第三讲-单层衬砌讲稿

隧道单层衬砌技术仇文革教授第一部分单层衬砌技术现状与发展趋势综述一、隧道衬砌结构的形式与发展概况二、单层衬砌技术现状

三、单层衬砌的发展趋势

整体式衬砌复合式衬砌单层衬砌1、隧道衬砌结构形式的历史演变一、衬砌结构的形式与发展概况

整体式衬砌是传统的衬砌结构形式，设计截面一般较厚，经济性差。复合式衬砌是应用最为广泛的衬砌结构形式。缺点：不密贴，被动防水，施工步序多。2、各种衬砌形式的使用情况及存在问题

一、衬砌结构的形式与发展概况

单层衬砌是在欧洲使用比较多的，瑞典、挪威等国家。

解决“密贴”问题，轮廓基本圆顺，避免局部应力集中，确保支护系统和围岩的稳定性。单层衬砌大部分是用喷射混凝土修筑的，不需要模板、拱架等，降低造价和缩短工期。2、各种衬砌形式的使用情况及存在问题

一、衬砌结构的形式与发展概况

在取消防水板的前提下，洞室开挖后立即喷射一层具有防水性能的混凝土，并根据围岩级别设置必要的支护构件，如锚杆、钢拱架等，然后根据耐久性及平整度的要求，再施作（喷射或模筑）一层或多层混凝土，构成层间具有很强粘接力并可充分传递剪力的支护体系。1、单层衬砌定义二、单层衬砌技术现状

1、单层衬砌定义二、单层衬砌技术现状

德国形式2、单层衬砌结构形式二、单层衬砌技术现状

构造形式第1层第2层1钢纤维喷混凝土钢纤维喷混凝土2钢纤维喷混凝土钢纤维模注混凝土3钢纤维喷混凝土钢筋喷混凝土4钢纤维喷混凝土钢筋混凝土5钢筋喷混凝土钢纤维喷混凝土6钢筋喷混凝土钢纤维模注混凝土挪威形式2、单层衬砌结构形式二、单层衬砌技术现状

编号永久支护类型1不支护2点锚支护，sb3系统锚杆支护，B4系统锚杆支护（加喷普通混凝土，4~10cm），B（+S）5纤维增强喷射混凝土加锚杆支护5~9cm，Sfr+B6纤维增强喷射混凝土加锚杆支护9~12cm，Sfr+B7纤维增强喷射混凝土加锚杆支护12~15cm，Sfr+B8纤维增强喷射混凝土>15cm，喷射混凝土加锚杆支护，Sfr+RRS+B9模筑混凝土衬砌，CCA设计基准强度

3、用作单层衬砌的喷射混凝土力学指标二、单层衬砌技术现状

单位类别设计基准强度（N/mm2）道路协会喷混凝土18铁道建设·运输施设高品质喷混凝土18道路公团喷混凝土18高强度喷混凝土36高强度纤维喷混凝土36日本设计基准强度

3、用作单层衬砌的喷射混凝土力学指标二、单层衬砌技术现状

EFNARC要求强度（N/mm2）强度划分C24/30C28/35C32/40C36/45C40/50C44/55C48/60圆柱体试件24283236404448立方体试件30354045505580设计基准强度

3、用作单层衬砌的喷射混凝土力学指标二、单层衬砌技术现状

挪威抗压强度（N/mm2）C30C35C40C45C50C55立方体试件的最小抗压强度（N/mm2）303540455055取样试件的最小抗压强度（N/mm2）19.222.425.628.832.035.2设计基准强度

3、用作单层衬砌的喷射混凝土力学指标二、单层衬砌技术现状

中国等级C15C20C25C30轴心抗压（N/mm2）7.510.012.515.0看出：我国和日本的规定水准相对较低，欧洲规范，很少有用小于C25的喷混凝土，喷混凝土的设计基准强度有向高强度方向发展。喷混凝土的初期强度

3、用作单层衬砌的喷射混凝土力学指标二、单层衬砌技术现状

日本单位类别3小时抗压强度（N/mm2）24小时抗压强度（N/mm2）道路协会喷混凝土－5铁道建设·运输设施高品质喷混凝土1.58道路公团喷混凝土－5高强度喷混凝土210高强度纤维喷混凝土210喷混凝土的初期强度

3、用作单层衬砌的喷射混凝土力学指标二、单层衬砌技术现状

挪威龄期用作永久支护的纤维增强喷射砼用作永久支护的普通喷射砼1小时（N/mm2）>0.5—4小时（N/mm2）>1.0—6小时（N/mm2）1.50.512小时（N/mm2）3.01.01天（N/mm2）5.02.07天（N/mm2）10.0—喷混凝土的初期强度

