漫談礦山法隧道技術第五講——襯砌(一)

關寶樹

(西南交通大學， 四川 成都　610031)

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漫談礦山法隧道技術第五講
——襯砌(一)

關寶樹

(西南交通大學， 四川 成都610031)

摘要：從使用性、應對未來不確定因素和特殊圍巖時補充支護的力學功能等方面分析二次襯砌的功能，說明二次襯砌是確保隧道使用性、耐久性、降低不確定因素影響及具有力學功能的不可或缺的構件。分析襯砌的耐久性： 目前各國對襯砌的計劃使用期限的規定一般是100年；調查顯示，混凝土襯砌經過修補或采用“預防維護”體制，可以滿足100年的耐久性要求，但運營隧道的襯砌有隨時間逐漸劣化的趨勢。隧道結構劣化的原因除了施工質量未達到設計要求外，主要是圍巖劣化和襯砌本身劣化。結合日本的試驗分析認為： 在耐久性設計中，可以不考慮圍巖劣化的問題。混凝土襯砌的耐久性，多數情況下取決于混凝土的施工工藝。調查發現目前襯砌存在的主要問題有： 1)襯砌混凝土不密實； 2)襯砌背后留有空洞； 3)襯砌厚度不均勻，拱頂厚度偏薄且留有空隙； 4)襯砌混凝土存在潛在的裂縫。總結各國在提高隧道二次襯砌耐久性方面的主要措施： 1)盡可能不采用鋼筋混凝土襯砌； 2)采用鋼筋混凝土時，保護層厚度應不小于50 mm； 3)采用噴混凝土作為二次襯砌時，除計算厚度外，應增加50 mm的保護層厚度； 4)二次襯砌應設置仰拱； 5)仰拱和拱墻須“閉合成環”； 6)改善混凝土施工工藝； 7)減少混凝土襯砌的初始缺陷。認為在現有技術的基礎上做好6)、7)兩點，襯砌的耐久性將得到極大的改善。針對6)、7)兩點，介紹日本在襯砌施工關鍵工藝——澆筑、搗固和養生方面的做法： 拱頂部水平壓入澆筑工法、隧道襯砌拱頂搗固系統、噴霧養生和采用塑料模板，以期為我國同仁提供借鑒。

關鍵詞：隧道； 礦山法； 二次襯砌； 襯砌耐久性； 圍巖耐久性； 澆筑； 搗固； 噴霧養生

0引言

與圍巖、噴混凝土、錨桿、鋼架一樣，襯砌也是構成隧道支護結構的一個構件。在不同的國家，由于圍巖、技術、環境等條件不同，處理襯砌的方法也不同。形成了以我國和日本為代表的復合式襯砌支護結構和以歐洲國家為代表的噴錨支護結構2個不同的支護結構體系。前者認為襯砌不需要承載，但應滿足構造(安全儲備)及耐久性的要求；后者認為襯砌可以獨立承載或與噴錨支護共同承載，同時滿足耐久性的要求。

二次襯砌是確保隧道結構耐久性的基本方法。本講針對二次襯砌的功能以及在復合式支護結構中的作用，重點說明在現行設計和現有技術條件下提高二次襯砌的功能及耐久性的方法和對策。

1復合式支護結構中襯砌的功能

自從引進噴混凝土和錨桿技術后，由圍巖、初期支護和二次襯砌構成的復合式支護結構已成為我國公路和鐵路礦山法隧道支護構造的主體。在一般圍巖條件下，要求初期支護能夠保證隧道的長期穩定，此時，圍巖與初期支護成為隧道構造的承載主體。在這種情況下，理論上二次襯砌不是必須的。一些歐洲國家，在良好圍巖條件下，基本上是不施作混凝土襯砌的，包括海底隧道；而把我們所謂的初期支護作為永久支護。有的國家，例如日本，與我國的做法是一致的，都將襯砌作為安全儲備來設置，僅在構造上要求能夠確保隧道的長期使用性和耐久性。只有在一些地層破碎帶、土砂圍巖或特殊圍巖中，才要求襯砌發揮承受后期荷載和長期耐久性的功能。

日本在隧道結構物的性能設計中，明確規定二次襯砌的功能是： 1)具有隧道使用性的必要功能； 2)具備應對未來不確定因素的功能； 3)在小埋深、斷層破碎帶、膨脹性圍巖、城市礦山法隧道等特殊圍巖條件，具有補充支護的力學功能。

