隧道单层衬砌技术ppt课件

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高强度纤维喷混凝土
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隧道与地下工程设计方法
41
设计基准强度
EFNARC
要求强度（N/mm2）
强度划分 C24/30 C28/35 C32/40 C36/45 C40/50 C44/55 C48/60
圆柱体试 件
24
28
32
36
40
44
48
立方体试 件
30
35
40
45
50
55
80
隧道与地下工程设计方法
隧道与地下工程设计方法
33
隧道与地下工程设计方法
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预设计阶段单层衬砌隧道稳定性分级
隧道与地下工程设计方法
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施工阶段单层衬砌隧道稳定性分级
隧道与地下工程设计方法
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五、单层衬砌结构形式
隧道与地下工程设计方法
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各级围岩单层衬砌支护机理及支护型式
稳定性分级
I Ⅱ Ⅲ Ⅳ
围岩稳定状 态ห้องสมุดไป่ตู้
极稳定 很稳定
隧道与地下工程设计方法
2
主要内容
单层衬砌定义 单层衬砌应用现状 设计基本理论 单层衬砌围岩稳定性分级 单层衬砌结构形式 用作单层衬砌的喷射混凝土力学指标
隧道与地下工程设计方法
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一、单层衬砌定义
隧道与地下工程设计方法
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单层衬砌是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。
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单层衬砌的承载机理 通过各混凝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；复合式衬砌其结构类似于“叠 合梁”的力学行为。
隧道与地下工程设计方法
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单层衬砌技术： 湿喷技术；高分子和钢纤维喷射混凝土的采用，解决喷射混 凝土的防裂和耐久性问题； 高分子或钢纤维喷射混凝土施作后形成的隧道轮廓可能并不 完全符合设计的衬砌内轮廓理论曲线，但可以做到基本圆顺， 避免局部应力集中，确保支护系统和围岩的稳定性。
度（N/mm2）
（N/mm2）
道路协会
喷混凝土
－
5
铁道建设·运输 高品质喷混凝
设施
土
1.5
8
喷混凝土
－
5
道路公团
高强度喷混凝 土
2
10
高强度纤维喷 混凝土
2
10
隧道与地下工程设计方法
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喷混凝土的初期强度
挪威
龄期 1小时（N/mm2）
用作永久支护的纤维 增强喷射砼
>0.5
用作永久支护的普通 喷射砼
—
4小时（N/mm2）
>1.0
—
6小时（N/mm2）
1.5
0.5
12小时（N/mm2）
3.0
1.0
1天（N/mm2）
5.0
2.0
7天（N/mm2）
10.0
—
隧道与地下工程设计方法
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喷混凝土的初期强度
100
EFNARC
抗压强度（N/mm2）
20 10 5.0
2.0 1.0 0.5 0.2 0.1
0
土 系统锚杆+合成纤维喷混
凝土+钢架
超前支护+系统锚杆+合成 纤维喷混凝土+钢架
超前支护+系统锚杆+钢纤 维喷混凝土+钢架
超前支护+系统锚杆+钢纤
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单层衬砌支护形式
稳定性 分级
支护型式
锚杆
喷射混凝土 厚度 组成
钢架
超前
模筑
预留补 强空间
I
无需支护
5 素喷
10
Ⅱ
喷射混凝土
5~8 素喷
10
Ⅲ
局部锚杆+喷射混凝土
11
国外工程
铁路隧道：
隧道与地下工程设计方法
瑞士的VEREINA铁路隧道钻爆法施工 的单层衬砌和用TBM施工的单层衬砌
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国外工程
铁路隧道：
隧道与地下工程设计方法
瑞士阿尔卑斯山的 旅游铁路车站隧道
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国外工程
地铁：
隧道与地下工程设计方法
斯德哥尔摩地铁车 站和地铁换乘大厅
14 芬兰赫尔辛基地铁区间及车站
20cmΦ25 格栅0.6m
Φ50双 层超前
导管
30
10
特殊设计
隧道与地下工程设计方法
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六、用作单层衬砌的喷射 混凝土力学指标
隧道与地下工程设计方法
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设计基准强度
日本
单位
类别
设计基准强度（N/mm2）
道路协会
喷混凝土
18
铁道建设·运输施设 高品质喷混凝土
