10 单层衬砌结构设计
隧道单层衬砌技术ppt课件
（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。
4、围岩松动圈分类
围岩类别 分类名称小松 动圈ⅠFra bibliotek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
>300
支护机理及方法
喷射混凝土支护
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
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。
主要内容
施工阶段单层衬砌隧道稳定性分级
五、单层衬砌结构形式
国外工程
铁路隧道：
瑞士阿尔卑斯山的 旅游铁路车站隧道
国外工程
地铁：
斯德哥尔摩地铁车 站和地铁换乘大厅
国外工程
地铁：
芬兰赫尔辛基地铁区间及车站
地下酒窖
国外工程
其他工程：
挪威Gjolasvik地下体育馆
芬兰赫尔辛基Itakeskus Swimming Hall
隧道单层衬砌技术
波速-孔深曲线 v
(b) 时间-孔深曲线 t
一．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l低。
l
O
O
F 隧
道 第一章节
J
双孔测试示意图 单孔测试示意图
F △t t0
J △t
二．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。
国外工程
斯德哥尔摩地铁车 站和地铁换乘大厅 地铁：
芬兰赫尔辛 基地铁区间 及车站
国外工程
地铁：
地下酒窖
挪威 Gjolasvik地 下体育馆
国外工程
其他工程：
芬兰赫尔辛基 Itakeskus Swimming Hall
成昆铁路布祖湾 隧道
铁路隧道：
国内工程
国内工程
西安南京铁路万军迴隧道钢纤 维喷混凝土单层衬砌 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 公路隧道： 铁路隧道：
Ⅶ
超前支护+系统锚杆+合成纤维 喷混凝土+钢架
Ⅷ
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+钢纤维喷
Ⅸ
混凝土+钢架+模筑混凝土
锚杆
喷射混凝土 厚度 组成
钢架
超前
模筑
预留补 强空间
衬砌结构
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。
围岩地质条件，但是若作为永久衬砌，一般考虑在Ⅰ、Ⅱ级等围岩良好、 完整、稳定的地段中采用。
•
复合式衬砌 — 是一种较为合理的结构形式，适用于多种围岩地质条
件， 有其广阔的发展前途。
隧道构造设计
---衬砌的一般构造要求
- 隧道衬砌的建筑材料及要求 - 混凝土与钢筋混凝土
强度足够而且耐久； 能立即承受荷载；
隧道构造设计
---洞身支护结构的构造
•
装配简便，构件类型少，形式简单，尺寸统一，便于工业化制做和机 械化拼装；
• •
构件尺寸大小和重量适合拼装机械的能力；
有防水的设施
- 喷锚支护 - 喷射混凝土支护层
•
喷射混凝土的拌和材料是：标号不低于325号的普通硅酸盐水泥和粒经
H—净高，一条公路应用一个净高，高速公路和一级、二级公路为5.0m； 三、四级公路为4.5m；
E—建筑限界顶角宽度，当L≤1m时，E=L；当L＞1m时，E=1m； L—侧向宽度，高速公路、一级公路的侧向宽度为硬路肩宽度（L1或L2）， 其它各级公路的侧向宽度为路肩宽度减去0.25m；
隧道构造设计
---衬砌的一般构造要求
直线隧道净空— 要比“隧道建筑限界”稍大一些，还考虑了在不同的围 岩压力作用下，衬砌结构的合理受力形状（拱部采用三心圆，边墙采用 直墙式或曲墙式）以及施工方便等因素。
隧道构造设计
---衬砌的一般构造要求
基本建筑限界
隧道构造设计
---衬砌的一般构造要求
最大级超限货物装载限界
隧道构造设计
---衬砌的一般构造要求
连拱式 边墙衬砌
• • •
适用于地质比较差，岩石松散破碎，强度不高，又有地下水，侧向水
盾构隧道衬砌类型及分块
管片分块
2.衬砌管片拼装 (2)拼装顺序 ◆管片放在设有转盘的专门小车上，运到举重器处，在这转盘上转动管 片，使管片垂直于隧道轴线方向，并将其平放在对准举重钳的位置上，将举 重钳的摇轴插入管片螺栓孔中，缩回举重臂，将管片提起，再将举重臂沿隧 道环向旋转，将管片对准安放的地方就位。 ◆拼装时，按先纵后环的顺序，将管片逐块先与上一环管片拼接好，最 后封顶成环。这种拼装顺序，可轮流缩回和伸出千斤顶活塞杆以防止盾构后 退，减少开挖面土体的走动。
盾构隧道衬砌类型
管片分块
1.单层衬砌 止水带
(1)装配式衬砌
②板形管片
