单层衬砌讲稿

隧道单层衬砌技术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抗压强度（N/mm）210020105.02.01.00.50.20.1小时分241296321301060CBAJ1J2J3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0.5MPa4、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cφστOσ3σ1σlABECDτ=c+σtgφsin)(cos213131cYAI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DABCO'OσπτπAODACODBYAI121122221IkJIkIkJ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2.0YAImR0.32.00YAI0YAImR0.2mRm0.30.2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