漫谈矿山法隧道技术第六讲——衬砌(二)

关宝树

(西南交通大学， 四川 成都　610031)



漫谈矿山法隧道技术第六讲
——衬砌(二)

关宝树

(西南交通大学， 四川 成都610031)

摘要：首先介绍以欧洲为代表的锚喷支护结构体系的应用现状。然后比较详细地介绍挪威、美国、日本和法国喷混凝土永久支护的应用、研究情况及具体做法。认为，在国外以锚喷支护为主体的支护结构体系和以复合式衬砌为主体的支护结构体系，目前是并存的；对我国来说2种支护结构体系也应该是并存的。在围岩条件良好的情况下，应大力推进以锚喷支护为主体的支护结构体系；在围岩条件较差的场合，则应以复合式衬砌支护结构体系为主体。

关键词：隧道； 矿山法； 锚喷支护； 喷混凝土； 衬砌； 初期支护； 永久支护

0引言

本讲主要介绍欧洲各国采用的以锚喷支护为主体的支护结构体系。由于地质条件、技术条件和环境条件不同，欧洲同行认为，锚喷支护与围岩一道完全可以作为山岭隧道的永久支护体系，无需设置复合式支护结构体系中的衬砌。在此领域中，发展了各式各样的支护结构类型及构筑方法。

1以欧洲为代表的锚喷支护结构体系应用概况

国际隧道和地下空间协会(ITA)第12工作组在《喷混凝土的应用》总结报告中指出,喷混凝土永久衬砌的应用已迅速增加。早在1985年的喷混凝土会议总结中就提出 “增加喷混凝土作为机械洞室、交通隧道和水路隧道的永久支护(衬砌)”的倡议。

巴西在20世纪70年代中期就提出用喷混凝土代替26 m跨度的Paulo Afonso Ⅳ号地下发电厂的1.5 m厚模筑混凝土衬砌的建议，采用15 cm薄的喷混凝土衬砌，节省了大量的混凝土。在20世纪30年代初用新奥法修建的第一座圣保罗地铁隧道，是用喷混凝土作为永久衬砌的，最近视察这些隧道的喷混凝土支护仍然处于良好状态。圣保罗二环路西部的3座双线大断面隧道(断面面积200 m2，4车道)施工期间也是采用永久喷混凝土衬砌代替了模筑混凝土衬砌。

捷克已经采用喷混凝土作为公用隧道和运输隧道部分路段的永久衬砌。

莱索托报告约5.6 km长的输水隧洞采用喷混凝土永久衬砌,其中一个理由是该方案可以解决工期延迟问题。

挪威政府的公共道路管理部门对公路隧道的喷混凝土衬砌进行了全面调查，得出以下结论： 现有喷混凝土的情况总体上是好的；不过在一些地点与喷层较薄之处发生了劣化和分层，建议喷层最小厚度为60 mm；甚至在海底公路隧道部分地段，有含盐的水进入和氯化物的浸透，局部已产生钢纤维腐蚀问题。

俄罗斯也有地铁和公路隧道采用永久喷混凝土衬砌的事例。

我国铁路隧道、公路隧道也开始了用喷混凝土做永久支护的适用性施工试验。

下面简要介绍一些国家采用喷混凝土作为永久支护的情况。

2挪威法中的喷混凝土支护

在挪威的地下工程建设中首次使用喷混凝土是在1952年，在头几年以干喷和薄层为主，由于湿喷的应用大幅改变了此方法的应用现状。自1980年以来，由于可靠的机械和高质量的混凝土，湿喷混凝土得到了广泛的应用。该方法可以作为初期支护和永久支护。

为了推行湿喷混凝土，1995年挪威公路管理局发布了《隧道喷混凝土的正确使用》的文件；并在此基础上，研究了在挪威隧道中所取得的经验，又制定了喷混凝土的“基本做法守则”，对喷混凝土补强给予了特别的关注。其内容要点如下。

2.1作为围岩支护的喷混凝土的类型

永久支护的主要形式可分为3类：

1)基于围岩和混凝土之间的附着力的支护。中等厚度80 mm，最小40 mm，纤维补强， E700(吸收能量水平)。

2)喷混凝土，厚度为80 mm或以上， E700或E1000。

3)喷混凝土肋，钢筋补强，通常没有纤维，为了实现拱效应，正确的曲率非常重要。

2.2喷混凝土肋

无论是单一的喷混凝土肋，还是间距为1.5～3 m系统的喷混凝土肋，都可以作为永久围岩支护。单一的喷混凝土肋，在正常情况下可用单层钢筋补强，但在预计有较大变形时，应采用双层钢筋补强(见图1)。

