10 复合式衬砌结构设计

变形未趋于基本稳定而提前施作二次衬砌，此时，二次
衬砌主要承受较大的后期围岩形变压力。
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二次衬砌设计
（二）二次衬砌结构的设计 1）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
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新奥法技术
新奥法技术修筑隧道时支护体系中岩体是主
要承载单元，并允许岩体发生一定数量的变形。 在岩体松弛前先向洞壁施作柔性薄层混凝土 封闭岩层，必要时，用锚杆加固，以稳定围岩。 这一工序可重复一二次，有时还在喷层中增设网
筋，围岩变形趋于稳定后，再作一层永久支护。
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复合式衬砌的国内外研究现状
衬砌的外荷载。按荷载—结构模型进行计算。
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二次衬砌设计
（二）二次衬砌结构的设计 2）二次衬砌的计算 ： 由于对二次衬砌的受力机理研究认识不够深入，加 之围岩的地质条件千变万化，实施二次衬砌精确的计算 是困难的，应提倡运用简便而实用的计算方法。对于地 质条件复杂的软弱围岩，应将上述几种方法的二次衬砌 计算结果进行比较，确定一种合理简便的计算方法。
（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类
比确定的。但确定最终支护参数有的还要借助于监控设
计与理论设计。
(4)锚喷支护表中的锚喷参数，一般是根据本部门以往修
建工程的设计参数，经统计和分析研究后确定的。
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二次衬砌设计
失稳破坏而承受松散地压，支护参数的选定应贯彻“拱
是重点、拱墙有别”的原则；对不稳定的围岩，主要承
受变形地压，所以拱墙宜采用相同的支护参数。
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初期支护设计
（一）工程类比设计的原则与方法 遵循的原则：
(3)力求体现锚喷支护灵活性的特点及围岩局部破坏局部
加固、整体加固与局部加强的等强度支护原则。对不同
重视，并已在世界各地的矿山、铁道、水工隧道、 军事工程洞库或其它地下建筑工程中推广应用。
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新奥法技术
新奥法施工复合衬砌支护的基本原理在于：
一是充分利用或发挥围岩的自承能力； 二是增强围岩的强度，均衡围岩应力的分布，并 允许围岩有一定程度的变形，以减小对支护的围 岩压力；
三是利用现场的监测值进行反馈施工。
（一）二次衬砌的主要作用 二次衬砌的作用因不同的围岩级别而异：
1）对于I级稳定硬质围岩，因围岩和初期支护的变
形很小，且很快趋于稳定，故二次衬砌不承受围岩压力，
其主要作用是防水、利于通风和修饰面层；
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二次衬砌设计
（一）二次衬砌的主要作用 二次衬砌的作用因不同的围岩级别而异：
2）对于II级基本稳定的硬质围岩，虽然围岩和初期
喷支护设计应采用工程类比法为主，必要时辅以监控量
测法和理论验算法。
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初期支护设计
（一）工程类比设计的原则与方法 工程类比设计法常有直接对比法和间接类比法两种。
直接对比法一般是以围岩的岩体强度和岩体完整性、
地下水影响程度、洞室埋深、可能受到的地应力、工程
的形状与尺寸、施工的方法、施工的质量以及使用要求
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新奥法技术
新奥法(New Austrian Tunnelling Method)是
奥地利学者Rabcewiz教授等一大批学者和工程技 术人员在长期工程经验的基础上创立于50年代， 并于1962年正式命名的一种隧道工程方法。
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新奥法技术
它的创立，给隧道工程实践的科学化和技术
经济的合理化带来了根本性变革，因其工艺简单， 结构可靠和造价低廉等特点而引起隧道工程界的
合理，能充分发挥围岩自承能力，提高衬砌承载
力，加快施工进度，降低工程造价。
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复合式衬砌受力变形的特点
外层为锚喷的复合式衬砌的真实受力状态： 不仅与衬砌本身的结构形式有关，而且与围岩特 性以及施工工序直接相关。
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复合式衬砌受力变形的特点
在新奥法施工中，复合式衬砌的施工步骤一
般为：
水层时，按组合结构验算，只传递径向荷载。
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二次衬砌设计