3、用作单层衬砌的喷射混凝土力学指标二、单层衬砌技术现状

EFNARC喷混凝土的初期强度

3、用作单层衬砌的喷射混凝土力学指标二、单层衬砌技术现状

中国《客运专线铁路隧道工程施工技术指南》（TZ214-2005）中对初期强度有这样的规定，3h强度达到1.5MPa，24h强度达到5.0MPa。纤维喷混凝土的弯曲韧性

3、用作单层衬砌的喷射混凝土力学指标二、单层衬砌技术现状

《纤维混凝土结构技术规程》（CECS38：2004）对钢纤维喷射混凝土的韧性指标：作为围岩支护和衬砌的钢纤维喷射混凝土，其弯曲韧度比一般要求不小于0.70；采用平板加载试验（EFNARC）确定韧度指标时，用作单层永久衬砌，相应于挠度为25mm的变形能需达到700J。喷混凝土的粘结强度3、用作单层衬砌的喷射混凝土力学指标二、单层衬砌技术现状

粘结强度有两种：抗拉粘结强度与抗剪粘结强度。抗拉粘结强度是衡量喷射混凝土在受到垂直于结合界面上的拉应力时保持粘结的能力；而抗剪粘结强度则是抵抗平行于结合面上作用力的能力。

喷混凝土的粘结强度3、用作单层衬砌的喷射混凝土力学指标二、单层衬砌技术现状

EFNARC粘结的划分与既有混凝土间的粘结与岩体之间的粘结作为受力支护结构1.0MPa0.5MPa非结构性的防护0.5MPa0.1MPa挪威规定:粘结强度在0.2~1.8MPa之间;《锚杆喷射混凝土支护技术规范》：喷射混凝土与围岩的粘结强度I、II级围岩不应低于0.8MPa，III级围岩不应低于0.5MPa

4、工程实例二、单层衬砌技术现状

以色列海法市卡迈尔隧道4、工程实例二、单层衬砌技术现状

以色列海法市卡迈尔隧道4、工程实例二、单层衬砌技术现状

瑞士穿越阿尔卑斯山的旅游铁路隧道

4、工程实例二、单层衬砌技术现状

瑞典斯德哥尔摩地铁

5、设计方法二、单层衬砌技术现状

挪威法

5、设计方法二、单层衬砌技术现状

极限状态法能量原理设计法

6、防水性能二、单层衬砌技术现状

加入外加剂；如硅粉、粉煤灰等尽量不采用钢筋网喷射混凝土

7、衬砌平整度二、单层衬砌技术现状

控制爆破，对喷射混凝土表面处理“外装修”，离壁式衬砌等

三、单层衬砌发展趋势

目前的情况：

设计方法----Q系统法支护形式----喷射混凝土、湿喷为主材料性能----高强高性能发展存在的不足：围岩评价方法过于单一、经验性强单层衬砌的作用机理研究不够深入喷混凝土力学指标分析还不够全面国内没有单层衬砌的设计规范和施工指南第二部分围岩稳定性分析方法及单层衬砌支护机理研究一、围岩分级的评价方法二、毛洞稳定性的影响因素三、洞室围岩稳定性分析方法四、单层衬砌的作用机理分析五、本部分总结一、围岩分级的评价方法对于地下工程而言，一个准确而合理的围岩分级，不仅是人们认识洞室围岩特征，正确进行隧道设计、施工的基础，而且也是现场进行科学管理，发展新的施工工艺以及正确评价经济效益的有力工具。因此，在进行单层衬砌支护机理研究之前，先对目前国内外围岩分级方法作一分析。按岩石质量指标RQD分级岩体的地质力学分级法

（RMR）日本、中国铁路隧道围岩分级

巴顿岩体质量分类（Q分类)

围岩分级的评价方法一、围岩分级的评价方法二、毛洞稳定性的影响因素毛洞稳定性影响因素归纳起来可分两类：一类是客观存在的地质因素；地质因素是影响毛洞稳定性的本质的、决定性因素，主要包括岩性、地质构造、地应力场和地下水等；一类是人为的工程因素；工程因素是通过地质因素的影响而起作用的，主要包括洞室的方位、形状、规模、施工方法以及支护形式和时机等。服务于稳定性评价两个概念：

