隧道单层衬砌研究现状及评述
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图 1 单层衬砌概念图 Fig. 1 Concept figure of single shell linning
[ຫໍສະໝຸດ Baidu2]
土层间径向和纵向上的抗滑移性 , 使得各混凝土层 形成共同承载体系。近似地 , 可以把单层衬砌结构 看作 组合梁 来分析其力学特性; 相反地, 在复合 式衬砌中, 由于防水板的存在 , 在初期支护和二次 衬砌之间不传递剪力, 其结构类似于 叠合梁 的力 学行为, 如图 2 所示。这样 , 在同等程度荷载条件 下, 单层衬砌比复合式衬砌产生的内力要小, 所以 可适当减薄衬砌厚度, 同时也减少了开挖量和衬砌 圬工量 , 节约投资。而且取消了防水板 , 取而代之 的是耐水性很好的 防水混凝土喷层 , 施工操 作方 便, 可保证防水质量, 有利于缩短工期。所以对单 层衬砌的深入研究不仅有很高的理论价值 , 而且在 工程实践中也可创造巨大的经济效益。
[ 10] [ 8]
表3 Table 3 编号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 无支护 局部锚杆 系统锚杆
挪威法的单层衬砌类型
[ 7]
The single shell linning style of NMT 永 久支护类型
( 西南交通大学土木工程学院, 四川 成都 610031)
摘 要: 综述了目前国内外隧道单层衬砌的支护形式 、 耐水性能、 平整度及设计方法的研 究成果, 并在此基础上提出了一些新的观点 。国内外单层衬砌在硬质围岩及软弱岩层中都有 应用 , 研究内容主要是支护结构形式及在个别隧道中的实际应用, 缺乏对单层衬砌作用机理的 系统研究 ; 设计方法有基于挪威法的 Q 系统支护设计 、 极限状态法及能量原理设计法等, 但基 本上都是基于支护结构本身的设计方法 , 对衬砌混凝土的耐久性涉及很少。 因此有必要对隧 道单层衬砌的作用机理及设计方法作更深入的研究 , 确定在隧道施工中使用单层衬砌的科学 合理性和经济性。 关键词: 隧道工程 ; 单层衬砌; 防水性 ; 平整度 ; 设计方法 中图分类号: U451 . 4
第 2卷 第 4 期 2006 年 08 月
地下空间与工程学报 Chinese Journal of Underground Space and Engineering
Vol. 2 Aug . 2006
文章编号: 1673 0836( 2006) 04 0693 07
隧道单层衬砌研究现状及评述
张俊儒 , 仇文革
1
单层衬砌的概念
[ 3]
关于单层 衬砌的概念 , 文献 中 是这样定义 的: 由单层或多层混凝土构成的支护体系, 支护层 与衬砌层是一体的, 各层间能够充分传递剪力的支 护体系 , 称为单层衬砌。 还有一种说法叫 单层衬 砌施工法 , 即开挖后立即施作喷混凝土层以支护 开挖洞室, 并根据围岩级别设置必要的支护构件 , 如钢筋、 锚杆和钢拱架等 , 过一段时间之后再喷上 起衬砌作用的喷混凝土层 。为避免单层衬砌与 喷锚衬砌的概念混淆 , 笔者在总结前人成果的基础 上, 对单层衬砌作出了这样的定义: 在取消防水板 的前提下 , 洞室开挖后立即喷射一层具有防水性能 的混凝土, 并根据围岩级别设置必要的支护构件 , 如锚杆、 钢拱架等, 然后根据耐久性及平整度的要 求, 再施作( 喷射或模筑 ) 一层或多层混凝土 , 构成 层间具有很强粘接力并可充分传递剪力的支护体 系。其基本构造示于图 1。为了达到后施作的混 凝土层同第一层喷混凝土共同作用的目的, 通过使 之粘接成可产生共同作用的支承拱 , 在施作后续混 凝土层之前, 对暴露很久已被污染的喷混凝土表面 必需采取相应措施 ( 高压水束或砂 束 ) 进行处理。 这样一方面可减少水化热的产生, 另一方面收缩变 形也发生在各层之间 , 避免支护结构的开裂。 单层衬砌与复合式衬砌本质的区别就是各支 护层间不设置防水板 , 其承载机理是: 通过各混凝
作者简介 : 张俊儒 ( 1978 ) , 男 , 山西神池人 , 博士研究生 , 主要从事隧道及地下工程支护力学机理的研究。 E mail: zhuangjunru_1@ 163. com 基金项目 : 铁道部 科技司科技开发项目 ( 合同编号 : 2003G038)
694
地下空间与工程学报
第 2卷
+
文献标识码: A
Present Status and Comment of Tunnel Single Shell Lining Study
ZHANG Jun ru , QIU Wen ge