图1　双排喷混凝土肋

2.3喷混凝土肋的形状及设置位置

1)喷混凝土肋应构建一个平滑的曲线，并与隧道的理论断面相同且平行。

2)喷混凝土肋应建立在垂直平面内，与隧道轴向成直角。在小的断层带可能例外，喷混凝土肋应针对断层设置。

3)喷混凝土肋必须设置在强度足够的基础上。

2.4补强

1)钢筋。应采用B500NC质量的钢材；直径20 mm，按设定曲率预加工；间距≥110 mm；混凝土保护层厚度≥50 mm，海底隧道混凝土保护层厚度≥75 mm。

2)格栅。当采用双层钢筋时，格栅可作为一种选择。

单层钢筋喷混凝土肋必须能承受压应力，能保持正确的几何形状。如果荷载比较均匀且侧壁也需要支护，非常适合单筋补强。双筋喷混凝土肋需承受压应力和由于点荷载分布不均匀引起的弯曲应力，仅用于侧壁支护和隧道几何形状与理论轮廓有偏差的场合。

2.5喷混凝土

1)在海底隧道应采用防止疲劳类M40喷混凝土，因为混凝土质量达到B45(强度45 MPa)，其他隧道要求采用M40类喷混凝土(强度35 MPa)。

2)在采用喷混凝土肋的地方，第一步是定位和用纤维喷混凝土做好一个平滑层，平滑层吸收能量水平为E1000，质量B35，厚度 150～250 mm。

3)根据需要进一步喷射正确几何形状的应用层(无纤维)。

4)安装钢筋，喷混凝土。

5)要求在下一爆破循环前，抗压强度≥8 MPa。

2.6径向锚杆

1)锚杆打设在喷混凝土肋系统中，并注浆，直径≥20 mm。

2)安装几榀喷混凝土肋后，打设长3～6 m、间距1.0 ～ 1.5 m的锚杆。

3)喷混凝土肋的下端要用直径25 mm，L=4～6 m的注浆锚杆锚固好，亦可采用混凝土仰拱。

4)锚杆应进行拉拔试验。

2.7仰拱

混凝土仰拱的厚度应与喷混凝土肋相同。

2.8喷混凝土肋的厚度和宽度

喷混凝土肋的混凝土厚度及喷混凝土肋背后的混凝土厚度均不包括在规定的理论形状之内。

对于单层钢筋喷混凝土肋，从喷混凝土肋的表面到第1层钢筋(φ20)的中心假定为50 mm，到相反方向的表面为60 mm。因此，第1层钢筋中心到喷混凝土肋表面的厚度是240 mm(当喷混凝土肋的厚度为300 mm时)。

对于双层钢筋喷混凝土肋，2层钢筋之间的距离大约是： 海底隧道，H=D-60-75-20=D- 155 mm，对D60，H=445 mm；其他隧道,H=D-60-50-20=D-130 mm，对D60，H=470 mm。

钢筋(φ20)间距应≥ 110 mm，混凝土保护层的厚度在海底隧道为75 mm，在别处≥50 mm，由6根φ20钢筋组成的单层钢筋喷混凝土肋的理论最小宽度为： 海底隧道，75×2+20+110×5 = 720 mm；其他隧道，50×2+20+110×5=670 mm。

2.9下一爆破循环前应施作锚杆预支护

在钻孔及爆破前应施作锚杆预支护。要求如下：

1)锚杆间距≤ 300 mm；

2)锚杆孔应呈扇形配置；

3)注浆锚杆，直径25～32 mm，长度6～8 m，或可选同等质量的锚杆；

4)施作预支护锚杆的数量取决于监测到的隧道围岩数据，仅在拱部或横断面的局部设置监测断面；

5)锚杆端部要伸出掌子面50～75 cm。

每一循环都施作新的锚杆，因此，在隧道顶部有2排以上的锚杆，每组锚杆都要用喷混凝土肋支护。

2.10爆破后的围岩支护

爆破后进行通风、清理掌子面、检查拱部和侧壁，以确定是否出碴或设置喷射机械等是否有足够的空间。在围岩质量非常差的条件下，应在出碴前迅速施作第1层喷混凝土。该层厚度取决于围岩表面对喷混凝土自重(新喷混凝土的质量、黏聚力和拉应力)的承受能力。喷射前必须仔细观测并记录工程情况，如果隧道围岩稳定性较差，用水清理表面的作业可以省略。