物体受到荷载作用后，随着荷载的增大，由弹性状态过渡到塑性状态，这种过渡叫做屈服。三、洞室围岩稳定性分析方法1、基于屈服接近度的洞室围岩稳定性分析两个概念：

屈服接近度可广义的表述为：描述一点的现时状态与相对最安全状态的参量的比。相对于某一强度理论则可以定义为：空间应力状态下的一点沿最不利应力路径到屈服面的距离与相应的最稳定参考点在相同罗德角方向上沿最不利应力路径到屈服面的距离之比。三、洞室围岩稳定性分析方法1、基于屈服接近度的洞室围岩稳定性分析三、洞室围岩稳定性分析方法1、基于屈服接近度的洞室围岩稳定性分析Mohr-Coulomb准则的屈服接近度分析剪切破坏：三、洞室围岩稳定性分析方法1、基于屈服接近度的洞室围岩稳定性分析Drucker-Prager准则的屈服接近度分析三、洞室围岩稳定性分析方法1、基于屈服接近度的洞室围岩稳定性分析Drucker-Prager准则的屈服接近度分析三、洞室围岩稳定性分析方法1、基于屈服接近度的洞室围岩稳定性分析Drucker-Prager准则的屈服接近度分析三、洞室围岩稳定性分析方法1、基于屈服接近度的洞室围岩稳定性分析基于屈服接近度毛洞稳定性分级分级依据：（1）利用复杂应力状态下的应力分量进行表述，可以较全面客观地反应围岩的实际状态；同时将力学概念与几何特点结合起来，表述清楚，简单实用。三、洞室围岩稳定性分析方法1、基于屈服接近度的洞室围岩稳定性分析基于屈服接近度毛洞稳定性分级分级依据：（2）围岩中未发生屈服的点并不表示其安全程度是一样的，相同的应力水平下，屈服点的安全程度也是有差别的，而屈服接近度则可以合理地表达这种差别，分析比较接近实际情况。三、洞室围岩稳定性分析方法1、基于屈服接近度的洞室围岩稳定性分析基于屈服接近度毛洞稳定性分级分级依据：（3）在预设计阶段，可通过理论分析和数值模拟手段，不仅可以得到塑性区分布范围，还可通过屈服接近度分析确定塑性区之外区域的应力集中程度的分区，表达了其应力危险性。三、洞室围岩稳定性分析方法屈服接近度毛洞稳定性分级稳定性特征支护措施充分稳定洞室有足够的自稳能力和自支护能力；无坍塌。饰面支护或防护支护稳定暴露时间长，洞室可能会出现局部小坍塌，侧壁稳定。构造支护临界稳定拱部无支护可产生小坍塌，侧壁基本稳定。轻型承载支护不稳定拱部无支护时，可产生较大的坍塌，侧壁有时失去稳定。喷锚支护，并采用全封闭支护体系。围岩易坍塌，处理不当会出现大坍塌，侧壁经常小坍塌；浅埋时易出现地表下沉或塌至地表。辅以超前支护，加强型喷锚支护，并采用全封闭支护体系。围岩极易坍塌，洞室无自支护能力，浅埋时易塌至地表。辅以超前支护及地层加固，加强型喷锚支护，并采用全封闭支护体系。1、基于屈服接近度的洞室围岩稳定性分析三、洞室围岩稳定性分析方法2、基于围岩松动圈的洞室围岩稳定性分析围岩松动圈支护理论的立论：围岩松动圈是隧道开挖后客观存在和普遍存在的；支护对象为松动破裂发展中的岩石碎胀变形或碎胀力；支护的作用一方面是维护破裂的岩石在原位不垮落，另一方面是限制围岩松动圈形成过程中的有害变形。三、洞室围岩稳定性分析方法2、基于围岩松动圈的洞室围岩稳定性分析围岩松动圈稳定性判据：松动圈是地应力与围岩强度相互作用的结果，它是一个综合指标。

松动圈越大，围岩收敛变形量越大、支护越困难，反之则易。松动圈的大小反映了支护的困难程度。

松动圈与有无支护关系不大。三、洞室围岩稳定性分析方法围岩类别分类名称松动圈Lp(

cm）支护机理及方法备注小松动圈Ⅰ稳定围岩0~40喷射混凝土支护围岩整体性好，不易风化的可不支护中松动圈Ⅱ较稳定围岩40~100锚杆悬吊理论喷层局部支护Ⅲ一般围岩100~150锚杆悬吊理论喷层局部支护刚性支护局部破坏大松动圈Ⅳ一般不稳定围岩（软岩）150~200锚杆组合拱理论，喷层、金属网局部支护刚性支护大面积破坏Ⅴ不稳定围岩（较软围岩）200~300锚杆组合拱理论，喷层、金属网局部支护围岩变形有稳定期Ⅵ极不稳定围岩（极软围岩）>300待定围岩变形在一般支护条件下无稳定期2、基于围岩松动圈的洞室围岩稳定性分析三、洞室围岩稳定性分析方法2、基于围岩松动圈的洞室围岩稳定性分析围岩松动圈的测试技术：超声波测井探测法

地质雷达

探测法三、洞室围岩稳定性分析方法2、基于围岩松动圈的洞室围岩稳定性分析围岩松动圈的影响因素（数值计算）：隧道跨度。3~7m范围内，影响可忽略不计，大于7m，产生明显影响，跨度越大松动圈越大。

