隧道工程中的衬砌形式及其分类

沿开挖的铁路隧道壁面建造的，用以防止围岩变形和地层塌方，以及阻挡地下水渗漏的构筑物称为隧道衬砌。对于围岩坚硬完整而又无渗漏水的隧道，也可不做衬砌，但一般需在壁面上喷浆或喷混凝土，以防止岩石风化剥落。隧道衬砌一般是由拱、边墙（直边墙或曲边墙）、仰拱或铺底等部分组成。

开挖后的隧道，为了保持围岩的稳定性，一般需要进行支护和村砌。支护的主要材料有：锚杆、钢架、钢筋网、喷射混凝土、模筑混凝土及其他组合。

（一）按隧道的支护的主要材料分类

按隧道的支护的主要材料分，衬砌的主要形式有：整体式混凝土衬砌、拼装式衬砌、喷射混凝土衬砌和复合式衬砌等。

1.整体式混凝土衬砌

它是指就地灌筑混凝土村砌，也称模筑混凝土树砌。其工艺流程为：立模—灌筑—养生拆模。模筑村砌的特点是：对地质条件的适应性较强，易于按需要成型，整体好，抗渗性强，并适用于多种施施工条件，如可用木模板、钢模板或衬砌台车等。为此，在断面不大的隧道工程（如引水隧道等）中广泛采用。

2.装配式村砌

装配式衬砌是将衬砌分成若干块构件，这些构构件在现场或工厂预制，然后运到坑道内用机械将它们拼装成一环接着一环的衬砌。这种衬砌的特点是：拼拼装成环后立即受力，便于机械化施工，改善劳动条件，节省劳力。目前多在使用盾构法施工的城市地下铁道中采用。在铁路隧道中由于装配式衬砌要求有一定的机械化设备，施工工艺复杂，衬砌的整体性及抗渗性差而未能推广使用。装配式盾构管片如图3-2-1和图3-2-2所示。

图3-2-1　盾构管片现场装配施工图

图3-2-2　已安装好的盾构管片衬砌

3.锚喷支护

锚喷支护是目前常用的一种围岩支护于段。采用锚喷支护可充分发挥固岩的自承能力，并有效地利用洞内净空，提高作业安全性和作业效率，并能适应软弱和膨胀性地层中的隧道开挖。还能用于整治坍方和隧道衬的裂损。

锚喷支护包括锚杆支护，喷射混凝土支护，喷射混凝土锚杆联合支护，喷射混凝士钢筋网联合支护，喷射混凝土与铺杆及钢筋网联合支护，喷钢纤维混凝土支护，喷钢纤维混凝土锚杆联合支护，以及上述几种类型加设型钢支撑（或格栅支撑）而成的联合支护等等。锚喷支护示意图如3-2-3所示。

图3-2-3　锚喷支护示意

4.复合式衬砌

复合式衬砌不同于单层厚壁的模筑混凝土衬，也不同于单纯的锚喷支护，它把衬砌分成两层或两层以上，可以是一种形式、方法和材料施作的，也可以是不同形式、方法、时间和材料施作的。目前大都采用内外两层树砌。按内外衬的组合情况可分为：锚喷支护与混凝土衬砌；锚喷支护与喷射混凝土衬砌；可缩性钢架（或格栅钢构拱架）喷射混凝土与混凝土衬砌；装配式衬砌与混凝土衬砌等多种组合形式。日前最通用的是外衬为锚、喷、网支护，内村为整体式混凝合式衬砌。

复合式衬砌是先在开挖好的洞壁表面喷射一层早强的混凝土（部分同时需施作锚杆），凝固后形成薄层柔性支护结构（称初期支护）。它既能容许围岩有一定的变形，又能限制围岩产生有害变形。其厚度多在5～20cmn之间。一般待初期支护与围岩变形基本稳定后再施作内衬，通常为就地灌筑凝土衬砌（称二次衬砌）。为了防止地下水流入或渗入隧道内，可以在外衬和内衬之间设防水层，其材料可采用防水板（无纺布）、止水还、止水条等。(www.xing528.com)

根据模型试验和理论分析的结果表明：复合式衬砌的极限承载能力比同等厚度的单层模筑混凝土衬砌可提高15%～25%，如能调整好内衬的施作时间，还可以改善结构的受力条件。关于复合式村砌内外层结构受力状态，由于隧道开挖后围岩具有自承能力，它与初期支护组合在一起能起到水久建筑物的作用，承载着隧道大约30%的荷载；二次衬砌在理论计算时，考虑二次衬砌来承担70%的承载作用，它不仅稳定围岩的变形而且在整个衬砌结构中占有主导地位。

总之，复合式衬砌可以满足初期支护施作及时、刚度小易变形的要求，且与倒岩密贴，从而能保护围岩和加固围，促进岩的应力调整，充分发挥围岩的自承作用。二次村砌完成后，村砌内表面光滑平整，可以防止外层风化，装饰饰内壁，增强安全感，是一种较为合理的结构形式，是现在被广泛应用的一种衬砌形式。复合式衬砌示意图如3-2-4所示。

图3-2-4　复合式衬砌示意图

（二）根据不同的围岩类别分类

隧道衬砌根据不同的围岩类别，按衬砌的形状分有直墙式衬砌和曲墙式衬砌两种形式。

1.直墙式衬砌

直墙式衬砌由上部拱圈、两侧竖直边墙和下部铺底三部分组合而成。

直墙式衬砌适用于地质条件比较好，垂直围岩压力为主而水平围岩压力较小的情况，主要适用于Ⅱ级围岩，有时也可用于Ⅲ级类围岩，一般用于断面很小的单线非电化隧道和用于引水隧道。直墙式衬砌由上部拱圈、两侧竖直边墙和下部铺底三部分组合而成。拱部内轮廓线系由三心圆曲线组成。在地质条件较好时，为了节省圬工，直墙式衬砌在构造上采取若干改进措施：如在Ⅱ级围岩中采用大拱脚喷混凝土（或喷砂浆）边墙衬砌。

在某些围岩中，采用柱式边墙衬砌或连拱式边墙衬砌（统称为花边墙衬砌）。柱式边墙衬砌是做成一排均匀间隔的立柱，其尺寸一般不宜小于3m，表面喷5～7cmn厚的混凝土。连拱墙衬砌则把边墙部分做成连拱形式。直墙式衬砌示意图如图3-2-5和图3-2-6所示。

图3-2-5　直墙式衬砌示意图

2.曲墙式衬砌

曲墙式衬砌适用于地质较差，有较大水平围岩压力的Ⅲ级及以下的围岩。它由顶部拱圈侧面曲边墙和底部仰拱（或铺底）组成。在围岩较好、无地下水，且基础不产生沉降的情况下可不设仰拱，只做底板，一般均需设仰拱，以抵御底部围岩压力和防止衬砌沉降，并使衬砌形成一个环状的封闭整体结构，以提高衬砌的承载能力。现在隧道工程中采用的衬砌形式90%以上的均采用的是曲墙式衬砌。