隧道單層襯砌研究現狀綜述

潘會濱

1980年以后，復合式襯砌在我國隧道工程中作為一種主要的支護形式被廣泛使用，并積累了很多經驗。復合式襯砌為“三明治”式結構，外層為掛網錨噴支護，內層為模筑襯砌，中間夾PVC柔性防水層。雖然復合襯砌在承載機理設計上最有利于體現新奧法的原理，但施作厚厚一層作為安全儲備的二次襯砌在經濟上是不合理的。同時，在防水設計上，初期支護不防水，通過柔性防水層和二次襯砌結構自防水這兩道防線進行防水。因此，復合式襯砌存在下列一些難以解決的問題［1］:

1)對于節理裂隙發育的巖層在采用爆破法開挖時，開挖面凸凹不平，圍巖與初期支護之間、初期支護與二次襯砌之間貼合不緊密，削弱了襯砌對圍巖的支護作用。2)復合式襯砌防水本質上為“被動”防水。由于錨噴初期支護不防水，復合式襯砌實際上是將地下水引入襯砌結構內部，在襯砌內部形成存水空間，誘發水壓力。3)由于防水板搭接、焊接質量問題，二襯鋼筋綁扎、焊接過程中易刺破和燒壞防水板等原因，使得薄膜防水層的敷設質量不易保證。

針對復合式襯砌在施工、承載和防水方面存在的問題，單層襯砌(single shell lining)施工技術應運而生，以統一解決承載、防水問題，并已在一些隧道工程中應用。

1 單層襯砌概念綜述

關于單層襯砌的概念，文獻［2］這樣定義:“由單層或多層混凝土構成的支護體系，支護層與襯砌層是一體的，各層間能夠充分傳遞剪力的支護體系，稱為單層襯砌。”為避免單層襯砌與噴錨襯砌的概念混淆，文獻［3］對單層襯砌的描述為:在取消防水板的前提下，洞室開挖后立即噴射一層具有防水性能的混凝土，并根據圍巖級別設置必要的支護構件，如錨桿、鋼拱架等，然后根據耐久性及平整度的要求，再施作一層或多層混凝土，構成層間具有很強粘結力并可充分傳遞剪力的支護體系。

顯然，單層襯砌與復合式襯砌的本質區別就是支護層間不設防水板，通過各混凝土層間徑向和縱向上的抗滑移性，使得各混凝土層形成共同承載體系［4］。

2 單層襯砌國內外研究現狀

單層襯砌是20世紀70年代發展起來的一種隧道支護體系，最近幾十年隨著噴射混凝土施工工藝、質量性能的提高，其技術得到了迅速的發展。位于斯堪的納維亞半島的挪威和瑞典，是使用單層襯砌較早的國家。在挪威約有460 km的干線公路隧道中共有160 km采用噴射混凝土或鋼纖維噴射混凝土作為永久襯砌;在瑞典的斯德哥爾默地鐵中大量使用單層襯砌技術，如地鐵區間、地鐵車站等。在瑞士修建的費爾艾那隧道，97%的支護都采用單層襯砌技術［5］。同時，在世界上許多國家單層襯砌都有了不同程度的應用。

在國內，20世紀60年代在成昆鐵路圍巖較好的短隧道中成功地采用了噴射混凝土加錨桿的單層襯砌，使用至今，情況基本良好。1999年在汕頭液化石油氣儲庫工程中采用單層襯砌支護技術，效果良好。西康鐵路秦嶺隧道中的高碥溝隧道采用了鋼纖維噴射混凝土單層襯砌，西南鐵路的磨溝嶺隧道采用模筑鋼纖維混凝土單層襯砌。另外，單層襯砌技術除應用于鐵路、公路、水工隧道外，還應用于地下酒窖以及地下體育館等工程中。

3 單層襯砌結構形式及結構材料

目前單層襯砌主要采用的支護形式是噴錨支護。噴射混凝土和錨桿聯合支護，不僅是安全可靠的支護形式，而且是在巖層中構筑地下工程最為優越的襯砌形式。

可以說，單層襯砌結構形式是隨著噴混凝土技術的出現而不斷發展和完善起來的，特別是濕噴技術的出現以及噴鋼纖維混凝土在隧道工程中的廣泛應用，為單層襯砌的發展創造了良好的條件。而國外單層襯砌的構成，多數是采用鋼纖維噴混凝土。在圍巖條件較好的情況下，鋼纖維混凝土襯砌可以作為一個永久承載結構來支護圍巖，國內外學者對鋼纖維混凝土的力學性能以及持續荷載作用下的長期抵抗變形和耐久性等方面進行了大量的試驗［6］。

我國在隧道中應用鋼纖維噴射混凝土始于1984年，起步相對較晚，但近些年發展很快，已經取得了較好的效果。重慶大學土木學院在摩天嶺隧道通風斜井施作了濕噴鋼纖維混凝土，以單層襯砌代替原設計的復合式襯砌［7］。

