隧道工程施工技术与安全-洞身衬砌的重要性

2.2.1.1　衬砌结构的类型

出现各种适应不同的地质条件的结构类型，大致有下列几类。

（1）直墙式衬砌

直墙式衬砌型式通常用于岩石地层垂直围岩压力为主要计算荷载、水平围岩压力很小的情况。一殷适用于V，Ⅳ类围岩，有时也可用于Ⅲ类围岩。对于道路隧道，直墙式衬砌结构的拱部，可以采用割圆拱、坦三心圆拱或尖三心圆拱。三心圆拱指拱轴线由三段圆弧组成，其轴线形状比较平坦（r1＞r2）时称为坦三心圆拱，形状较尖（r2＜r1）时称为尖三心圆拱，若r1=r2=r时即为割圆拱。

如果围岩完整性比较好的V～VI类围岩中，边墙可以采用连拱或柱，称为连拱边墙或柱式边墙。

为了节省圬工，也可以采用大拱脚薄边墙衬砌。如果具备喷混凝土条件时，边墙可以用喷混凝土代替。该法是个有局限性的方法，最大的问题是大拱脚支座施工困难，在非均质岩层中很难用钻爆法做出整齐稳定的支座。所以在这种较好围岩中，不如优先考虑喷锚支护。

（2）曲墙式衬砌

通常在Ⅲ类以下围岩中，水平压力较大，为了抵抗较大的水平压力把边墙也做成曲线形状。当地基条件较差时，为防止衬砌沉陷，抵御底鼓压力。使衬砌形成环状封闭结构，可以设置仰拱。

（3）喷混凝土衬砌、喷锚衬砌及复合式衬砌

要求用光面爆破开挖，使洞室周边平顺光滑，成型准确，减少超欠挖。适当的时间喷混凝土，即为喷混凝土衬砌。根据实际情况，需要安装锚杆的则先装设锚杆，再喷混凝土，即为喷锚衬砌。如果以喷混凝土，锚杆或钢拱支架的一种或几种组合作为初次支护对围岩进行加固，维护围岩稳定防止有害松动。待初次支护的变形基本稳定后，进行现浇混凝土二次衬砌，即为复合式衬砌。为使衬砌的防水性能可靠，采用塑料板作复合式衬砌中间防水层是比较适宜的。

（4）偏压衬砌

当山体地面坡陡于1：2.5，线路外侧山体覆盖较薄，或由于地质构造造成的偏压，衬砌为承受这种不对称围岩压力而采用。

（5）喇叭口隧道衬砌

在山区双线隧道，有时为绕过困难地形或避开复杂地质地段，减少工程量，可将一条双幅公路隧道分建为两个单线隧道或两条单线并建为一条双幅的情况，（或车站隧道中的渡线部分），衬砌产生了一个过渡区段，这部分隧道衬砌的断面及线间距均有变化，相应成了一个喇叭型，称为喇叭口隧道衬砌。

（6）圆形断面隧道

为了抵御膨胀性围岩压力，山岭隧道也可以采用圆形或近似圆形断面，因为需要较大的衬砌厚度，所以多半在施工时进行二次衬砌。对于水底隧道，由于水压力较大，采用矿山法施工时，也多半用二次衬砌，或者采用铸铁制的方形节段。水底隧道广泛使用盾构法，施工，其断面为全圆形。水底隧道的另一种施工方法是沉管法，有单管和双管之分，其断面可以是圆形，也可以是矩形。

岩石隧道掘进机是开挖岩石隧道的一种机械化切削机械，其开挖断面常为圆形，开挖后可以用喷混凝土衬砌、喷锚衬砌或拼装预制构件衬砌等多种形式。

（7）矩形断面衬砌

用沉管法施工时，其断面可以用矩形型式。用明挖法施工时，尤其在修筑多车道隧道时，其断面广泛采用矩形。这种情况，回填土厚度一般较小，加之在软土中修筑隧道时，软土不能抵御较大的水平推力，因而不应修筑拱形隧道。另一方面，矩形断面的利用率也较高。城市中的过街人行地道，通常都在软土中通过，其断面也是以矩形为基础组成的。

2.2.1.2　支护结构

在隧道及地下工程中，支护结构通常分为初期支护（一次支护）和永久支护（二次支护、二次衬砌）。一次支护是为了保证施工的安全、加固岩体和阻止围岩的变形。二次支护是为了保证隧道使用的净空和结构的安全而设置的永久性衬砌结构。常用的永久衬砌形式有整体衬砌、复合式衬砌、拼装衬砌及锚喷衬砌等四种。

