隧道衬砌结构

隧道工程第六章隧道结构构造包括：运营管理、维修养护、给水排水、供蓄发电、通风、照明、通讯、安全等而修建的构造物。主体建筑物附属建筑物隧道结构为了保持隧道的稳定和行车安全而修建的人工永久建筑物第六章隧道结构构造主体构造物以外保证隧道正常使用所需的各种辅助设施洞身结构洞门、明洞第一节洞身衬砌第三节隧道洞门第二节明洞第四节隧道附属建筑物第一节洞身衬砌二、整体式模筑混凝土衬砌（单层衬砌）一、隧道衬砌的概述三、装配式衬砌四、锚喷式衬砌五、复合式衬砌六、其它衬砌结构的类型七、隧道衬砌的其它构造要求一、隧道衬砌的概述（一）衬砌概念（三）衬砌类型（二）衬砌材料第一节洞身衬砌（一）衬砌概念广义地说，可以把人工修筑的支护结构统称为衬砌。支护的方式①外部支护②内部支护③混合支护（一）衬砌概念为了保证施工的安全、加固岩体和阻止围岩的变形、坍塌而设置的临时支护措施，常用支护形式有木支撑、型钢支撑、格栅支撑、锚喷支护等为了保证隧道使用的净空和结构的安全而设置的永久性衬砌结构。在实际中，衬砌主要指能作为永久支护的结构人工修筑的支护结构广义的衬砌一次支护二次支护（初期支护）（二次衬砌）（永久支护）（二）衬砌材料2）从经济角度考虑，还应满足就地取材，降低造价，施工方便及易于机械化施工等。1．混凝土3.钢筋混凝土4．石料和混凝土预制块2．片石混凝土5．喷射混凝土7.装配式材料6.锚杆和钢架要求1）应具有足够的强度、耐久性、抗渗性、耐腐蚀性和抗冻性等。1．混凝土优点整体性好，既可以在现场浇筑，也可以在加工场预制，而且可以机械化施工。可以在水泥中掺入外加剂，以提高混凝土的性能。缺点灌注后不能立即承受荷载，需要进行养生，达到预定强度才能拆模，占用的模板和拱架较多。普通混凝土的耐侵蚀能力较差。公路隧道工程各部位建筑材料铁路隧道衬砌建筑材料3.钢筋混凝土主要用在洞门、明洞衬砌等明挖地段，或者当隧道通过地震区、偏压、通过断层破碎带或淤泥、流砂等不良地质地段。2．片石混凝土铁路隧道，为了节省水泥，在岩层较好地段的边墙衬砌，允许采用片石混凝土（片石的掺量不应超过总体积的20%）。此外，当起拱线以上1m以外部位有超挖时，其超挖部分也可用片石混凝土进行回填。选用的石料要坚硬，其强度等级不应低于MU40，有裂隙和易风化的石料不应采用，以保证质量。公路隧道衬砌一般不用，只在仰拱填充或超挖部分可以使用片石混凝土砌筑。片石掺用量不得超过总体积的30％。4．石料和混凝土预制块可就地取材、降低造价、可保证衬砌厚度并能较早地承受荷载，可以节省水泥和模板，耐久性和耐侵蚀性能较好。整体性差，砌缝多容易漏水，防水性能较差，施工主要靠手工操作，难于机械化施工，费工、费时，施工进度较慢，而且砌筑技术要求高。块石强度等级不应低于MU60，砌块强度等级不应低于MU20，有裂缝和易风化的石材不应采用。优点缺点洞门挡墙、挡土墙、明线路缘石等仍可使用。5．喷射混凝土喷射混凝土是将混凝土干拌和料、速凝剂和水，用混凝土喷射机高速喷射到洁净的岩石表面上凝结而成。其密实性较高，能快速封闭围岩的裂隙。密贴于岩石表面，早期强度高，能很快起到封闭岩面和支护作用，另外在喷射混凝土中可加入纤维类材料提高其性能，是一种理想的衬砌材料。在普通铁路隧道中，喷射混凝土材料可用作中内层衬砌，但其强度等级不低于C20，使用的水泥标号不低于32.5号，并优先选用普通硅酸盐水泥。细骨料采用坚硬耐久的中砂或粗砂，细度模数宜大于15，砂的含水率宜控制在5%—7%；粗骨料采用坚硬耐久的卵石或砾石，粒径不应大于15mm。我国高速铁路隧道不使用喷射混凝土作为内层衬砌。6.锚杆和钢架锚杆是一种插入到围岩岩体内的杆形构件，可加固围岩。可分为机械型锚杆、粘结型锚杆以及预应力锚杆。锚杆的杆体直径宜为20～32mm,杆体材料宜采用HRB335,HRB400钢；垫板材料宜采用HPB235钢。锚杆用的各种水泥砂浆强度不应低于M20。钢筋网材料可采用HPB235钢，直径宜为6—12mm。钢架是为了加强支护刚度而在初期支护或二次衬砌中放置的型钢支撑或格栅钢支撑。