10 单层衬砌结构设计

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。
28.8 32.0 35.2
山岭隧道
40
设计基准强度
等级 轴心抗压（N/mm2） C15 7.5 C20 10.0 C25
中国
C30 15.0
12.5
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。
山岭隧道
41
喷混凝土的初期强度
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
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 。
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
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
山岭隧道
23
（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。
v t
O
l
O
l
（a）波速-孔深曲线
山岭隧道
(b) 时间-孔深曲线
24
F 隧 F △t t 道 J J
0
△t
双孔测试示意图
单孔测试示意图
山岭隧道
25
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
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
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
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
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。
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。
山岭隧道
5
单层衬砌
山岭隧道
6
单层衬砌的承载机理
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。
山岭隧道
27
山岭隧道
山岭隧道
22
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。
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。
山岭隧道
36
六、用作单层衬砌的喷射
混凝土力学指标
山岭隧道
37
设计基准强度
单 位 道路协会 铁道建设· 运输施设 类 别 喷混凝土 高品质喷混凝土
日本
设计基准强度（N/mm2） 18 18
喷混凝土
道路公团 高强度喷混凝土 高强度纤维喷混凝土
18
36 36
山岭隧道
38
设计基准强度
要求强度（N/mm2） 强度划分 圆柱体试 件 立方体试 件 C24/30 24 30 C28/35 C32/40 C36/45 28 35 32 40 36 45
衬砌结构耐久性设计概要
山岭隧道
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
山岭隧道
3
一、单层衬砌定义
山岭隧道
4
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。
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
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
45
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
47
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
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
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
山岭隧道
12
斯德哥尔摩地铁车 站和地铁换乘大厅
山岭隧道
13
芬兰赫尔辛基地铁区间及车站
山岭隧道
wk.baidu.com4
挪威Gjolasvik地下体育馆
地下酒窖
山岭隧道
15
成昆铁路布祖湾隧道
山岭隧道
16
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
西安南京铁路万军迴隧道 钢纤维喷混凝土单层衬砌
山岭隧道
17
三、设计基本理论
——松动圈支护理论
山岭隧道
18
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。
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
EFNARC
C40/50 C44/55 C48/60 40 50 44 55 48 80
山岭隧道
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）
（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
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
山岭隧道
山岭隧道
35
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