隧道衬砌

一般说，隧道衬砌可按其结构、功能等划分为各种形式。应根据地质条件和运营要求加以选择。

初砌按构件类型分类①半衬砌：仅由拱圈组成；②无仰拱的衬砌：由拱圈和边墙组成，也称非封闭式衬砌；③有仰拱的衬砌：由拱圈、边墙及仰拱组成，也称封闭式衬砌。

衬砌按功能分类①饰面衬砌；②构造衬砌；③承载衬砌；④特殊承载衬砌。

衬砌按位置分类①洞口段衬砌；②洞身衬砌。

隧道衬砌的构造与围岩的地质条件和施工方法密切相关。归纳起来，常用的有以下几种：

(1)整体式混凝土衬砌

是指就地灌注混凝土衬砌，也称模筑混凝土衬砌。模筑衬砌的特点是：对地质条件的适应性强，易于按需要成型，整体性好、抗渗性强，适用于多种施工条件，如可用木模板、钢模板或衬砌台车等，是我国隧道工程中广泛采用的衬砌结构类型。按其边墙的形式，又可分为直墙式和曲墙式两种形式。

(2)装配式衬砌

是指在工厂或现场预先制备成若干构件，运入坑道内，用机械将其拼装成一环接一环的衬砌。这种衬砌的优点是一经装配成环，不需要养护时间，即可承受围岩压力；由于构件是预先在工厂成批生产的，可以保证质量；在洞内采用机械化拼装，缩短了工期，改善了劳动条件；拼装时不需要临时支撑，可节省大量的支撑材料和劳力。但装配式衬砌在实际应用中也存在着一些缺点。如需要坑道内有足够的拼装空间，制备构件尺寸要求一定的精度，接缝多，防水较困难等。基于以上原因，装配式衬砌多用在使用盾构法施工的城市地下铁道中，在我国的铁路和公路隧道中还未能推广应用。

(3)锚喷衬砌

锚喷衬砌是指以锚喷支护作永久衬砌的通称。锚喷支护包括锚杆支护、喷射混凝土支护、喷射混凝土锚杆联合支护、喷射混凝土钢筋网联合支护、喷射混凝土与锚杆及钢筋网联合支护及由上述几种类型支撑（或格栅支撑）组成的联合支护。

锚喷支护是常用的一种围岩支护手段。采用锚喷支护可以充分发挥围岩的自承能力，并有效地利用洞内净空，提高作业效率，并能适应软弱和膨胀性地层中的隧道开挖，以及用于整治塌方和隧道衬砌的裂损。

(4)复合式衬砌

复合式衬砌是指外层用锚喷作初期支护，内层用模筑混凝土或喷射混凝土作二次衬砌的永久结构。初期支护可以采用喷混凝土衬砌和锚杆喷射混凝土衬砌。当岩石条件较差时，也可在喷层中增设钢筋网或型钢拱架，或采用钢纤维喷射混凝主，初期支护的厚度多在5～20cm之间。二次支护常为整体式现浇混凝土衬砌，或喷射混凝土衬砌，其中整体式现浇混凝土衬砌有表面平顺光滑，外观视觉较好，通风阻力较小等优点，适宜于对洞室内环境要求较高的场合。喷射混凝土衬砌工艺简单，省工省时，投资较低，但外观视觉相对较差，通风阻力较大，对洞室环境要求较低时可以使用，否则需另设内衬改善景观和通风条件。

(5)连拱衬砌

连拱隧道是洞室衬砌结构相连的一种特殊双洞结构形式，两隧道之间的岩体用混凝土替代，中间的连接部分通常称为中墙。

隧道开挖后，坑道周围地层原有平衡遭到破坏，引起坑道变形或崩塌。为了保护围岩的稳定性，确保行车安全，隧道必须有足够强度的支护结构即隧道衬砌。

隧道衬砌是为了防止围岩变形或坍塌，沿隧道洞身周边用钢筋混凝土等材料修建的永久性支护结构。在不同的围岩中可采用不同的衬砌形式。常用的衬砌形式有喷混凝土衬砌、喷锚衬砌及复合式衬砌，多数情况下采用复合式衬砌。复合式衬砌常分为初期支护（一次衬砌）和二次支护（二次衬砌）。

常用的隧道衬砌材料有：混凝土及钢筋混凝土、片石混凝土、料石或混凝土预制块，以及喷射混凝土等。隧道的衬砌结构形式，主要是根据隧道所处的地质地形条件，考虑其结构受力的合理性、施工方法和施工技术水平等因素来确定的。隧道衬砌的构造、形状和尺寸因其用途、地形、地质、施工和结构性能等条件的差异而不同。

1．石料

(1)石料质量要求。石料应符合设计规定的类别和强度，石质应均匀、耐风化、无裂纹。

(2)石料加工要求。

1)所有料石加工时，外露面四边整齐、棱角方正，拼缝前口要直，尾部略呈斜面。

2)每边向内收口不得大于10mm。

2．砂浆

(1)砂浆中所用水泥、砂、水等材料的质量标准宜符合混凝土工程相应材料的质量标准。砂浆中所用砂，宜采用中砂或粗砂，当缺乏中砂及粗砂时，在适当增加水泥用量的基础上，也可采用细砂。砂的最大粒径，当用于砌筑片石时，不宜超过5mm；当用于砌筑块石、粗料石时，不宜超过2.5mm。如砂的含泥量达不到混凝土用砂的标准，当砂浆强度等级大于或等于M5时，可不超过5%，小于M5时可不超过7%。