初期支护采用的钢架宜用H形、工字形、U形型钢制成，也可用钢管或钢轨制成。7.装配式材料盾构法施工，其衬砌材料往往采用装配式材料，如钢筋混凝土大型预制块，有加筋肋的铸铁预制块。在修筑棚式明洞（简称棚洞）时，又可用预制板或梁，装配板式棚洞或梁式棚洞。用新奥法施工时，为了防水、防落石和美观要求，还可以加设离壁式结构，常用的材料有波纹钢拱式大型装配预制件，有时可以用玻璃钢代替钢材等。为了提高洞内照明、防水、通风、美观、视线诱导或减少噪音等原因，可在衬砌内表面粘贴各种各样的装修材料。（三）衬砌类型1．单层衬砌（整体式模筑混凝土衬砌）3、锚喷式衬砌4、复合衬砌2、装配式衬砌1．单层衬砌（整体式模筑混凝土衬砌）技术成熟，适应多种围岩条件。在隧道洞口段、浅埋段及围岩条件很差的软弱围岩中采用整体式衬砌较为稳妥可靠。采用混凝士或钢筋混凝士为材料就地灌注而成。按传统松弛荷载理论设计和施作。其工艺流程为：立模—灌筑—养生—拆模特点：对地质条件的适用性较强，易于按需要成型，整体性好，抗渗性强，并适用于多种施工条件，如可用木、钢模板或衬砌模板台车等适用：2、装配式衬砌装配式衬砌是将衬砌分解为若干块构件（也称管片），这些构件在现场或工厂预制，然后运到现场安装。1）地质条件较好，围岩稳定，地下水很少，有场地，施工单位又有制造、运输和拼装衬砌的设备，并控制开挖和拼装工艺有一定的经验时，可采用拼装衬砌。2）采用盾构施工，又考虑二次衬砌时，也宜采用拼装式衬砌，快速形成一次衬砌的强度。适用条件按传统松弛荷载理论设计按现代围岩承载理论设计3、锚喷式衬砌锚喷式衬砌是指锚喷结构既作为隧道临时支护，又作为隧道永久结构的形式。在IV-VI级围岩中不宜单独采用喷锚支护作永久衬砌，一般考虑在Ⅰ、Ⅱ级等围岩良好、完整、稳定的地段中可以采用。隧道洞口段不宜采用。适用：喷射混凝土是以压缩空气为动力，将掺有速凝剂的混凝土拌和料与水汇合成为浆状，喷射到坑道的岩壁上凝结而成的。当岩壁不够稳定时，可加设锚杆、金属网和钢架，构成“锚喷式衬砌”，也称为“喷锚衬砌”。①膨胀性围岩；②粘土质胶结的软岩；③大面积涌水地段；④堆积层、破碎带等不良地质地段；⑤对衬砌有特殊要求的隧道或地段，如洞口地段，要求衬砌内轮廓很整齐、平整；⑥辅助坑道或其它隧道与主隧道的连接处及附近地段；⑦有很高的防水要求的隧道；⑧围岩及覆盖太薄，且其上已有建筑物，不能沉落或拆除者等；⑨地下水有侵蚀性，可能造成喷射混凝土和锚杆材料的腐蚀；⑩最冷月平均气温低于-5℃地区的冻害地段。不宜采用喷锚支护作为永久衬砌的情况有4、复合衬砌复合式衬砌不同于单层厚壁的模筑混凝土衬砌，它把衬砌分成两层或两层以上，可以是同一种型式、方法和材料施作的，也可以是不同型式、方法、时间和材料施作的。外衬主要是以喷射混凝土和锚杆为基本组合形式的一系列现代隧道支护内层衬砌则有多种材料和构造形式，但以就地模筑混凝土为主。按现代围岩承载理论设计和施作。我国铁路隧道、高等级公路隧道已普遍采用复合式衬砌。二、整体式模筑混凝土衬砌（单层衬砌）整体式模筑混凝土衬砌是传统衬砌结构形式，采用传统矿山法施工的隧道，广泛使用整体式衬砌，不考虑围岩的承载作用，主要通过衬砌的结构刚度抵御地层的变形，承受围岩的压力，应用传统松弛荷载理论设计。整体式模筑混凝土衬砌，是在坑道内树立摸板、拱架，然后浇灌混凝土而成，具有较大的厚度和刚度。适用于不同的地质条件，易于按需成形，整体性强，抗渗性好，且适合多种施工方法，因此，在我国隧道工程中广泛使用，技术成熟，适用多种围岩条件，特别是在隧道洞口段、浅埋段及围岩很差的软弱围岩中采用整体式衬砌较为稳妥可靠。其工艺流程为：立模—灌筑—养生—拆模二、整体式模筑混凝土衬砌（单层衬砌）（一）直墙式衬砌（二）曲墙式衬砌（三）公路隧道整体式衬砌设计基本要求2、结构组成1、适用条件整体式模筑混凝土衬砌主要是通过调整断面形状和衬砌厚度来适应不同的地质条件，即适应不同的围岩级别和围岩压力分布情况，因而，单层衬砌的形状和厚度变化较多。