隧道衬砌是永久性的重要结构物，应有相当的可靠性和保证率，一旦破坏，运营中很难恢复。因此要求衬砌密实、抗渗、抗侵蚀、不产生病害，衬砌能够长期、安全地使用。

当地质条件较好，围岩稳定，地下水很少，有场地，施工单位又有制造、运输和拼装衬砌的设备，并控制开挖和拼装工艺有一定的经验时，可采用拼装衬砌。当采用盾构施工，又考虑二次衬砌时，也宜采用拼装式衬砌，快速形成一次衬砌的强度。在山岭隧道建设中，很少采用拼装式衬砌。

洞口一般较洞身围岩条件差，节理裂隙发育，风化重；再加隧道埋置浅薄，受地形、地表水、地下水、风化冻裂影响明显；容易形成偏压，甚至受仰坡后围岩纵向推力的影响，围岩容易失去稳定，使衬砌产生病害。故洞口一般采用加强的衬砌形式，包括复合式衬砌，而不采用锚喷衬砌。(www.xing528.com)

（1）整体式衬砌

整体式衬砌是传统衬砌结构型式，在新奥法（NATM）闻世前，广泛地应用于隧道工程中，目前在山岭隧道中还有不少工程事例。该方法不考虑围岩的承载作用，主要通过衬砌的结构刚度抵御地层的变形，承受围岩的压力。

整体式衬砌采用就地整体模筑混凝土，其方法是在隧道内树立模板、拱架，然后浇灌混凝土而成。它作为一种支护结构，从外部支撑隧道围岩，适用于不同的地质条件，易于按需成型，且适合多种施工方法，因此在我国隧道工程中广泛使用。

Ⅳ类及以上围岩，由于围岩稳定或基本稳定，拱部围岩荷载较小，且往往呈现较小的局部荷载；衬砌工作条件较好，衬砌截面可以采用等截面形式。而Ⅳ类以下围岩与上述情况往往相反，故以采用变截面形式为宜。

对Ⅳ类及以上围岩，墙部是稳定的，侧压力较小，故一般地区也可采用直墙式衬砌，便利施工，并可减少墙部开挖量。

严寒地区修建隧道，由于地下水随季节温度发生变化，围岩易产生冻胀压力，使侧墙内移或开裂；曲墙式衬砌其抗冻胀能力较强，墙部破坏的情况远小于采用直墙式衬砌的隧道，故严寒地区隧道，不管围岩等级如何，只要有地下水存在，衬砌型式仍应采用曲墙式衬砌。严寒地区隧道衬砌施工特别要强调根据情况设置伸缩缝，防止或减少衬砌因温度降低而收缩，引起衬砌开裂和破坏，造成病害。

Ⅲ类及以下围岩，地基松软，往往侧压力较大，故宜采用曲墙带仰拱的衬砌。设置仰拱不仅是满足地基承载力的要求，更重要的是使结构及时封闭，提高结构的整体承载力和侧墙抵抗侧压力的能力，抵御结构的下沉变形，达到调整围岩和衬砌的应力状态的目的，使衬砌处于稳定状态。

为了避免围岩和衬砌的应力集中，造成围岩压力增加和衬砌的局部破坏，应注意衬砌内外轮廓的圆顺，避免急剧弯曲和棱角。

（2）复合式衬砌

复合式衬砌是由初期支护和二次支护组成的。初期支护是限制围岩在施工期间的变形，达到围岩的暂时稳定；二次支护则是提供结构的安全储备或承受后期围岩压力。因此，初期支护应按主要承载结构设计。二次支护在Ⅳ类及以上围岩时按安全储备设计；在Ⅲ类及以下围岩时按承载（后期围压）结构设计，并均应满足构造要求。

复合衬砌的设计，目前以工程类比为主，理论验算为辅。结合施工，通过测量、监控取得数据，不断修改和完善设计。复合衬砌设计和施工密切相关，应通过量测及时支护，并掌握好围岩和支护的形变和应力状态，以便最大限度发挥由围岩和支护组成的承载结构的自承能力。通过量测，掌握好断面的闭合时间；保证施工期安全。确定恰当的支护标准和合适的二次衬砌时间，达到作用在承载结构上的形变压力最小，且又十分安全和稳定。

Ⅲ类及以下围岩或可能出现偏压时，应设置仰拱。仰拱不仅是解决基础承载力不够，减少下沉：防止底鼓的隆起变形，调整衬砌应力的作用，更重要的是起封闭围岩，制止围岩过大的松弛变形，将围岩塑性变形和形变压力控制在允许范围；还增加底部和墙部的支护抵抗力，防止内挤而产生剪切破坏。

两层衬砌之间宜采用缓冲、隔离的防水夹层，其目的是，当第一层产生形变及形变压力较大时，仍给予极少量形变的可能，可降低形变压力。而当一次衬砌支护力不够时，可将少量形变压力均匀的传布到二次衬砌上，并依靠二次衬砌进一步制止继续变形，且不使一次衬砌出现裂缝时，二次衬砌也出现裂缝。由于二层衬砌之间有了隔离层（即防水夹层），则防水效果良好，且可减少二次衬砌混凝土的收缩裂缝。

