复合式衬砌概述结构设计及工程案例

southwestjIaotongunIversIty西南交通大学SouthwestJiaotongUniversity复合式衬砌概述、结构设计及工程案例

概述复合式衬砌的设计工程案例主要内容一概述

复合衬砌是用锚喷支护作初期支护，模筑混凝土做二次衬砌的一种组合衬砌（二层间有或无防水层）。复合衬砌是以新奥法为基础进行设计和施工的一种新型支护结构，近几年在国内外的地下工程中得到了普遍的采用。研究和实践表明：复合衬砌理论先进、技术合理，能充分发挥围岩自承能力，提高衬砌承载力，加快施工进度，降低工程造价。复合式衬砌受力变形的特点

外层为锚喷的复合式衬砌的真实受力状态：不仅与衬砌本身的结构形式有关，而且与围岩特性以及施工工序直接相关。复合式衬砌受力变形的特点

在新奥法施工中，复合式衬砌的施工步骤一般为：断面开挖好以后及时喷混凝土，锚杆或钢拱支架的一种或几种作为初期支护对围岩进行加固，防止有害松动，维护围岩稳定，待初期支护的变形基本稳定后，再模筑二次衬砌。复合式衬砌受力变形的特点初期支护是主要受力结构；二次衬砌的作用将视围岩特性而异：在坚固地层中，二次衬砌仅作为安全储备；在软弱围岩中，二次衬砌不再是一种单纯的安全储备，也是受力结构的一个组成部分。新奥法技术

新奥法(NewAustrianTunnellingMethod)是奥地利学者Rabcewiz教授等一大批学者和工程技术人员在长期工程经验的基础上创立于50年代，并于1962年正式命名的一种隧道工程方法。新奥法技术

它的创立，给隧道工程实践的科学化和技术经济的合理化带来了根本性变革，因其工艺简单，结构可靠和造价低廉等特点而引起隧道工程界的重视，并已在世界各地的矿山、铁道、水工隧道、军事工程洞库或其它地下建筑工程中推广应用。新奥法技术

新奥法施工复合衬砌支护的基本原理在于：一是充分利用或发挥围岩的自承能力；二是增强围岩的强度，均衡围岩应力的分布，并允许围岩有一定程度的变形，以减小对支护的围岩压力；三是利用现场的监测值进行反馈施工。新奥法技术新奥法技术修筑隧隧道时支护体系中中岩体是主要承载载单元，并允许岩岩体发生一定数量量的变形。在岩体松弛前先向向洞壁施作柔性薄薄层混凝土封闭岩岩层，必要时，用用锚杆加固，以稳稳定围岩。这一工工序可重复一二次次，有时还在喷层层中增设网筋，围围岩变形趋于稳定定后，再作一层永永久支护。复合式衬砌的国内内外研究现状很多学者为了进一一步明确各种支护护形式的作用机理理，进行了大量的的理论和试验研究究。应用形状弹性应变能方法，对围岩的稳稳定，锚喷支护的的设计及其合理施施工等课题进行了了较系统的研究；；复合式衬砌的国内内外研究现状利用室内模型试验，对双层衬砌内外外层厚度不同时的的承载力、在软弱弱围岩中复合式衬衬砌结构的破坏形形态、复合式衬砌砌内外层不同时灌灌注时的极限承载载力与同厚度的单单层衬砌承载力的的比较等课题进行行了研究；复合式衬砌的国内内外研究现状利用弹塑性或粘弹塑性性理论对复合式衬砌整个个结构破坏时的极极限承载力，围岩岩与支护的相互作作用以及防水层对对衬砌承载能力的的影响等进行了分分析讨论。复合式衬砌需研究究的问题①隧洞围岩变形、应应力分布、破坏区区域随时间的变化规律；②初期支护和二次次衬砌作用机理及其作用效果；③复合式衬砌的设计计算方法；④复合衬砌二次衬衬砌的模筑时间以及地层与支护刚度的匹配；⑤围岩与支护的相互作用关系等。