手孔
注浆孔
A-A 视图 螺栓孔
图7-17 平板形管片结构图
盾构Байду номын сангаас道衬砌类型
1.单层衬砌 (1)装配式衬砌 ②板形管片
管片分块
盾构隧道衬砌类型
管片分块
1.单层衬砌 (1)装配式衬砌 ③复合管片 ●其外部孤面采用钢板焊接成为钢壳，在钢壳内部用钢筋混凝土浇灌而 成，形成由钢板和钢筋混凝土复合而成的管片。 ●常用于普通隧道的特殊区段。 ●它的优点是强度大于钢筋混凝土管片，抗渗性特别好；抗压性与韧性 比铸铁管片高。 ●但耐腐蚀性差，造价也较高，如无特殊要求时，不宜大量采用。
盾构隧道衬砌类型
管片分块
1.单层衬砌 (1)装配式衬砌 ④铸铁管片 ●这种管片重量轻、耐腐蚀性好、材质均匀、强度高、机械加工后的 精度要求高、接头刚度大、拼装准确，因此防水效果也好。 ●但是造价非常高，因此只限于用在建筑物下面需要高强度管片的部 位或盾构法施工的车站、通风口、泵站等位置。
盾构隧道衬砌类型
盾构隧道衬砌类型
3.管片接头螺栓 (2)弯螺栓接头 ◆在管片上预留出供弯螺栓穿过的弓 形孔道，并在适当位置留出必要的凹槽， 称为手孔， ◆是一种较为经济的接头形式，在我 国地铁工程中使用较多，但与直螺栓接头 相比，拼装要麻烦一些。
隧道衬砌结构知识、原理和衬砌计算及设计公式
隧道衬砌结构知识、原理和衬砌计算及设
计公式
简介
隧道衬砌结构是用于支撑和保护隧道壁面的一种结构。
衬砌的设计和计算是确保隧道的安全和稳定性的重要步骤。
衬砌结构类型
隧道衬砌结构通常包括以下几种类型：
1. 塑料管衬砌：使用塑料管来加固和保护隧道壁面。
2. 预制混凝土片衬砌：使用预制混凝土片来支撑和保护隧道壁面。
3. 钢筋混凝土衬砌：使用钢筋混凝土结构来加固和保护隧道壁面。
衬砌计算及设计公式
在进行隧道衬砌的计算和设计时，需要考虑以下因素：
1. 隧道直径：隧道的直径是确定衬砌结构尺寸和类型的关键因素。
2. 地层情况：地层的稳定性和承载能力将影响衬砌的安全性和设计方法。
3. 水压情况：如果隧道处于水下或水土压力较大的地区，需要考虑水压对衬砌的影响。
根据以上因素，可以使用以下公式进行衬砌计算和设计：
1. 隧道衬砌尺寸计算公式：根据隧道直径和地层参数计算衬砌的合适尺寸。
2. 衬砌材料选择公式：根据地层情况和环境条件选择合适的衬砌材料。
3. 衬砌厚度计算公式：根据地层情况和水压情况计算衬砌的合适厚度。
结论
隧道衬砌结构的知识、原理和衬砌计算及设计公式对于确保隧道的安全和稳定性至关重要。
根据隧道的直径、地层情况和水压情况等因素，可以选择合适的衬砌结构类型，并使用相应的公式进行计算和设计。
单层衬砌的概念
单层衬砌的概念(总6页)--本页仅作为文档封面，使用时请直接删除即可----内页可以根据需求调整合适字体及大小--单层衬砌的概念德国1995年提出的单层衬砌结构与目前推行的复合衬砌有原则的不同，其形式是多种多样的，而且在工程中得到一定程度的推广。
1·单层衬砌构造的原则在隧道开挖中，众所周知，时间因素是非常重要的。
隧道施工时的支护采用喷混凝土以后，对理解围岩是一个具有承载能力的支护，有了进一步的认识。
通常，后面施工的内衬（二次衬砌）是为了提高安全度和保证充分的耐水性而设置的。
但内衬的施工，如果考虑时间因素，也具有控制变形增加的效果。
因此，在单层衬砌中，如果第2层（内衬）与承载有关，也应该考虑时间因素。
在单层衬砌系统中，应力的内部传递机理的比较好的，但被约束的应变、流变及温度变化产生的应力等，在第2层中，在非常早的时期就发生了。
为此，就不能充分传递避免因开裂而造成损伤的必要的压力。
结合面完全附着的场合，能够最好地控制因被约束的应变而发生的应力，是从围岩传递到第1层及全体衬砌，同时从第1层向第2层传递机理的最佳条件。
其次，由于各个工程的地质及地下水等条件的不同，在修筑第2层衬砌，必须追加合理的施设时间。
单层衬砌的支护经历不同阶段的荷载状况。
开挖后产生的变形也是荷载的一种。
图1表示单线单层衬砌的荷载经历过程。
时间轴上的主要阶段示于图2。
能够分出2种不同的传递机理。
第1种从影响支护应力状态的围岩向外部传递。
图2荷载的时间历程·支护施工前（开挖前）的围岩松弛；·围岩形成拱效应和松弛荷载向支护再分配；·在接近地表面开挖时，随时间拱效应丧失，假定支护承受100%的围岩荷载。
如图1所示的第1层的施工到第2层施工完成的最短时间，是图2所示的t（第2层）和t（第1层）的时间差。
到第2层修筑前的经过时间，对全体衬砌的影响极大。
特别是，在适合单层衬砌的地质条件下，从外部（从围岩）的荷载增加的过程中，就修筑第2层的场合，其影响更大。
喷射混凝土单层衬砌结构文献综述
