復合襯砌結構設計研究

張敬博　劉愿英

摘 要：復合襯砌是用錨噴支護作初期支護，針對于二次襯砌的一種組合襯砌結構即模筑混凝土作（二層間可根據需要設置防水層）。文章闡述了隧洞復合襯砌結構設計的研究現狀，并對隧洞復合襯砌結構的設計方法做了簡要介紹，包括初期支護及二次襯砌的設計方法。

關鍵詞：復合襯砌；初期支護；二次襯砌

中圖分類號：TU311 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2015）12-0141-01

復合襯砌是用錨噴支護作初期支護，模筑混凝土作二次襯砌的一種組合襯砌結構（二層間可根據需要設置防水層）。由于其理論先進、技術合理，大大加快了施工進度，降低了工程造價，因此近幾年在國內外的地下工程中得到了廣泛的應用。對于水工隧洞結構設計，《水工隧洞設計規范》SL279-2004中明確規定：當圍巖條件較差，襯砌需要的厚度過大時，可采用外層為混凝土或鋼筋混凝土、內層為錨噴支護（必要時可配置鋼支撐）的組合式雙層襯砌，即復合襯砌。

1 隧洞復合襯砌結構設計研究現狀

目前，國內對復合式襯砌結構中的二次襯砌設計大多是通過工程類比結合一定的結構計算分析綜合確定。復合式襯砌結構形式特殊，受力狀態復雜。在設計時，可以認為全部荷載都由二次襯砌承受，而初期支護僅是施工階段的臨時支護，不考慮承載；也可以認為初期支護和二次襯砌聯合承載，即初期支護和二次襯砌分別承擔一定比例的荷載。無論是初次支護還是二次襯砌，其承擔的荷載大小都與其剛度成正比的，但過分增大初期支護或二次襯砌的剛度也是不經濟的。因此，在進行復合襯砌結構設計時，需要結合工程實際，既要滿足到結構安全性要求，又需考慮結構經濟性要求。

2 隧洞復合襯砌結構設計方法

復合襯砌結構設計、施工是以新奧法為基礎的。新奧法（New Austrian Tunnelling Method）是20世紀50年代奧地利學者Rabcewiz教授等一大批學者和工程技術人員在長期工程經驗的基礎上創立并于1962年正式命名的一種隧洞工程方法。它的創立，給隧洞工程實踐的科學化和技術經濟的合理化帶來了根本性變革，因其工藝簡單，結構可靠和造價低廉等特點而引起隧洞工程界的重視，并已在世界各地的礦山、鐵道、水工隧洞、軍事工程洞庫或其它地下建筑工程中推廣應用。

2.1 復合襯砌結構初期支護設計方法

初期支護一般指錨桿噴射混凝土支護，必要時配合使用鋼筋網和鋼拱架。目前，國內錨噴支護的設計規范有明確規定，錨噴支護應以工程類比法為主，監控量測法和理論驗算法為輔來進行設計。

2.1.1 工程類比設計的原則

工程類比法分為直接對比法和間接類比法。直接對比法是將設計的工程與條件基本相同的已建工程進行對比以確定錨噴支護的類型和參數。間接類比法是按照錨噴支護技術的現行規范，參照圍巖級別表及錨噴支護設計參數將擬建工程的錨噴支護類型及參數確定出來。

初期支護工程類比設計應遵循以下原則：

①根據大量錨噴工程實踐經驗確定的錨噴支護設計參數表是以工程實例為基礎，進行全面綜合的分析，按照圍巖級別與洞跨確定相應支護類型及參數；②根據不同圍巖不同的壓力特點，對不同部位的拱、墻采用相應的的支護參數；③根據巖體和部位的不同的分別采用不同的支護類型與參數。力求體現錨噴支護靈活性及圍巖局部破壞局部加固、整體加固與局部加強的等強度支護原則。根據錨噴支護現行規范參數表，參考同一級的圍巖級別和洞跨相應的錨噴支護類型和參數；④錨噴支護參數表中，雖然表中給出的支護參數是根據工程類比確定的，但最終要借助于監控設計和理論設計來確定最終支護參數；⑤根據工程的不同而適當調整。對一般工程宜采用支護參數表中的下限值而重要工程則要采用上限值；⑥支護參數依據錨噴支護設計參數表和有關條文共同進行確定。

