軟土地基上噴射混凝土襯砌的設(shè)計(jì)

Mott+MacDonald++白楊

摘 要：在最近20年內(nèi)，噴射混凝土襯砌隧道在英國(guó)迅速發(fā)展。為了更新過去的設(shè)計(jì)理念和方法，對(duì)軟質(zhì)巖層中SCL隧道的未來發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行討論。從過去SCL隧道的設(shè)計(jì)概述開始，特別是臨時(shí)噴射混凝土襯砌，依次介紹最近在設(shè)計(jì)觀念上大多數(shù)重要性的轉(zhuǎn)變，從臨時(shí)性襯砌到永久襯砌的過渡，與它的安全建設(shè)、成本和環(huán)境影響的含義，以及最近一些在數(shù)理模型技術(shù)上的進(jìn)步對(duì)永久襯砌設(shè)計(jì)的促進(jìn)。總之，對(duì)隧道噴射混凝土襯砌設(shè)計(jì)在未來的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行討論，特別是“復(fù)合殼”襯砌，以及建筑項(xiàng)目的潛在利益、成本和環(huán)境影響，然后提出改善軟質(zhì)巖層隧道襯砌數(shù)值模型的一些想法。

關(guān)鍵詞：軟土地基；SCL技術(shù)；襯砌；設(shè)計(jì)理念

中圖分類號(hào)：U455 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-6835（2014）11-0081-03

1 介紹

使用噴射混凝土襯砌是軟質(zhì)地基隧道用噴射混凝土來支撐臨時(shí)或永久開挖的一種建造方法。與其他方法相比，比如隧道掘進(jìn)機(jī)技術(shù)（TBM），SCL技術(shù)的最大優(yōu)勢(shì)就是它允許隧道與連接在不同橫截面和尺寸的建立比較適合；同時(shí)，SCL技術(shù)的成本比較低，適合長(zhǎng)度較短的隧道施工。

2 臨時(shí)建筑的SCL設(shè)計(jì)

直到最近，由一層臨時(shí)性噴射一次襯砌、一層防水模板和一層永久性二次襯砌組成的SCL隧道主導(dǎo)了市場(chǎng)，這是對(duì)安全水密性和耐久性的考慮。從全文的意思來看，這叫作“SCL的一次襯砌犧牲”。SCL僅僅被當(dāng)作臨時(shí)建筑的因素有兩個(gè)，即噴射混凝土的局限性和設(shè)計(jì)方法的局限性。以下將分別對(duì)這兩個(gè)因素進(jìn)行討論。

2.1 SCL技術(shù)的局限性

20年前，噴射混凝土的早期強(qiáng)度發(fā)展是作為地面支持工作的首要任務(wù)，只是因其他性能不得不作出讓步，這就導(dǎo)致了SCL技術(shù)只能被當(dāng)作臨時(shí)結(jié)構(gòu)。那時(shí)，在隧道行業(yè)的主要關(guān)注中，與SCL相關(guān)的有加速劑導(dǎo)致的長(zhǎng)期低化的最終強(qiáng)度、鋼筋背后的衰減導(dǎo)致的長(zhǎng)期耐久性問題、干濕混合噴涂和手工噴涂導(dǎo)致的質(zhì)量控制差異問題。

2.2 設(shè)計(jì)方法的局限性

缺乏可靠的設(shè)計(jì)方法是SCL被認(rèn)為只能作為臨時(shí)結(jié)構(gòu)的另一個(gè)原因，特別是在軟土地基上，比如黏土。隧道行業(yè)是一個(gè)基于經(jīng)驗(yàn)的行業(yè)，經(jīng)驗(yàn)方法被廣泛采用。然而，軟土地基的經(jīng)驗(yàn)方法大多是根據(jù)對(duì)先前地區(qū)進(jìn)行實(shí)踐評(píng)估得出的，并未被普遍接受（ICE 2004）。同時(shí)，封閉分析方法也因隧道設(shè)計(jì)而發(fā)展。然而，它們中的大多數(shù)不適合SCL隧道，因?yàn)槎嗖襟E的SCL建設(shè)序列引起土結(jié)構(gòu)的復(fù)雜多變的相互作用無法被準(zhǔn)確地模擬。直到20世紀(jì)90年代，數(shù)值模擬仍沒有被作為對(duì)SCL隧道可行的一種設(shè)計(jì)工具而考慮，這主要是因?yàn)槠溆?jì)算力不足。