侧压力系数。侧压力系数小，松动圈大；侧压力系数大，松动圈小。三、洞室围岩稳定性分析方法2、基于围岩松动圈的洞室围岩稳定性分析围岩松动圈的影响因素（数值计算）：地应力。初始地应力越大，松动圈越大。

三、洞室围岩稳定性分析方法2、基于围岩松动圈的洞室围岩稳定性分析围岩松动圈的影响因素（数值计算）：岩体强度。岩体强度越低，松动圈越大。

三、洞室围岩稳定性分析方法2、基于围岩松动圈的洞室围岩稳定性分析围岩松动圈的影响因素（数值计算）：影响松动圈大小的各因素中，按其重要程度从大到小排序依次为：隧道高跨比、围岩强度比以及侧压力系数。

基于Q系统的洞室围岩稳定性分析基于屈服接近度的洞室围岩稳定性分析基于围岩松动圈的洞室围岩稳定性分析三、洞室围岩稳定性分析方法3、洞室稳定性分析方法的综合评价基于Q系统的洞室围岩稳定性分析：Q值计算中，各个参数的取值是通过给定性描述赋权值的方法进行，操作简单，使用方便。未考虑宏观地质构造（如断层、褶皱等）、地形对洞室稳定性的影响，进行“修正”。三、洞室围岩稳定性分析方法3、洞室稳定性分析方法的综合评价基于Q系统的洞室围岩稳定性分析：

宏观地质构造影响：断层三、洞室围岩稳定性分析方法3、洞室稳定性分析方法的综合评价基于Q系统的洞室围岩稳定性分析：

宏观地质构造影响：褶皱三、洞室围岩稳定性分析方法3、洞室稳定性分析方法的综合评价基于Q系统的洞室围岩稳定性分析：

地形影响：地形坡度三、洞室围岩稳定性分析方法3、洞室稳定性分析方法的综合评价基于Q系统的洞室围岩稳定性分析：

地形影响：河谷三、洞室围岩稳定性分析方法3、洞室稳定性分析方法的综合评价基于Q系统的洞室围岩稳定性分析：

地形影响：河谷三、洞室围岩稳定性分析方法3、洞室稳定性分析方法的综合评价基于Q系统的洞室围岩稳定性分析：

Q值的修正计算：三、洞室围岩稳定性分析方法3、洞室稳定性分析方法的综合评价基于屈服接近度的洞室围岩稳定性分析：

根据实测的围岩物理力学指标，计算给出屈服接近度等值线进行评价。不仅给出了塑性区的范围，还给出了塑性区之外区域的应力集中程度的分区，表达了其稳定程度；但在屈服接近度等于零等值线以内范围，根据塑性区的大小判断围岩的稳定程度，还需在实践中进一步完善。

三、洞室围岩稳定性分析方法3、洞室稳定性分析方法的综合评价基于围岩松动圈的洞室围岩稳定性分析：实际上是一种信息化方法。绕过了原岩应力、围岩强度、结构面性质测定等困难问题，着重抓住它们的影响结果，即松动圈测试，完成围岩稳定性评价；但在工程设计初期，无法对松动圈的大小进行预测完成预设计。三、洞室围岩稳定性分析方法3、洞室稳定性分析方法的综合评价综合分析：提出分两阶段设计的思路：预设计与修正设计。施工前，根据屈服接近度对围岩进行评价，提出预设计支护参数；施工阶段，通过松动圈大小的测试，根据实测结果与预设计的符合程度，对预设计进行修正，完成整个设计。三、洞室围岩稳定性分析方法3、洞室稳定性分析方法的综合评价四、单层衬砌的作用机理分析1、单层衬砌的支护对象分析支护的主要对象：围岩破裂过程中的岩石碎胀变形或碎胀力。支护的作用一方面是维护破裂的岩石在原位不垮落，另一方面是限制松动圈形成过程中的有害变形。四、单层衬砌的作用机理分析1、单层衬砌的支护对象分析碎胀力：由于岩石碎胀变形对周围介质（支护）产生的变形压力称之为碎胀力

。四、单层衬砌的作用机理分析1、单层衬砌的支护对象分析围岩与支护的共同作用原理：四、单层衬砌的作用机理分析2、单层衬砌的力学传递机理围岩压力的传递应力的内部传递四、单层衬砌的作用机理分析2、单层衬砌的力学传递机理满足单层衬砌的力学传递特性，单层衬砌构造必须满足两个条件：一是喷混凝土要有一定的早期强度；二是喷混凝土与围岩之间、喷混凝土层与喷混凝土层有足够的粘结强度，包括沿着接触面切线方向产生“错位”的抗剪粘结力和沿着接触面法线方向的“因拉拔引起的剥落”的抗拉粘结力。

