单层衬砌的概念.doc

单层衬砌的概念 德国1995年提出的单层衬砌结构与目前推行的复合衬砌有原则的不同，其形式是多种多样的，而且在工程中得到一定程度的推广。 1·单层衬砌构造的原则 在隧道开挖中，众所周知，时间因素是非常重要的。隧道施工时的支护采用喷混凝土以后，对理解围岩是一个具有承载能力的支护，有了进一步的认识。通常，后面施工的内衬（二次衬砌）是为了提高安全度和保证充分的耐水性而设置的。但内衬的施工，如果考虑时间因素，也具有控制变形增加的效果。因此，在单层衬砌中，如果第2层（内衬）与承载有关，也应该考虑时间因素。 在单层衬砌系统中，应力的内部传递机理的比较好的，但被约束的应变、流变及温度变化产生的应力等，在第2层中，在非常早的时期就发生了。为此，就不能充分传递避免因开裂而造成损伤的必要的压力。 结合面完全附着的场合，能够最好地控制因被约束的应变而发生的应力，是从围岩传递到第1层及全体衬砌，同时从第1层向第2层传递机理的最佳条件。其次，由于各个工程的地质及地下水等条件的不同，在修筑第2层衬砌，必须追加合理的施设时间。 单层衬砌的支护 经历不同阶段的荷载状况。开挖后产生的变形也是荷载的一种。图1表示单线单层衬砌的荷载经历过程。时间轴上的主要阶段示于图2。能够分出2种不同的传递机理。第1种从影响支护应力状态的围岩向外部传递。 图2荷载的时间历程 ·支护施工前（开挖前）的围岩松弛； ·围岩形成拱效应和松弛荷载向支护再分配； ·在接近地表面开挖时，随时间拱效应丧失，假定支护承受100%的围岩荷载。 如图1所示的第1层的施工到第2层施工完成的最短时间，是图2所示的t（第2层）和t（第1层）的时间差。 到第2层修筑前的经过时间，对全体衬砌的影响极大。特别是，在适合单层衬砌的地质条件下，从外部（从围岩）的荷载增加的过程中，就修筑第2层的场合，其影响更大。例如，在这种状态下，第1层混凝土硬化后立刻修筑第2层是可以控制二次平衡达成前的松弛。但这样的施工，必须保证第2层的品质。如今，钢纤维混凝土可以满足这个要求。 这样的考虑，在地质条件适合单层衬砌的场合，围岩荷载的一部分从第1层直接传递到全体衬砌的可能的。全体衬砌在荷载减少的过程中完成第2层衬砌的修筑。结果隧道衬砌的不出现拉应力，而处于完全的压缩状态。 另一个传递机理是内部传递机理。应力状态是由内部传递机理控制的。内部传递形态如下。 ·因第1层的变形传递； ·第2层的水化热冷却时产生的温差的传递； ·第2层的收缩传递。 根据这样的传递机理，整个衬砌中因被约束应变而产生的应力是上升的。这样的应力在第2层完成后，非常早的时期有一定效果，能够避免开裂的发生。根据地下铁道试用的经验，钢纤维混凝土作为第2层是没有问题的。 采用结合的单层衬砌构造的必要条件是，如图3所示必须尽可能地形成紧密咬合的一体化断面。各层间的附着因接触咬合是可以确保的。因此，从过去一般采用的防水层就没有必要了。 与双层衬砌不同，单层衬砌的支护是永久结构物的构成单元。单层衬砌支护 是为了确保施工安全、隧道稳定而由及早施工的数层构成的，接触围岩的层（过去的初期支护）是永久稳定的，作为能够维持功能要求的构造，而形成合成的结构（图4）。 单层衬砌的净空侧和围岩侧，如图5所示，没有用隔离材分离，而是直接接触的。2层间的直接接触，可增加剪力的传递，因此，随时间，在荷载增加的场合，与一体断面有同样的结合效果。 目前，外衬砌，通常是不考虑承载和防水功能的。但在单层衬砌中，涉及结构物的耐久性，支护 应按作为最终结构的一部分来考虑。单层构造，由于能够缩短开挖时间、减少材料消耗、削减施工量等，而能够降低修建隧道的成本。 结合的单层衬砌的构造形式示于表1。 表1 单层衬砌的构造形式 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 表1中的构造形式，第1层采用钢纤维喷混凝土的结构形式示于图6。第2层的混凝土施工方法或采用喷射方法或模注方法，补强方法可采用钢纤维或钢筋。 耐水性可按图7的基本方法，以确保其使用性能。 图7 保证耐水性方法 图6第1层采用钢纤维喷混凝土 的结构模式 其中方法3，虽然2层是分离的，但对内部断面力的传递具有结合一体的效果。 图8第2层采用模筑混凝土的结构模式 3钢纤维模筑混凝土的单层衬砌 图8表示第2层采用钢纤维模筑混凝土的构造形式。形式②和⑥仅第1层的施工方法不同。这种构造形式的优点是采用与双层衬砌同样的施工方法，第2层采用高品质的耐水混凝土。因此在要求具有耐水性的场合采用。 为了确保构造的稳定性，第1层的厚度与过去的外衬厚度一样（图9）。最终状态的承载