第一個(gè)建立于軟土地基上的SCL隧道是1992年建于倫敦的希斯羅機(jī)場(chǎng)試驗(yàn)隧道。設(shè)計(jì)使用了有限差分軟件FLAC2D（Deane & Bassett 1995）。這個(gè)項(xiàng)目代表著當(dāng)時(shí)英國(guó)最先進(jìn)的設(shè)計(jì)。該項(xiàng)目主要有以下幾個(gè)特點(diǎn)：①采用了保守方法。由于之前缺乏當(dāng)?shù)氐捻?xiàng)目，對(duì)于倫敦的黏土采用最壞情況的參數(shù)。②一個(gè)小應(yīng)變非線性剛度分向同性模型被用來模擬倫敦黏土的頂峰狀況。③應(yīng)變的軟化應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系采用峰后的數(shù)值。④假設(shè)彈性模擬方法（HME）是用來模擬早期的噴射混凝土和3D效果隧道形體的影響。盡管有些人嘗試給它一個(gè)理論基礎(chǔ)，但HME實(shí)際上還是一個(gè)經(jīng)驗(yàn)校正因數(shù)（Tomas，2008）——一個(gè)非常有用但仍然是經(jīng)驗(yàn)的因數(shù)。

希思羅機(jī)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)隧道的成功，給隧道行業(yè)在倫敦軟土地基上建設(shè)SCL隧道極大的信心。然而，希思羅機(jī)場(chǎng)項(xiàng)目也為設(shè)計(jì)師帶來了更大的挑戰(zhàn)，因?yàn)樗诳拷秸緲堑牡胤桨?條大口徑的平行SCL隧道（范登、伯格等人，2003）。這些隧道之間由區(qū)間隧道連接。設(shè)計(jì)師主要面臨的挑戰(zhàn)有：①之前關(guān)于補(bǔ)償灌漿造成的SCL隧道額外的經(jīng)驗(yàn)太少；②SCL隧道引起的地面運(yùn)動(dòng)造成建筑損毀的潛在危險(xiǎn)很難估計(jì)；③關(guān)于新SCL隧道建筑引起相鄰SCL隧道額外的知識(shí)很缺乏；④區(qū)間隧道連接處的集中應(yīng)力缺少可用來估計(jì)的數(shù)據(jù)。

為了確保安全，設(shè)計(jì)師在SCL隧道里放了大量鋼筋。對(duì)于橫截面直徑為9 m的隧道，臨時(shí)噴射混凝土襯砌包括300 mm的噴射混凝土、兩層直徑8 mm的鋼筋網(wǎng)和全斷面格構(gòu)框架，保持配筋率為0.23%.這個(gè)量的鋼筋噴涂很困難，可能導(dǎo)致質(zhì)量

控制和襯砌長(zhǎng)期耐久性問題?？梢赃@么說，SCL被認(rèn)為是臨時(shí)結(jié)構(gòu)不僅是因?yàn)閲娚浠炷良夹g(shù)發(fā)展的不足，也因?yàn)槿狈τ行У脑O(shè)計(jì)方法。應(yīng)該注意的是，除了設(shè)計(jì)的局限性，希思羅機(jī)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)隧道施工失敗也有施工管理方面的因素，特別是質(zhì)量控制和數(shù)據(jù)監(jiān)控（HSE 2000）。

2.3 臨時(shí)噴射混凝土襯砌的其他問題

20世紀(jì)90年代中期，在英國(guó)大多數(shù)噴涂使用的干混法都是隧道工人站在非常接近隧道的位置進(jìn)行混凝土噴射，從而引發(fā)了重大的施工人員健康和安全問題。干混法比濕混合噴灑產(chǎn)生更多的灰塵。此外，臨時(shí)SCL會(huì)引起材料的浪費(fèi)、成本效率低下和負(fù)面環(huán)境影響等問題。