四、单层衬砌的作用机理分析3、单层喷混凝土衬砌的作用机理分析喷混凝土衬砌的局部受力机理分析喷混凝土衬砌的整体受力机理分析单体锚杆的支护作用机理分析群锚组合支护的作用机理喷锚组合支护的作用机理基于接触的单层衬砌力学模型：

单层衬砌结构，围岩与结构之间、结构与结构之间都是不连续的，接触面两侧介质不再保持为一个变形连续的整体，直接采用针对连续介质的有限单元法求解，将会产生较大误差和严重失真。在常规的连续介质模型基础上，引入接触单元模拟接触问题，从而进行非线性有限元分析，来分析由两层混凝土构成的单层衬砌结构的受力机理。

四、单层衬砌的作用机理分析4、多层混凝土构成的单层衬砌作用机理分析接触面的本构模型：许多中外学者对接触面本构关系提出了多种接触面本构模型，摩尔—库仑模型是最常用也是最重要的剪切破坏准则。因此下面主要介绍平直接触面和粗糙起伏接触面的摩尔—库仑剪切破坏准则。四、单层衬砌的作用机理分析4、多层混凝土构成的单层衬砌作用机理分析①平直结构面的摩尔—库仑剪切破坏模型四、单层衬砌的作用机理分析4、多层混凝土构成的单层衬砌作用机理分析②粗糙起伏结构面的摩尔—库仑剪切破坏模型如接触面是粗糙起伏的，在直剪作用下，剪切面与剪力作用不在同一个平面内，剪切表现为剪胀和扩容的现象。当接触面表面有起伏角锯齿起伏时，如接触面的粘结强度为零，峰值抗剪强度为：四、单层衬砌的作用机理分析4、多层混凝土构成的单层衬砌作用机理分析接触构件横截面上应力分布特征研究：两梁接触在一起，在压弯组合的作用下，如两梁之间的抗剪强度很小，类似于叠合梁受力；如两梁之间的抗剪强度足够大，在压弯组合作用下两梁始终粘结在一起，此时结构类似于合成梁受力。四、单层衬砌的作用机理分析4、多层混凝土构成的单层衬砌作用机理分析接触面上抗剪强度为零时，两梁之间产生相对滑动，横截面上的应力分布见左图；接触面上抗剪强度足够大时，两梁之间由于粘结作产生共同变形，横截面上的应力分布见右图，当两梁的弹性模量不同时，在接触面处应力发生突变。四、单层衬砌的作用机理分析4、多层混凝土构成的单层衬砌作用机理分析单层衬砌与复合式衬砌的力学机理比较分析：工况结构类型初期支护厚度/cm二次衬砌厚度/cm备注一复合衬砌1535初期支护为C20喷混凝土；二次衬砌为C25模筑混凝土二单层衬砌1535三单层衬砌1025计算工况四、单层衬砌的作用机理分析4、多层混凝土构成的单层衬砌作用机理分析接触面屈服准则：四、单层衬砌的作用机理分析4、多层混凝土构成的单层衬砌作用机理分析计算结果分析：工况一复合衬砌，接触状态为相互之间滑动；初支与二衬之间的接触面上产生的摩擦力很小，可认为衬砌结构类似于叠合梁压弯构件。工况二单层衬砌，接触状态为相互粘结。在接触面上可充分传递剪应力，结构产生整体变形，可认为衬砌结构类似于组合梁压弯构件。工况三相对于工况二，初支和二衬厚度都减少了，两者的结构力学特性及变化趋势基本一致。四、单层衬砌的作用机理分析4、多层混凝土构成的单层衬砌作用机理分析在同等荷载条件下，支护结构的厚度也相同时，单层衬砌比复合衬砌产生的内力小20%~50%；如产生的内力相等时，单层衬砌结构比复合衬砌的厚度可减薄1/5~1/4，隧道开挖量减少5%~8%。因此，采用单层衬砌能够减少开挖量和衬砌圬工量，节省工程造价。计算结果分析：四、单层衬砌的作用机理分析4、多层混凝土构成的单层衬砌作用机理分析对于由多层混凝土构成的单层衬砌结构，结构内力分配遵循这样的原则：先按时间分配，然后按刚度分配，即支护早施作早受力，刚度越大，其所承受的内力也越大。计算结果分析：四、单层衬砌的作用机理分析4、多层混凝土构成的单层衬砌作用机理分析（1）研究了褶皱、断层等地质构造以及地形对围岩稳定性的影响，并提出在N.Barton岩质评定系数Q值计算式中引入褶皱影响系数、断层影响系数以及地形影响系数，反映其影响程度的大小。五、本部分总结（2）提出了以定量数值计算为先导，松动圈实测进行修正的单层衬砌设计思路，减少了人为因素的影响，提高了设计的准确性。五、本部分总结（3）首次通过有限元分析得到了围岩压力与围岩变形的全过程特征曲线。（4）为满足单层衬砌的力学传递特性，单层衬砌构造必须满足两个条件：一是喷混凝土要有一定的早期强度；二是喷混凝土与围岩之间、混凝土各层之间有足够的粘结强度。