表1是針對上述規定，對公路隧道和鐵路隧道二次襯砌提出的基本功能要求。

表1　二次襯砌的基本功能[1]

注： ◎—重要度高的作用和功能； ○—一般的作用和功能； △—視情況要求的作用和功能。

由表1可知： 二次襯砌不是可有可無的構件，而是確保隧道使用性、耐久性、降低不確定因素影響及具有力學功能的構件；即使在初期支護能夠把變形控制在容許范圍之內的情況下，設置二次襯砌對提高隧道結構的耐久性也具有一定的意義。

2襯砌的耐久性

襯砌的耐久性不僅是性能要求，也是一個時間概念。任何混凝土結構物，根據其用途和性能要求的不同，對耐久性的要求也是不同的。例如：日本在2009年版的日本建筑學會標準JASS-5[1]中，將計劃使用期間的級別修訂為超長期、長期、標準及短期4類；計劃使用期間不同，對襯砌耐久性的要求也不同。

關于隧道混凝土結構的計劃使用期限，各國的規定基本上都是100年，但對海底隧道的計劃使用期限也有規定120年的。因此，目前討論的襯砌是使用期限為100年的隧道結構物。

根據國內外近期對現有的二次襯砌的調查顯示： 1)混凝土襯砌有經過補修而使用超過100年的事例； 2)采用“預防維護”體制，混凝土襯砌可以滿足100年的使用期限(耐久性)的要求； 3)運營隧道的襯砌隨時間有逐漸劣化的趨勢。

隧道結構劣化的原因多數是由于施工質量沒有達到設計要求。除此之外，造成隧道結構劣化的原因主要有2個方面： 一是襯砌背后的圍巖隨時間的劣化；二是襯砌本身隨時間的的劣化。

因此，研究隧道的耐久性必須從這2方面著手，即圍巖的耐久性和襯砌的耐久性。其中，對圍巖耐久性的研究比較少，而對混凝土耐久性的研究雖然比較多，但針對隧道二次襯砌混凝土耐久性的研究較少。

2.1圍巖耐久性

對圍巖耐久性研究的文獻資料比較少，日本在《凍融循環作用下巖石的破壞過程和耐久性評價》[2]一文中，對12種巖類進行了質量損失率、吸水率、動彈性系數和P波速度等方面的試驗，并提出了評價巖石在凍融循環作用下的耐久性的方法。研究采集了裂隙發育、具有層理構造的巖石等12種巖石樣品，進行了300次凍融循環的試驗。12種巖石樣品包括砂巖、綠巖、泥質片巖、有方解石貫入的綠巖、片理裂隙發育的泥質片巖a、沒有裂隙的泥質片巖b、凝灰巖、石灰巖、安山巖(破碎)b、白云巖、片巖及泥巖等。這些樣品有的裂隙發育、有的有巖脈侵入、有的破碎，以便在試驗時考慮軟弱面的影響。

經300次凍融循環未破壞巖石的質量損失率和吸水率見表2。

表2經300次凍融循環未破壞巖石樣本的質量損失率和吸水率

Table 2Mass loss and water absorption of rock samples after 300 times of freeze-thaw cycles

%

由表2可知，經300次凍融循環，未破壞巖石的質量損失率都在0.17%以下，幾乎沒有產生剝離。這說明在這些巖類中開挖隧道，不必擔心圍巖的劣化；導致隧道變異的原因，基本上可以歸結為混凝土襯砌的缺陷。

試驗中發生破壞的巖石的質量損失率以泥巖最為顯著。

試驗表明，在泥質片巖a、泥質片巖b、凝灰巖等軟質巖類以及吸水率較高的泥質圍巖中，要考慮圍巖后期變化對隧道耐久性的影響。

一般來說，隧道建成后，受施工影響的圍巖在超前支護和初期支護的作用下，基本上是穩定的。隨著時間的推移，施工中施作的支護失效，最多是圍巖恢復到沒有支護前的狀態或者支護成為圍巖的一部分。此外，既使圍巖劣化，其過程也是極為緩慢的，不會是突發性的(地震、暴雨、海嘯等突發原因除外)。因此，在耐久性設計中，可以不考慮圍巖劣化的問題。

