單層襯砌的概念.doc

單層襯砌的概念德國(guó)1995年提出的單層襯砌結(jié)構(gòu)與目前推行的復(fù)合襯砌有原則的不同，其形式是多種多樣的，而且在工程中得到一定程度的推廣。1單層襯砌構(gòu)造的原則在隧道開(kāi)挖中，眾所周知，時(shí)間因素是非常重要的。隧道施工時(shí)的支護(hù)采用噴混凝土以后，對(duì)理解圍巖是一個(gè)具有承載能力的支護(hù)，有了進(jìn)一步的認(rèn)識(shí)。通常，后面施工的內(nèi)襯（二次襯砌）是為了提高安全度和保證充分的耐水性而設(shè)置的。但內(nèi)襯的施工，如果考慮時(shí)間因素，也具有控制變形增加的效果。因此，在單層襯砌中，如果第2層（內(nèi)襯）與承載有關(guān)，也應(yīng)該考慮時(shí)間因素。在單層襯砌系統(tǒng)中，應(yīng)力的內(nèi)部傳遞機(jī)理的比較好的，但被約束的應(yīng)變、流變及溫度變化產(chǎn)生的應(yīng)力等，在第2層中，在非常早的時(shí)期就發(fā)生了。為此，就不能充分傳遞避免因開(kāi)裂而造成損傷的必要的壓力。結(jié)合面完全附著的場(chǎng)合，能夠最好地控制因被約束的應(yīng)變而發(fā)生的應(yīng)力，是從圍巖傳遞到第1層及全體襯砌，同時(shí)從第1層向第2層傳遞機(jī)理的最佳條件。其次，由于各個(gè)工程的地質(zhì)及地下水等條件的不同，在修筑第2層襯砌，必須追加合理的施設(shè)時(shí)間。單層襯砌的支護(hù) 經(jīng)歷不同階段的荷載狀況。開(kāi)挖后產(chǎn)生的變形也是荷載的一種。圖1表示單線(xiàn)單層襯砌的荷載經(jīng)歷過(guò)程。時(shí)間軸上的主要階段示于圖2。能夠分出2種不同的傳遞機(jī)理。第1種從影響支護(hù)應(yīng)力狀態(tài)的圍巖向外部傳遞。 圖2荷載的時(shí)間歷程支護(hù)施工前（開(kāi)挖前）的圍巖松弛；圍巖形成拱效應(yīng)和松弛荷載向支護(hù)再分配；在接近地表面開(kāi)挖時(shí)，隨時(shí)間拱效應(yīng)喪失，假定支護(hù)承受100%的圍巖荷載。如圖1所示的第1層的施工到第2層施工完成的最短時(shí)間，是圖2所示的t（第2層）和t（第1層）的時(shí)間差。到第2層修筑前的經(jīng)過(guò)時(shí)間，對(duì)全體襯砌的影響極大。特別是，在適合單層襯砌的地質(zhì)條件下，從外部（從圍巖）的荷載增加的過(guò)程中，就修筑第2層的場(chǎng)合，其影響更大。例如，在這種狀態(tài)下，第1層混凝土硬化后立刻修筑第2層是可以控制二次平衡達(dá)成前的松弛。但這樣的施工，必須保證第2層的品質(zhì)。如今，鋼纖維混凝土可以滿(mǎn)足這個(gè)要求。這樣的考慮，在地質(zhì)條件適合單層襯砌的場(chǎng)合，圍巖荷載的一部分從第1層直接傳遞到全體襯砌的可能的。全體襯砌在荷載減少的過(guò)程中完成第2層襯砌的修筑。結(jié)果隧道襯砌的不出現(xiàn)拉應(yīng)力，而處于完全的壓縮狀態(tài)。另一個(gè)傳遞機(jī)理是內(nèi)部傳遞機(jī)理。應(yīng)力狀態(tài)是由內(nèi)部傳遞機(jī)理控制的。內(nèi)部傳遞形態(tài)如下。因第1層的變形傳遞；第2層的水化熱冷卻時(shí)產(chǎn)生的溫差的傳遞；第2層的收縮傳遞。根據(jù)這樣的傳遞機(jī)理，整個(gè)襯砌中因被約束應(yīng)變而產(chǎn)生的應(yīng)力是上升的。這樣的應(yīng)力在第2層完成后，非常早的時(shí)期有一定效果，能夠避免開(kāi)裂的發(fā)生。根據(jù)地下鐵道試用的經(jīng)驗(yàn)，鋼纖維混凝土作為第2層是沒(méi)有問(wèn)題的。采用結(jié)合的單層襯砌構(gòu)造的必要條件是，如圖3所示必須盡可能地形成緊密咬合的一體化斷面。各層間的附著因接觸咬合是可以確保的。因此，從過(guò)去一般采用的防水層就沒(méi)有必要了。與雙層襯砌不同，單層襯砌的支護(hù)是永久結(jié)構(gòu)物的構(gòu)成單元。單層襯砌支護(hù) 是為了確保施工安全、隧道穩(wěn)定而由及早施工的數(shù)層構(gòu)成的，接觸圍巖的層（過(guò)去的初期支護(hù)）是永久穩(wěn)定的，作為能夠維持功能要求的構(gòu)造，而形成合成的結(jié)構(gòu)（圖4）。單層襯砌的凈空側(cè)和圍巖側(cè)，如圖5所示，沒(méi)有用隔離材分離，而是直接接觸的。