五、本部分总结（5）结合松动圈支护理论，给出由单层喷混凝土构成的单层衬砌作用机理：①喷混凝土支护分：局部受力机理和整体受力机理。在局部受力状态下，单层衬砌的支护作用主要是防止围岩的风化潮解和活石的掉落；在整体受力状态下，单层衬砌同时起支承和加固作用。五、本部分总结②在非连续性岩体中，单体锚杆的作用主要表现为悬吊或销钉作用；在连续性岩体中，锚杆锚固力主要是峰后围岩碎胀变形与锚杆相互作用的结果。五、本部分总结（6）引入接触力学对由多层混凝土构成的单层衬砌结构的作用机理进行了研究，并与复合衬砌结构的力学机理进行了比较。①单层衬砌结构中，在混凝土接触面上可充分传递剪应力，结构类似于组合梁压弯构件；复合衬砌结构中，由于防水板的存在，接触面上产生的摩擦力很小，结构类似于叠合梁压弯构件。

五、本部分总结②在同等荷载条件下，支护结构的厚度相同时，单层衬砌结构比复合衬砌结构产生的内力小20%~50%；如产生的内力相等时，单层衬砌结构比复合衬砌结构的厚度可减薄1/5~1/4，隧道开挖量减少5%~8%。因此，采用单层衬砌能够减少开挖量和衬砌圬工量，节省工程造价。五、本部分总结③由多层混凝土构成的单层衬砌结构中，内力分配遵循“先时间，后刚度”的原则，即支护早施作早受力，刚度越大，其所承受的内力也越大。

五、本部分总结第三部分单层衬砌材料性能及结构受力特征试验研究一、喷混凝土的力学性能试验二、喷混凝土的抗渗性三、单层衬砌的锚杆性能要求四、单层衬砌结构受力特征试验研究五、本部分结论一、喷混凝土的力学性能试验基准抗压强度初期强度劈裂抗拉强度抗弯拉强度粘结强度几点认识或体会一、喷混凝土的力学性能试验基准抗压强度试件成型：人工拌合捣固、喷大板；现场测试混凝土压应力：6~8MPa；建议C25满足设计要求，考虑长期耐久行，可采用更高标号。一、喷混凝土的力学性能试验初期强度试件成型：人工拌合捣固、喷试模、钻芯等；试验或检测方法：无损（射钉）或破损；短时间内得到混凝土的初期强度。一、喷混凝土的力学性能试验外掺纤维等掺钢纤维的研究很多，重点研究了聚丙烯纤维；《规范》，物理作用，不改变配合比，但抗压强度有所降低，约8%~10%；劈裂、抗折都有明显提高15%~20%；抗渗可提高一级。一、喷混凝土的力学性能试验一、喷混凝土的力学性能试验二、喷混凝土的抗渗性抗渗试验用渗透系数、渗水高度表示可能更直观一些，使用起来更方便；渗透系数与时间、水压力、混凝土厚度的关系；粉煤灰、硅粉对抗渗的作用。三、单层衬砌的锚杆性能要求影响锚杆耐久性的因素的主要因素：1、腐蚀破坏2、脱粘3、锚头松动、脱落或损坏三、单层衬砌的锚杆性能要求提高锚杆耐久性的主要措施：1、设计方面2、施工方面四、单层衬砌结构受力特征试验研究围岩压力

X2DK1+053断面（单层）

X2DK1+065断面（复合）绝对压力值都很小。四、单层衬砌结构受力特征试验研究

X2DK1+053断面（单层）

X2DK1+065断面（复合）现场测试得到的最大压应力值仅为设计值的10%。这意味着在二次衬砌结构中由于围岩压力引起的应力很小，衬砌内的应力变化可认为是由于温度应力所引起的。混凝土应力四、单层衬砌结构受力特征试验研究锚杆轴力X2DK0+128断面右拱腰锚杆轴力实测值对于左拱腰及拱顶部位，轴力值无论正或负，其绝对数值都很小，这主要是锚杆孔内压注的水泥砂浆在凝结硬化过程中产生的收缩引起的；而对于右拱腰部位，最大轴力值为7.21MPa，且处于受压状态，这是由于围岩变形所引起的。

