隧道單層襯砌技術及應用研究現狀*

薛永宏，曾魯平

（1.江蘇蘇博特新材料股份有限公司 江蘇 南京 2111032.江蘇省建筑科學研究院有限公司高性能土木工程材料國家重點實驗室 江蘇 南京 211108）

0 引言

隧道支護結構作為與開挖巖層直接接觸的第一層材料，性能好壞影響隧道結構的安全性與服役壽命長短，而噴射混凝土作為隧道初期支護的核心材料，服役過程中存在強度不夠，開裂滲漏、外觀平整性差及與防水層結合縫隙大等問題[1]，因此發展高性能隧道支護技術及配套噴射混凝土應用技術成為隧道施工技術研究的一大重要趨勢。

20 世紀70 年代，單層襯砌技術作為一種高性能隧道支護技術逐步興起，從定義上，它主要由單層或多層噴射或模筑混凝土構成，支護層與襯砌層之間無防水板設置，為一體結構，各層間能夠充分傳遞縱向或徑向上的滑移剪力[2]。取消防水板的設計思路使得單層襯砌結構在相同結構受力下能減少支護厚度、防水板材料使用以及噴射混凝土方量，進而具有施工工序簡單及開挖效率高、層間滑移剪切力與荷載受力更小、對非平整面巖體結構的圍巖支護能力高、可作為永久支護結構等優點[3]，但由于單層襯砌結構主要采用鋼纖維噴射混凝土材料，纖維增韌材料及硅灰等高活性摻和料，纖維的不易分散及結團容易造成設備堵管、纖維反彈傷人的安全性問題[4]。從單層襯砌技術的發展歷程、支護結構形式及設計方法、材料組成及防排水設計方面對隧道單層襯砌技術及應用現狀進行了闡述，為隧道單層襯砌作為永久支護結構的應用推廣提供技術背景及參考價值。

1 發展歷程

最早的單層襯砌技術應用工程來自于挪威、瑞典及德國等北歐國家，1984 年以來，挪威在隧道施工過程中，發現采用鋼纖維噴射混凝土應用在有節理易超挖的巖層內，可有效提供永久支護作用，并在后續的460km 干線公路隧道及部分海底隧道工程中得到廣泛應用及推廣[5]，較為有名的單層襯砌工程有挪威拉達爾公路隧道、瑞士費爾艾那隧道及德國慕尼黑地鐵，其中隧道襯砌以錨噴支護結構體系為主，多采用以高品質鋼纖維噴射混凝土為主的單層襯砌作為永久結構。20 世紀90 年代，美國、日本及巴西等國家也分別在泄洪隧洞、鐵路隧道及水電站等地下工程將單層襯砌技術作為永久支護設計進行應用。

中國方面，隧道工程采用單層襯砌技術作為永久支護手段，應用范圍較窄且施工規模不大，但近年隨著西南山區高鐵及川藏公路等基礎建設步伐的加快，鐵路和公路部門將單層襯砌技術在大量隧道工程中得到實際應用，取得了很好的技術經濟效益，但主要應用于圍巖等級較好、自穩性高的短隧道工程或輔助斜井工程。19 世紀60年代成昆鐵路某段使用了錨桿支護結合噴射混凝土的單層襯砌技術，運營現狀良好；西南鐵路的磨溝嶺隧道采用模筑鋼纖維混凝土單層襯砌；2010 年摩天嶺隧道斜井，傾角24°21＇48＇、全長1367.31m，為國內首例長傾角斜井，由于以模筑混凝土為二襯結構的施工難度較大，為此采用以鋼纖維噴射混凝土材料為主的單層襯砌技術[6]，此外在大別山隧道斜井中也采用了單層襯砌結構，其材料主要為硅粉鋼纖維噴射混凝土[7]，2018 年梨花井隧道采用挪威Q 值法在三級圍巖灰巖破碎帶條件下應用了錨桿支護加噴射混凝土結構設計的單層襯砌技術[8]。

2 結構形式及設計方法

單層襯砌的結構形式取決于隧道結構的穩定性評價分析結果，也是單層襯砌技術的設計方法的重要依據。國際上較為典型的設計方法有挪威隧道修建法（Norwegian Method of Tunneling），即“Q值法”、極限狀態法及能量原理設計法，而國內尚未形成自己的成熟設計體系，更多借鑒挪威Q 值法與德國在1995 年提出的單層襯砌結構技術規定（對比如表1）。