2層間的直接接觸，可增加剪力的傳遞，因此，隨時(shí)間，在荷載增加的場(chǎng)合，與一體斷面有同樣的結(jié)合效果。目前，外襯砌，通常是不考慮承載和防水功能的。但在單層襯砌中，涉及結(jié)構(gòu)物的耐久性，支護(hù) 應(yīng)按作為最終結(jié)構(gòu)的一部分來(lái)考慮。單層構(gòu)造，由于能夠縮短開(kāi)挖時(shí)間、減少材料消耗、削減施工量等，而能夠降低修建隧道的成本。結(jié)合的單層襯砌的構(gòu)造形式示于表1。表1 單層襯砌的構(gòu)造形式構(gòu)造形式第1層第2層1鋼纖維噴混凝土鋼纖維噴混凝土2鋼纖維噴混凝土鋼纖維模注混凝土3鋼纖維噴混凝土鋼筋噴混凝土4鋼纖維噴混凝土鋼筋混凝土5鋼筋噴混凝土鋼纖維噴混凝土6鋼筋噴混凝土鋼纖維模注混凝土表1中的構(gòu)造形式，第1層采用鋼纖維噴混凝土的結(jié)構(gòu)形式示于圖6。第2層的混凝土施工方法或采用噴射方法或模注方法，補(bǔ)強(qiáng)方法可采用鋼纖維或鋼筋。耐水性可按圖7的基本方法，以確保其使用性能。圖7 保證耐水性方法圖6第1層采用鋼纖維噴混凝土的結(jié)構(gòu)模式其中方法3，雖然2層是分離的，但對(duì)內(nèi)部斷面力的傳遞具有結(jié)合一體的效果。圖8第2層采用模筑混凝土的結(jié)構(gòu)模式3鋼纖維模筑混凝土的單層襯砌圖8表示第2層采用鋼纖維模筑混凝土的構(gòu)造形式。形式和僅第1層的施工方法不同。這種構(gòu)造形式的優(yōu)點(diǎn)是采用與雙層襯砌同樣的施工方法，第2層采用高品質(zhì)的耐水混凝土。因此在要求具有耐水性的場(chǎng)合采用。為了確保構(gòu)造的穩(wěn)定性，第1層的厚度與過(guò)去的外襯厚度一樣（圖9）。最終狀態(tài)的承載力是按第1層和第2層結(jié)合后的全體襯砌來(lái)考慮的。第2層完成后，全體襯砌承受第2層的自重及干燥收縮、第1層的變形、溫度產(chǎn)生的應(yīng)力等。目前，鋼纖維混凝土的特性得到不斷的改善，但還要研究結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。這意味著要附加結(jié)構(gòu)上的安全系數(shù)。但是，從最近的動(dòng)向看，混入鋼纖維的方法會(huì)越來(lái)越多。圖9鋼纖維模筑混凝土，其鋼纖維在低令時(shí)能夠控制開(kāi)裂的發(fā)生，比素混凝土和鋼筋混凝土更能約束應(yīng)變。并緩和發(fā)生的應(yīng)力，是比較好的。但是在彎矩的作用下，預(yù)測(cè)可能發(fā)生細(xì)小的開(kāi)裂（圖10 ）。即使在這種場(chǎng)合鋼纖維也是沒(méi)有問(wèn)題的。者已得到工程實(shí)踐的證實(shí)。圖單層襯砌構(gòu)造主要是能夠把因彎曲而在接觸面產(chǎn)生剪力，通過(guò)接觸作用傳遞的場(chǎng)合采用，是一個(gè)比較經(jīng)濟(jì)的工法。經(jīng)驗(yàn)證實(shí)，采用格柵等補(bǔ)強(qiáng)材會(huì)增加透水性有可能損傷全體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。圖11是一個(gè)應(yīng)該層間剪切動(dòng)態(tài)的試驗(yàn)結(jié)果。結(jié)果表明：在第1層未加工的噴射面，幾乎與人為的作成具有三角形的表面的情況相同。這說(shuō)明設(shè)置補(bǔ)強(qiáng)材的必要性是不大的。第1層假定表面“污染”的狀態(tài)，如圖12，約降低30%的抗剪能力。其真正的意義是第2層如修筑過(guò)遲，就需要洗凈表面。如圖11所示，第2層用鋼纖維噴混凝土作成的試件與用鋼纖維模筑混凝土作成的試件比較，基本上，鋼纖維噴混凝土傳遞剪力的能力大。圖結(jié)合面抗剪強(qiáng)度的試驗(yàn)結(jié)果圖結(jié)合面污染的影響4采用鋼纖維噴混凝土的單層襯砌1989年在地下鐵道區(qū)間隧道第2層采用鋼纖維噴混凝土襯砌取得成功。圖是第2層采用鋼纖維噴混凝土的構(gòu)造形式。構(gòu)造形式因耐水性的要求不同有以下不同。構(gòu)造形式：第1層和第2層的2層都具有承載和耐水功能；：第1層和第2層的2層具有承載功能，只有第2層具有耐水功能。單層襯砌的第2層采用鋼纖維噴混凝土的目的是：為獲得充分的承載能力，強(qiáng)化第1層；確保使用期間的耐水性。這與第1層采用鋼纖維噴混凝土周?chē)ёo(hù)的目的是不同的。為了達(dá)到這些目的，要特別注意鋼纖維噴混凝土的質(zhì)量保證。 圖第2層