（二）二次衬砌结构的设计 1）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。
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二次衬砌设计
（二）二次衬砌结构的设计 2）二次衬砌的计算 ： 复合式衬砌分层施作，应考虑时间效应，可考虑按 粘弹塑性有限元法进行计算；也可运用弹塑性理论或特 征曲线法近似计算复合式衬砌；也可参考我国复合式衬 砌围岩压力现场量侧数据和模型试验结果及国内外有关 资料，对I~V级围岩，以30%~50%的围岩压力作为二次
变化规律；
②初期支护和二次衬砌作用机理及其作用效果；
③复合式衬砌的设计计算方法；
④复合衬砌二次衬砌的模筑时间以及地层与支护
刚度的匹配； ⑤围岩与支护的相互作用关系等。
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二 复合式衬砌的设计
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初期支护设计
初期支护一般指锚杆喷射混凝土支护，必要时配合
使用钢筋网和钢拱架。
目前，国内一些锚喷支护设计规范都明确规定，锚
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二次衬砌设计
（二）二次衬砌结构的设计 4）加强二次衬砌的措施 ： (3)修建仰拱使衬砌形成封闭结构，以提高结构的整 体刚度，减少围岩变形。 (4)采用超前支护，注浆加固地层等措施，以增加岩 体强度，提高围岩整体稳定性。
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复合式衬砌防水层的设计
地下洞室应根据要求采取防水措施。当有地下水时， 初期支护和二次衬砌之间可设置塑料板防水层或采用喷 涂防水层，并可采用防水混凝土衬砌。 1）塑料板防水层； 2）喷涂防水层； 3）防水混凝土。
的岩体和不同的部位分别采用不同的支护类型与参数。
现行规范锚喷支护参数表中，对同一级的围岩级别和
洞跨，给出多种锚喷支护类型和参数，以便酌情选用。
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初期支护设计
（一）工程类比设计的原则与方法 遵循的原则：
(4)锚喷支护参数表中，考虑了各种设计方法的配合，虽
然参数表中给出的支护参数是根据工程类比确定的，但
等方面因素，将设计的工程与上述条件基本相同的已建
工程进行对比，由此确定锚喷支护的类型与参数
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初期支护设计
（一）工程类比设计的原则与方法 间接类比法一般是根据现行锚喷支护技术规范，按
其围岩级别表及锚喷支护设计参数确定拟建工程的锚喷
支护类型与参数。
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初期支护设计
（一）工程类比设计的原则与方法 遵循的原则：
通常在条文中规定了锚杆的最大间距限。
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初期支护设计
（二）锚喷支护的类型及参数表 锚喷支护参数应当是广义的、既包括支护类型、支
护参数，又应包括开挖方法，仰拱施作时间和最终支护
时间等。
不过我国目前的锚喷支护规范还没有达到这一水平，
只是规定了最终支护的施作时间。而在锚喷支护参数表
中只给出了锚喷支护类型与参数。
断面开挖好以后及时喷混凝土，锚杆或钢拱
支架的一种或几种作为初期支护对围岩进行加固， 防止有害松动，维护围岩稳定，待初期支护的变 形基本稳定后，再模筑二次衬砌。
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复合式衬砌受力变形的特点 初期支护是主要受力结构；
二次衬砌的作用将视围岩特性而异：
①在坚固地层中，二次衬砌仅作为安全储备；
②在软弱围岩中，二次衬砌不再是一种单纯的安 全储备，也是受力结构的一个组成部分。
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
衬砌结构耐久性设计概要
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主要内容
概述 复合式衬砌的设计 工程案例
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一 概述
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复合衬砌是用锚喷支护作初期支护，模筑混
凝土做二次衬砌的一种组合衬砌（二层间有或无
防水层）。复合衬砌是以新奥法为基础进行设计 和施工的一种新型支护结构，近几年在国内外的 地下工程中得到了普遍的采用。 研究和实践表明：复合衬砌理论先进、技术
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三 工程案例
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工程概况
深溪沟电站运碴隧道进口段地形陡峻，地势险要， 洞口部位地形自然坡度55～60°。运碴隧道共有A、B 两个线路方案，A方案下穿铁路段，上覆地层主要为弱 风化白云质灰岩，而B方案下穿段第四系覆盖层较厚， 两方案比较，因A方案地质条件相对较好，对控制沉降 有利。