二复合式衬衬砌的设计初期支护设计初期支护一般指锚杆喷射混凝土支支护，必要时配合使用用钢筋网和钢拱架架。目前，国内一些锚锚喷支护设计规范范都明确规定，锚锚喷支护设计应采采用工程类比法为主，必要时辅以以监控量测法和理论验算法。初期支护设计工程类比设计法常有直接对比法和和间接类比法两种。直接对比法一般是以围岩的岩岩体强度和岩体完完整性、地下水影影响程度、洞室埋埋深、可能受到的的地应力、工程的的形状与尺寸、施施工的方法、施工工的质量以及使用用要求等方面因素素，将设计的工程程与上述条件基本本相同的已建工程程进行对比，由此此确定锚喷支护的的类型与参数（一）工程类比设设计的原则与方法法初期支护设计间接类比法一般是根据现行锚锚喷支护技术规范范，按其围岩级别别表及锚喷支护设设计参数确定拟建建工程的锚喷支护护类型与参数。（一）工程类比设设计的原则与方法法初期支护设计遵循的原则：(1)锚喷支护设计参数数表的制定是基于于国内大量锚喷工工程的实践，它以以工程实例为依据据，并经过综合分分析，主要按围岩岩级别与洞跨给出出相应支护类型与与参数。（一）工程类比设设计的原则与方法法初期支护设计遵循的原则：(2)根据不同的围岩压压力特点，对拱、、墙等不同部位采采用不同支护参数数。一般中等稳定定以上的围岩，主主要为局部失稳破破坏而承受松散地地压，支护参数的的选定应贯彻“拱拱是重点、拱墙有有别”的原则；对对不稳定的围岩，，主要承受变形地地压，所以拱墙宜宜采用相同的支护护参数。（一）工程类比设设计的原则与方法法初期支护设计遵循的原则：(3)力求体现锚喷支护护灵活性的特点及及围岩局部破坏局局部加固、整体加加固与局部加强的的等强度支护原则则。对不同的岩体体和不同的部位分分别采用不同的支支护类型与参数。。现行规范锚喷支护护参数表中，对同同一级的围岩级别别和洞跨，给出多多种锚喷支护类型型和参数，以便酌酌情选用。（一）工程类比设设计的原则与方法法初期支护设计遵循的的原则则：(4)锚喷支支护参参数表表中，，考虑虑了各各种设设计方方法的的配合合，虽虽然参参数表表中给给出的的支护护参数数是根根据工工程类类比确确定的的，但但要确确定最最终支支护参参数，，有的的还要要借助助于监监控设设计和和理论论设计计。（一））工程程类比比设计计的原原则与与方法法初期支支护设设计（一））工程程类比比设计计的原原则与与方法法遵循的的原则则：(5)考虑不不同的的工程程对象象，对对重要要工程程宜采采用支支护参参数表表中的的上限限值，，而一一般工工程宜宜采用用下限限值。。(6)支护参参数由由锚喷喷支护护设计计参数数表与与规范范中的的有关关条文文共同同确定定。例例如对对不稳稳定围围岩，，要求求锚杆杆有一一定的的密度度，通通常在在条文文中规规定了了锚杆杆的最最大间间距限限。初期支支护设设计锚喷支支护参参数应应当是是广义义的、、既包包括支护类类型、、支护护参数数，又应应包括括开挖方方法，仰拱施施作时时间和最终支支护时时间等。不过我国目前的的锚喷喷支护护规范范还没没有达达到这这一水水平，，只是是规定定了最终支支护的的施作作时间间。而在在锚喷喷支护护参数数表中中只给给出了了锚喷支支护类类型与与参数数。