18
喷混凝土
18
道路公团
高强度喷混凝土
隧道与地下工程设计方法
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1、围岩松动圈的概念 20世纪70年代末，以董方庭教授为首的课题
组，提出了围岩破裂过程中的岩石碎胀变形（碎胀 力）是支护的对象，并把在围岩中发展的这个破裂 区定义为围岩松动圈；在国内外首先提出了“围岩 松动圈支护理论”。
其主要包括三部分：围岩松动圈支护理论、围 岩松动圈分类方法以及围岩松动圈喷锚支护技术。
隧道与地下工程设计方法
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（2）地质雷达探测法 雷达测试围岩松动圈的基本原理是：围岩松动
圈是以围岩破坏产生宏观裂隙形成的物性界面为主 要特征，在该范围内岩体呈破裂松弛状，地质雷达 在扫描过程中，发出的电磁波在松动圈内传播时， 波形呈杂乱无章状态，无明显同相轴；当电磁波经 过松动圈与非破坏区交界面时，必然发生较强的反 射，从而可以根据反射波图像特征来确定围岩松动 圈的范围。
v
t
l
l
O
O
（a）波速-孔深曲线
(b) 时间-孔深曲线
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F 隧
道 J
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F △t t0
J △t
双孔测试示意图
单孔测试示意图
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（2）地质雷达探测法 地质雷达探测法是一种用于确定地下介质分布
的广谱电磁技术。地质雷达通过记录电磁反射波信 号的强弱及到达时间来判定电性异常体的几何形态 和岩性特征，介质中的反射波形成雷达剖面，通过 异常体反射波的走时、振幅和相位特征来识别目标 体，便可推断介质结构。
0
s o u t h w e s t j I a o t o n g u nIversIty
隧道单层衬砌技术
隧道与地下工程设计方法
1
12周作业：
基于矿山法施工技术，对水下隧道衬砌结构 上水压力分布模式进行调研，形成调研报告。 提示：应针对不同的地层结构或岩性特征（渗 透系数），分析水压力的分布模式，以及相应 的设计对策。
3~3.5 1.0×1.2
30~35
15cmΦ22 Φ25超 格栅1.0m 前锚杆
10
Ⅷ
超前支护+系统锚杆+钢纤维喷 混凝土+钢架
4~5 1.0×1.0
35~40
20cmΦ25 Φ42超 格栅0.8m 前导管
10
Ⅸ
超前支护+系统锚杆+钢纤维喷 混凝土+钢架+模筑混凝土
4~5 1.0×1.0
35~40
1~1.5 8~15 素喷
10
Ⅳ
系统锚杆+喷射混凝土
1.5~2 1.5×1.2
15~20
10
Ⅴ
系统锚杆+合成纤维混凝土
2~2.5 1.2×1.2
20~25
10
VI
系统锚杆+合成纤维喷混凝土+ 钢架
2.5~3 1.2×1.2
25~30
15cmΦ22 格栅1.2m
10
Ⅶ
超前支护+系统锚杆+合成纤维 喷混凝土+钢架
隧道与地下工程设计方法
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喷混凝土的粘结强度 粘结强度有两种：抗拉粘结强度与抗剪粘结
强度。抗拉粘结强度是衡量喷射混凝土在受到垂 直于结合界面上的拉应力时保持粘结的能力；而 抗剪粘结强度则是抵抗平行于结合面上作用力的 能力。
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西安南京铁路万军迴隧道 钢纤维喷混凝土单层衬砌
铁路隧道：
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三、设计基本理论 ——松动圈支护理论
隧道与地下工程设计方法
Q法在欧洲广泛应用，但需要确定六 个系数；不太适合我国国情，因此以 松动圈支护理论为基础展开。
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Q RQD J r J w J n J a SRF
隧道与地下工程设计方法
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隧道与地下工程设计方法
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四、单层衬砌围岩 稳定性分级
隧道与地下工程设计方法
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根据对围岩稳定性的分析评价及单层衬砌的作 用机理分析，在单层衬砌设计过程中，分两阶段 进行设计：即施工前的预设计和施工过程中的修 正设计。
单层衬砌稳定性分级远期应该与国际接轨， 推荐采用为与Q系统相同的9级。根据我们的研究， 提出了两阶段单层衬砌隧道稳定性分级。
同等荷载，厚度比复合式衬砌薄，减少开挖量和衬砌圬工量； 基本不需要模板、拱架等，降低造价和缩短工期。
隧道与地下工程设计方法
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二、单层衬砌应用现状
隧道与地下工程设计方法
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国外工程
公路隧道：
隧道与地下工程设计方法
以色列海法市卡迈尔公路隧道
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国外工程
公路隧道：
隧道与地下工程设计方法
以色列海法市卡迈尔公路隧道
隧道与地下工程设计方法