3 SCL建筑的永久性設(shè)計(jì)

為了提高SCL隧道的性能，隧道不同部分的產(chǎn)業(yè)，比如材料供應(yīng)商、機(jī)械制造商、設(shè)計(jì)師和承包商作出了不懈的努力。以下所取得的一些進(jìn)步使SCL作為永久結(jié)構(gòu)使用成為了可能：①SCL的生產(chǎn)從干混法轉(zhuǎn)變到濕混合噴涂，這大大提高了質(zhì)量控制和生產(chǎn)力（奧斯汀&羅賓斯，1995）。②不含堿加速器的運(yùn)用，改善了早期和最終強(qiáng)度，減少了對(duì)環(huán)境的影響，保證了隧道工人的安全（Kusterle，1997）。③使用纖維鋼筋代替鋼筋網(wǎng)消除了“衰退”問題，縮短了建設(shè)計(jì)劃周期，降低了總成本（托馬斯，2008）。④從人工噴涂到機(jī)械噴涂的轉(zhuǎn)變，加快了工程進(jìn)度，減少了材料的浪費(fèi)（Franzén 1992），這與英國(guó)越來越嚴(yán)格的H&S法律相符。⑤通過實(shí)時(shí)觀測(cè)，確保了正確的隧道開挖面，能夠通過控制襯砌厚度來加快建筑速度，消除了一個(gè)關(guān)鍵的耐久性問題。這是一個(gè)巨大的飛躍。最近使用全站儀來控制的項(xiàng)目是希思羅機(jī)場(chǎng)5號(hào)航站樓的一個(gè)項(xiàng)目，項(xiàng)目采用的是Morgan Est提出的“LaserShell”方法（瓊斯等人，2008）。⑥噴射混凝土的發(fā)展使成熟的噴射混凝土和正常施工現(xiàn)場(chǎng)混凝土被同等對(duì)待，在長(zhǎng)期強(qiáng)度的發(fā)展中，低滲透性能和耐久性方面都是相同的（Annett等人，1997）。

永久性噴射混凝土在某些領(lǐng)域（尤其是水電領(lǐng)域）、某些國(guó)家（例如挪威）被廣泛傳播已經(jīng)有很多年了，但是最近才在世界和軟土地質(zhì)的應(yīng)用上獲得了更廣泛的認(rèn)可。對(duì)于本文的說明，在英國(guó)的軟土SCL隧道有一種被稱為“復(fù)合殼”SCL的最新設(shè)計(jì)，它由一層主要的永久性噴射混凝土、一層防水膜和一層二次襯砌組成，在混凝土-膜的連接界面不用黏合劑而是靠剪固結(jié)力來連接。除了隧道連接處，大多采用鋼纖維作為主要鋼筋而不是鋼條或鋼筋網(wǎng)，并去掉了格構(gòu)梁，由全站儀來控制隧道。這種設(shè)計(jì)在幾個(gè)重要的項(xiàng)目中被采用，比如A3 Hindhead.

3.1 設(shè)計(jì)要求

在最新的設(shè)計(jì)選擇中，主體永久性噴涂襯砌是為了讓短期土壓力、水壓力和其他壓力（比如表面附加力和補(bǔ)償灌漿）能在二次襯砌安裝前完全進(jìn)行。在一些地面條件下，有一個(gè)依賴于時(shí)間的地面荷載和長(zhǎng)期水壓力的變化。倫敦的黏土就是一個(gè)例子。假定松軟的地面2年內(nèi)不透水，用此來作不排水短期分析。這種假設(shè)與Wongsaroj等人的發(fā)現(xiàn)相符，即黏土的滲透率應(yīng)該與在JLE綠色公園觀察到的情形一樣，在10-11～10-10 m/s的范圍內(nèi)。