目录1、绪论 (1)2、单层衬砌的概念 (1)3、国内外应用现状 (2)4、结构形式研究现状 (3)5、设计方法研究现状 (4)5.1、挪威法 (4)5.2、极限状态设计法 (4)5.3、能量原理设计法 (4)6、抗渗性 (5)6.1、抗渗性能试验方法 (5)6.1.1、渗水高度法 (5)6.1.2逐级加压法 (7)6.2影响抗渗性的因素 (7)6.2.1、水泥品种的影响 (7)6.2.2、水灰比的影响 (7)6.2.3、掺合料的影响 (8)6.2.4、外加剂的影响 (9)6.2.5、养护条件的影响 (9)6.2.6、集料最大粒径和级配的影响 (9)6.2.7、微裂纹扩展的影响 (10)7、回弹量 (10)7.1、水灰比的影响 (10)7.2、骨料的影响 (10)7.3、外加剂的影响 (11)7.4、工作风压的影响 (11)7.5、喷射距离与角度的影响 (12)7.6、一次喷射混凝土厚度的影响 (12)1、绪论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，围岩与初期支护之间初期支护与二次衬砌之间贴合不紧密，削弱了衬砌对围岩的支护作用[2]；（2）、复合式衬砌防水本质上为被动防水，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；（3）、由于防水板搭接焊接质量问题，二衬钢筋绑扎焊接过程中易刺破和烧坏防水板等原因，使得薄膜防水层的敷设质量不易保证。
单层衬砌讲稿
YAI 0
2.0m R 3.0m
R 3.0m
辅以超前支护及地层 围岩极易坍塌，洞室无自支护能力， 加固，加强型喷锚支 浅埋时易塌至地表。 护，并采用全封闭支 护体系。
三、洞室围岩稳定性分析方法
2、基于围岩松动圈的洞室围岩稳定性分析
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存在和普 支护对象为松动破裂发展中的岩石碎胀 遍存在的； 变形或碎胀力；
YAI 0.2
0 YAI 0.2
临界稳定
R 2.0m
不 稳 定
拱部无支护时，可产生较大的坍塌， 喷锚支护，并采用全 侧壁有时失去稳定。 封闭支护体系。 围岩易坍塌，处理不当会出现大坍 塌，侧壁经常小坍塌；浅埋时易出 现地表下沉或塌至地表。 辅以超前支护，加强 型喷锚支护，并采用 全封闭支护体系。
隧道单层衬砌技术
第一部分 单层衬砌技 术现状与发展趋势综述
一、隧道衬砌结构的形式与发展概况 二、单层衬砌技术现状 三、单层衬砌的发展趋势
一、衬砌结构的形式与发展概况
1、隧道衬砌结构形式的历史演变
பைடு நூலகம்
整体式衬砌
复合式衬砌 单层衬砌
一、衬砌结构的形式与发展概况
2、各种衬砌形式的使用情况及存在问题 整体式衬砌是传统的衬砌结构形式，设计
单层衬砌大部分是用喷射混凝土修筑的，
不需要模板、拱架等，降低造价和缩短工期。
二、单层衬砌技术现状
1、单层衬砌定义 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
《衬砌结构设计》课件
3 经济性
衬砌结构的设计应考虑经济性，选择合适的 材料和施工方法，降低成本。
4 可靠性
衬砌结构的设计应确保结构的可靠性，防止 出现失效和损坏。
四、衬砌结构的设计流程
1
确定工程背景
了解工程的背景信息、设计要求和限制
输送环境的分析
2
条件。
分析输送介质的性质、温度、压力和流
速等参数。
3
确定衬砌种类
根据输送环境的特点选择适合的衬砌种
六、衬砌结构的检测和维护
1 衬砌结构的检测内容
衬砌结构的检测内容包括尺寸偏差、材料质量和施工质量等。
2 衬砌结构的维护方法
采用合适的维护方法，包括定期检查、修补和更新等。
七、衬砌结构的发展趋势
衬砌结构材料的发展
衬砌结构材料的发展趋势包括新材料的应用和材料 性能的改进。
衬砌结构的智能化发展
衬砌结构的智能化发展趋势包括传感器的应用和远 程监测技术的发展。
二、衬砌结构的分类
按照形态分类
衬砌结构可以分为面板式衬砌、管道式衬砌和块状 衬砌等几种形态。
按照材料分类
衬砌结构可以分为混凝土衬砌、钢板衬砌 承载能力
衬砌结构的设计应考虑承载能力，确保能够 承受预期的荷载和力学要求。
2 寿命
衬砌结构的设计应选择适当的材料和施工工 艺，以延长结构的使用寿命。
八、结论
衬砌结构设计的重要性
衬砌结构设计是保护主体结构的重要环节，直接 影响结构的承载能力和寿命。
未来衬砌结构发展的前景
随着技术的进步和需求的增加，衬砌结构将继续 发展，应用范围将更加广泛。
九、参考文献
1. 衬砌结构设计手册 2. 衬砌结构施工规范 3. 衬砌结构检测与维修技术
5.衬砌结构设计与计算
明洞衬砌设计
明洞衬砌设计
明洞衬砌设计
明洞衬砌设计
明洞衬砌设计
明洞衬砌设计
明洞衬砌设计
明洞衬砌设计
明洞衬砌设计
明洞衬砌设计
明洞衬砌设计
明洞衬砌设计
结构计算
结构计算 衬砌计算
说明：
结构计算
结构计算
结构计算
说明：
结构计算