2.1.2 錨噴支護的類型及參數

錨噴支護參數應既包括支護類型、支護參數，又包括開挖方式，仰拱施作時間和最終支護時間等。錨噴支護參數表中也只給出了錨噴支護類型和參數。確定錨噴支護類型與參數時，應遵循如下原則：

①對拱墻根據圍巖壓力的特點的不同采用相應的支護參數；②根據巖體和圍巖的不同及其部位的不同采用相應的支護類型和參數。體現出使用錨噴支護類型的靈活性及允許進行局部加固圍巖等特點；③雖然錨噴支護參數表中的錨噴支護參數是根據工程類比確定的，但最終支護參數的確定需要時還應借助監控設計與理論設計；④錨噴支護表中的錨噴參數，一般是本部門將以往修建工程的設計參數經統計分析后確定的。

2.2 復合襯砌結構二次支護設計方法

2.2.1 二次襯砌的主要作用

在復合襯砌結構中，二次襯砌隨圍巖等級不同而作用不同：

①對于級穩定硬質圍巖，由于圍巖和初期支護變形較小且迅速趨于穩定，因此二次襯砌的主要作用是通風、防水以及修飾面層而并不承受圍巖壓力；②對于級基本穩定硬質圍巖，雖然初期支護和圍巖變形較小且圍巖壓力較小，但考慮到運營后洞室容易產生的一些問題，一般以二次襯砌來加強支護襯砌的安全性；③對于級圍巖，由于巖體流變、地下水等作用及施工中偏壓、淺埋等原因，在圍巖變形趨于基本穩定之前施作二次襯砌，此時的襯砌承受著較大的后期圍巖形變所產生的壓力。

2.2.2 二次襯砌結構設計

①設計基本要求：初期支護與二次襯砌的密貼程度，對復合式襯砌受力狀態有較大影響。當支護與襯砌緊密粘結時，兩層間傳遞徑向力及切向力，按整體結構進行驗算，當支護與襯砌之間設有防水層時，按組合結構進行驗算；設計時應對二次襯砌的變形予以控制，以防洞內漏水；兩層間空隙部分應回填密實；②二次襯砌的計算：針對地質條件復雜的軟弱圍巖，為了確定出更為簡便合理的計算方法，通常在進行二次襯砌計算時，將上述幾種方法的結果進行比較來加以確定；③二次襯砌施作時間的確定：二次襯砌在初期支護以及圍巖變形基本穩定后采用模筑混凝土施作，并應具備下述條件：洞室周邊位移明顯減緩，邊墻中部附近以及拱腳1 m以上的位移速度小于0.1～0.2 mm/d，或拱頂下沉速度小于0.07～0.15 mm/d；二次襯砌施作前的位移值，應達到總位移值的80%～90%，對于可提前施作二次襯砌，且應予加強；對于圍巖自穩性較好且洞室較短的，應在整個洞室貫通后再作二次襯砌用以減少各工序間的干擾；④加強二次襯砌的措施：在不良地質地段和偏壓、淺埋、膨脹性圍巖條件下施作的二次襯砌，以及初期支護和圍巖還未達到基本穩定而提前施作的二次襯砌，均要承受較大的圍巖壓力，為了加強二次襯砌，故要求采取以下措施：提高混凝土標號，或采用抗彎曲強度高的材料；改變襯砌形狀，減少襯砌彎矩，使襯砌斷面基本受壓；采用注漿加固地層，超前支護等措施，增加巖體強度以及圍巖整體穩定性；修建仰拱使襯砌形成封閉結構，提高結構的整體剛度，并減少圍巖變形。

3 結 語

復合襯砌技術合理且理論先進，在提高襯砌承載力的同時，能充分發揮圍巖自承能力，且很好地加快了施工進度，從而實現了工程造價的降低。在今后的復合襯砌結構設計時，我們應該結合工程實際，做出既滿足結構安全性要求，又能滿足經濟性要求的襯砌結構設計。

參考文獻：

[1] SL 575-2012，中華人民共和國水利行業標準[S].

[2] 鄧文龍，王飛.隧道復合式襯砌荷載結構法計算方法的探討[J].山西建筑，2012，（7）.

[3] SL 279-2002，水工隧洞設計規范[S].