( School o f Civil Engineering , Southwest Jiaotong University , Chengdu 610031, Sichuan , P . R . China ) Abstract: This paper summarizes some research findings in respect of support forms, water resistant performance, smoothness and design method of single shell lining tunnels both at home and abroad. In addition, some new viewpoints have been put forward on this basis. Single shell lining has been applied in both hard and soft surrounding rock, the research ob jects of which mainly are the support forms and its practical application in several tunnels, however, in these objects there is lack of system study to the mechanism of action of single shell lining . The design methods include Q - system support design method based on NMT , limiting status design method and energy principle design method, etc, but the above given methods are all based on the design methods for the support structure itself, referring to concrete durability rarely. Therefore, it is necessary to do some further research on the mechanism of action and the design method of single shell lining to ensure the rationality and economical efficiency of the application of single shell lining in tunneling. Keywords: tunnel engineering ; single shell lining; water resistance; smoothness; design method
[ 4]
图 2( a) 复合衬砌承载机理
( b) 单层衬砌承载机理
Fig. 2( a) load bearing mechanism of composite lining Fig. 2( b) load bearing mechanism of single shell lining
2 国内外的应用现状
做到围岩与初期支护之间、 初期支护与二次衬砌之 间的完好贴合, 这样将恶化衬砌结构的受力条件 , 削弱了衬砌对围岩的支护作用 。 ( 2) 复合式衬砌防水法本质上为 被动 防水 法。由于锚喷初期支护不防水 , 复合式衬砌实际上 是将地下水引入衬砌结构内部 , 在衬砌内部形成存 水空间, 诱发水压力。特别地 , 对于寒冷地区隧道 , 这正是冻胀压力的主要来源。 ( 3) 锚喷初期支护不防水, 全包式防水层敷设 时在仰拱的最低部位易形成 水囊 。由于 水囊 的存在或 水囊 处理不好 , 将造成仰拱最低部位的 二衬厚度小于设计厚度 , 在水压力的作用下 , 可能 在二衬仰拱中部产生纵向裂缝而使得二衬仰拱挤 裂。 为克服上述问题 , 相对于复合式衬砌 , 单层衬 砌( single shell lining) 施工技术逐渐被提上日程 , 而 且, 随着隧道施工技术的不断进步以及设计理念的 日益更新 , 单层衬砌也被赋予了新的内容。
[6] 3 3 [5]
2006 年第 4 期
张俊儒 , 等 : 隧道单层衬砌研究现状及评述
695
国、 美国、 巴西、 加拿大、 芬兰、 南非、 日本、 比利时和 西班牙等国, 而且一些国家还制定了相应的设计和 施工规范 。在国内 , 上世纪 60 年代在成昆铁路 围岩较好的短隧道中 , 就成功地采用了喷射混凝土 加锚杆的单层衬砌, 使用至今, 情况基本良好。 70 年代在下坑隧道 ( 属软岩隧道 ) 试做了单层衬砌数 十米, 当时由于技术水平和材质所限, 发生了裂缝 和漏水情况 。最近几年, 由于喷射混凝土技术的 不断提高, 在铁路、 高速公路、 水电站引水隧洞、 地 下储库等隧道工程中进行了单层衬砌的试验研究 , 使用至今, 没 出现任 何质量及 耐久性 问题。 2003 年, 受铁道部科技司的委托 , 铁道第四勘测设计院 联合西南交通大学拟在武汉合肥铁路大别山隧道 二号斜井施作单层衬砌, 作进一步的研究。表 1 为 国内外部分隧道及地下工程使用单层衬砌情况一 览表。