（二））锚喷喷支护护的类类型及及参数数表初期支支护设设计确定锚锚喷支支护类类型与与参数数时，，应当当体现现如下下原则则：(1)根据不不同的的围岩岩压力力的特特点，，对拱拱墙采采用相相应的的支护护参数数。(2)力求体体现使使用锚锚喷支支护类类型的的灵活活性及及允许许进行行局部部加固固围岩岩的特特点。。对不不同的的岩体体和围围岩的的不同同部位位采用用不同同的支支护类类型与与参数数。（二））锚喷喷支护护的类类型及及参数数表初期支支护设设计确定锚锚喷支支护类类型与与参数数时，，应当当体现现如下下原则则：(3)锚喷支支护参参数表表中给给出的的锚喷喷支护护参数数是根根据工工程类类比确确定的的。但但确定定最终终支护护参数数有的的还要要借助助于监监控设设计与与理论论设计计。(4)锚喷支支护表表中的的锚喷喷参数数，一一般是是根据据本部部门以以往修修建工工程的的设计计参数数，经经统计计和分分析研研究后后确定定的。。（二））锚喷喷支护护的类类型及及参数数表二次衬衬砌设设计二次衬衬砌的的作用用因不不同的的围岩岩级别别而异异：1）对于于I级稳定定硬质质围岩岩，因因围岩岩和初初期支支护的的变形形很小小，且且很快快趋于于稳定定，故故二次次衬砌砌不承承受围围岩压压力，，其主主要作作用是是防水水、利利于通通风和和修饰饰面层层；（一））二次次衬砌砌的主主要作作用二次衬衬砌设设计二次衬衬砌的的作用用因不不同的的围岩岩级别别而异异：2）对于于II级基本本稳定定的硬硬质围围岩，，虽然然围岩岩和初初期支支护变变形小小，二二次衬衬砌承承受不不大的的围岩岩压力力，但但考虑虑洞室室运营营后锚锚杆钢钢筋锈锈蚀、、围岩岩松弛弛区逐逐渐压压密，，初期期支护护质量量不稳稳定等等原因因，故故施作作二次次衬砌砌以提提高支支护衬衬砌的的安全全度；；（一））二次次衬砌砌的主主要作作用二次衬衬砌设设计二次衬衬砌的的作用用因不不同的的围岩岩级别别而异异：3）对于于III~V级围岩岩，由由于岩岩体流流变、、膨胀胀压力力、地地下水水等作作用，，或由由于浅浅埋、、偏压压及施施工等等原因因，围围岩变变形未未趋于于基本本稳定定而提提前施施作二二次衬衬砌，，此时时，二二次衬衬砌主主要承承受较较大的的后期期围岩岩形变变压力力。（一））二次次衬砌砌的主主要作作用二次衬衬砌设设计1）基本要要求：：(1)初期支支护与与二次次衬砌砌之间间的密密贴程程度，，对复复合式式衬砌砌受力力状态态会产产生影影响。。(2)支护与与衬砌砌两层层紧密密粘结结在一一起时时，两两层间间能传传递径径向力力和切切向力力，可可按整整体结结构验验算。。两层层间设设有防防水层层时，，按组组合结结构验验算，，只传传递径径向荷荷载。。（二））二次次衬砌砌结构构的设设计二次衬衬砌设设计1）基本要要求：：(3)为防止止洞内内漏水水，设设计时时应对对二次次衬砌砌的变变形予予以控控制。。(4)支护与与衬砌砌间空空隙部部分应应回填填密实实。（二））二次次衬砌砌结构构的设设计二次衬衬砌设设计2）二次衬衬砌的的计算算：复合式式衬砌砌分层层施作作，应应考虑虑时间间效应应，可可考虑虑按粘粘弹塑塑性有有限元元法进进行计计算；；也可可运用用弹塑塑性理理论或或特征征曲线线法近近似计计算复复合式式衬砌砌；也也可参参考我我国复复合式式衬砌砌围岩岩压力力现场场量侧侧数据据和模模型试试验结结果及及国内内外有有关资资料，，对I~V级围岩岩，以以30%~50%的围岩岩压力力作为为二次次衬砌砌的外外荷载载。