在倫敦黏土的條件下，長(zhǎng)期土壓力和表面附加力的增長(zhǎng)作用在兩者間的厚度上按比例分開了，長(zhǎng)期水壓力被認(rèn)為只適用于長(zhǎng)期性分析二次襯砌的排水。如上所述，這是由主要襯砌開裂的假設(shè)、無膠和連接預(yù)定的噴涂混凝土-膜界面來決定的。地下水被認(rèn)為穿過了主要襯砌的拱背流到內(nèi)弧面的裂縫，襯砌水壓力直接作用于噴涂防水膜，因此需進(jìn)行二次襯砌。根據(jù)時(shí)間和預(yù)算，可以在復(fù)雜的整合分析和簡(jiǎn)單的完全滲透分析中選一個(gè)作為排水長(zhǎng)期分析的數(shù)值模型。

初始基本襯砌通常在25～75 mm之間，而在長(zhǎng)期設(shè)計(jì)案例中通常都是被當(dāng)作犧牲或者忽略掉。這主要是考慮到質(zhì)量控制，因?yàn)檫@一層噴射混凝土的質(zhì)量往往不及后面的混凝土層。將這一層作為犧牲的另一個(gè)原因是為了抵抗地下水中的化學(xué)物質(zhì)，特別是硫酸鹽，將會(huì)腐蝕鋼纖維，減少主要襯砌的厚度?；炷翆拥暮穸戎饕Q于地下水化學(xué)物質(zhì)的類型和濃度，可以說75 mm是一個(gè)相當(dāng)保守的假設(shè)了。

在設(shè)計(jì)和建筑中，使用指定的中等強(qiáng)度噴射混凝土。對(duì)于不同襯砌，典型圓柱體抗壓強(qiáng)度的下限分別是在28 d內(nèi)達(dá)到28 N/mm2和在90 d內(nèi)達(dá)到32 N/mm2，混凝土應(yīng)該在第一個(gè)24 h內(nèi)超過修改的J2曲線（EN 14487—1∶2005）。噴射混凝土抗壓強(qiáng)度的下限規(guī)范是襯砌能夠履行其功能需求。盡管結(jié)構(gòu)合成纖維更經(jīng)濟(jì)、具有更好的抗腐蝕性（Bernard，2009），但仍然選擇鋼纖維作為鋼筋。其主要原因是在抵抗長(zhǎng)期蠕變張力上，鋼纖維有更好的性能（Bernard，2004）。合成纖維在蠕變下有良好的表現(xiàn)。在二次襯砌內(nèi)設(shè)計(jì)一層混入微合成纖維的50 mm防火噴射混凝土層，能夠減少混凝土在火災(zāi)情況下的剝落（shuttleworth，2001）。

3.2 設(shè)計(jì)方法

目前，由于模擬被廣泛應(yīng)用于SCL隧道的設(shè)計(jì)，可以這樣認(rèn)為，提高設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性取決于本結(jié)構(gòu)模型的精度。SCL隧道設(shè)計(jì)主要在三個(gè)地方可以改進(jìn)數(shù)值模擬結(jié)果，即地面的結(jié)構(gòu)模型、噴射混凝土的結(jié)構(gòu)模型和建模方法的校準(zhǔn)。產(chǎn)業(yè)界和學(xué)術(shù)界在收集現(xiàn)場(chǎng)和實(shí)驗(yàn)室測(cè)試數(shù)據(jù)上花費(fèi)了巨大努力，用以開發(fā)地面層結(jié)構(gòu)模型，比如倫敦黏土結(jié)構(gòu)模型（Gaspare，2005；Jardine等人，1984，1986）。可以說，黏土結(jié)構(gòu)模型發(fā)展用了翻倍的時(shí)間和資源，卻可能只是稍微地改善了結(jié)果。因此，通過在模擬工作中輸入資源，這依賴于設(shè)計(jì)師的判斷來平衡結(jié)果的精度。同時(shí)還應(yīng)該注意，數(shù)值模型只是一個(gè)近似的表現(xiàn)，它的準(zhǔn)確性會(huì)受到地面實(shí)際模型的選擇性和不確定性的顯著影響（Thomas，2008）。

