漫談礦山法隧道技術第六講
——襯砌(二)

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六講
——襯砌(二)

關寶樹

(西南交通大學， 四川 成都610031)

摘要：首先介紹以歐洲為代表的錨噴支護結構體系的應用現狀。然后比較詳細地介紹挪威、美國、日本和法國噴混凝土永久支護的應用、研究情況及具體做法。認為，在國外以錨噴支護為主體的支護結構體系和以復合式襯砌為主體的支護結構體系，目前是并存的；對我國來說2種支護結構體系也應該是并存的。在圍巖條件良好的情況下，應大力推進以錨噴支護為主體的支護結構體系；在圍巖條件較差的場合，則應以復合式襯砌支護結構體系為主體。

關鍵詞：隧道； 礦山法； 錨噴支護； 噴混凝土； 襯砌； 初期支護； 永久支護

0引言

本講主要介紹歐洲各國采用的以錨噴支護為主體的支護結構體系。由于地質條件、技術條件和環境條件不同，歐洲同行認為，錨噴支護與圍巖一道完全可以作為山嶺隧道的永久支護體系，無需設置復合式支護結構體系中的襯砌。在此領域中，發展了各式各樣的支護結構類型及構筑方法。

1以歐洲為代表的錨噴支護結構體系應用概況

國際隧道和地下空間協會(ITA)第12工作組在《噴混凝土的應用》總結報告中指出,噴混凝土永久襯砌的應用已迅速增加。早在1985年的噴混凝土會議總結中就提出 “增加噴混凝土作為機械洞室、交通隧道和水路隧道的永久支護(襯砌)”的倡議。

巴西在20世紀70年代中期就提出用噴混凝土代替26 m跨度的Paulo Afonso Ⅳ號地下發電廠的1.5 m厚模筑混凝土襯砌的建議，采用15 cm薄的噴混凝土襯砌，節省了大量的混凝土。在20世紀30年代初用新奧法修建的第一座圣保羅地鐵隧道，是用噴混凝土作為永久襯砌的，最近視察這些隧道的噴混凝土支護仍然處于良好狀態。圣保羅二環路西部的3座雙線大斷面隧道(斷面面積200 m2，4車道)施工期間也是采用永久噴混凝土襯砌代替了模筑混凝土襯砌。

捷克已經采用噴混凝土作為公用隧道和運輸隧道部分路段的永久襯砌。

萊索托報告約5.6 km長的輸水隧洞采用噴混凝土永久襯砌,其中一個理由是該方案可以解決工期延遲問題。

挪威政府的公共道路管理部門對公路隧道的噴混凝土襯砌進行了全面調查，得出以下結論： 現有噴混凝土的情況總體上是好的；不過在一些地點與噴層較薄之處發生了劣化和分層，建議噴層最小厚度為60 mm；甚至在海底公路隧道部分地段，有含鹽的水進入和氯化物的浸透，局部已產生鋼纖維腐蝕問題。

俄羅斯也有地鐵和公路隧道采用永久噴混凝土襯砌的事例。

我國鐵路隧道、公路隧道也開始了用噴混凝土做永久支護的適用性施工試驗。

下面簡要介紹一些國家采用噴混凝土作為永久支護的情況。

2挪威法中的噴混凝土支護

在挪威的地下工程建設中首次使用噴混凝土是在1952年，在頭幾年以干噴和薄層為主，由于濕噴的應用大幅改變了此方法的應用現狀。自1980年以來，由于可靠的機械和高質量的混凝土，濕噴混凝土得到了廣泛的應用。該方法可以作為初期支護和永久支護。

為了推行濕噴混凝土，1995年挪威公路管理局發布了《隧道噴混凝土的正確使用》的文件；并在此基礎上，研究了在挪威隧道中所取得的經驗，又制定了噴混凝土的“基本做法守則”，對噴混凝土補強給予了特別的關注。其內容要點如下。

2.1作為圍巖支護的噴混凝土的類型

永久支護的主要形式可分為3類：

1)基于圍巖和混凝土之間的附著力的支護。中等厚度80 mm，最小40 mm，纖維補強， E700(吸收能量水平)。

2)噴混凝土，厚度為80 mm或以上， E700或E1000。

3)噴混凝土肋，鋼筋補強，通常沒有纖維，為了實現拱效應，正確的曲率非常重要。

2.2噴混凝土肋

無論是單一的噴混凝土肋，還是間距為1.5～3 m系統的噴混凝土肋，都可以作為永久圍巖支護。單一的噴混凝土肋，在正常情況下可用單層鋼筋補強，但在預計有較大變形時，應采用雙層鋼筋補強(見圖1)。