實踐證明，濕噴纖維高性能混凝土單層永久襯砌代替復合式襯砌，變被動防水為主動防水，防水效果良好;同時，工程量小，施工速度快，節約造價。

4 單層襯砌設計方法現狀

對單層襯砌設計方法的研究，主要是針對噴鋼纖維混凝土支護結構展開的，目前有基于挪威法的Q系統支護設計法、極限狀態法以及基于能量守恒的能量原理設計法。

挪威法(也稱NMT)是以挪威工程地質研究院為主，根據工程地質條件和在隧道質量指標系統法及濕噴鋼纖維混凝土工藝長足發展的基礎上產生的，它仍是一種以經驗為主的設計方法。在實際應用中，隧道質量指標Q值對“經驗”做出一定程度上的定量衡量，來反映圍巖質量的好壞。

極限狀態設計法是歐洲混凝土委員會在1964年開始提倡的，以后于1970年和國際預應力混凝土協會合作公布了規范，現在英國規范也采用這種方法作為基準。可以說，國際上總的趨勢是向極限狀態設計法方面發展。一般情況下，在極限狀態設計法中，通過驗算兩種極限狀態即破壞極限狀態和使用極限狀態來確保結構的安全性和使用性。

能量原理設計法是根據能量守恒原理來判斷整體系統的穩定情況，從而完成隧道襯砌的設計。在結構設計時，文獻［8］認為圍巖釋放的總能量由兩部分組成:一部分來源于隧道噴鋼纖維混凝土完成到圍巖達到穩定整個過程中釋放掉的能量值;另一部分是在隧道建成后，由于地震或其他因素導致襯砌上方塌落拱范圍的巖層徹底破壞時，可以偏于安全的假定其儲存的應變能完全釋放給襯砌，此能量等于毛洞開挖到達穩定狀態時該范圍內單元儲存的應變能之和。為了保證圍巖能量釋放可以最終達到穩定，襯砌破壞吸收能量的能力應該大于圍巖釋放的能量，從而進行單層襯砌結構的設計。

5 單層襯砌防排水研究現狀

與復合式襯砌相比，單層襯砌最顯著的特征之一就是層間取消了防水板，結構的防水靠襯砌材料的自防水來實現。所以，單層襯砌的防水性一直是各國隧道學者關注的焦點。

目前多數國家都采用在鋼纖維噴混凝土中加入硅粉的措施來提高混凝土的耐水性。1994年第4期瑞士期刊《瑞士工程和建筑》詳細介紹了費爾艾那隧道在施作單層襯砌時，摻入硅粉后，粘著力強，密實度大，滲水最大深度僅為13 mm這一事實。國內，在重慶巫奉高速公路摩天嶺隧道1號斜井中，采用了硅粉鋼纖維濕式噴射混凝土。試驗表明，微硅粉混凝土的滲透性很低，具有較高的抗腐蝕能力［7］。

對比各個國家的隧道防排水模式，德國隧道的排水模式以排水為主，防水為輔。挪威法主要是依靠噴混凝土本身自防水。

6 有待研究的問題

通過對隧道單層襯砌的結構形式、耐水性能、設計方法的研究，學者們提出了很多具有實用價值的觀點，為單層襯砌在隧道中的應用和推廣奠定了基礎，但還存在以下問題有待進一步研究:

1)國內外對單層襯砌的作用機理研究甚少，目前我國還沒有單層襯砌的設計及施工指南。因此，確定單層襯砌對不同圍巖的適應性顯得尤為重要。

2)用作永久單層襯砌的噴混凝土不同于普通噴混凝土，對其力學性能指標需作深入研究，如設計基準強度、混凝土初期強度、粘結強度及耐久性指標等。

［1］賀少輝，馬萬權，曹德勝，等.隧道濕噴纖維高性能混凝土單層永久襯砌研究［J］.巖石力學與工程學報，2004，23(20):3509-3517.

［2］關寶樹.隧道工程設計要點集［M］.北京:人民交通出版社，2003:394-397，419-420.

［3］張俊儒，仇文革.隧道單層襯砌研究現狀及評述［J］.地下空間與工程學報，2006，2(4):693-699.

［4］王彬譯.對采用單層噴混凝土襯砌的隧道施工的幾點看法［J］.世界隧道，1995(2):85-86.

［5］王志杰.噴射鋼纖維混凝土及其在隧道和地下工程中的應用［J］.公路，2004(1):145-148.

［6］史世雍，馬金榮.隧道鋼纖維噴射混凝土強度試驗研究［J］.山西建筑，2004，30(2):55-56.

［7］杜國平，李曉紅，宋戰平.纖維噴射混凝土單層襯砌施工技術探討［J］.隧道工程，2010(9):8-12.

［8］劉紅艷.鋼纖維混凝土的韌性特征在隧道支護結構設計中的應用［D］.成都:西南交通大學碩士研究生學位論文，2003:43-60.