可以在整个断面进行混凝土喷射，有时也需要对掌子面进行喷射。

2.11喷混凝土肋的设计和施工的选择

选项是单层或双层钢筋补强、钢筋数量及钢筋层之间的距离。单层钢筋喷混凝土肋的构造见图2，图3是单层钢筋喷混凝土肋封闭掌子面的实例，双层钢筋喷混凝土肋见图4。

图2　单层钢筋喷混凝土肋的构造

(a)

(b)

Fig. 3Working face closed by single-layer reinforced bar shotcrete rib

图4　单层钢筋改为双层钢筋的实例

Fig. 4Single-layer reinforced bar shotcrete rib replaced by double-layer reinforced bar shotcrete rib

3美国的喷混凝土永久支护

美国《公路隧道设计施工手册》[1]提出，若喷混凝土与模筑混凝土衬砌的质量相当，就可以用前者代替后者。其表面的外观，可以根据所需的项目目标进行修整，但可能仍然比较粗糙；如果采用抹刀抹平，就可以得到与模筑混凝土质量相媲美的表面。喷混凝土作为最终衬砌通常是与初期的喷混凝土相结合，应在符合下列条件时采用。

1)隧道长度较短，断面较大，不值得投资模板时，如长度小于400～600 ft(150～250 m)、起拱线处宽度大于25～35 ft(8～11 m)的隧道；

2)出入困难、分期模板安装和混凝土输送有问题的场合；

3)隧道几何形状复杂，需要定制模板时，如隧道交叉口以及分岔的加宽和台阶式断面开挖等形式；

4)当双层衬砌采用喷混凝土作为最终衬砌时，其间要设置防水卷材。因此，衬砌厚度一般在10～20 in(200～300 mm)或更大些。施设时必须考虑喷层与喷层之间的时间间隔，使喷混凝土充分硬化。为了确保最终衬砌的质量，从结构上看，需控制喷层之间的时间间隔和保证需要喷下一层混凝土的喷层表面干净，无任何灰尘或污垢，这对防止个别层剥落是很重要的。一般控制喷层之间的时间间隔为 24 h。喷混凝土最终衬砌与格栅、焊接金属网一道构成承载体系，此承载体系也可全部或部分进行结构补强，结构补强可采用钢筋、钢纤维或塑料纤维等。最终喷混凝土层允许添加微聚丙烯(PP)纤维以增强最终衬砌的抗火性能。

现浇混凝土在安装过程中的静水压力，不能作用在喷混凝土支护和防水膜上，因此，必须确保防水系统和初期支护的初喷混凝土、最终喷混凝土衬砌之间的所有空隙都要进行回填注浆充满。最终衬砌应用水泥浆进行回填注浆。为确保适当注浆要围绕整个衬砌，布置纵向灌浆软管，这种软管沿隧道周边呈放射状排列。图5是美国公路隧道采用的兼顾防水系统的典型喷混凝土最终衬砌的断面，其中包括焊接金属网(WWF)、格栅、回填注浆用注浆软管以及聚丙烯纤维的表层喷层。

图5　典型的喷混凝土衬砌细部构造

实际上，可能影响喷混凝土最终衬砌质量的最重要因素是工艺。虽然喷射工(人力或机械手)的技巧是这个工艺的核心，但更重要的是要遵守喷混凝土过程中各个环节的方法规定。这种规定应成为应用者和监督者的质量保证/质量控制(QN/QC)的基础。

隧道衬砌发展的总趋势表明，喷混凝土最终衬砌终将替代传统的模筑混凝土衬砌。

4日本的喷混凝土永久支护

日本的隧道支护，基本上采用复合式衬砌构造，只是在个别场合(例如青函隧道在作业坑道等小断面的隧道中)，才采用喷混凝土作为永久支护。但近几年也展开了喷混凝土作为永久支护的研究。

根据桑原等的研究，可知喷混凝土的支护功能与围岩的附着强度有关，在岩石的单轴抗压强度小于5 MPa时由岩石强度支配；超过5 MPa后，大致保持一个定值。水谷等根据钢板与喷混凝土低龄时的试验指出，喷射后约8 h后的抗拉附着强度是一定的(约0.04 MPa)。Sala在Furka隧道中的试验指出，当附着强度是1.3 MPa时，39个试件中有18个是岩石先崩坏。在支护承载力的研究中，水谷等根据室内试验和原位试验结果及解析研究指出，在低龄时(喷射后8～20 h)厚度为 5 cm的喷混凝土可以支撑1.2 m3的岩块重力[2]。