结构计算
结构计算
结构计算
结构计算
结构计算
（参见规范）
结构计算
结构计算
结构计算
结构计算
结构计算
结构计算
结构计算
结构计算
结构计算
结构计算
结构计算
结构计算
衬砌结构设计与计算
衬砌结构设计与计算
衬砌结构设计与计算
衬砌结构设计与计算
衬砌结构设计与计算
衬砌结构设计与计算
衬砌结构设计与计算
喷锚衬砌设计
喷锚衬砌设计
喷锚衬砌设计
喷射混凝土 说明：ຫໍສະໝຸດ 喷锚衬砌设计说明：
喷锚衬砌设计
喷锚衬砌设计
说明：
喷锚衬砌设计
喷锚衬砌设计
衬砌结构设计与计算
喷锚衬砌设计
锚杆
喷锚衬砌设计
喷锚衬砌设计
喷锚衬砌设计
喷锚衬砌设计
喷锚衬砌设计
喷锚衬砌设计
喷锚衬砌设计
喷锚衬砌设计
喷锚衬砌设计
钢架
喷锚衬砌设计
喷锚衬砌设计
喷锚衬砌设计
整体式衬砌设计
整体式衬砌设计
整体式衬砌设计
整体式衬砌设计
整体式衬砌设计
复合式衬砌设计
复合式衬砌设计
地下隧道衬砌
地下隧道衬砌盾构法隧道应用最多的是圆形断面，其衬砌结构有单层结构和双层结构。
单层结构多用装配式管片构筑，如图6.21（a）所示；双层结构是在管片衬砌（一次衬砌）内再整体套砌一层混凝土（二次衬砌），如图 6.21（b）所示。
盾构法隧道一般无需设置二次衬砌，只有当隧道功能有特殊要求时方采用双层结构，如穿越松软含水层时为防水防蚀、增加衬砌强度和刚度等。
图6.21 盾构隧道衬砌结构一般来说，一次衬砌是将称称作管片的预制件用螺栓等连接物拼装而成，二次衬砌是在一次衬砌的内侧现浇混凝土构成。
采用拼装式衬砌时，一次衬砌到隧道轴向（纵向）一定长度（通常1.0～2.0 m）的一段环状物称为管环；把管环沿周向分割成若干块弧形状板块，该弧状板块即称为管片。
为了提高盾构隧道的施工速度，管片事先在工厂采用设计的材料预制而成构件，构筑隧道时运至现场拼装为管环进而串接成一次衬砌。
一、管片的类型管片作为盾构开挖后的一次衬砌，它支撑作用于隧道上的土压和水压，防止隧道土体坍塌、变形及渗漏水，是隧道永久性结构物并且要承受盾构机推进时的推力以及其他荷载。
管片按位置不同有标准管片（A型管片，平面形状为矩形）、邻接管片（B型管片，平面形状为半梯形）和封顶管片（C型管片，有的称为K型管片，平面形状为梯形）三种。
直线段采用标准环管片，曲线施工和纠偏时将使用楔形环（分左转弯环和右转弯环）管片；按其形状分为板形管片和箱形管片，如图6.22所示；按制作材料分有球墨铸铁管片、钢管片、复合管片和钢筋混凝土管片等。
箱形管片是由主肋和接头板或纵向肋构成的凹形管片的总称。
平板形管片指具有实心断面的弧板状管片，一般由钢筋混凝土制作。
球墨铸铁管片强度高、质量轻、搬运安装方便、防水性能好，但加工设备要求高、造价大，不宜承受冲击荷载，已较少采用。
钢管片用型钢或钢板焊接加工而成，其强度高、延性好、运输安装方便，但易变形、易锈蚀、造价高，采用的也不多，仅在如平行隧道的联络通道口部的临时衬砌等特殊场合使用。
衬砌结构
• 对衬砌有不良影响的硬软地层分界处，应设置变形缝； • 电力牵引的隧道，其长度大于2000m及位于隧道群地段和车站两端时，
为了使接触网有良好的工作和维修条件，应根据需要设置接触网补偿下锚 的衬砌段。
• 运营通风洞、联络通道等与主隧道连接处的衬砌设计应做加强处理。
隧道构造设计
360 150
E 2
8450 R
1.2E
其它情况时 总加宽
W3
8450 R
W= W1+ W2+ W3
隧道构造设计
---衬砌的一般构造要求
- 曲线隧道中线与线路中线偏移距离
单线曲线隧道如图3-10所示，隧道中线与线路中 线偏移距离d为：
d =（W1－ W2） （㎝） 双线曲线隧道如图3-11所示，内侧线路中线至隧 道中线的距离为
• 喷锚支护 — 喷锚支护是目前常用的一种围岩支护手段，适用于各种
围岩地质条件，但是若作为永久衬砌，一般考虑在Ⅰ、Ⅱ级等围岩良好、 完整、稳定的地段中采用。
• 复合式衬砌 — 是一种较为合理的结构形式，适用于多种围岩地质条
件， 有其广阔的发展前途。
隧道构造设计
---衬砌的一般构造要求
- 隧道衬砌的建筑材料及要求
---衬砌的一般构造要求
双线电力牵引铁路隧道衬砌内轮廓
隧道构造设计
---衬砌的一般构造要求
- 曲线隧道净空加宽
加宽原因
• 车辆通过曲线时，转向架中
心点沿线路运行，而车辆本身 却不能随线路弯曲仍保持其矩 形形状。故其两端向曲线外侧 偏移（d外），中间向曲线内侧 偏移（d内1）。
车辆通过曲线时的平面图
回填。
• 选用的石料要坚硬，其强度等级不应低于MU40，有裂隙和易风化的石
单层衬砌若干关键问题的设计
TECHNOLOGY陈立保1龚彦峰1仇文革2张俊儒2(1中铁第四勘察设计院集团有限公司，武汉430063；2西南交通大学，成都610031)单层衬砌若干关键问题的设计摘要在国内单层衬砌应用较少，对于单程衬砌设计的研究就更少，因此有必要对单层衬砌的关键问题，如结构设计、防排水和主要的建筑材料等进行设计，以利于国内的推广应用。