(2)石灰水泥砂浆所用生石灰，成分应纯正，煅烧均匀、透彻。一般宜熟化成消石灰粉或石灰膏使用，也可磨细成生石灰粉使用。消石灰粉和石灰膏应通过网筛过滤，并且石灰膏应在沉淀池内储存14d以上。磨细生石灰粉应经4900孔/cm²筛子过筛。

隧道衬砌是指支持和维护隧道的长期稳定和耐久性的永久结构物。所以，隧道衬砌必须有足够强度、耐久性和一定的抗冻、抗渗和抗侵蚀性。

隧道支护是用以加固岩层的临时或永久支撑，可有效地限制岩层变形的自由发展，调整岩层的应力分布，防止岩体松散坠落。

不同类型的隧道衬砌结构适用于不同的隧道围岩条件，如直边墙式隧道衬砌适用于围岩条件较好和无侧压力或侧压力较小的隧道；曲边墙式隧道衬砌适用于围岩条件复杂和侧压力较大的隧道；曲边墙加仰拱式隧道衬砌适用于围岩侧压力较大，且基底松软或有较大的底压力的隧道。

结构隧道衬砌一般是由拱、边墙（直边墙或曲边墙）、仰拱或铺底等部分组成（见图）。

隧道衬砌结构根据使用要求和围岩的特性而有不同的衬砌内轮廓，从而定出宽度、高度、形式和衬砌截面及厚度。中国根据隧道围岩的稳定性及其结构特征和完整状态,把围岩划分为六类。属于围岩稳定、无坍塌,呈巨块状整体结构的属Ⅵ类；围岩极易坍塌，呈泥砂角砾或易蠕动的松散结构的定为Ⅰ类。其他类别围岩则依次介于Ⅵ类和Ⅰ类之间。中国的单线和双线铁路隧道衬砌，在各类围岩条件下的衬砌主要形式和尺寸见表

衬砌设计根据隧道围岩特征和使用要求，需应用隧道衬砌理论和相应计算方法，确定隧道衬砌的形状、尺寸，以及衬砌用料和施工方法等。

隧道衬砌作为支护的基本理论是把隧道围岩和衬砌作为相互有联系的统一体，即隧道围岩不仅作为一种压力作用在衬砌上，而且作为一种介质与衬砌共同作用。围岩压力从广义上讲是围岩原来应力状态受到隧道开挖扰动后出现的应力重分布状态，其大小同应力重分布过程、围岩特征、衬砌刚度、隧道埋置深度及施工技术等有关。

在这一理论特征基础上，建立了许多围岩压力和衬砌计算理论派别。如以K.泰沙基为代表的松散介质平衡理论认为，隧道衬砌上方土体在垂直下沉时，将受到侧向土压的约束而产生卸荷作用；以M.M.普罗托季亚科诺夫为代表的压力拱假定理论认为，隧道衬砌上方的围岩到一定范围后能够自稳形成压力拱，衬砌只承受压力拱以下的围岩重力；以温克列尔为代表的衬砌计算局部变形假定理论则认为，衬砌和围岩共同作用过程中，相互间力和变形的规律，符合线性关系，类似各自独立的弹簧作用系统。如此各种衬砌计算理论，都相应地建立了各种衬砌计算方法。目前，各种计算方法可归纳为四类：①超静定反力法，是把围岩和衬砌作为超静定系统进行计算的方法；②复合整体法，是把围岩和衬砌作为复合体进行计算的方法；③特性曲线法，以围岩和支护各自的径向位移曲线作出发点进行分析计算的方法；④经验法，按已有工程经验进行的计算方法。

标准断面由于隧道围岩各有特性，而影响其稳定性的因素又来自多方面，所以各种衬砌计算方法中的参数难以测出精确值，衬砌实际设计和计算尚属于经验性的范畴。

为了简化隧道衬砌的设计和计算工作，一般按照围岩分类，在广泛技术经济比较基础上，经过计算优化过设计出相应的衬砌类型，并且加以系列化供全国或地区范围内隧道衬砌设计时广泛使用。这样编制出来的衬砌，被称为标准断面。标准断面的使用，也为施工和日后养护提供了方便条件。

衬砌施工方法隧道衬砌采用的建筑材料不同，其施工方法也往往不同，如用砖、料石、混凝土块作衬砌材料，一般采用砌筑法或拼装法施工；用混凝土和钢拱架作衬砌材料，一般采用就地灌筑混凝土法施工。近年来，随着隧道力学的发展，广泛地采用新奥法。新奥法是奥地利学者所倡导的，因而得名。这种方法的要点是利用围岩的自支承能力,使衬砌负担减少,达到安全、经济目的，而喷锚能及时支护围岩，使围岩保持自稳。通常把锚杆和喷混凝土作为第一次支护，根据量测信息再灌筑混凝土作为第二次支护，形成复合式隧道衬砌，所以喷锚和量测信息构成新奥法的要素。新奥法具有支护及时、灵活、安全的特点,并在衬砌中可设置防水层,有利于提高衬砌的防水性,因而受到各国的重视。但是,新奥法目前尚存在一些有待解决的问题，如对围岩应力重分布中的变形量测控制；隧道岩层有大面积漏水时，喷混凝土工作会发生困难，且浆液可能被冲掉；又如喷混凝土的回弹量较大，喷射质量也不易控制等。

《公路隧道衬砌结构耐火技术》一方面是考虑在实际可能的火灾场景下，探讨公路隧道衬砌结构体系在高温下的损伤机理和力学特性，为评定公路隧道衬砌结构体系的火灾安全性提供科学依据；另一方面以预防为目的，为防火设计提供符合隧道实际情况的有效的耐火方法，提高我国公路隧道衬砌结构体系的整体耐火能力和火灾安全性。 2100433B