根据这些研究，喷混凝土若能充分发挥与围岩的附着强度，会提供很大的支护承载力防止岩块脱落。

喷混凝土作为永久结构物时，要同时具有作为初期支护和永久衬砌的功能。为此，对作用荷载要进行核查以确保构造的安全性能。

以日本新干线隧道断面为例，复合式衬砌标准断面和喷混凝土衬砌的标准断面见图6。

(a) 复合式衬砌的标准断面

(b) 喷混凝土衬砌的标准断面

喷混凝土衬砌的喷射对象不包括仰拱。从开挖断面看，喷混凝土衬砌的标准断面比复合式衬砌的标准断面，宽度减少40 cm，高度减少20 cm。喷混凝土喷通常的厚度，开挖后确认位移已经收敛，再在喷混凝土衬砌上喷射10 cm的保护层，提高其安全度。喷混凝土衬砌应用流程见图7。

图7　喷混凝土衬砌构造的应用流程

喷混凝土要求采用具有衬砌耐久性的高品质喷混凝土。

从饭山隧道约21 498 m的量测数据(拱顶下沉和净空水平相对位移)来评价喷混凝土的健全性得出以下结论：

1)喷混凝土的变异按由水平净空相对位移引起的和由拱顶下沉引起的2种情况进行整理，其结果见图8。水平净空相对位移和变异比率见图9。

图8　净空位移和喷混凝土变异

Fig. 8Relative displace of horizontal clear space and crown settlement

图9　水平净空相对位移和变异比率

Fig. 9Relative displace of horizontal clear space vs. heteromorphosis ratio

从图8和图9可以看出，水平净空相对位移在100 mm以下、拱顶下沉在50 mm以下，几乎都为健全隧道的数据所占有。图9是数据多的水平净空相对位移确认的情况。

2)喷混凝土发生变异的，在100 mm以下的数据只有百分之几的概率，超过100 mm后变异的概率急剧增加，超过300 mm的几乎都发生变异。根据这样的结果，喷混凝土的健全性可以用水平净空相对位移在100 mm以内进行评价。

3)据此，实际上喷混凝土发生变异，不等于喷混凝土破坏，因此用变异点作基准是安全的。其次设定容许应力，按此进行设计，确保安全系数。

经计算适用的喷混凝土弹性模量取2 200 MPa，容许应力取23 MPa。

首先采用位移超过100 mm、喷混凝土发生变异的数据，求出喷混凝土的应力状态，研究其适用性。检查结果表明，弯矩的影响很小，轴力是主要的。其次，为了求出喷混凝土达到容许应力和破坏强度的分布，要改变水平净空相对位移和拱顶下沉值，试图设定适用范围。解析结果见图10。据此喷混凝土衬砌的容许应力的适用范围是水平净空相对位移90 mm和拱顶下沉50 mm。

图10　衬砌单一构造的适用范围

5法国隧协的建议

法国隧协在2000年发表的《地下工程喷混凝土设计》一文中，对喷混凝土作为永久支护(二次衬砌)提出如下建议。

5.1喷混凝土的类型

法国隧协将喷混凝土分为3种类型，即作为围岩保护层的喷混凝土、作为初期支护的喷混凝土和作为永久支护的喷混凝土。下面主要说明作为永久支护的喷混凝土，即喷混凝土衬砌。

5.2喷混凝土衬砌

这种类型的喷混凝土应设计为结构体，并能够承受法向力和弯矩。围岩支护是厚的喷混凝土壳体(数百毫米厚)，具有单独维护坑道整体稳定的能力。此混凝土可以用也可以不用纤维补强；此壳体与锚杆或钢支撑并用对结构的力学性能具有直接影响。

5.3基本目标

1)壳体必须有相当的厚度，以保证类似拱结构的整体效应。壳体的最小厚度应考虑施工的可能(开挖轮廓不规则，取决于围岩条件和开挖方法)，为确保质量，壳体的厚度应等于设计采用的理论值。