单层衬砌相对于复合式衬砌，具有工序简化、施工快速、经济合理等多方面的优点，在设计过程中应贯彻以下设计理念：①取消防水板，结构与围岩共同受力；②单层衬砌自身满足防水要求，达到二级防水标准；③单层衬砌作为永久结构，应满足耐久性要求。
关键词单层衬砌防排水喷混凝土硅灰钢纤维中图分类号:U455.91文献标识码:A文章编号：1009-6582（2009）03-0038-05修改稿返回日期：2009-02-18基金项目：铁道部科技司科技开发项目(合同编号：2003G038)作者简介：陈立保(1979-),男,工程师,从事于隧道工程方面工作，E-mail ：clbweq@.单层衬砌是上世纪70年代发展起来的一种隧道支护体系，最近几十年随着喷射混凝土施工工艺、质量性能的提高，其技术得到了迅速的发展，位于斯堪的纳维亚半岛的挪威和瑞典，是使用单层衬砌较早的国家。
最早的单层衬砌结构形式主要是单层衬砌混凝土加锚杆构成的支护体系，后来逐渐发展出现了两层或多层的喷混凝土构造。
目前国内的隧道主要采用复合式衬砌，单层衬砌应用较少，对于单层衬砌设计的研究就更少，铁路隧道设计规范中仅推荐在“地下水不发育的Ⅰ、Ⅱ级围岩的短隧道，可以采用锚喷衬砌”。
实际上，单层衬砌相对于复合式衬砌，具有工序简化、施工快速、经济合理等多方面的优点，国内外的实践也证明单层衬砌可以满足耐久性的要求，并可推广使用。
对于单层衬砌的设计方法，主要有基于挪威法的Q 系统支护设计法、极限状态法以及基于能量守恒的能量原理设计法，目前应用较为广泛的是基于挪威法的Q 系统支护设计法。
隧道工程(5) 衬砌结构设计
(1)根据不同的围岩压力的特点，对拱墙采用相应的支
护参数。
(2)力求体现使用锚喷支护类型的灵活性及允许进行局
部加固围岩的特点。对不同的岩体和围岩的不同部位采
用不同的支护类型与参数。
初期支护设计
（二）锚喷支护的类型及参数表 确定锚喷支护类型与参数时，应当体现如下原则：
(3)锚喷支护参数表中给出的锚喷支护参数是根据工程
A 基本要求： (1)初期支护与二次衬砌之间的密贴程度，对复合式衬砌受力 状态会产生影响。 (2)支护与衬砌两层紧密粘结在一起时，两层间能传递径向力 和切向力，可按整体结构验算。两层间设有防水层时，按组合结 构验算，只传递径向荷载。
二次衬砌设计
（二）二次衬砌结构的设计
A 基本要求： (3)为防止洞内漏水，设计时应对二次衬砌的变形予以控制。 (4)支护与衬砌间空隙部分应回填密实。
一、喷锚衬砌
E
钢架
在围岩条件较差地段或地面沉降有严格限制
时，应在初期支护内增设钢架。 常用的钢架有:钢筋格栅钢架、工字形型钢钢 架、U形型钢钢架和H形型钢钢架。 钢架支护间距宜为0.5一1.5m
一、喷锚衬砌
公路隧道设计规范
铁路隧道设计规范
二、复合式衬砌
复合式衬砌
外衬（亦称初次衬砌）— 使用能达到早强的喷射混凝 土和锚杆，使柔性的外衬既能容许围岩有所变形， 而又约束它不让它变形发展太大太快 内衬（亦称二次衬砌）— 内衬可以用喷射混凝土层柔 性结构，也可以用较厚的模筑混凝土 防水层 — 内外层衬砌之间的防水层可以用软聚氯乙 烯薄膜、聚异丁烯片、聚乙烯片等防水卷材，或用 喷涂乳化沥青等防水剂
二次衬砌设计
（二）二次衬砌结构的设计
C二次衬砌施作时间的确定 ： (4)施作二次衬砌前的位移值，应达到总位移值的 80%~90%。 (5)当采取一定措施仍难以符合上列条件时，可提前 施作二次衬砌，且应予加强。当洞室较短且围岩自稳性 能较好时，为减少各工序间的干扰，可在整个洞室贯通
衬砌设计讲稿
衬砌结构主要是起承重和围护两方面的作 用。承重，即承受岩土体的压力、结构自重以 及其它荷载作用；围护，即防止岩土体风化、 坍塌、防水和防潮等。
黑 龙 江 工 程 学 院 Heilongjiang Institute of Technology
衬砌结构设计
1.1.2 衬砌的结构形式
根据地质条件，地下建筑结构的形式可分为土 层和岩层内两种形式。
q 岩h岩 土h土
水平均布压力：
e (岩h岩 土h土 岩Ht / 2) tan2(45o c / 2)
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衬砌结构设计
黑 龙 江 工 程 学 院 Heilongjiang Institute of Technology
A2-2认识：隧道的结构组成及型式(洞身、洞门、明洞、附属设施)
A2-2认识：隧道的结构组成及 型式（洞身、洞门、明洞、附
属设施）
知识目标
认识：隧道建筑物的空间形态、结构类型、结构组成和构造特征（包括隧道 平面、纵断面、横断面，初期支护、内层衬砌）
认读：隧道设计图
学习任务