最近一個(gè)大型項(xiàng)目采用了A*模型（Eadington & O'Brien，2011），這是一個(gè)小應(yīng)變剛度非線性彈性模型。這個(gè)模型能夠識(shí)別出在對(duì)隧道有適當(dāng)壓力下黏土出現(xiàn)問題之前的重要情況，特別是幾條隧道接近處的情況。特雷斯卡失效準(zhǔn)則（關(guān)聯(lián)性塑性流動(dòng)法則）和莫爾-庫(kù)倫破壞準(zhǔn)則（非關(guān)聯(lián)性塑性流動(dòng)法則）分別被用來建立排水和不排水的地層情況模型。應(yīng)變依賴剛度模型的概念和失效準(zhǔn)則在產(chǎn)業(yè)界和學(xué)術(shù)界都很著名，而且有重要的歷史數(shù)據(jù)。除此之外，這些模型所用的參數(shù)相對(duì)而言更容易獲得，而且與使用參數(shù)更復(fù)雜的模型相比，計(jì)算時(shí)間上也比較適合。

對(duì)于噴射混凝土的齡期，相關(guān)性強(qiáng)度曲線建立在緩和J2曲線（EN 14487—1∶2005）的基礎(chǔ)上，時(shí)間達(dá)到了24 h。這是由以前的SCL工程和之后的Chang & Stille方法得出的。噴射混凝土在每個(gè)階段的剛度也可以從Chang & Stille壓力剛度方程中得到。來自希思羅機(jī)場(chǎng)T5項(xiàng)目和A3Hindhead隧道的噴射混凝土強(qiáng)度剛度數(shù)據(jù)被用來檢查。歐洲規(guī)范2（BSI 2004）規(guī)定了普通混凝土壓應(yīng)力變峰值（εc）為0.2%，壓應(yīng)力極限（εcu）為0.35%.目前混凝土的張力還沒有得到公認(rèn)的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系。由于混凝土抗拉強(qiáng)度通常非常小，因此不考慮結(jié)構(gòu)性分析。普通混凝土是一種脆性材料，當(dāng)加入鋼筋或結(jié)構(gòu)纖維時(shí)才能表現(xiàn)出一定程度的延性。因此，應(yīng)當(dāng)用不同的標(biāo)準(zhǔn)和方法對(duì)拉伸應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系進(jìn)行綜述，然后選定設(shè)計(jì)方案。

另外，在襯砌里添加塑料鉸鏈也是一種能夠提高效率的設(shè)計(jì)。在混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，彎矩再分配是一個(gè)行之有效的理論，很適合SCL隧道，特別是結(jié)構(gòu)冗余部分。使用時(shí)間的相關(guān)線性彈性曲線模型和塑料鉸鏈能夠大幅度降低襯砌彎矩峰值，從而使彎矩分布更均勻。在因略微增加的地層運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致的成本增加這方面也能有更有效的襯砌設(shè)計(jì)，克服了用彈性元素來模擬材料的非線性彈塑性的限制，這真是讓人難以置信。這方面合適的方法和經(jīng)驗(yàn)可以使SCL隧道很容易地重新將壓力分配到隧道和地面上，使地面不致于承受過大壓力。如果地面負(fù)載壓力一直增加而不是重新分配，可以用數(shù)值模型來預(yù)測(cè)何時(shí)崩潰，這是一個(gè)安全的設(shè)計(jì)方法。

3.3 校準(zhǔn)

如果地面和噴射混凝土的結(jié)構(gòu)模型定義精確，由正確施工順序建立起的3D模型對(duì)于建模者來說就會(huì)十分直觀，結(jié)果也會(huì)十分精確。人們普遍認(rèn)為，對(duì)于SCL隧道來說，3D模型比2D模型要好得多，因?yàn)榍罢呖梢詫?duì)復(fù)雜的施工程序和隧道斷面三維應(yīng)力重新分配進(jìn)行明確的建模。3D建模被廣泛應(yīng)用于校準(zhǔn)工作中補(bǔ)償灌漿和隧道連接處的研究。然而，必須承認(rèn)的是，與2D建模相比，3D建模是非常耗時(shí)的，只在可以顯著提高準(zhǔn)確結(jié)果的時(shí)候使用。因此，大部分SCL隧道仍采用2D建模分析。最近有一個(gè)主要項(xiàng)目，對(duì)于隧道的監(jiān)測(cè)結(jié)果，在設(shè)計(jì)之初就被提取出來進(jìn)行廣泛的校準(zhǔn)，以驗(yàn)證關(guān)于地面和噴射混凝土的結(jié)構(gòu)模型和參數(shù)，然后制定并采用了一個(gè)有效的二維模擬方法進(jìn)行常規(guī)的二維分析。