五、本部分结论（1）在用作单层衬砌的喷射混凝土中掺入改性材料是必要的，也是必需的；最终根据试验结果并结合国内外相关的工程实践，初步提出了用作单层衬砌的喷射混凝土力学性能控制指标，服务于单层衬砌结构设计。（2）现场测试得到的最大压力值仅为设计值的10%，单层衬砌支护结构完全可以满足使用和安全要求。（3）在I~III级围岩中，系统锚杆基本上不承担围岩变形所产生的轴力，锚杆轴力主要是由于温度应力或砂浆凝结硬化收缩变形引起的。五、本部分结论（4）喷混凝土与模筑衬砌之间的接触压力很小，模筑衬砌基本不承担围岩压力。因此，从结构力学方面看，施作40cm厚的二次衬砌太过保守，有必要进一步优化衬砌结构。五、本部分结论第五部分单层衬砌设计方法研究一、单层衬砌围岩稳定性分级二、单层衬砌的设计方法三、本部分结论在单层衬砌设计过程中，稳定分级包括基于屈服接近度的稳定性分级和基于松动圈的稳定性分级，其中基于屈服接近度稳定性分级应用于预设计阶段，基于松动圈的稳定性分级应用于施工阶段，可以对设计进行验证或者进行修正。一、单层衬砌围岩稳定性分级基于屈服接近度的稳定性分级一、单层衬砌围岩稳定性分级稳定性分级围岩稳定状态屈服接近度YAII极稳定>0.3Ⅱ很稳定（0.2,0.3]Ⅲ稳定（0.1,0.2]Ⅳ较稳定（0,0.1]Ⅴ一般0△R<2.0mVI较不稳定2.0m≤△R≤2.5mⅦ不稳定2.5m≤△R≤3.5mⅧ很不稳定3.5m≤△R≤5.5mⅨ极不稳定△R≥5.5m特殊岩体按照目前的勘察水平，完全确定这些参数还存在困难。铁路隧道围岩分级依据围岩坚硬程度和围岩完整程度两个因素确定围岩等级，再根据初始应力和地下水状态进行修正，根据定性定量相结合的方法来确定。因此在条件有限的情况下，可以借鉴采用铁路隧道围岩分级确定的经验力学指标。一、单层衬砌围岩稳定性分级基于松动圈的稳定性分级一、单层衬砌围岩稳定性分级稳定性分级围岩稳定状态松动圈Lp/cmI极稳定0Ⅱ很稳定（0,15]Ⅲ稳定（15~50]Ⅳ较稳定（50~100]Ⅴ一般（100~150]VI较不稳定（150~200]Ⅶ不稳定（200~300]Ⅷ很不稳定（300~500]Ⅸ极不稳定>500特殊岩体（1）单层衬砌是由单层或多层混凝土构成的支护体系，各层支护是一体的，各层间能充分传递剪力。单层衬砌各支护层间不设置防水板，结构通过各混凝土层间的径向和纵向上的抗滑移性，其结构类似于叠合梁，因而结构受力更合理。设计理念二、单层衬砌的设计方法（2）单层衬砌采用防、排、堵、截相结合，因地制宜，综合治理的防排水原则。（3）单层衬砌作为隧道的永久支护结构，其材料性能、耐久性指标应满足耐久性设计要求。设计理念二、单层衬砌的设计方法推荐在以下情况使用单层衬砌：（1）地下水不甚发育，或注浆堵水后地下水较小的山岭铁路隧道；（2）山岭铁路隧道辅助坑道；适用条件二、单层衬砌的设计方法（1）实地调查充分掌握隧道所在地区的水文地质、宏观地质构造等，实测围岩的物理力学指标；（2）确定围岩的屈服接近度，以此为据进行分级，提出预设计阶段的支护参数、施工材料及其控制指标；（3）进行隧道施工，实测围岩松动圈大小进行围岩稳定性评价，与预设计相符继续施工，如不符，修正预设计。设计流程二、单层衬砌的设计方法单层衬砌支护形式二、单层衬砌的设计方法稳定性分级围岩稳定状态支护机理支护型式I极稳定围岩自承无需支护Ⅱ很稳定构造支护喷射混凝土Ⅲ稳定悬吊作用局部锚杆+喷射混凝土Ⅳ较稳定悬吊作用+壳体支护系统锚杆+喷射混凝土Ⅴ一般悬吊作用+壳体支护系统锚杆+合成纤维混凝土VI较不稳定锚杆组合拱支护+加强型壳体支护系统锚杆+合成纤维喷混凝土+钢架Ⅶ不稳定预支护+锚杆组合拱支护+加强型壳体支护超前支护+系统锚杆+合成纤维喷混凝土+钢架Ⅷ很不稳定预支护+锚杆组合拱支护+加强型壳体支护超前支护+系统锚杆+钢纤维喷混凝