回答下列问题（口头回答50%，书面回答）：
1、单层衬砌——，2、复合衬砌——，3、拼装衬砌——； 4、初期支护（内层衬砌）——，5、后期支护（内层衬砌）——； 6、锚喷支护——，7、超前支护——，8、地层改良——； 9、锚杆——，10、喷射混凝土——，11、钢拱架——。 12、隧道支护结构有哪几种类型？其力学意义有何区别？ 13、隧道洞门有哪几种结构类型？ 14、隧道附属设施有哪几种？隧道附属设施的标高设计要求？
图2-8 削竹式洞门、喇叭口洞门（珠海板障山隧道）
图2-9 柱式洞门
寺铺尖隧道
川藏公路上二郎山隧道
图2-8 翼墙式洞门、青海九里隧道、重庆歌乐山隧道
图2-11 图2-10 台阶式洞门、内昆铁路岩角1号隧道
图2-12 厦门 仙岳山市政隧道
深圳罗沙公路 梧桐山隧道
图2-6 洞口环框、世界第一最高海拔隧道-风火山隧道
PPT课件002，本学习资料
教学资源 隧道设计图：01马尾井隧道、03谭家坝隧道、07梅子潭隧道
09土地坡隧Байду номын сангаас、13斑竹林隧道、15双连拱隧道
方法建议
处理本学习资料，或阅读、听取PPT讲解 旋转木马、搭档拼图、扩展小组、关键词标注、
传话筒、引导文、三明治、交换答案等
学时建议
4
青藏公路二郎山隧道
图2-7 端墙式洞门、雁列山隧道、福建鼓山隧道
图2-15 紧急停车带及方向转换场设置示意图
单层衬砌结构设计方法
单层衬砌结构设计方法说实话单层衬砌结构设计方法这事，我一开始也是瞎摸索。
我就知道这是个不简单的活儿，因为要考虑好多方面的东西。
我最初想啊，那我就根据以前类似项目的经验来呗。
我找了几个看起来差不多的项目，直接套用人家的衬砌厚度、材料这些数据，想着应该差不离儿。
结果呢，被现实狠狠地打了脸。
按我这样弄出来的设计，在模拟应力测试的时候，好多地方都不合格，不是这儿应力集中了，就是那儿承受不住压力。
我就想啊，这可不行啊，咋就出问题了呢。
后来我就开始从最基本的荷载计算入手。
我就把这个荷载想象成是一群人在往这个衬砌结构上施加压力。
像是隧道衬砌，有上方岩土的压力，那就像有一堆东西重重地堆在上面。
我得精确地算出这个重量到底有多少，还得考虑会不会突然有额外的冲击力，好比突然来个地震啥的，那这个力量又得重新计算进去。
这一步我走得可小心了，反反复复核对了好多遍数据，毕竟要是这步错了，后面就都错了。
材料的选择也是个大问题。
我试过一些比较便宜的材料，觉得可能省钱，就往设计里放。
可是这材料的强度不够啊。
我当时就像一个吝啬的小商贩，只想省钱，却忘了东西质量得能过关啊。
之后我就明白了，得多看看不同材料的性能，不能只看价钱。
得像挑水果一样，挑那种个头又大，味道又甜，还不容易坏的。
对于衬砌结构来说，就是强度要高，耐久性要好的材料。
再来说说衬砌的形状设计。
我一开始只想着简单点，就用了个最普通的圆形设计，想着这不是通用的嘛。
但是后来发现，根据不同的地质条件，圆形可能不是最适合的。
比如在某些地层比较软，而且侧向压力比较大的地方，椭圆形的衬砌结构可能能更好地分散压力。
我就像个裁缝一样，得根据这个地方的身材，也就是地质情况，裁剪出最合适的衣服形状。
还有防水这方面我也差点忽略掉。
我光想着结构本身的稳固了，水要是渗进来，就像房子里漏雨一样，时间一久会破坏整个衬砌结构。
所以在设计的时候，就得考虑防水层怎么合理地设置，就像在屋子里给屋顶做好防水措施一样。
衬砌结构
---衬砌的形式
• •
整体式模筑混凝土衬砌 —就地灌
筑混凝土衬砌
装配式衬砌—将衬砌分成若干块构
件，这些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。
• •
喷锚支护—喷射混凝土 和加设锚杆、
喷锚支护
金属网和钢架 共同支护
复合式衬砌—外衬和内衬两层，所
以也叫它为“双层衬砌”
公路隧道横断面示意图
隧道构造设计
---衬砌的一般构造要求
- 隧道衬砌的其它构造要求
•
一般单线隧道洞口应设置不小于5m长的模筑混凝土衬砌，双线和多线 隧道应适当加长；
• • • • • •
围岩较差段的衬砌应向围岩较好地段延伸5～10m； 偏压衬砌段应延伸至一般衬砌段内5m以上；
不设仰拱的隧道应做底板，单线隧道其厚度不得小于20㎝，双线隧道其 厚度不得小于25㎝；
- 喷射混凝土
•
•
喷射混凝土的强度等级采用C20，所用的水泥应优先采用硅酸盐水泥或 普通硅酸盐水泥
喷射钢纤维混凝土中的钢纤维宜采用普通碳素钢制成，等效直径为 0.3～0.5㎜的方形或圆形断面，长度宜为20～25㎜
- 锚杆
锚杆的杆体宜用20 MnSi钢筋，也可采用Q235钢筋；缝管式锚杆宜采用16 MnSi钢管，亦可采用Q235钢管；锚杆直径宜为18～22㎜，垫板可采用 Q235钢板。