按按荷载载—结构模模型进进行计计算。。（二））二次次衬砌砌结构构的设设计二次衬衬砌设设计2）二次衬衬砌的的计算算：由于对对二次次衬砌砌的受受力机机理研研究认认识不不够深深入，，加之之围岩岩的地地质条条件千千变万万化，，实施施二次次衬砌砌精确确的计计算是是困难难的，，应提提倡运运用简简便而而实用用的计计算方方法。。对于于地质质条件件复杂杂的软软弱围围岩，，应将将上述述几种种方法法的二二次衬衬砌计计算结结果进进行比比较，，确定定一种种合理理简便便的计计算方方法。。（二））二次次衬砌砌结构构的设设计二次衬衬砌设设计3）二次衬衬砌施施作时时间的的确定定：二次衬衬砌一一般采采用模模筑混混凝土土，应应在围围岩和和初期期支护护变形形基本本稳定定后方方可施施作，，并应应具备备下述述条件件：(1)洞室周边位移移速率有明显显减缓趋势。。(2)在拱脚以上1m和边墙中部附附近的位移速速度小于0.1~0.2mm/d，或拱顶下沉沉速度小于0.07~0.15mm/d。(3)初期支护表面面裂缝不再继继续发展。（二）二次衬衬砌结构的设设计二次衬砌设计计3）二次衬砌施作作时间的确定定：(4)施作二次衬砌砌前的位移值值，应达到总总位移值的80%~90%。(5)当采取一定措措施仍难以符符合上列条件件时，可提前前施作二次衬衬砌，且应予予加强。当洞洞室较短且围围岩自稳性能能较好时，为为减少各工序序间的干扰，，可在整个洞洞室贯通后再再作二次衬砌砌。（二）二次衬衬砌结构的设设计二次衬砌设计计4）加强二次衬砌砌的措施：当围岩和初期期支护尚未基基本稳定而提提前施作的二二次衬砌，或或在浅埋、偏偏压、膨胀性性围岩和不良良地质地段施施作二次衬砌砌，均要承受受较大的围岩岩压力，故要要求采取如下下措施加强二二次衬砌：（二）二次衬衬砌结构的设设计二次衬砌设计计4）加强二次衬砌砌的措施：(1)改变衬砌形状状，以适应外外荷情况，减减少衬砌弯矩矩，使衬砌断断面基本受压压。(2)提高混凝土标标号，或采用用钢筋混凝土土、钢纤维混混凝土等能提提高抗弯曲强强度的材料。。（二）二次衬衬砌结构的设设计二次衬砌设计计4）加强二次衬砌砌的措施：(3)修建仰拱使衬衬砌形成封闭闭结构，以提提高结构的整整体刚度，减减少围岩变形形。(4)采用超前支护护，注浆加固固地层等措施施，以增加岩岩体强度，提提高围岩整体体稳定性。（二）二次衬衬砌结构的设设计复合式衬砌防防水层的设计计地下洞室应根根据要求采取取防水措施。。当有地下水水时，初期支支护和二次衬衬砌之间可设设置塑料板防防水层或采用用喷涂防水层层，并可采用用防水混凝土土衬砌。1）塑料板防水水层；2）喷涂防水层层；3）防水混凝土土。三工程程案例工程概况深溪沟电站运运碴隧道进口口段地形陡峻峻，地势险要要，洞口部位位地形自然坡坡度55～60°。运碴隧道共共有A、B两个线路方案案，A方案下穿铁路路段，上覆地地层主要为弱弱风化白云质质灰岩，而B方案下穿段第第四系覆盖层层较厚，两方方案比较，因因A方案地质条件件相对较好，，对控制沉降降有利。工程概况运碴隧道地形形图运碴隧道进口口地层图工程概况公路隧洞穿越越长河坝火车车站铁路时上上覆岩体约有有12.7m厚，从现场地地质测绘和钻钻孔资料分析析，该段岩体体中节理裂隙隙较发育，特特别是岩体受受层面裂隙和和陡倾角裂隙隙相互切割，，对隧洞顶拱拱及边墙的围围岩稳定影响响较大，围岩岩级别为Ⅳ、Ⅴ级。