對(duì)于數(shù)值模型的校準(zhǔn)，最重要的是從隧道監(jiān)測(cè)系統(tǒng)直接獲得的隧道收斂和襯砌應(yīng)力數(shù)據(jù)。隧道設(shè)計(jì)師們主要關(guān)注的是內(nèi)壁荷載，而與隧道的穩(wěn)定性相比，地層運(yùn)動(dòng)是一個(gè)次要問題。理想的校準(zhǔn)過程如下文所述。

首先，從可靠的來源，比如公司自己的數(shù)據(jù)庫(kù)或發(fā)表的論文，獲得一個(gè)完整的SCL隧道項(xiàng)目工程的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，包括地面、地下的沉降曲線，襯砌壓力和襯砌變形。應(yīng)該注意這些數(shù)據(jù)是否有缺少，而且很難找到地面狀況相同的案例。對(duì)這些SCL隧道建立一個(gè)明確的3D模型，需要建造順序和使用真正的噴射混凝土剛度和強(qiáng)度。對(duì)預(yù)測(cè)的襯砌應(yīng)力、襯砌變形，地表、地下的沉降曲線和現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。甚至在現(xiàn)在，人們普遍認(rèn)為預(yù)測(cè)隧道引起的地面沉降仍然是一個(gè)非常困難的任務(wù)（Potts & Zdravkovic，2001；Addenbrook，1997）。

將主要焦點(diǎn)集中在襯砌設(shè)計(jì)上，如果模型預(yù)測(cè)的地表沉降在測(cè)量和體積損失后，在合理范圍內(nèi)與校準(zhǔn)數(shù)據(jù)相近，就很讓人滿意。SCL隧道建立于倫敦黏土之上，地層應(yīng)變的非線性剛度不僅被用來考慮預(yù)測(cè)變形，還用來評(píng)估建立相鄰隧道地層的應(yīng)變。如果現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)和數(shù)值模型預(yù)測(cè)在地面變形、襯砌壓力和收斂無法同時(shí)達(dá)到一致時(shí)，應(yīng)當(dāng)優(yōu)先考慮預(yù)測(cè)與現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)最接近的輸入?yún)?shù)。

在不同的地面壓力分散程度匹配2D建模結(jié)果和3D建模結(jié)果，使用噴射混凝土剛度和強(qiáng)度。理想情況下，2D的分散比例應(yīng)該使包括地面變形和襯砌性能在內(nèi)的預(yù)測(cè)結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)一致。對(duì)于襯砌性能，需要檢查的不僅是最大襯砌應(yīng)力是否符合現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，還要檢查襯砌變形模式是否與現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)一致。不同的地面松散程度應(yīng)采用不同的施工方法。

4 SCL隧道的進(jìn)一步發(fā)展

SCL隧道在過去的20年內(nèi)有了巨大的變化，已經(jīng)從一個(gè)臨時(shí)結(jié)構(gòu)變成了永久性結(jié)構(gòu)，在結(jié)構(gòu)能力、水密性、耐久性、保證隧道工人的安全等方面都取得了很大成果，同時(shí)也縮短了施工周期，節(jié)約了材料。下面將討論是否可以使SCL隧道更好、襯砌更薄、施工周期更短。