（一）直墙式衬砌适用于地质条件比较好，以垂直围岩压力为主而水平围岩压力较小的情况，主要适用于Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ级围岩，有时也可用于Ⅳ级围岩。1、适用条件（一）直墙式衬砌上部拱圈竖直边墙下部铺底2、结构组成3、几种特殊情况（1）半衬砌（省去边墙）（2）大拱脚（3）降低边墙建筑材料等级或采用花边墙（1）半衬砌（省去边墙）（一）直墙式衬砌①多用于地质条件极好、岩层坚硬完整也没有地下水侵入的情况②对于一些侧压力很大的较软的岩层或土层，为了避免直墙承受较大的压应力，也可采用落地拱形式。③注意在拱脚做平台以支撑拱圈，两侧岩壁喷浆敷面阻止风化和少量地下水的渗透。（2）大拱脚产生于先拱后墙法施工，为了节省圬工，采用大拱脚薄边墙衬砌最大的问题是大拱脚支座施工困难，在非均质岩层中很难用钻爆法做出整齐稳定的支座。（3）降低边墙建筑材料等级或采用花边墙在地质条件尚好，侧压力不大，如围岩完整性比较好的Ⅰ—Ⅱ类围岩中，但又不宜采用半衬砌时，为了节省边墙圬工，可以简化边墙：①降低边墙建筑材料的等级，如将混凝土边墙改为石砌边墙；②采用柱式边墙或连拱式边墙，统称为花边墙。曲墙式衬砌适用于地质条件比较差，岩体松散破碎，强度不高，又有地下水，侧向水平压力也相当大的情况。主要适用于Ⅳ级及以上的围岩或Ⅲ级围岩双线。多线隧道也采用曲墙有仰拱的衬砌。（二）曲墙式衬砌1、适用条件（二）曲墙式衬砌2、结构组成仰拱的作用？①抵御底部围岩压力②防止衬砌沉降③使衬砌形成一个环状的封闭整体结构以提高衬砌的承载能力。顶部拱圈侧面曲边墙底部仰拱或铺底公路隧道一般跨度较大，内轮廓接近限界的高宽比较铁路双线隧道为小，拱部一般较铁路隧道平坦，墙高稍低。为减少拱肩及墙部的拉应力，提高围岩及结构的稳定性，衬砌结构形式宜采用曲墙式衬砌。（三）公路隧道整体式衬砌设计基本要求(1)整体式衬砌截面可设计为等截面或变截面。整体式衬砌截面可设计为直墙式或曲墙式，对设仰拱的地段，为减少围岩和衬砌的应力集中避免急剧弯曲和棱角，仰拱与边墙宜采用小半径曲线连接、仰拱厚度宜与边墙厚度相同。(2)明洞衬砌与洞内衬砌交界处或不设明洞的洞口段衬砌，在距洞口5-12m的位置应设沉降缝；在洞内，软岩地层明显分界处宜设沉降缝；在连续V,Vl级围岩中每30-80m应设沉降缝一道。公路隧道一般跨度较大，内轮廓接近限界的高宽比较铁路双线隧道为小，拱部一般较铁路隧道平坦，墙高稍低。为减少拱肩及墙部的拉应力，提高围岩及结构的稳定性，衬砌结构形式宜采用曲墙式衬砌。(4)设置沉降缝、伸缩缝的目的是为了把不同承载能力结构、承受不同围岩压力的结构完全断开，产生的沉降变形和受力变形各自独立。隧道结构设变形缝，并在缝内设置一定厚度的隔离层，采用沥青木板或沥青麻丝是多年的做法，也可采用具有一定耐久性的柔性材料。沉降缝、伸缩缝缝宽应大于20mm，缝内可夹浸沥青木板或沥青麻丝。伸缩缝、沉降缝应垂直于隧道轴线设置。(5)沉降缝、伸缩缝可兼作施工缝。在设有沉降缝、伸缩缝的位置，施工缝宜调整到同一位置。同时，沉降缝、伸缩缝与临近施工缝的距离一般不小于5m，是为保证一次浇注衬砌的长度。(6)不设仰拱的地段，衬砌边墙基底应置于稳固的地基之上，但不要因为边沟开挖而破坏了地基的整体性，导致边墙失稳。洞口端墙式洞门的基础深度较大，洞门墙基坑开挖可能对隧道衬砌边墙基底造成损伤，要求在洞门墙厚度范围内，边墙基础应加深到与洞门墙基础底相同的高程。(3)严寒与酷热的温差变化大的地区，特别时在最冷月份平均气温低于-15℃的寒冷地区，距洞口100-200m范围的衬砌段应根据情况增设伸缩缝。(8)隧道横洞指汽车横向通道、通风道等与主洞连接处形成交叉口。在交叉口段，由于暴露空间大，结构受力复杂，为保证结构强度，防止开裂，要求交叉口衬砌段采用钢筋混凝土结构。(9)根据一些已发生地震地区的调查资料看，地下结构具有很好的抗震能力。在地震动峰值加速度系数小于0．2的地区，一般地震对地下结构影