计算说明复合式衬砌类类型与尺寸系系根据围岩级级别、地形、、地质条件，，以工程类比比为主拟定的的。结构计算算，根据共同同变形理论，，按地层-结构模式进行行计算。（一）计算原原则计算说明采用大型有限限元软件ANSYS进行计算。二二维地层—结构模式的计计算范围左右右取80m，底部取60m，顶部取至地地表面，计算算中，锚杆采采用杆单元，，初期支护采采用弹性梁单单元，地层采采用弹塑性等等参单元，左左右水平约束束，底部竖向向约束，顶面面自由。（二）计算模模式及说明计算说明由于缺乏地应应力量测资料料，且埋深较较浅，可取自自重应力场作作为初始应力力场，可由有有限元模型求求得。（三）初始应应力场及开挖挖模拟计算说明围岩物理力学学参数:建筑材料物理理力学参数（四）各级围围岩和建筑材材料的物理力力学指标围岩级别容重(kN/m3）弹性抗力系数（Mpa/m）弹模（Gpa）泊松比内摩擦角（度）粘聚力（Mpa）IV263001.00.35270.3V251500.150.4200.1加固圈251500.50.37250.2项目弹模（Gpa）容重（kN/m3）备注C20喷砼2323.5C25钢筋砼29.525钢筋21078计算说明由设计图，下下穿铁路段的的拱墙初期支支护采用锚喷喷加型钢支护护，C20喷射混凝土厚厚25cm，φ22锚杆长3.5m；二次衬砌拱拱部、边墙、、仰拱全部采采用C25钢筋混凝土，，拱墙厚80cm，仰拱厚50cm。（五）支护参参数计算说明由于隧道下穿穿铁路，考虑虑火车停靠和和经过的影响响，加上了列列车荷载，列列车荷载按““中－活载””计算：其中，qh为载轨底以下下深度h处，列车活载载的竖向压力力强度，h计为轨底到道道碴底面计为为0.75m。同时，考虑虑冲击系数（（1＋u）。（六）荷载计计算计算分析（一）全断断面法分析析1）计算模型型计算分析（一）全断断面法分析析2）施工阶段段初期支护护内力图全断面开挖挖后初期支支护弯矩图图(kN.m)全断面开挖挖后初期支支护轴力图图(kN)计算分析（一）全断断面法分析析3）二次衬砌砌内力图全断面开挖挖后二衬支支护弯矩图图(kN·m)全断面开挖挖后二衬支支护支护轴轴力图(kN)计算分析（一）全断断面法分析析4）结构内力力检算位置混凝土标号弯矩（kN·m）轴力（kN）计算配筋量（cm2）实际配筋量（cm2）安全系数初支拱顶C20-8.03-707.47/17.365.0初支边墙C207.4-633.96/17.365.5二衬拱圈C25-47.64-295.05/钢筋砼33.1二衬边墙C25-132.72-365.14/钢筋砼4.2二衬仰拱C2521.28-154.86/钢筋砼67.1初期支护及及二衬截面面控制点结结构检算计算分析（一）全断断面法分析析5）结构内力力分析a、全断面法法开挖后初初期支护最最大正弯矩矩是左右墙墙脚位置，，数值为7.40kN·m，最大负弯弯矩出现在在左右拱脚脚处，其值值为-8.03kN·m，与弯矩相相对应位置置的轴力分分别是-376.66kN和-707.47kN；计算分析（一）全断断面法分析析5）结构内力力分析b、二次衬砌砌最大正弯弯矩在拱顶顶位置，其其数值为47.64kN·m，最大负弯弯矩出现在在左右墙脚脚，其值为为-189.60kN·m，与弯矩相相对应位置置的轴力分分别是-189.90kN和-365.14kN。