在确定开挖尺寸时，应预留必要的初期支护变形量，以保证初期支护稳定后，二次衬砌的必要厚度。当围岩呈“塑性”时，变形量是比较大的。由于预先设定的变形量与初期支护稳定后的实际变形量往往有差距，故应经常量测校正，使延续各衬砌段预留变形量更符合围岩及支护变形实际。

（3）喷锚衬砌

锚喷支护作为隧道的永久衬砌，一般考虑是在Ⅳ类及以上围岩中采用；在Ⅲ类及以下围岩中，采用锚喷支护经验不足，可靠性差；按目前的施工水平，可将锚喷支护作为初期支护配合第二次模注混凝土衬砌，形成复合衬砌。当围岩良好、完整、稳定地段，如V类及以上，只需采用喷射混凝土衬砌即可，此时喷射混凝土的作用为：局部稳定围岩表层少数已松动的岩块；保护和加固围岩表面，防止风化；与围岩形成表面较平整的整体支承结构，确保营运安全。

在层状围岩中，应加入了锚杆支护，通过联结作用和组合原理保护和稳定围岩，并通过喷射混凝土表面封闭和支护的配合，使围岩和锚杆喷射混凝土形成一个稳定的承载结构。锚杆应与稳定围岩联结，与没有松动的较完整的稳定的围岩体相联结；锚杆应有足够锚固长度，伸入松动围岩以外或伸入承载环以内一定深度。

当围岩呈块（石）碎（石）状镶嵌结构，稳定性较差时，锚喷混凝土的主要作用原理是整体加固作用。依靠锚杆和钢筋网喷混凝土的支护力和锚杆的联结及本身的抗剪强度，提高围岩承载圈的抗压强度和抗剪强度，达到对围岩的整体加固作用，使围岩和锚喷支护共同成为一个承裁结构。

锚喷衬砌的内轮廓线，宜采用曲墙式的断面形式，是为了使开挖时外轮廓线圆顺，尽可能减少围岩中的应力集中，减小围岩内缘的拉应力，尽可能消除围岩对支护的集中荷载，使支护只承受较均匀的形变压力，使喷层支护都处在受压状态而不产生弯矩。锚喷衬砌外轮廓线除考虑锚喷变形量外宜再预留20cm。其理由是：锚喷支护作为永久衬砌目前在设计和施工都经验不足，需要完善的地方还很多，尤其是公路部门，这样的施工实例还不多；锚喷支护作为柔性支护结构，厚度较薄，变形量较大，预留变形量能保证以后有可能进行补强和达到应有的补强厚度而留有余地；另外，还估计到如锚喷衬砌改变为复合衬砌时，能保证复合衬砌的二次衬砌最小厚度20cm。

采用锚喷衬砌后，内表面是不太平整顺直，美观性差，影响司机在行车中视觉感观。在高等级道路或城镇及附近的隧道，应根据需要考虑内装，以消除上述缺点外，也便于照明、通风的安装，提高洞内照明、防水、通风、视线诱导、减少噪音等的效果。

在某些不良地质、大面积涌水地段和特殊地段不宜采用锚喷衬砌作为永久衬砌。大面积涌水地段，喷射混凝土很难成型且即使成型，其强度及与围岩的黏结力无法保证；锚杆与围岩的黏结，锚杆的锚固力也极难保证，难于发挥锚喷支护所应有的作用。膨胀性围岩和不良地质围岩，如黏土质胶结的砂岩、粉砂岩、泥砂岩、泥岩等软岩，开挖后极易风化、潮解，遇水泥化、软化、膨胀，造成大的围岩压力，稳定性极差，甚至流坍。堆积层、破碎带等不良地质，往往有水，施工时缺乏足够的自稳能力和一定的稳定时间。这样，锚杆无法同膨胀性围岩和有水堆积层、破碎带形成可靠的黏结，喷射混凝土与围岩面也很难形成良好的粘贴。因此，锚喷支护就难于阻止围岩的迅速变形和通过锚喷支护形成可靠、稳定的承载圈。

不宜采用锚喷支护作为永久衬砌的情况还包括：对衬砌有特殊要求的隧道或地段，如洞口地段，要求衬砌内轮廓很整齐、平整；辅助坑道或其他隧道与主隧道的连接处及附近地段；有很高的防水要求的隧道；还有围岩及覆盖太薄，且其上已有建筑物，不能沉落或拆除者等；地下水有侵蚀性，可能造成喷射混凝土和锚杆材料的腐蚀；寒冷和严寒地区有冻害的地方等。