圖1　雙排噴混凝土肋

2.3噴混凝土肋的形狀及設置位置

1)噴混凝土肋應構建一個平滑的曲線，并與隧道的理論斷面相同且平行。

2)噴混凝土肋應建立在垂直平面內，與隧道軸向成直角。在小的斷層帶可能例外，噴混凝土肋應針對斷層設置。

3)噴混凝土肋必須設置在強度足夠的基礎上。

2.4補強

1)鋼筋。應采用B500NC質量的鋼材；直徑20 mm，按設定曲率預加工；間距≥110 mm；混凝土保護層厚度≥50 mm，海底隧道混凝土保護層厚度≥75 mm。

2)格柵。當采用雙層鋼筋時，格柵可作為一種選擇。

單層鋼筋噴混凝土肋必須能承受壓應力，能保持正確的幾何形狀。如果荷載比較均勻且側壁也需要支護，非常適合單筋補強。雙筋噴混凝土肋需承受壓應力和由于點荷載分布不均勻引起的彎曲應力，僅用于側壁支護和隧道幾何形狀與理論輪廓有偏差的場合。

2.5噴混凝土

1)在海底隧道應采用防止疲勞類M40噴混凝土，因為混凝土質量達到B45(強度45 MPa)，其他隧道要求采用M40類噴混凝土(強度35 MPa)。

2)在采用噴混凝土肋的地方，第一步是定位和用纖維噴混凝土做好一個平滑層，平滑層吸收能量水平為E1000，質量B35，厚度 150～250 mm。

3)根據需要進一步噴射正確幾何形狀的應用層(無纖維)。

4)安裝鋼筋，噴混凝土。

5)要求在下一爆破循環前，抗壓強度≥8 MPa。

2.6徑向錨桿

1)錨桿打設在噴混凝土肋系統中，并注漿，直徑≥20 mm。

2)安裝幾榀噴混凝土肋后，打設長3～6 m、間距1.0 ～ 1.5 m的錨桿。

3)噴混凝土肋的下端要用直徑25 mm，L=4～6 m的注漿錨桿錨固好，亦可采用混凝土仰拱。

4)錨桿應進行拉拔試驗。

2.7仰拱

混凝土仰拱的厚度應與噴混凝土肋相同。

2.8噴混凝土肋的厚度和寬度

噴混凝土肋的混凝土厚度及噴混凝土肋背后的混凝土厚度均不包括在規定的理論形狀之內。

對于單層鋼筋噴混凝土肋，從噴混凝土肋的表面到第1層鋼筋(φ20)的中心假定為50 mm，到相反方向的表面為60 mm。因此，第1層鋼筋中心到噴混凝土肋表面的厚度是240 mm(當噴混凝土肋的厚度為300 mm時)。

對于雙層鋼筋噴混凝土肋，2層鋼筋之間的距離大約是： 海底隧道，H=D-60-75-20=D- 155 mm，對D60，H=445 mm；其他隧道,H=D-60-50-20=D-130 mm，對D60，H=470 mm。

鋼筋(φ20)間距應≥ 110 mm，混凝土保護層的厚度在海底隧道為75 mm，在別處≥50 mm，由6根φ20鋼筋組成的單層鋼筋噴混凝土肋的理論最小寬度為： 海底隧道，75×2+20+110×5 = 720 mm；其他隧道，50×2+20+110×5=670 mm。

2.9下一爆破循環前應施作錨桿預支護

在鉆孔及爆破前應施作錨桿預支護。要求如下：

1)錨桿間距≤ 300 mm；

2)錨桿孔應呈扇形配置；

3)注漿錨桿，直徑25～32 mm，長度6～8 m，或可選同等質量的錨桿；

4)施作預支護錨桿的數量取決于監測到的隧道圍巖數據，僅在拱部或橫斷面的局部設置監測斷面；

5)錨桿端部要伸出掌子面50～75 cm。

每一循環都施作新的錨桿，因此，在隧道頂部有2排以上的錨桿，每組錨桿都要用噴混凝土肋支護。

2.10爆破后的圍巖支護

爆破后進行通風、清理掌子面、檢查拱部和側壁，以確定是否出碴或設置噴射機械等是否有足夠的空間。在圍巖質量非常差的條件下，應在出碴前迅速施作第1層噴混凝土。該層厚度取決于圍巖表面對噴混凝土自重(新噴混凝土的質量、黏聚力和拉應力)的承受能力。噴射前必須仔細觀測并記錄工程情況，如果隧道圍巖穩定性較差，用水清理表面的作業可以省略。