收稿日期 : 2005 09 19( 修改稿 )
么厚厚一层作为安全储备的二次衬砌在经济上是 不合理的。同时, 在防水设计上, 初期支护一般不 考虑防水, 主 要通过防 水卷材来 进行防水
[ 1]
。所
以, 复合式衬砌存在下列一些难以解决的问题: ( 1) 对于节理裂隙发育的岩层在采用爆破法 开挖时, 开挖面凸凹不平, 这时采用复合衬砌很难
1982 年美国基础工程派帕会议总结概要中有 一段记录 : 机械洞室、 交通隧道日益广泛使用喷混 凝土作为永久衬砌 , 输水隧洞也使用喷混凝土作为 永久衬砌 , 这种现象已经十分突出 。在国外最早 使用单层衬砌的国家是挪威, 1978 年以来, 挪威在 有节理易超挖的岩层内 , 采用钢纤维喷混凝土这种 革新的永久加固和最终支护方法的年用量已从 60 000 m 增加到 70 000 m 。在斯堪的纳维亚国家用 喷混凝土对很多隧道作单层衬砌 , 相对来讲并不引 人注意, 原因是这种方法在斯堪的纳维亚司空见惯 而未大量报道之故 。同时 , 在世界上许多国家单 层衬砌都 有了不同程度的应用 , 如德国、 瑞士、 法
1980 年以后, 以喷混凝土为初期支护, 敷设卷 材防水层, 然后再施作模筑混凝土衬砌的 复合式 衬砌 在我国隧道工程中作为一种主要的支护形式 被广泛使用, 并积累了很多经验。复合衬砌的承载 机理是 : 锚喷初期支护为主要承载结构, 二次衬砌 作为安全储备。虽然复合衬砌在承载机理设计上 是合理的, 最有利于体现新奥法的原理, 但施作这
表 1 国内外部分隧道使用单层衬砌情 况一览表 Table 1 Summary table of several tunnels using single shell linning both at home and abroad 序 号 1 2 3 4 5 6 7 8 国家 挪威 德国 巴西 瑞士 中国 中国 中国 中国 隧道或地下工程名称 Gjolasvik 地下冰球场 [ 9] 慕尼黑地铁试验段 某隧道 [ 8] 费尔艾那隧道
[ຫໍສະໝຸດ Baidu2]
土层间径向和纵向上的抗滑移性 , 使得各混凝土层 形成共同承载体系。近似地 , 可以把单层衬砌结构 看作 组合梁 来分析其力学特性; 相反地, 在复合 式衬砌中, 由于防水板的存在 , 在初期支护和二次 衬砌之间不传递剪力, 其结构类似于 叠合梁 的力 学行为, 如图 2 所示。这样 , 在同等程度荷载条件 下, 单层衬砌比复合式衬砌产生的内力要小, 所以 可适当减薄衬砌厚度, 同时也减少了开挖量和衬砌 圬工量 , 节约投资。而且取消了防水板 , 取而代之 的是耐水性很好的 防水混凝土喷层 , 施工操 作方 便, 可保证防水质量, 有利于缩短工期。所以对单 层衬砌的深入研究不仅有很高的理论价值 , 而且在 工程实践中也可创造巨大的经济效益。
[ 10] [ 8]
表3 Table 3 编号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 无支护 局部锚杆 系统锚杆
挪威法的单层衬砌类型
[ 7]
The single shell linning style of NMT 永 久支护类型
( 西南交通大学土木工程学院, 四川 成都 610031)
摘 要: 综述了目前国内外隧道单层衬砌的支护形式 、 耐水性能、 平整度及设计方法的研 究成果, 并在此基础上提出了一些新的观点 。国内外单层衬砌在硬质围岩及软弱岩层中都有 应用 , 研究内容主要是支护结构形式及在个别隧道中的实际应用, 缺乏对单层衬砌作用机理的 系统研究 ; 设计方法有基于挪威法的 Q 系统支护设计 、 极限状态法及能量原理设计法等, 但基 本上都是基于支护结构本身的设计方法 , 对衬砌混凝土的耐久性涉及很少。 因此有必要对隧 道单层衬砌的作用机理及设计方法作更深入的研究 , 确定在隧道施工中使用单层衬砌的科学 合理性和经济性。 关键词: 隧道工程 ; 单层衬砌; 防水性 ; 平整度 ; 设计方法 中图分类号: U451 . 4
第 2卷 第 4 期 2006 年 08 月
地下空间与工程学报 Chinese Journal of Underground Space and Engineering
Vol. 2 Aug . 2006
文章编号: 1673 0836( 2006) 04 0693 07
隧道单层衬砌研究现状及评述
张俊儒 , 仇文革
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单层衬砌的概念