标号不低于325号的普通硅酸盐水泥和粒经不应大于16mm的坚硬耐久的卵石或碎石以及不含土质或杂物的河沙再加上少量的速凝剂在比较松散软弱的岩层中可以加金属网或钢支撑使之结合成一体变为钢筋混凝土层隧道构造设计洞身支护结构的构造利用锚杆杆体或杆端锚头的膨胀作用或利用灌浆粘结把锚杆固定在岩体内增加了岩体的紧密程度补强了抗剪能力起到了组合悬吊及挤压加固的作用提高了围岩的自稳能力复合式衬砌外衬亦称初次衬砌使用能达到早强的喷射混凝土和锚杆使柔性的外衬既能容许围岩有所变形而又约束它不让它变形发展太大太快内衬亦称二次衬砌内衬可以用喷射混凝土层柔性结构也可以用较厚的模筑混凝土防水层内外层衬砌之间的防水层可以用软聚氯乙烯薄膜聚异丁烯片聚乙烯片等防水卷材或用喷涂乳化沥青等防水剂隧道构造设计洞身支护结构的构造复合式衬砌最适宜在级围岩中使用但遇到下列情况时应慎重对待
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挪威
用作永久支护的普通 喷射砼 — — 0.5 1.0 2.0 —
山岭隧道
43
喷混凝土的初期强度
100 20 10 5.0 2.0 1.0 0.5 0.2 0.1 0 6 10 分 30 J3 J2 J1
EFNARC
抗压强度（N/mm2）
C B A
1
2
3
6 小时
9 12
24
山岭隧道
44
喷混凝土的初期强度
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变形或碎胀力； 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。
山岭隧道
20
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 。
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。
山岭隧道
7
二、单层衬砌应用现状
山岭隧道
8
以色列海法市卡迈尔公路隧道
山岭隧道
9
以色列海法市卡迈尔公路隧道
山岭隧道
10
EFNARC
C40/50 C44/55 C48/60 40 50 44 55 48 80
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39
设计基准强度
挪威
抗压强度（N/mm2） 立方体试件的最小抗 压强度（N/mm2）
C30
C35
C40
C45
C50
C55
30 19.2
35 22.4
40 25.6
45
50
55
取样试件的最小抗压 强度（N/mm2）
山岭隧道
30
山岭隧道
31
预设计阶段单层衬砌隧道稳定性分级
山岭隧道
32
施工阶段单层衬砌隧道稳定性分级
山岭隧道
33
五、单层衬砌结构形式
山岭隧道
34
各级围岩单层衬砌支护机理及支护型式
稳定性分级 围岩稳定状态
I Ⅱ Ⅲ Ⅳ Ⅴ
极稳定 很稳定 稳定 较稳定 一般
VI Ⅶ Ⅷ Ⅸ
较不稳定 不稳定 很不稳定 极不稳定
（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。
山岭隧道
26
（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
28
四、单层衬砌围岩
稳定性分级
山岭隧道
29
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。
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。
山岭隧道
19
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
支护的作用一方面是维护破裂的岩石在
单位 道路协会 铁道建设· 运输 设施 类别 喷混凝土 高品质喷混凝 土 喷混凝土 道路公团 高强度喷混凝 土 高强度纤维喷 混凝土 3小时抗压强 度（N/mm2） － 1.5 － 2 2
日本
24小时抗压强度 （N/mm2） 5 8 5 10 10山岭隧道ຫໍສະໝຸດ 42喷混凝土的初期强度
龄 期 1小时（N/mm2） 4小时（N/mm2） 6小时（N/mm2） 12小时（N/mm2） 1天（N/mm2） 7天（N/mm2） 用作永久支护的纤维 增强喷射砼 >0.5 >1.0 1.5 3.0 5.0 10.0
支护机理 支护型式 围岩自承 无需支护 构造支护 喷射混凝土 悬吊作用 局部锚杆+喷射混凝土 悬吊作用+壳体支护 系统锚杆+喷射混凝土 悬吊作用+壳体支护 系统锚杆+合成纤维混凝土 锚杆组合拱支护+加强 系统锚杆+合成纤维喷混凝 型壳体支护 土+钢架 预支护+锚杆组合拱支 超前支护+系统锚杆+合成 护+加强型壳体支护 纤维喷混凝土+钢架 预支护+锚杆组合拱支 超前支护+系统锚杆+钢纤 护+加强型壳体支护 维喷混凝土+钢架 超前支护+系统锚杆+钢纤 预支护+锚杆组合拱支 维喷混凝土+钢架+模筑混 护+组合壳体支护 凝土 特殊设计