可以在整個斷面進行混凝土噴射，有時也需要對掌子面進行噴射。

2.11噴混凝土肋的設計和施工的選擇

選項是單層或雙層鋼筋補強、鋼筋數量及鋼筋層之間的距離。單層鋼筋噴混凝土肋的構造見圖2，圖3是單層鋼筋噴混凝土肋封閉掌子面的實例，雙層鋼筋噴混凝土肋見圖4。

圖2　單層鋼筋噴混凝土肋的構造

(a)

(b)

Fig. 3Working face closed by single-layer reinforced bar shotcrete rib

圖4　單層鋼筋改為雙層鋼筋的實例

Fig. 4Single-layer reinforced bar shotcrete rib replaced by double-layer reinforced bar shotcrete rib

3美國的噴混凝土永久支護

美國《公路隧道設計施工手冊》[1]提出，若噴混凝土與模筑混凝土襯砌的質量相當，就可以用前者代替后者。其表面的外觀，可以根據所需的項目目標進行修整，但可能仍然比較粗糙；如果采用抹刀抹平，就可以得到與模筑混凝土質量相媲美的表面。噴混凝土作為最終襯砌通常是與初期的噴混凝土相結合，應在符合下列條件時采用。

1)隧道長度較短，斷面較大，不值得投資模板時，如長度小于400～600 ft(150～250 m)、起拱線處寬度大于25～35 ft(8～11 m)的隧道；

2)出入困難、分期模板安裝和混凝土輸送有問題的場合；

3)隧道幾何形狀復雜，需要定制模板時，如隧道交叉口以及分岔的加寬和臺階式斷面開挖等形式；

4)當雙層襯砌采用噴混凝土作為最終襯砌時，其間要設置防水卷材。因此，襯砌厚度一般在10～20 in(200～300 mm)或更大些。施設時必須考慮噴層與噴層之間的時間間隔，使噴混凝土充分硬化。為了確保最終襯砌的質量，從結構上看，需控制噴層之間的時間間隔和保證需要噴下一層混凝土的噴層表面干凈，無任何灰塵或污垢，這對防止個別層剝落是很重要的。一般控制噴層之間的時間間隔為 24 h。噴混凝土最終襯砌與格柵、焊接金屬網一道構成承載體系，此承載體系也可全部或部分進行結構補強，結構補強可采用鋼筋、鋼纖維或塑料纖維等。最終噴混凝土層允許添加微聚丙烯(PP)纖維以增強最終襯砌的抗火性能。

現澆混凝土在安裝過程中的靜水壓力，不能作用在噴混凝土支護和防水膜上，因此，必須確保防水系統和初期支護的初噴混凝土、最終噴混凝土襯砌之間的所有空隙都要進行回填注漿充滿。最終襯砌應用水泥漿進行回填注漿。為確保適當注漿要圍繞整個襯砌，布置縱向灌漿軟管，這種軟管沿隧道周邊呈放射狀排列。圖5是美國公路隧道采用的兼顧防水系統的典型噴混凝土最終襯砌的斷面，其中包括焊接金屬網(WWF)、格柵、回填注漿用注漿軟管以及聚丙烯纖維的表層噴層。

圖5　典型的噴混凝土襯砌細部構造

實際上，可能影響噴混凝土最終襯砌質量的最重要因素是工藝。雖然噴射工(人力或機械手)的技巧是這個工藝的核心，但更重要的是要遵守噴混凝土過程中各個環節的方法規定。這種規定應成為應用者和監督者的質量保證/質量控制(QN/QC)的基礎。

隧道襯砌發展的總趨勢表明，噴混凝土最終襯砌終將替代傳統的模筑混凝土襯砌。

4日本的噴混凝土永久支護

日本的隧道支護，基本上采用復合式襯砌構造，只是在個別場合(例如青函隧道在作業坑道等小斷面的隧道中)，才采用噴混凝土作為永久支護。但近幾年也展開了噴混凝土作為永久支護的研究。

根據桑原等的研究，可知噴混凝土的支護功能與圍巖的附著強度有關，在巖石的單軸抗壓強度小于5 MPa時由巖石強度支配；超過5 MPa后，大致保持一個定值。水谷等根據鋼板與噴混凝土低齡時的試驗指出，噴射后約8 h后的抗拉附著強度是一定的(約0.04 MPa)。Sala在Furka隧道中的試驗指出，當附著強度是1.3 MPa時，39個試件中有18個是巖石先崩壞。在支護承載力的研究中，水谷等根據室內試驗和原位試驗結果及解析研究指出，在低齡時(噴射后8～20 h)厚度為 5 cm的噴混凝土可以支撐1.2 m3的巖塊重力[2]。