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关于单层 衬砌的概念 , 文献 中 是这样定义 的: 由单层或多层混凝土构成的支护体系, 支护层 与衬砌层是一体的, 各层间能够充分传递剪力的支 护体系 , 称为单层衬砌。 还有一种说法叫 单层衬 砌施工法 , 即开挖后立即施作喷混凝土层以支护 开挖洞室, 并根据围岩级别设置必要的支护构件 , 如钢筋、 锚杆和钢拱架等 , 过一段时间之后再喷上 起衬砌作用的喷混凝土层 。为避免单层衬砌与 喷锚衬砌的概念混淆 , 笔者在总结前人成果的基础 上, 对单层衬砌作出了这样的定义: 在取消防水板 的前提下 , 洞室开挖后立即喷射一层具有防水性能 的混凝土, 并根据围岩级别设置必要的支护构件 , 如锚杆、 钢拱架等, 然后根据耐久性及平整度的要 求, 再施作( 喷射或模筑 ) 一层或多层混凝土 , 构成 层间具有很强粘接力并可充分传递剪力的支护体 系。其基本构造示于图 1。为了达到后施作的混 凝土层同第一层喷混凝土共同作用的目的, 通过使 之粘接成可产生共同作用的支承拱 , 在施作后续混 凝土层之前, 对暴露很久已被污染的喷混凝土表面 必需采取相应措施 ( 高压水束或砂 束 ) 进行处理。 这样一方面可减少水化热的产生, 另一方面收缩变 形也发生在各层之间 , 避免支护结构的开裂。 单层衬砌与复合式衬砌本质的区别就是各支 护层间不设置防水板 , 其承载机理是: 通过各混凝
作者简介 : 张俊儒 ( 1978 ) , 男 , 山西神池人 , 博士研究生 , 主要从事隧道及地下工程支护力学机理的研究。 E mail: zhuangjunru_1@ 163. com 基金项目 : 铁道部 科技司科技开发项目 ( 合同编号 : 2003G038)
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地下空间与工程学报
第 2卷
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文献标识码: A
Present Status and Comment of Tunnel Single Shell Lining Study
ZHANG Jun ru , QIU Wen ge
( School o f Civil Engineering , Southwest Jiaotong University , Chengdu 610031, Sichuan , P . R . China ) Abstract: This paper summarizes some research findings in respect of support forms, water resistant performance, smoothness and design method of single shell lining tunnels both at home and abroad. In addition, some new viewpoints have been put forward on this basis. Single shell lining has been applied in both hard and soft surrounding rock, the research ob jects of which mainly are the support forms and its practical application in several tunnels, however, in these objects there is lack of system study to the mechanism of action of single shell lining . The design methods include Q - system support design method based on NMT , limiting status design method and energy principle design method, etc, but the above given methods are all based on the design methods for the support structure itself, referring to concrete durability rarely. Therefore, it is necessary to do some further research on the mechanism of action and the design method of single shell lining to ensure the rationality and economical efficiency of the application of single shell lining in tunneling. Keywords: tunnel engineering ; single shell lining; water resistance; smoothness; design method