某些有特殊性質的圍巖，如膨脹性圍巖和擠壓性圍巖，其變形是隨時間而發展的，即使在施工中加以控制，但在使用期間由于自身的特性(遇水膨脹、高應力下的擠壓等)也會出現“后荷”現象，但不是劣化。

總之，強化對圍巖耐久性的研究是十分必要的。

2.2混凝土襯砌的耐久性

在礦山法隧道中，襯砌多數采用素混凝土或鋼筋混凝土。因此，其耐久性能取決于混凝土的耐久性和混凝土的施工工藝。實際上，在多數情況下襯砌的耐久性取決于混凝土的施工工藝。也就是說，在確保施工工藝滿足混凝土性能要求的條件下，混凝土的耐久性是完全可以保證的。

目前，在山嶺隧道中二次襯砌主要采用的是素混凝土，部分采用的是鋼筋混凝土。從目前修建的高速鐵路隧道襯砌的情況看，鋼筋混凝土襯砌的采用率有逐漸增長的趨勢，這一點值得關注。

素混凝土襯砌的劣化是混凝土的劣化。造成素混凝土劣化的原因有凍融循環、化學侵蝕及堿-骨料反應等。鋼筋混凝土二次襯砌的劣化主要是鋼筋的腐蝕，而造成鋼筋腐蝕的原因有襯砌開裂、碳化及氯離子侵蝕等。

通過對既有隧道襯砌的實地調查發現，目前襯砌存在的主要問題有： 1)襯砌混凝土不密實，造成襯砌強度不足； 2)襯砌背后留有空洞； 3)襯砌厚度不均勻，拱頂厚度偏薄且留有空隙； 4)襯砌混凝土存在潛在的裂縫等。這些施工缺陷是影響襯砌耐久性的主要原因。因此，從技術上構筑滿足耐久性要求的密實的、厚度偏差小的、強度充分的、沒有潛在缺陷的混凝土襯砌是我們追求的目標。

從耐久性角度出發，各國在隧道二次襯砌增加耐久性的主要措施是： 1)盡可能地不采用鋼筋混凝土襯砌，必要時可采用纖維混凝土襯砌代替； 2)如必須采用鋼筋混凝土時，其保護層厚度應滿足100年使用期的要求，即不小于50 mm(碳化可能的深度)； 3)采用噴混凝土作為二次襯砌時，除計算厚度外，應增加50 mm的保護層厚度； 4)無特殊情況，二次襯砌都應設置仰拱，仰拱的厚度(包括噴混凝土在內)應大于拱墻的厚度；或者拱墻采用素混凝土，仰拱采用纖維混凝土；加強底部是提高二次襯砌耐久性的重要對策之一，不容忽視； 5)必須使仰拱和拱墻“閉合成環”，使隧道襯砌成為一體的封閉型結構； 6)改善混凝土配比、澆筑、搗固和養護等作業，盡可能地提高混凝土的質量，制造密實性高的混凝土，混凝土強度等級不宜低于C35； 7)減少混凝土襯砌的初始缺陷，特別是初始潛在的開裂。初始缺陷是影響二次襯砌耐久性的重要因素。許多國家都在這方面下功夫，并取得了一定的成果，我國也不例外。

上述幾點，是確保混凝土襯砌耐久性的基本途徑。實踐證實，在滿足上述條件下，素混凝土和纖維混凝土可以確保襯砌使用期限100年的要求。

在上述各種技術措施中，如果能夠在現有技術的基礎上，解決6)和7)中存在的問題，襯砌的耐久性會得到極大的改善。下面重點說明國外(特別是日本)在這些方面的一些研究、試驗和工程應用的情況，以供參考。

3襯砌施工的關鍵工藝

襯砌施工的關鍵工藝指澆筑、搗固及養生。這些工藝是提高混凝土密實度和強度的關鍵工藝。

死區周圍炎癥細胞浸潤明顯增多，以單核細胞、中性粒細胞、淋巴細胞及巨噬細胞為主；30～45 d 壞死區域逐漸縮小，網狀纖維及膠原纖維增多，炎癥細胞先后消失[13]。雖然不同細胞的熱敏感性不同，但動物實驗已證實肺、腎、胰腺、肌肉組織均有上述類似的病理變化過程[13]。目前尚缺乏人體甲狀腺組織微波消融術后動態病理變化的實驗支撐，而通過動物實驗亦可推測人類甲狀腺結節經微波消融后組織細胞同樣可能經歷迅速失活、壞死、炎癥細胞浸潤等一系列病理學改變。