根據這些研究，噴混凝土若能充分發揮與圍巖的附著強度，會提供很大的支護承載力防止巖塊脫落。

噴混凝土作為永久結構物時，要同時具有作為初期支護和永久襯砌的功能。為此，對作用荷載要進行核查以確保構造的安全性能。

以日本新干線隧道斷面為例，復合式襯砌標準斷面和噴混凝土襯砌的標準斷面見圖6。

(a) 復合式襯砌的標準斷面

(b) 噴混凝土襯砌的標準斷面

噴混凝土襯砌的噴射對象不包括仰拱。從開挖斷面看，噴混凝土襯砌的標準斷面比復合式襯砌的標準斷面，寬度減少40 cm，高度減少20 cm。噴混凝土噴通常的厚度，開挖后確認位移已經收斂，再在噴混凝土襯砌上噴射10 cm的保護層，提高其安全度。噴混凝土襯砌應用流程見圖7。

圖7　噴混凝土襯砌構造的應用流程

噴混凝土要求采用具有襯砌耐久性的高品質噴混凝土。

從飯山隧道約21 498 m的量測數據(拱頂下沉和凈空水平相對位移)來評價噴混凝土的健全性得出以下結論：

1)噴混凝土的變異按由水平凈空相對位移引起的和由拱頂下沉引起的2種情況進行整理，其結果見圖8。水平凈空相對位移和變異比率見圖9。

圖8　凈空位移和噴混凝土變異

Fig. 8Relative displace of horizontal clear space and crown settlement

圖9　水平凈空相對位移和變異比率

Fig. 9Relative displace of horizontal clear space vs. heteromorphosis ratio

從圖8和圖9可以看出，水平凈空相對位移在100 mm以下、拱頂下沉在50 mm以下，幾乎都為健全隧道的數據所占有。圖9是數據多的水平凈空相對位移確認的情況。

2)噴混凝土發生變異的，在100 mm以下的數據只有百分之幾的概率，超過100 mm后變異的概率急劇增加，超過300 mm的幾乎都發生變異。根據這樣的結果，噴混凝土的健全性可以用水平凈空相對位移在100 mm以內進行評價。

3)據此，實際上噴混凝土發生變異，不等于噴混凝土破壞，因此用變異點作基準是安全的。其次設定容許應力，按此進行設計，確保安全系數。

經計算適用的噴混凝土彈性模量取2 200 MPa，容許應力取23 MPa。

首先采用位移超過100 mm、噴混凝土發生變異的數據，求出噴混凝土的應力狀態，研究其適用性。檢查結果表明，彎矩的影響很小，軸力是主要的。其次，為了求出噴混凝土達到容許應力和破壞強度的分布，要改變水平凈空相對位移和拱頂下沉值，試圖設定適用范圍。解析結果見圖10。據此噴混凝土襯砌的容許應力的適用范圍是水平凈空相對位移90 mm和拱頂下沉50 mm。

圖10　襯砌單一構造的適用范圍

5法國隧協的建議

法國隧協在2000年發表的《地下工程噴混凝土設計》一文中，對噴混凝土作為永久支護(二次襯砌)提出如下建議。

5.1噴混凝土的類型

法國隧協將噴混凝土分為3種類型，即作為圍巖保護層的噴混凝土、作為初期支護的噴混凝土和作為永久支護的噴混凝土。下面主要說明作為永久支護的噴混凝土，即噴混凝土襯砌。

5.2噴混凝土襯砌

這種類型的噴混凝土應設計為結構體，并能夠承受法向力和彎矩。圍巖支護是厚的噴混凝土殼體(數百毫米厚)，具有單獨維護坑道整體穩定的能力。此混凝土可以用也可以不用纖維補強；此殼體與錨桿或鋼支撐并用對結構的力學性能具有直接影響。

5.3基本目標

1)殼體必須有相當的厚度，以保證類似拱結構的整體效應。殼體的最小厚度應考慮施工的可能(開挖輪廓不規則，取決于圍巖條件和開挖方法)，為確保質量，殼體的厚度應等于設計采用的理論值。