土+钢架Ⅸ极不稳定预支护+锚杆组合拱支护+组合壳体支护超前支护+系统锚杆+钢纤维喷混凝土+钢架+模筑混凝土特殊设计各级围岩单层衬砌支护机理及支护型式二、单层衬砌的设计方法单层衬砌支护形式稳定性分级支护型式锚杆喷射混凝土钢架超前模筑预留补强空间厚度组成I无需支护5素喷10Ⅱ喷射混凝土5~8素喷10Ⅲ局部锚杆+喷射混凝土1~1.58~15素喷10Ⅳ系统锚杆+喷射混凝土1.5~21.5×1.215~2010Ⅴ系统锚杆+合成纤维混凝土2~2.51.2×1.220~2510VI系统锚杆+合成纤维喷混凝土+钢架2.5~31.2×1.225~3015cmΦ22格栅1.2m10Ⅶ超前支护+系统锚杆+合成纤维喷混凝土+钢架3~3.51.0×1.230~3515cmΦ22格栅1.0mΦ25超前锚杆10Ⅷ超前支护+系统锚杆+钢纤维喷混凝土+钢架4~51.0×1.035~4020cmΦ25格栅0.8mΦ42超前导管10Ⅸ超前支护+系统锚杆+钢纤维喷混凝土+钢架+模筑混凝土4~51.0×1.035~4020cmΦ25格栅0.6mΦ50双层超前导管3010特殊设计内衬三方面的作用：（1）在单层衬砌本身满足二级防水标准的基础上，通过内衬的隔水作用达到Ⅰ级防水标准；（2）内衬可采用模筑、管片等形式，可以满足平整度的要求；（3）作为结构强度的安全储备。二、单层衬砌的设计方法单层衬砌支护形式（1）应根据环境类别及其作用等级进行耐久性设计。（2）单层衬砌为永久性支护，设计使用年限应不小于100年。（3）喷射混凝土的最低强度等级为C30，抗渗等级不低于P8。（4）无腐蚀性采用水泥锚杆；有耐腐蚀要求，采用耐腐蚀锚杆。二、单层衬砌的设计方法单层衬砌耐久性要求《铁路隧道设计规范》及《铁路隧道防排水技术规范》中对防排水标准的规定相当于二级的防水标准，比高标准铁路如客运专线的防水等级要求要低一级。二、单层衬砌的设计方法防排水标准通过有效的堵排水措施可以满足二级防水标准，但是依靠单层衬砌本身满足一级防水标准目前来看是比较困难的。二、单层衬砌的设计方法防排水标准铁路隧道防排水应遵循“防、排、截、堵结合，因地制宜，综合治理”的原则。对比各个国家的隧道防排水模式，德国隧道以排水为主，防水为辅。挪威法就是主要依靠喷射混凝土本身自防水。二、单层衬砌的设计方法防排水设计原则实现单层衬砌自防水：（1）提高喷射混凝土密实性，加入外加剂。（2）施作聚合物改性喷混凝土用作防水层。（3）喷射混凝土不同层之间喷射防水涂料层。二、单层衬砌的设计方法防排水设计原则单层衬砌满足二级防水标准，设计思路为：（1）地下水发育地段采用堵、截水措施，如超前预注浆、开挖后径向注浆等；（2）内层衬砌采用连接地下水力通道，对股状水进行引排，对局部渗漏水进行注浆堵水；二、单层衬砌的设计方法防排水设计原则消除承压地下水是一项非常有效措施，国内外常用的措施是在隧道仰拱（或底板）底下设置纵向贯通的排水通道。二、单层衬砌的设计方法防排水设计原则帷幕注浆二、单层衬砌的设计方法堵、截水措施设计径向注浆二、单层衬砌的设计方法堵水及引排设计裂隙渗水面和状淋（渗）水注浆堵水股水引排盲沟图二、单层衬砌的设计方法堵水及引排设计涌水部位排水处理示意涌水部位通常盲沟设置方法图2-5-15涌水裂隙的盲管设置有水部位安设排水板二、单层衬砌的设计方法喷射混凝土规范规定：喷射混凝土的设计强度等级不应低于C15；对于重要隧道和辅助坑道工程，喷射混凝土的设计强度等级不应低于C20；喷射混凝土ld龄期的抗压强度不应低于5MPa。钢纤维喷射混凝土的设计强度等级不应低于C20，其抗拉强度不应低于2MPa，抗弯强度不应低于6MPa。二、单层衬砌的设计方法喷射混凝土喷射混凝土种类配比极限抗压强度（MPa）极限抗压强度（MPa）3h1d28d单层衬砌喷射混凝土4421036根据耐久性规定，100年设