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图 2( a) 复合衬砌承载机理
( b) 单层衬砌承载机理
Fig. 2( a) load bearing mechanism of composite lining Fig. 2( b) load bearing mechanism of single shell lining
2 国内外的应用现状
做到围岩与初期支护之间、 初期支护与二次衬砌之 间的完好贴合, 这样将恶化衬砌结构的受力条件 , 削弱了衬砌对围岩的支护作用 。 ( 2) 复合式衬砌防水法本质上为 被动 防水 法。由于锚喷初期支护不防水 , 复合式衬砌实际上 是将地下水引入衬砌结构内部 , 在衬砌内部形成存 水空间, 诱发水压力。特别地 , 对于寒冷地区隧道 , 这正是冻胀压力的主要来源。 ( 3) 锚喷初期支护不防水, 全包式防水层敷设 时在仰拱的最低部位易形成 水囊 。由于 水囊 的存在或 水囊 处理不好 , 将造成仰拱最低部位的 二衬厚度小于设计厚度 , 在水压力的作用下 , 可能 在二衬仰拱中部产生纵向裂缝而使得二衬仰拱挤 裂。 为克服上述问题 , 相对于复合式衬砌 , 单层衬 砌( single shell lining) 施工技术逐渐被提上日程 , 而 且, 随着隧道施工技术的不断进步以及设计理念的 日益更新 , 单层衬砌也被赋予了新的内容。
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2006 年第 4 期
张俊儒 , 等 : 隧道单层衬砌研究现状及评述
695
国、 美国、 巴西、 加拿大、 芬兰、 南非、 日本、 比利时和 西班牙等国, 而且一些国家还制定了相应的设计和 施工规范 。在国内 , 上世纪 60 年代在成昆铁路 围岩较好的短隧道中 , 就成功地采用了喷射混凝土 加锚杆的单层衬砌, 使用至今, 情况基本良好。 70 年代在下坑隧道 ( 属软岩隧道 ) 试做了单层衬砌数 十米, 当时由于技术水平和材质所限, 发生了裂缝 和漏水情况 。最近几年, 由于喷射混凝土技术的 不断提高, 在铁路、 高速公路、 水电站引水隧洞、 地 下储库等隧道工程中进行了单层衬砌的试验研究 , 使用至今, 没 出现任 何质量及 耐久性 问题。 2003 年, 受铁道部科技司的委托 , 铁道第四勘测设计院 联合西南交通大学拟在武汉合肥铁路大别山隧道 二号斜井施作单层衬砌, 作进一步的研究。表 1 为 国内外部分隧道及地下工程使用单层衬砌情况一 览表。
收稿日期 : 2005 09 19( 修改稿 )
么厚厚一层作为安全储备的二次衬砌在经济上是 不合理的。同时, 在防水设计上, 初期支护一般不 考虑防水, 主 要通过防 水卷材来 进行防水
[ 1]
。所
以, 复合式衬砌存在下列一些难以解决的问题: ( 1) 对于节理裂隙发育的岩层在采用爆破法 开挖时, 开挖面凸凹不平, 这时采用复合衬砌很难
1982 年美国基础工程派帕会议总结概要中有 一段记录 : 机械洞室、 交通隧道日益广泛使用喷混 凝土作为永久衬砌 , 输水隧洞也使用喷混凝土作为 永久衬砌 , 这种现象已经十分突出 。在国外最早 使用单层衬砌的国家是挪威, 1978 年以来, 挪威在 有节理易超挖的岩层内 , 采用钢纤维喷混凝土这种 革新的永久加固和最终支护方法的年用量已从 60 000 m 增加到 70 000 m 。在斯堪的纳维亚国家用 喷混凝土对很多隧道作单层衬砌 , 相对来讲并不引 人注意, 原因是这种方法在斯堪的纳维亚司空见惯 而未大量报道之故 。同时 , 在世界上许多国家单 层衬砌都 有了不同程度的应用 , 如德国、 瑞士、 法
1980 年以后, 以喷混凝土为初期支护, 敷设卷 材防水层, 然后再施作模筑混凝土衬砌的 复合式 衬砌 在我国隧道工程中作为一种主要的支护形式 被广泛使用, 并积累了很多经验。复合衬砌的承载 机理是 : 锚喷初期支护为主要承载结构, 二次衬砌 作为安全储备。虽然复合衬砌在承载机理设计上 是合理的, 最有利于体现新奥法的原理, 但施作这
表 1 国内外部分隧道使用单层衬砌情 况一览表 Table 1 Summary table of several tunnels using single shell linning both at home and abroad 序 号 1 2 3 4 5 6 7 8 国家 挪威 德国 巴西 瑞士 中国 中国 中国 中国 隧道或地下工程名称 Gjolasvik 地下冰球场 [ 9] 慕尼黑地铁试验段 某隧道 [ 8] 费尔艾那隧道