3.1澆筑

目前日本隧道襯砌的混凝土澆筑主要采用拱頂部水平壓入澆筑工法[3]。該工法在拱肩增設了4個能夠壓入的澆筑口(堵頭板側2個，另一側2個)，可以在堵頭板側和搭接側進行左右交錯的混凝土澆筑。澆筑孔下側的混凝土自然流下，澆筑孔上側的混凝土用壓力充填。

其特點是在拱頂部能夠進行水平澆筑，使澆筑的高度盡可能地達到最大。如圖1所示，減少了標準工法從拱頂部澆筑口的澆筑量，澆筑時間從過去的3 h縮短到1 h。可以實現更密實的充填和形成沒有空洞的耐久性好的襯砌混凝土(見圖2)，密實充填易于產生空洞的拱肩部和拱頂部。

其次，在澆筑中提高了混凝土的澆筑壓力。一般來說，在標準工法中，因充填壓力不足，即使確保了設計厚度，襯砌背后也可能產生空洞。使水壓、土壓等外力，或者收縮產生的開裂集中到空洞部分，使空洞成為襯砌很大的薄弱環節。此外，空洞部分由于是在混凝土上面形成自由面，如果搗固不到，就成為密實性差的混凝土。這也是襯砌強度不足、耐久性降低的原因之一。

(a) 標準工法　　　　　　　(b) 拱頂部水平壓入澆筑工法

(a) 標準工法中的混凝土澆筑　　　　(b) 拱頂部水平壓入澆筑

Fig. 2Comparison between conventional method and concrete grouting form crown

拱頂部水平壓入澆筑系統是在模板拱頂部設置了壓力傳感器(最少5個)，一邊用微機畫面實時確認混凝土的澆筑壓力，一邊考慮模板的設計強度，以最大限度的澆筑壓力澆筑混凝土，構筑沒有空洞的密實的混凝土。圖3是澆筑壓測定管理圖。

圖3　澆筑壓測定管理圖

為了定量地分析澆筑壓力對混凝土抗壓強度增大和拱頂有無空隙對結構強度的影響，制作了如圖4所示的小比例尺的隧道模型，對有無澆筑壓力的混凝土試件進行抗壓強度比較試驗，同時也進行了有無空隙的結構強度比較試驗。

試驗結果表明，澆筑壓力在40 kPa左右時，混凝土的抗壓強度比沒有澆筑壓力的混凝土強度增加約28%(如圖5所示)。拱頂完全充填沒有空隙的襯砌混凝土與有空隙的襯砌混凝土對比，結構強度增加3倍左右。

圖4　試件尺寸及形狀(單位： mm)

圖5　有無澆筑壓混凝土試件抗壓強度的比較

Fig. 5Comparison between compression strength under filling stress and that without filling stress

圖6　混凝土密實澆筑試驗步驟

密實澆筑后，打開頂蓋，混凝土上面出現鼓起現象。此鼓起量是規定數量的2%～4%。也就是說，已澆筑了規定數量以上的混凝土(此壓入量稱為虛擬厚度)。

松動螺絲的瞬間，頂蓋向上浮動，這說明混凝土密實澆筑后，該部分混凝土被壓縮，直到硬化，并給模板和圍巖一定的外壓。根據此結果證實了混凝土密實澆筑能夠形成虛擬厚度，而不會產生因搗固振動的下沉。

3.2搗固

搗固是提高混凝土密實度的重要方法。目前日本采用的隧道襯砌拱頂搗固系統如圖7所示[3]。

該系統事先在拱頂部設置管式搗固器，混凝土澆筑后，一邊拔出一邊搗固。可用在搗固極為困難的鋼筋區段、施工縫附近和隧道拱頂部(見圖7(a))。目前該系統已得到廣泛的應用。

如圖7(b)所示，澆筑前在拱頂部沿模板全長設置4個長管搗固器，澆筑完成后從堵頭板側一邊拔出一邊進行均勻的搗固。同時，密實充填的混凝土也不會因搗固振動而下沉，反之還會上鼓，從而達到完全充填的效果。