(1)锚喷支护设计参数表的制定是基于国内大量锚喷工程
的实践，它以工程实例为依据，并经过综合分析，主要
按围岩级别与洞跨给出相应支护类型与参数。
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初期支护设计
（一）工程类比设计的原则与方法 遵循的原则：
(2)根据不同的围岩压力特点，对拱、墙等不同部位采用
不同支护参数。一般中等稳定以上的围岩，主要为局部
极限承载力与同厚度的单层衬砌承载力的比较等
课题进行了研究；
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复合式衬砌的国内外研究现状
利用弹塑性或粘弹塑性理论对复合式衬砌整 个结构破坏时的极限承载力，围岩与支护的相互 作用以及防水层对衬砌承载能力的影响等进行了
分析讨论。
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复合式衬砌需研究的问题
①隧洞围岩变形、应力分布、破坏区域随时间的
很多学者为了进一步明确各种支护形式的作 用机理，进行了大量的理论和试验研究。 应用形状弹性应变能方法，对围岩的稳定，
锚喷支护的设计及其合理施工等课题进行了较系
统的研究；
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复合式衬砌的国内外研究现状
利用室内模型试验，对双层衬砌内外层厚度 不同时的承载力、在软弱围岩中复合式衬砌结构 的破坏形态、复合式衬砌内外层不同时灌注时的
后再作二次衬砌。
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二次衬砌设计
（二）二次衬砌结构的设计 4）加强二次衬砌的措施 ： 当围岩和初期支护尚未基本稳定而提前施作的二次 衬砌，或在浅埋、偏压、膨胀性围岩和不良地质地段施 作二次衬砌，均要承受较大的围岩压力，故要求采取如 下措施加强二次衬砌：
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二次衬砌设计
（二）二次衬砌结构的设计 4）加强二次衬砌的措施 ： (1)改变衬砌形状，以适应外荷情况，减少衬砌弯矩， 使衬砌断面基本受压。 (2)提高混凝土标号，或采用钢筋混凝土、钢纤维混 凝土等能提高抗弯曲强度的材料。
(3)初期支护表面裂缝不再继续发展。
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二次衬砌设计
（二）二次衬砌结构的设计 3）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
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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
龚伦 制作
龚伦
山岭隧道
讲师
西南交通大学
Southwest Jiaotong University
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主要内容
荷载结构模式计算方法
地层结构模式计算方法
支护变形小，二次衬砌承受不大的围岩压力，但考虑洞
室运营后锚杆钢筋锈蚀、围岩松弛区逐渐压密，初期支
护质量不稳定等原因，故施作二次衬砌以提高支护衬砌
的安全度；
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二次衬砌设计
（一）二次衬砌的主要作用 二次衬砌的作用因不同的围岩级别而异：
3）对于III~V级围岩，由于岩体流变、膨胀压力、
地下水等作用，或由于浅埋、偏压及施工等原因，围岩
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二次衬砌设计
（二）二次衬砌结构的设计 3）二次衬砌施作时间的确定 ： 二次衬砌一般采用模筑混凝土，应在围岩和初期支 护变形基本稳定后方可施作，并应具备下述条件： (1)洞室周边位移速率有明显减缓趋势。 (2)在拱脚以上1m和边墙中部附近的位移速度小于 0.1~0.2mm/d，或拱顶下沉速度小于0.07~0.15mm/d。
要确定最终支护参数，有的还要借助于监控设计和理论
设计。
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初期支护设计
（一）工程类比设计的原则与方法 遵循的原则：
(5)考虑不同的工程对象，对重要工程宜采用支护参数表
中的上限值，而一般工程宜采用下限值。
(6)支护参数由锚喷支护设计参数表与规范中的有关条文
共同确定。例如对不稳定围岩，要求锚杆有一定的密度，
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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：
(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。
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初期支护设计