表1 挪威Q 值法與德國結構技術規定的單層襯砌設計方法

對比德國對單層襯砌設計方法的規定，挪威法隧道設計內容包含：正確的圍巖評價、合理的支護參數選定以及高性能的支護材料。其中噴射混凝土常采用C35-C45，采用“Q 值”確定支護參數，并大量使用了鋼纖維、硅粉、無堿液體速凝劑和CT 錨桿等材料，其分級及材料應用上更為詳細，故對比Q 值法，德國法、極限狀態法與能量守恒法設計方法應用范圍較小，設計難度也較高。極限狀態設計法根據2 種極限狀態（破壞極限狀態和使用極限狀態）下的分項系數，最終設計材料組成及構造厚度、形式以滿足結構的安全性和適用性要求，由于極限設計法需充分考慮其用途、地層條件、構造部位、隧道周邊環境、地下水等設計條件及開挖方法，設計上更為科學合理，但設計及計算工作量耗時長，而根據能量守恒原理，則從圍巖能量釋放穩定角度，平衡襯砌破壞吸收能量與圍巖釋放能量，來判斷整體系統的穩定情況[9]。

3 材料組成及防排水設計

從材料組成上，目前單層襯砌結構的核心材料為纖維噴射混凝土，并多采用硅灰類高活性混合材，部分研究中還采用了偏高嶺土活性摻和料與鋼纖維材料的材料組成體系[10]。與素噴射混凝土相比，纖維噴射混凝土（SFRS）通過均勻亂向分布的鋼纖維明顯改善了混凝土的脆性材料本質，使得初支結構的抗沖擊剪切、耐磨性及抗侵蝕耐久性能有明顯改善，此外，鋼纖維噴射混凝土在發生較大變形后仍能保持承載能力，可有效改善噴射混凝土早期強度偏低時對軟弱圍巖的支護作用與粘結效果。硅灰等活性混合材的摻入能顯著提供混凝土與鋼纖維之間的粘結強度、更有效發揮纖維的增強作用，此外，還能明顯改善噴射混凝土的后期硬化強度與抗滲性能[11]。

不同于復合式襯砌結構，單層襯砌結構無法采用防水板，需建立新的防排水理念及技術體系。從目前國內外襯砌結構排水建設效果看，通過有效的堵排水措施可以滿足二級防水標準，僅依靠單層襯砌本身滿足一級防水標準存在較大的技術攻關難度[12]。

隧道防排水按防排水設計方法可分為材料自身防水與結構堵排水，如挪威法是主要依靠噴混凝土本身自防水而德國隧道以排水為主，防水為輔。結構堵排水研究方面，北歐國家單層襯砌防排水技術思路為以圍巖注漿堵水為主，輔之以噴膜防水。但圍巖注漿堵水受到地質與水文條件的限制，技術復雜，注漿成本也很高，此外，噴膜防水成本較高，同時質量缺陷將可能造成防水失效。國內結構排水方面主要借鑒德國排水模式，對隧道消除承壓地下水的方法常用措施是隧道仰拱地下設置縱向貫通的排水通道。從噴射混凝土材料自身防水角度，需要對混凝土標號提高、原材料質量控制方面進行精細調整，難度較大，在材料設計上以鋼纖維硅灰噴射混凝土、聚合物噴射混凝土較為普遍，但聚合物體系在改善混凝土抗折強度與抑制微裂縫生長擴張方面作用明顯，但對構件抗壓強度等力學強度會產生一定負面影響[2]。

4 結語

作為高性能襯砌結構的一種，單層襯砌技術的出現緩解了復合式襯砌結構的多層滑移荷載作用，減少了滿足承載要求的有效結構厚度與施工方量，是一種可作為永久襯砌支護建設的重要途徑。相比較國內，國外對于單層襯砌技術的設計方法、應用及理論計算較為成熟，形成了以Q 值法-挪威隧道修建法為典型代表的系統單層襯砌應用技術，而國內對此技術的實際應用存在一定技術難度，主要在于核心材料鋼纖維噴射混凝土的制備及配套噴射工藝、設備，從而導致實際單層襯砌結構無法滿足抗水滲等級高、軟弱圍巖等級的襯砌支護要求。圍繞目前單層襯砌存在的技術難點以及中國西南復雜地形山區條件下的基礎隧道工程建設大背景，筆者認為單層襯砌的未來發展主要從以下4 個方面出發：單層襯砌結構厚度設計及其與圍巖粘結作用構效；適應于單層襯砌結構的防排水設計方法；高性能纖維噴射混凝土的制備技術及質量評價；復雜服役環境下單層襯砌結構的耐久性等。