2)壳体的主要目标是保证开挖的整体稳定性，喷混凝土壳的作用是限制开挖后的收敛以及避免围岩过度松弛。

5.4技术建议

1)对标准形状的隧道，直径大于10 m，所有断面采用模筑混凝土衬砌的最小厚度为30～50 cm的场合，出于实用的目的，考虑喷混凝土是合理的。

2)符合AFTES文档中描述准则的喷混凝土，可以使用。

3)喷混凝土的成分应满足合同规定的有关结构耐久性的标准，特别是抵抗环境的侵蚀和骨料、水泥及外加剂之间的相容性(主要是碱-骨料反应)。

4)在掌子面开挖阶段采用时，对围岩与喷混凝土界面间的混凝土质量必须进行检查。

5)根据围岩类型和开挖方法，喷混凝土的厚度应在合同中规定并在现场验证。

6)根据喷混凝土力学特性变异的长期风险(如采用外加剂提高低龄混凝土强度)，可在结构整个生命周期的适当期间进行测试。

7)一般情况下，作为永久支护的喷混凝土衬砌，是在作为保护层的喷混凝土的基础上施作的。最初的保护层厚度不得列入结构层的设计厚度，若发生蚀变和开裂，可能影响其力学性能。

8)钢支撑或格栅、锚杆和钢筋纳入喷混凝土壳体中，容许按在混凝土薄壳进行设计计算，使其有效参与到结构强度中充分发挥作用，并采用防腐蚀的预防措施。

9)最终衬砌是由一层或多层喷混凝土层代替模筑混凝土。如果需要多层喷射，则应检查纵向施工缝的质量和位置(可以防止贯通(贯穿)整个壳体厚度的不连续界面)。

10)不推荐在下列情况下采用喷混凝土作为永久支护： 高水头；高透水性围岩(AFTES分级)；不允许水位降低的环境条件及实现全水密性功能要求的结构。

11)喷混凝土目前的技术可能导致某些材料的质量不均匀，特别是第1层喷射到围岩上的混凝土，水灰比是难以控制的，并因速凝剂的使用可能导致长期强度的降低。此外喷混凝土性能的可变性可能高于模筑混凝土。喷混凝土壳体的几何形状必然比模筑混凝土的规则性差，厚度也是可变的。鉴于此，设计中应适当增加喷混凝土的强度及厚度；壳体的最小厚度应采用标称厚度。

12)对公路和高速公路隧道，喷混凝土表面的粗糙度高。这一方面会导致空气更快变得肮脏污浊；另一方面，也会增加空气阻力，随之会增加通风和相关设备安装和操作的成本。对用户来说保证足够的亮度和安全感，应覆盖喷混凝土的壁面(在这种情况下，应防止脱开，落在车辆上)。对于水工结构，喷混凝土表面可以适当采用塑料涂层(如高密度聚乙烯)覆盖。

13)应选择不会导致混凝土长期强度劣化的外加剂，并需要验证，通过长期测试确定其力学性能(尤其是强度)是否符合设计标准。

14)使用金属纤维应采取特殊步骤，解决与潜在腐蚀有关的问题；可以采用一个额外的非纤维增强层或在设计厚度以外增加2～3 cm厚度，以确保壳体厚度需要的抗力。

6小结

在国际上，以锚喷支护为主体的支护结构体系和以复合式衬砌为主体的支护结构体系，目前呈并存的局面，对我国来说2种支护结构体系也应该是并存的。一般来说在围岩条件较好的情况下，应大力推进以锚喷支护为主体的支护结构体系；在围岩条件比较差的场合，则应以复合式衬砌支护结构体系为主体。是否合适希望大家讨论。

参考文献(References)：

[1]U S Department of Transportation，Federal Highway Administration，National Highway Institute.Technical manual for design and construction of road tunnels: Civil elements[S].Washington DC: AASHTO,2010.

[2]登坂敏雄.高品质吹付コンクリ-トによる单一覆工构造に関する研究[J].トンネルと地下，2008,39(12): 9-10. (Tosaka Minwoong. Study on high-quality shotcrete single lining structure[J]. Tunnel and Underground, 2008, 39(12): 9-10. (in Japanese))

Tunneling by Mining Method: Lecture VI: Lining II

GUAN Baoshu

(SouthwestJiaotongUniversity,Chengdu610031,Sichuan,China)

Abstract:The-state-of-the-art of the application of bolting and shotcrete support structure system to European countries is introduced. The application and study of shotcrete permanent support in Norway, America, Japan and France are presented in detail. It shows that the bolting and shotcrete support structure system and complex lining support structure system are both available abroad. The author suggests that the above mentioned two support structure systems should be available in China as well; the bolting and shotcrete support structure system should be adopted in good surrounding rock conditions; and the complex lining support structure system should be adopt in bad surrounding rock conditions.

Keywords:tunnel; mining method; bolting and shotcrete support; shotcrete; lining; primary support; permanent support

中图分类号：U 45

文献标志码：A

文章编号：1672-741X(2016)04-0373-06

DOI:10.3973/j.issn.1672-741X.2016.04.001

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