(a)

(b)

3.3養生——噴霧養生

噴霧養生[3]是把輕型骨架懸吊在襯砌拱頂，用板密閉，內部沿一定距離設置噴霧噴嘴，使高壓噴射的5 μm的霧狀氣體充滿其間，能夠進行充分濕潤養護的技術。

設備的長度約3個澆筑環節，為31.5 m(見圖8(a))。脫模后，可按規定進行1周的濕潤養護，抑制混凝土干燥開裂，提高混凝土的品質。

因為設備是密閉的，不會出現通常的噴霧養護造成視線不良的情況，確保了通行車輛的安全。圖8(b)是噴霧養護的全景。

(a)

(b)

圖9是日本M.K.E會社針對高品質、高耐久性襯砌開發的具有保溫養生功能的FRP(玻璃纖維塑料)管式模板。據報道該模板與鋼模板的比較見表3[4]。

圖9　塑料模板概貌

通過在古江隧道的測定，得到混凝土襯砌溫度的歷時變化見圖10。

試驗證實，由于塑料模板比鋼模板高3～4 ℃的保溫效果，混凝土強度提高了15%～20%。

該模板的特征： 1)由于優良的隔熱效果，實現了保溫養生(相對鋼模板熱傳導率降低到1/150以下)；2)外氣溫的變化影響小，最適合寒冷地區； 3)剝離性能好，減少了起吊作業。

綜合以上各項技術，日本謂之“襯砌初期開裂為0的技術”，實質上就是提高襯砌耐久性的技術。

表3　鋼模板與塑料模板的比較

圖10　混凝土襯砌溫度的歷時變化

4結束語

本講介紹的方法說明： 在不改變混凝土基本特性的條件下，只要改善現行的混凝土施工技術，就能夠適當提高襯砌混凝土的密實度、強度及耐久性。我們應在既有的二次襯砌施工工藝的基礎上，研究和改進澆筑、搗固及養生等方法，進一步消除二次襯砌潛在的缺陷，特別是初期開裂，提高二次襯砌的耐久性。

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Tunneling by Mining Method： LectureⅤ： Lining I

GUAN Baoshu

(SouthwestJiaotongUniversity,Chengdu610031,Sichuan，China)

Abstract:The function of the secondary lining is studied in terms of applicability, uncertain factors and mechanical performance of temporary support for bad surrounding rocks; and it is emphatically illustrated that the secondary lining is is key structure. The required planning service life of the secondary lining of every country is 100 years; the investigation results show that the service life of the secondary lining can reach 100 years under necessary maintenance. The degradation of the tunnel structure is mainly induced by degradation of the surrounding rocks, degradation of lining structure and construction quality. The durability of concrete is mainly decided by construction technology. The main problems of lining are as follows: 1) The lining concrete is not compact; 2) There are hollows behind the lining; 3) The thickness of lining is non-uniform, and the thickness of the crown is small; 4) There are potential crack in the lining concrete. The countermeasures for improving the durability of the secondary lining are summarized as follows: 1) Reinforced concrete lining should not be used as much as possible; 2) The thickness of the protection cover should not be less than 50 mm when reinforced concrete lining is used; 3) The protection cover of 50 mm thickness should be used when shotcrete technology is used; 4) The invert should be used; 5) The ring of invert and side wall should be closed; 6) The construction technology for concrete should be improved; 7) The initial structural disadvantage of concrete lining should be minimized. The author believes that countermeasures 6) and 7) are most important. The key lining construction technologies in Japan, grouting, tamping and steam curing, are introduced， so as to provide guidance for the lining construction in China.

Keywords:tunnel; mining method; secondary lining; lining durability; surrounding rock durability; grouting; tamping; steam curing

中圖分類號：U 45

文獻標志碼：A

文章編號：1672-741X(2016)03-0251-06

DOI:10.3973/j.issn.1672-741X.2016.03.001

作者簡介：關寶樹(1932—)，男，遼寧人，西南交通大學教授，博士生導師，從事隧道及地下工程教學和科研50余年，隧道與地下工程資深專家。E-mail: guanbaoshu@126.com。

收稿日期：2015-07-15