4.1 SCL技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展

復(fù)合殼SCL是一個(gè)有前景的設(shè)計(jì)，它脫穎而出，吸引了最多的關(guān)注。就隧道施工的意義而言，復(fù)合殼SCL和雙層殼SCL是一樣的，均由一層永久性的噴射混凝土襯砌、一層防水膜和一層永久性噴射混凝土二次襯砌組成。它們的主要區(qū)別在于，前者假設(shè)在混凝土-膜界面上存在著一定程度的黏合劑和剪固結(jié)力，而后者沒有。這種差異使兩個(gè)襯砌選項(xiàng)在土壤和水的壓力上是完全不同的表現(xiàn)方式。對(duì)于復(fù)合殼SCL，由于在界面上沒有假設(shè)的黏合劑和剪固結(jié)力，水可以通過主要襯砌的裂縫滲透和臨界面滲透，對(duì)防水膜的拱背施加壓力。這是一個(gè)保守的設(shè)計(jì)假設(shè)，即使這個(gè)來自制造商的數(shù)據(jù)表明這是一個(gè)完全的黏結(jié)行為（Holter & Nermoen，2011）。二次襯砌會(huì)長(zhǎng)期地獨(dú)自承受水壓力，這成為了一個(gè)二次襯砌厚度的主要考慮因素。相比之下，對(duì)于復(fù)合殼SCL，沿著界面的滲透會(huì)阻止水通過裂縫滲透，絕大多數(shù)水在設(shè)計(jì)的120年之內(nèi)無法到達(dá)防水膜，這使SCL滿足了最大的滲透性和密實(shí)度要求（Jones，2012）。主要襯砌和二次襯砌一起長(zhǎng)期支持水壓力，這會(huì)大量減少二次襯砌的厚度。對(duì)于復(fù)合殼的SCL，二次襯砌的厚度可能只要60 mm（Holter & Nermoen，2011）。

4.2 設(shè)計(jì)方法的進(jìn)一步發(fā)展

一個(gè)可能的區(qū)域來自于對(duì)早期噴射混凝土蠕變效應(yīng)的進(jìn)一步了解。據(jù)了解，蠕變程度是依賴應(yīng)力（Thomas 2008），關(guān)于這個(gè)問題現(xiàn)在只有很少的可用信息。理解了這個(gè)問題可以讓SCL早期有更精確的建模。材料科學(xué)的領(lǐng)域仍在繼續(xù)發(fā)展，在未來很有可能被廣泛應(yīng)用，在使用噴霧和防水膜的設(shè)計(jì)假設(shè)上與復(fù)合作用充分結(jié)合。后者則能顯著降低整體襯砌厚度。同樣地，應(yīng)該進(jìn)行更多的反演分析，由此可以細(xì)化地面和噴射混凝土的結(jié)構(gòu)模型和2D建模方法。為了做到這一步，確定位置和安裝監(jiān)控系統(tǒng)的技術(shù)是很重要的，以便對(duì)更可靠的數(shù)據(jù)進(jìn)行回饋分析。對(duì)于隧道行業(yè)來說，最近所取得的進(jìn)步代表著一個(gè)重大的機(jī)遇，能夠從未來的項(xiàng)目中學(xué)到更多的應(yīng)用，比如HS2和橫木2.

5 結(jié)論

在過去的20年里，噴射混凝土襯砌已經(jīng)有了巨大的進(jìn)步，包括從臨時(shí)性結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變到永久性結(jié)構(gòu)。在噴灑混凝土-膜界面，混合作用成為了隧道行業(yè)的共識(shí)，SCL的設(shè)計(jì)理念將會(huì)經(jīng)歷另一個(gè)革命，那就是復(fù)合殼SCL將會(huì)取代主襯砌SCL和復(fù)合殼SCL，永久結(jié)構(gòu)從二次襯砌轉(zhuǎn)移到了主要襯砌上。二次襯砌將會(huì)作為主要支撐層，其作用是防火和進(jìn)行內(nèi)部固定。

原著名及編輯：World Tunnel Congress 2013 Geneva

Underground – the way to the future！

G.Anagnostou & H.Ehrbar （eds）

出版社：? 2013 Taylor & Francis Group，London.

刊號(hào)：ISBN 978-1-138-00094-0

作者：Mott MacDonald

本文為譯文，如有不當(dāng)之處，請(qǐng)加以指正。

〔編輯：劉曉芳〕