鼓起量是规定数量的2%～4%。也就是说，已浇筑了规定数量以上的混凝土(此压入量称为虚拟厚度)。

松动螺丝的瞬间，顶盖向上浮动，这说明混凝土密实浇筑后，该部分混凝土被压缩，直到硬化，并给模板和围岩一定的外压。根据此结果证实了混凝土密实浇筑能够形成虚拟厚度，而不会产生因捣固振动的下沉。

3.2捣固

捣固是提高混凝土密实度的重要方法。目前日本采用的隧道衬砌拱顶捣固系统如图7所示[3]。

该系统事先在拱顶部设置管式捣固器，混凝土浇筑后，一边拔出一边捣固。可用在捣固极为困难的钢筋区段、施工缝附近和隧道拱顶部(见图7(a))。目前该系统已得到广泛的应用。

如图7(b)所示，浇筑前在拱顶部沿模板全长设置4个长管捣固器，浇筑完成后从堵头板侧一边拔出一边进行均匀的捣固。同时，密实充填的混凝土也不会因捣固振动而下沉，反之还会上鼓，从而达到完全充填的效果。

(a)

(b)

3.3养生——喷雾养生

喷雾养生[3]是把轻型骨架悬吊在衬砌拱顶，用板密闭，内部沿一定距离设置喷雾喷嘴，使高压喷射的5 μm的雾状气体充满其间，能够进行充分湿润养护的技术。

设备的长度约3个浇筑环节，为31.5 m(见图8(a))。脱模后，可按规定进行1周的湿润养护，抑制混凝土干燥开裂，提高混凝土的品质。

因为设备是密闭的，不会出现通常的喷雾养护造成视线不良的情况，确保了通行车辆的安全。图8(b)是喷雾养护的全景。

(a)

(b)

图9是日本M.K.E会社针对高品质、高耐久性衬砌开发的具有保温养生功能的FRP(玻璃纤维塑料)管式模板。据报道该模板与钢模板的比较见表3[4]。

图9　塑料模板概貌

通过在古江隧道的测定，得到混凝土衬砌温度的历时变化见图10。

试验证实，由于塑料模板比钢模板高3～4 ℃的保温效果，混凝土强度提高了15%～20%。

该模板的特征： 1)由于优良的隔热效果，实现了保温养生(相对钢模板热传导率降低到1/150以下)；2)外气温的变化影响小，最适合寒冷地区； 3)剥离性能好，减少了起吊作业。

综合以上各项技术，日本谓之“衬砌初期开裂为0的技术”，实质上就是提高衬砌耐久性的技术。

表3　钢模板与塑料模板的比较

图10　混凝土衬砌温度的历时变化

4结束语

本讲介绍的方法说明： 在不改变混凝土基本特性的条件下，只要改善现行的混凝土施工技术，就能够适当提高衬砌混凝土的密实度、强度及耐久性。我们应在既有的二次衬砌施工工艺的基础上，研究和改进浇筑、捣固及养生等方法，进一步消除二次衬砌潜在的缺陷，特别是初期开裂，提高二次衬砌的耐久性。

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Tunneling by Mining Method： LectureⅤ： Lining I

GUAN Baoshu

(SouthwestJiaotongUniversity,Chengdu610031,Sichuan，China)

Abstract:The function of the secondary lining is studied in terms of applicability, uncertain factors and mechanical performance of temporary support for bad surrounding rocks; and it is emphatically illustrated that the secondary lining is is key structure. The required planning service life of the secondary lining of every country is 100 years; the investigation results show that the service life of the secondary lining can reach 100 years under necessary maintenance. The degradation of the tunnel structure is mainly induced by degradation of the surrounding rocks, degradation of lining structure and construction quality. The durability of concrete is mainly decided by construction technology. The main problems of lining are as follows: 1) The lining concrete is not compact; 2) There are hollows behind the lining; 3) The thickness of lining is non-uniform, and the thickness of the crown is small; 4) There are potential crack in the lining concrete. The countermeasures for improving the durability of the secondary lining are summarized as follows: 1) Reinforced concrete lining should not be used as much as possible; 2) The thickness of the protection cover should not be less than 50 mm when reinforced concrete lining is used; 3) The protection cover of 50 mm thickness should be used when shotcrete technology is used; 4) The invert should be used; 5) The ring of invert and side wall should be closed; 6) The construction technology for concrete should be improved; 7) The initial structural disadvantage of concrete lining should be minimized. The author believes that countermeasures 6) and 7) are most important. The key lining construction technologies in Japan, grouting, tamping and steam curing, are introduced， so as to provide guidance for the lining construction in China.

Keywords:tunnel; mining method; secondary lining; lining durability; surrounding rock durability; grouting; tamping; steam curing

中图分类号：U 45

文献标志码：A

文章编号：1672-741X(2016)03-0251-06

DOI:10.3973/j.issn.1672-741X.2016.03.001

作者简介：关宝树(1932—)，男，辽宁人，西南交通大学教授，博士生导师，从事隧道及地下工程教学和科研50余年，隧道与地下工程资深专家。E-mail: guanbaoshu@126.com。

收稿日期：2015-07-15