经检算，全全断面开挖挖的初期支支护及二次次衬砌的结结构都能满满足要求。。计算分析（二）双侧侧壁导坑法法1）计算模型型计算分析（二）双侧侧壁导坑法法2）各施工阶阶段初期支支护内力图图左上台阶开开挖后初期期支护弯矩矩图(kN·m)左上台阶开开挖后初期期支护轴力力图(kN)计算分析（二）双侧侧壁导坑法法2）各施工阶阶段初期支支护内力图图左下台阶开开挖后初期期支护弯矩矩图(kN·m)左下台阶开开挖后初期期支护轴力力图(kN)计算分析（二）双侧侧壁导坑法法2）各施工阶阶段初期支支护内力图图右上台阶开开挖后初期期支护弯矩矩图(kN·m)右上台阶开开挖后初期期支护轴力力图(kN)计算分析（二）双侧侧壁导坑法法2）各施工阶阶段初期支支护内力图图右下台阶开开挖后初期期支护弯矩矩图(kN·m)右下台阶开开挖后初期期支护轴力力图(kN)计算分析（二）双侧侧壁导坑法法2）各施工阶阶段初期支支护内力图图中上台阶开开挖后初计算分析（二）双侧侧壁导坑法法2）各施工阶阶段初期支支护内力图图中中台阶开计算分析（二）双侧侧壁导坑法法2）各施工阶阶段初期支支护内力图图中下台阶开开挖后初期期支护弯矩矩图(kN·m)中下台阶开开挖后初期期支护轴力力图(kN)计算分析（二）双侧侧壁导坑法法2）各施工阶阶段初期支支护内力图图二次衬砌施施工后初期期支护弯矩矩图(kN·m)二次衬砌施施工后初期期支护轴力力图(kN)计算分析（二）双侧侧壁导坑法法3）二次衬砌砌内力图二次衬砌施施工后二衬衬弯矩图(kN·m)二次衬砌施施工后二衬衬轴力图(kN)计算分析（二）双侧侧壁导坑法法4）各施工阶阶段结构内内力检算各施工阶段段初期支护护及二衬控控制点结构构检算施工阶段混凝土标号弯矩（kN·m）轴力（kN）计算钢架面积（cm2）实际钢架面积（cm2）安全系数左上施工初支C2017.205244.077-17.364.1左下施工初支C2025.211-213.0992.5017.361.8右上施工初支C2028.548251.2752.5017.361.6右下施工初支C2040.308362.2522.5017.361.2中上施工初支C2050.784648.5462.5017.361.2中中施工初支C2064.41333.82810.1217.360.6中下施工初支C2040.7111192-17.362.6二衬施工初支C2035.9491171-17.362.7二衬墙脚C25206.238388.913-钢筋砼2.3二衬拱腰C2544.274254.431-钢筋砼34.3二衬拱脚C2567.064299.259-钢筋砼13.1计算分析（二）双侧侧壁导坑法法5）结构内力力分析采用侧壁导导坑法进行行施工时，，各工序结结构受力分分析如下：：a、左上台阶阶开挖后初初期支护最最大弯矩在在左拱脚向向上1/6拱位置，数数值为17.21kN·m，与弯矩相相对应位置置的轴力为为-207.77kN；计算分析（二）双侧侧壁导坑法法5）结构内力力分析b、左下台阶阶开挖后初初期支护最最大正弯矩矩发生在左左拱脚向上上1/6拱位置,其值为25.211kN··m，最大负弯弯矩在左拱拱脚与临时时仰拱相交交处,数值为-2.36kN·m，与弯矩相相对应位置置的轴力分分别