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4、围岩松动圈分类
围岩类别 分类名称
小松 动圈
Ⅰ
稳定围岩
中松 Ⅱ 较稳定围岩 动圈 Ⅲ 一般围岩
Ⅳ
一般不稳定围 岩（软岩）
大松 动圈
Ⅴ
不稳定围岩 （较软围岩）
Ⅵ
极不稳定围岩 （极软围岩）
松动圈Lp
（cm） 0~40 40~100 100~150 150~200
200~300
6 10 分
J3
C
B J2
A J1
30 1
2 3 6 9 12 24 小时
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喷混凝土的初期强度
中国
《客运专线铁路隧道工程施工技术指南》 （TZ214-2005）中对初期强度有这样的规 定，3h强度达到1.5MPa，24h强度达到 5.0MPa。
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纤维喷混凝土的弯曲韧性 《纤维混凝土结构技术规程》（CECS 38：2004） 对钢纤维喷射混凝土的韧性指标：作为围岩支护 和衬砌的钢纤维喷射混凝土，其弯曲韧度比一般 要求不小于0.70；采用平板加载试验（EFNARC） 确定韧度指标时，用作单层永久衬砌，相应于挠 度为25mm的变形能需达到700J。
>300
支护机理及方法
喷射混凝土支护
锚杆悬吊理论喷层局部支护 锚杆悬吊理论喷层局部支护 锚杆组合拱理论，喷层、金属
网局部支护 锚杆组合拱理论，喷层、金属
网局部支护
待定
隧道与地下工程设计方法
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5、围岩松动圈测试技术 围岩松动圈是围岩应力超过岩体强度之后而在
洞室周边形成的破裂带，其物理状态表现为破裂缝 的增加及岩体应力水平的降低。
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设计基准强度
挪威
抗压强度（N/mm2） C30 C35 C40 C45 C50 C55
立方体试件的最小抗 压强度（N/mm2）
取样试件的最小抗压 强度（N/mm2）
30 19.2
35 40 45 50 55 22.4 25.6 28.8 32.0 35.2
隧道与地下工程设计方法
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设计基准强度
最新的定义：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。
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单层衬砌
隧道与地下工程设计方法
国外工程
地铁： 隧道与地下工程设计方法
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地下酒窖
国外工程
其他工程：
隧道与地下工程设计方法
挪威Gjolasvik地下体育馆
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芬兰赫尔辛基Itakeskus Swimming Hall
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国内工程
铁路隧道：
成昆铁路布祖湾隧道
隧道与地下工程设计方法
国内工程
公路隧道：
茶园涪陵二级公路上的关长 山隧道采用C25聚丙烯纤维 喷射混凝土单层衬砌
中国
等级
C15 C20 C25 C30
轴心抗压（N/mm2） 7.5 10.0 12.5 15.0
看出：我国和日本的规定水准相对较低，欧洲规 范，很少有用小于C25的喷混凝土，喷混凝土的 设计基准强度有向高强度方向发展。
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喷混凝土的初期强度
日本
单位
类别
3小时抗压强 24小时抗压强度
稳定 较稳定
支护机理
围岩自承 构造支护 悬吊作用 悬吊作用+壳体支护
Ⅴ
一般
悬吊作用+壳体支护
VI
较不稳定
锚杆组合拱支护+加 强型壳体支护
预支护+锚杆组合拱
Ⅶ
不稳定 支护+加强型壳体支
护
预支护+锚杆组合拱
Ⅷ
很不稳定 支护+加强型壳体支
护
隧道与地下工程设计方法预支护+锚杆组合拱
支护型式
无需支护 喷射混凝土 局部锚杆+喷射混凝土 系统锚杆+喷射混凝土 系统锚杆+合成纤维混凝
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2、围岩松动圈支护理论的立论 围岩松动圈是隧道开挖后客观和普遍存 在的； 支护对象为松动破裂发展中的岩石碎胀 变形或碎胀力； 支护的作用一方面是维护破裂的岩石在 原位不垮落，另一方面是限制围岩松动圈形 成过程中的有害变形。
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3、围岩松动圈稳定性判据 松动圈是地应力与围岩强度相互作用的结 果，它是一个综合指标。 松动圈越大，围岩收敛变形量越大、支护 越困难，反之则易。松动圈的大小反映了支护 的困难程度。 松动圈与有无支护关系不大 。
松动圈测试就是检测隧道开挖后新的破坏裂缝 及其分布范围，围岩中有新破裂缝与没有破裂缝的 界面位置就是松动圈的边界。
围岩松动圈的测试技术主要有：超声波测井探 测法及地质雷达法。
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（1）超声波测井探测法 超声波在岩体中的传播速度与裂隙程度及岩
体受力状态有关，岩体整体性好，弹性声波速度快， 岩体裂隙发育，弹性波速低。