浅析公路隧道初期支护的作用和二次衬砌的功能

浅析公路隧道初期支护的作用和二次衬砌的功能

摘要：国内公路隧道工程多采用新奥法施工，与之相对应的复合式衬砌由初期支护、二次衬砌、防水层构成，并要求二次衬砌必于围岩与初期支护结构的变形稳定后方可施工。本文简要分析了公路隧道支护结构的作用和二次衬砌的功能，提出了相互关系特点与功能研究要点，以期对实际公路隧道施工有理论指导作用。

关键词：公路隧道围岩压力初期支护二次衬砌

引言

围岩压力，是指引起地下开挖空间的岩体和支护出现破坏、变形的作用力，它包括由原岩应力引起的围岩应力，以及因围岩受阻变形而作用在支护结构上的力，也称地压。由围岩压力引起的围岩与支护的流动、变形、破坏的现象称为地压显现或围岩压力显现。故从广义层面来理解，围岩压力既包含围岩有支护的情况，也包含围岩无支护的情况；既包含在普通、传统的支护上所显现出的性态，也包含在锚喷、压力喷浆等现代化支护方法中所显现出的性态。从狭义层面来理解，围岩压力指的是围岩作用在衬砌上的压力。

目前，对围岩压力的分类仍没有完全统一的方法。除了考虑膨胀性压力、冻结压力等特殊情况产生的压力，我们一般把围岩压力分为两类：松弛压力和形变压力。

1、初期支护与围岩的作用关系及特点

根据新奥法的理念，围岩和支护结构需要共同承担荷载，故围岩压力的传递就是围岩与初期支护的实质作用。隧道在开挖前，自然岩体具有一定的原岩应力，而开挖施加初期支护构造后，围岩弹、塑性形变逐渐产生形变压力，直接作用在初期支护结构中。现今在国内的复合式衬砌施工中初期支护多采用喷锚式支护结构，其中被广泛应用的喷锚式支护类型有如下几种：喷射混凝土式支护、锚杆喷射混凝土式支护、锚杆喷射混凝土式钢拱架支护、锚杆喷射混凝土式钢筋网支护。

喷锚式支护结构作为初期支护将与围岩发生如下作用[1]:

（1）能够在洞室开挖后及时施工，改善围岩岩体应力条件。由于大多数的锚杆无需养护时间，能够及时提供强度，同时喷射的混凝土也具备一定的早期强度，围岩在开挖以后可由双向受力状态迅速转变为三向应力状态。此外, 围岩的

抗剪强度指标在初期支护的加固作用下提高，由此可见初期支护能够有效地阻止围岩由于开挖产生的扰动而进入塑性状态，可限制围岩发生有害形变，进一步提高围岩的稳定性。

（2）主动地适应围岩岩体的形变，充分发挥围岩自稳能力。初期支护是一种柔性支护体系,能够有效地适应围岩的形变；同时它又是一种刚性支护体系，它能在一定程度上限制围岩岩体的形变。

（3）同围岩紧密贴合，并与其形成复合体系，同时侵入围岩的内部，将围岩加固。初期支护的施工工艺是用很高的压力将混凝土喷射到岩体表面，混凝土可与围岩或急需加固的结构面紧密地粘贴在一起。另外锚杆和锚索可以深入围岩的内部，从而改善围岩的整体性。

（4）密封性较好，能够有效地保护围岩，适用性广泛，施工建设灵活性大。初期支护可及时地封闭围岩的裸露面，既可以使围岩的强度不会因开挖暴露而风化、降低强度；还能够及时阻止洞内的水分对围岩造成进一步的侵蚀。喷锚式支护结构适用于各种地质条件，操作简单，支护参数能够根据围岩级别相适应并不断调整。

2、初期支护与二次衬砌的作用关系和特点

复合式衬砌的防水层增设在初期支护与二次衬砌之间，使得初期支护与二次衬砌之间只传递径向力作用，几乎不能传递切向力。因此，初期支护与二次衬砌构成了一个“叠合梁”结构。

在围岩形变明显，流变特性突出时，应尽快加强初期支护，及时构筑仰拱并喷射二次衬砌。在变形监测过程中，若出现以下失稳征兆，应加强初期支护并尽快喷射二次衬砌。

（1）局部块石坍塌、层状岩脆性变形、喷层出现大量裂缝。

（2）位移累计量达到相对位移极限值的2/3，并且未发生位移收敛的征兆。

（3）每日的位移量超过了相对位移极限值的10%。

（4）洞室形变加速异常，且在无施工扰动时变形速度仍增大。

3、二次衬砌功能研究

初期支护基本采用喷射混凝土，它具有的抗剪强度能填充围岩岩体裂隙使结构面得到加固，还能有效抑制围岩的有害变形，与围岩共同工作提高围岩稳定性。然而对于大部分采用了复合式衬砌的公路隧道来说，二次衬砌强大的功能也是不

可缺少的。

作为支护结构的必要组成部分，二次衬砌在施工和运营整个生命周期内，基于安全性能的考虑，必须承担一定的荷载[2]。

（1）提高隧道的安全性能。在隧道施工建设的初期阶段，初期支护承担围岩的稳定。根据统计学的理论分析，安全系数等于1.0时，支护仍有50%的失效几率[3]，因此即使初期支护的安全系数能够大于或者等于1.0，仍难保证其稳定性。另一方面，部分岩体，比如软岩具有一定的流变特性，随着时间的推移稳定性会逐步降低，而喷射混凝土、围岩、钢架、锚杆也会因受到环境的影响而降低强度，造成对隧道稳定性的影响。此外，岩体中还存在着很多对隧道稳定性不确定的影响因素。因此，不论隧道的安全系数有怎样的设置，二次衬砌都可以作为提高隧道支护体系的安全性，成为弥补安全系数降低的方法。。

（2）控制围岩的形变。二次衬砌在某些情况中，即使隧道内变形未收敛也必须提前修筑。这种做法一方面是针对工期的考虑：由于的工期的临近，为满足工期要求二次衬砌需要提前施作；另一方面则是因为恶劣的地质条件，变形在长时间内无法满足规范[4]所要求的收敛值，为了达到隧道净空的要求，二次衬砌需提前施工以控制变形。

根据对文献资料的研究表明：对于隧道开挖后围岩变形均匀且延伸范围较广的岩体，其变形持续时间较长，导致二次衬砌修筑后围岩的变形才开始收敛。此外，为了避免隧道的开挖增大塑性区的范围，使变形随之增大而导致周围的结构体系的破坏，必须提前施工二次衬砌来抑制过大的围岩变形。在已有隧道附近开挖新隧道的情况中，由于两隧道位置临近且覆盖土层极薄，在隧道开挖后松弛的应力将对周围的结构物造成不良的影响。在实际施工中，控制爆破、采用更为合理的施工方法和工序、二次衬砌等控制措施均可以做到对变形的控制。:

4、二次衬砌的附属功能

（1）由于喷射混凝土截面的粗糙程度大，风与岩壁相摩擦以及空气分子间的扰动与摩擦所产生阻力大，因此由阻力引起的风压损失也比较大。这些现象对长大隧道的通风节能以及正常运营期间降少隧道内有害的气体和降低烟尘浓度非常不利。而二次衬砌的存在则有利于减少风压损失、同时节约能源。

（2）可承担通风、照明等设备的重量。

（3）保护、支撑复合式衬砌的防水层，防止对初期支护的侵蚀，有利于洞内的消防措施。

（4）具有防水功能。现今，国际上最高水平的喷锚式支护已达到在68MPa 的抗压强度下没有渗水，厚度也能保证一次成型，无需设置施工缝、沉降缝，形