2)殼體的主要目標是保證開挖的整體穩定性，噴混凝土殼的作用是限制開挖后的收斂以及避免圍巖過度松弛。

5.4技術建議

1)對標準形狀的隧道，直徑大于10 m，所有斷面采用模筑混凝土襯砌的最小厚度為30～50 cm的場合，出于實用的目的，考慮噴混凝土是合理的。

2)符合AFTES文檔中描述準則的噴混凝土，可以使用。

3)噴混凝土的成分應滿足合同規定的有關結構耐久性的標準，特別是抵抗環境的侵蝕和骨料、水泥及外加劑之間的相容性(主要是堿-骨料反應)。

4)在掌子面開挖階段采用時，對圍巖與噴混凝土界面間的混凝土質量必須進行檢查。

5)根據圍巖類型和開挖方法，噴混凝土的厚度應在合同中規定并在現場驗證。

6)根據噴混凝土力學特性變異的長期風險(如采用外加劑提高低齡混凝土強度)，可在結構整個生命周期的適當期間進行測試。

7)一般情況下，作為永久支護的噴混凝土襯砌，是在作為保護層的噴混凝土的基礎上施作的。最初的保護層厚度不得列入結構層的設計厚度，若發生蝕變和開裂，可能影響其力學性能。

8)鋼支撐或格柵、錨桿和鋼筋納入噴混凝土殼體中，容許按在混凝土薄殼進行設計計算，使其有效參與到結構強度中充分發揮作用，并采用防腐蝕的預防措施。

9)最終襯砌是由一層或多層噴混凝土層代替模筑混凝土。如果需要多層噴射，則應檢查縱向施工縫的質量和位置(可以防止貫通(貫穿)整個殼體厚度的不連續界面)。

10)不推薦在下列情況下采用噴混凝土作為永久支護： 高水頭；高透水性圍巖(AFTES分級)；不允許水位降低的環境條件及實現全水密性功能要求的結構。

11)噴混凝土目前的技術可能導致某些材料的質量不均勻，特別是第1層噴射到圍巖上的混凝土，水灰比是難以控制的，并因速凝劑的使用可能導致長期強度的降低。此外噴混凝土性能的可變性可能高于模筑混凝土。噴混凝土殼體的幾何形狀必然比模筑混凝土的規則性差，厚度也是可變的。鑒于此，設計中應適當增加噴混凝土的強度及厚度；殼體的最小厚度應采用標稱厚度。

12)對公路和高速公路隧道，噴混凝土表面的粗糙度高。這一方面會導致空氣更快變得骯臟污濁；另一方面，也會增加空氣阻力，隨之會增加通風和相關設備安裝和操作的成本。對用戶來說保證足夠的亮度和安全感，應覆蓋噴混凝土的壁面(在這種情況下，應防止脫開，落在車輛上)。對于水工結構，噴混凝土表面可以適當采用塑料涂層(如高密度聚乙烯)覆蓋。

13)應選擇不會導致混凝土長期強度劣化的外加劑，并需要驗證，通過長期測試確定其力學性能(尤其是強度)是否符合設計標準。

14)使用金屬纖維應采取特殊步驟，解決與潛在腐蝕有關的問題；可以采用一個額外的非纖維增強層或在設計厚度以外增加2～3 cm厚度，以確保殼體厚度需要的抗力。

6小結

在國際上，以錨噴支護為主體的支護結構體系和以復合式襯砌為主體的支護結構體系，目前呈并存的局面，對我國來說2種支護結構體系也應該是并存的。一般來說在圍巖條件較好的情況下，應大力推進以錨噴支護為主體的支護結構體系；在圍巖條件比較差的場合，則應以復合式襯砌支護結構體系為主體。是否合適希望大家討論。

參考文獻(References)：

[1]U S Department of Transportation，Federal Highway Administration，National Highway Institute.Technical manual for design and construction of road tunnels: Civil elements[S].Washington DC: AASHTO,2010.

[2]登坂敏雄.高品質吹付コンクリ-トによる單一覆工構造に関する研究[J].トンネルと地下，2008,39(12): 9-10. (Tosaka Minwoong. Study on high-quality shotcrete single lining structure[J]. Tunnel and Underground, 2008, 39(12): 9-10. (in Japanese))

Tunneling by Mining Method: Lecture VI: Lining II

GUAN Baoshu

(SouthwestJiaotongUniversity,Chengdu610031,Sichuan,China)

Abstract:The-state-of-the-art of the application of bolting and shotcrete support structure system to European countries is introduced. The application and study of shotcrete permanent support in Norway, America, Japan and France are presented in detail. It shows that the bolting and shotcrete support structure system and complex lining support structure system are both available abroad. The author suggests that the above mentioned two support structure systems should be available in China as well; the bolting and shotcrete support structure system should be adopted in good surrounding rock conditions; and the complex lining support structure system should be adopt in bad surrounding rock conditions.

Keywords:tunnel; mining method; bolting and shotcrete support; shotcrete; lining; primary support; permanent support

中圖分類號：U 45

文獻標志碼：A

文章編號：1672-741X(2016)04-0373-06

DOI:10.3973/j.issn.1672-741X.2016.04.001

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