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。
山岭隧道
46
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。
1~1.5 1.5~2 系统锚杆+喷射混凝土 1.5×1.2 2~2.5 系统锚杆+合成纤维混凝土 1.2×1.2 系统锚杆+合成纤维喷混凝土+ 2.5~3 钢架 1.2×1.2 超前支护+系统锚杆+合成纤维 3~3.5 喷混凝土+钢架 1.0×1.2 超前支护+系统锚杆+钢纤维喷 4~5 混凝土+钢架 1.0×1.0
15cmΦ22 格栅1.2m 15cmΦ22 格栅1.0m 20cmΦ25 格栅0.8m
10 10 10 10
Ⅸ
超前支护+系统锚杆+钢纤维喷 4~5 35~40 混凝土+钢架+模筑混凝土 1.0×1.0 特殊设计
Φ25超 前锚杆 Φ42超 前导管 Φ50双 20cmΦ25 层超前 30 格栅0.6m 导管
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
山岭隧道
11
瑞士阿尔卑斯山的 旅游铁路车站隧道
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12
斯德哥尔摩地铁车 站和地铁换乘大厅
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13
芬兰赫尔辛基地铁区间及车站
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14
挪威Gjolasvik地下体育馆
地下酒窖
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15
成昆铁路布祖湾隧道
山岭隧道
0
s o u t h w e s t j I a o t o n g u n I v e r s I t y
《山岭隧道》课程
第五章
支护结构设计
郑余朝
山岭隧道
西南交通大学
Southwest Jiaotong University
1
主要内容
荷载结构模式计算方法 地层结构模式计算方法 复合式衬砌结构设计 单层衬砌结构设计 TBM管片衬砌结构设计
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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5
单层衬砌
山岭隧道
6
单层衬砌的承载机理
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。
山岭隧道
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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
山岭隧道
21
4、围岩松动圈分类
围岩类别 小松 动圈 中松 动圈 Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ 大松 动圈 Ⅴ Ⅵ 分类名称 稳定围岩 较稳定围岩 一般围岩 一般不稳定围 岩（软岩） 不稳定围岩 （较软围岩） 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 >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
山岭隧道
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单层衬砌支护形式
稳定性 分级 I Ⅱ Ⅲ Ⅳ Ⅴ VI Ⅶ Ⅷ
支护型式
无需支护 喷射混凝土 局部锚杆+喷射混凝土
锚杆
喷射混凝土 厚度 组成 5 素喷 5~8 素喷 8~15 素喷 15~20 20~25 25~30 30~35 35~40
钢架
超前 模筑
预留补 强空间 10 10 10 10 10
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喷混凝土的粘结强度
粘结的划分 作为受力支护结构
EFNARC
与既有混凝土间的粘结 与岩体之间的粘结 1.0MPa 0.5MPa
非结构性的防护
0.5MPa
0.1MPa
挪威规定: 粘结强度在0.2~1.8 MPa之间;
《锚杆喷射混凝土支护技术规范》：
喷射混凝土与围岩的粘结强度I、II级围岩不应 低于0.8MPa，III级围岩不应低于0.5 MPa