第三講-單層襯砌講稿

隧道單層襯砌技術(shù)仇文革教授第一部分單層襯砌技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢綜述一、隧道襯砌結(jié)構(gòu)的形式與發(fā)展概況二、單層襯砌技術(shù)現(xiàn)狀

三、單層襯砌的發(fā)展趨勢

整體式襯砌復(fù)合式襯砌單層襯砌1、隧道襯砌結(jié)構(gòu)形式的歷史演變一、襯砌結(jié)構(gòu)的形式與發(fā)展概況

整體式襯砌是傳統(tǒng)的襯砌結(jié)構(gòu)形式，設(shè)計截面一般較厚，經(jīng)濟性差。復(fù)合式襯砌是應(yīng)用最為廣泛的襯砌結(jié)構(gòu)形式。缺點：不密貼，被動防水，施工步序多。2、各種襯砌形式的使用情況及存在問題

一、襯砌結(jié)構(gòu)的形式與發(fā)展概況

單層襯砌是在歐洲使用比較多的，瑞典、挪威等國家。

解決“密貼”問題，輪廓基本圓順，避免局部應(yīng)力集中，確保支護系統(tǒng)和圍巖的穩(wěn)定性。單層襯砌大部分是用噴射混凝土修筑的，不需要模板、拱架等，降低造價和縮短工期。2、各種襯砌形式的使用情況及存在問題

一、襯砌結(jié)構(gòu)的形式與發(fā)展概況

在取消防水板的前提下，洞室開挖后立即噴射一層具有防水性能的混凝土，并根據(jù)圍巖級別設(shè)置必要的支護構(gòu)件，如錨桿、鋼拱架等，然后根據(jù)耐久性及平整度的要求，再施作（噴射或模筑）一層或多層混凝土，構(gòu)成層間具有很強粘接力并可充分傳遞剪力的支護體系。1、單層襯砌定義二、單層襯砌技術(shù)現(xiàn)狀

1、單層襯砌定義二、單層襯砌技術(shù)現(xiàn)狀

德國形式2、單層襯砌結(jié)構(gòu)形式二、單層襯砌技術(shù)現(xiàn)狀

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挪威形式2、單層襯砌結(jié)構(gòu)形式二、單層襯砌技術(shù)現(xiàn)狀

編號永久支護類型1不支護2點錨支護，sb3系統(tǒng)錨桿支護，B4系統(tǒng)錨桿支護（加噴普通混凝土，4~10cm），B（+S）5纖維增強噴射混凝土加錨桿支護5~9cm，Sfr+B6纖維增強噴射混凝土加錨桿支護9~12cm，Sfr+B7纖維增強噴射混凝土加錨桿支護12~15cm，Sfr+B8纖維增強噴射混凝土>15cm，噴射混凝土加錨桿支護，Sfr+RRS+B9模筑混凝土襯砌，CCA設(shè)計基準(zhǔn)強度

3、用作單層襯砌的噴射混凝土力學(xué)指標(biāo)二、單層襯砌技術(shù)現(xiàn)狀

單位類別設(shè)計基準(zhǔn)強度（N/mm2）道路協(xié)會噴混凝土18鐵道建設(shè)·運輸施設(shè)高品質(zhì)噴混凝土18道路公團噴混凝土18高強度噴混凝土36高強度纖維噴混凝土36日本設(shè)計基準(zhǔn)強度

3、用作單層襯砌的噴射混凝土力學(xué)指標(biāo)二、單層襯砌技術(shù)現(xiàn)狀

EFNARC要求強度（N/mm2）強度劃分C24/30C28/35C32/40C36/45C40/50C44/55C48/60圓柱體試件24283236404448立方體試件30354045505580設(shè)計基準(zhǔn)強度

3、用作單層襯砌的噴射混凝土力學(xué)指標(biāo)二、單層襯砌技術(shù)現(xiàn)狀

挪威抗壓強度（N/mm2）C30C35C40C45C50C55立方體試件的最小抗壓強度（N/mm2）303540455055取樣試件的最小抗壓強度（N/mm2）19.222.425.628.832.035.2設(shè)計基準(zhǔn)強度

3、用作單層襯砌的噴射混凝土力學(xué)指標(biāo)二、單層襯砌技術(shù)現(xiàn)狀

中國等級C15C20C25C30軸心抗壓（N/mm2）7.510.012.515.0看出：我國和日本的規(guī)定水準(zhǔn)相對較低，歐洲規(guī)范，很少有用小于C25的噴混凝土，噴混凝土的設(shè)計基準(zhǔn)強度有向高強度方向發(fā)展。噴混凝土的初期強度

3、用作單層襯砌的噴射混凝土力學(xué)指標(biāo)二、單層襯砌技術(shù)現(xiàn)狀

日本單位類別3小時抗壓強度（N/mm2）24小時抗壓強度（N/mm2）道路協(xié)會噴混凝土－5鐵道建設(shè)·運輸設(shè)施高品質(zhì)噴混凝土1.58道路公團噴混凝土－5高強度噴混凝土210高強度纖維噴混凝土210噴混凝土的初期強度

3、用作單層襯砌的噴射混凝土力學(xué)指標(biāo)二、單層襯砌技術(shù)現(xiàn)狀

挪威齡期用作永久支護的纖維增強噴射砼用作永久支護的普通噴射砼1小時（N/mm2）>0.5—4小時（N/mm2）>1.0—6小時（N/mm2）1.50.512小時（N/mm2）3.01.01天（N/mm2）5.02.07天（N/mm2）10.0—噴混凝土的初期強度

3、用作單層襯砌的噴射混凝土力學(xué)指標(biāo)二、單層襯砌技術(shù)現(xiàn)狀

EFNARC噴混凝土的初期強度

3、用作單層襯砌的噴射混凝土力學(xué)指標(biāo)二、單層襯砌技術(shù)現(xiàn)狀

中國《客運專線鐵路隧道工程施工技術(shù)指南》（TZ214-2005）中對初期強度有這樣的規(guī)定，3h強度達(dá)到1.5MPa，24h強度達(dá)到5.0MPa。纖維噴混凝土的彎曲韌性

3、用作單層襯砌的噴射混凝土力學(xué)指標(biāo)二、單層襯砌技術(shù)現(xiàn)狀

《纖維混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（CECS38：2004）對鋼纖維噴射混凝土的韌性指標(biāo)：作為圍巖支護和襯砌的鋼纖維噴射混凝土，其彎曲韌度比一般要求不小于0.70；采用平板加載試驗（EFNARC）確定韌度指標(biāo)時，用作單層永久襯砌，相應(yīng)于撓度為25mm的變形能需達(dá)到700J。噴混凝土的粘結(jié)強度3、用作單層襯砌的噴射混凝土力學(xué)指標(biāo)二、單層襯砌技術(shù)現(xiàn)狀

粘結(jié)強度有兩種：抗拉粘結(jié)強度與抗剪粘結(jié)強度?？估辰Y(jié)強度是衡量噴射混凝土在受到垂直于結(jié)合界面上的拉應(yīng)力時保持粘結(jié)的能力；而抗剪粘結(jié)強度則是抵抗平行于結(jié)合面上作用力的能力。

噴混凝土的粘結(jié)強度3、用作單層襯砌的噴射混凝土力學(xué)指標(biāo)二、單層襯砌技術(shù)現(xiàn)狀

EFNARC粘結(jié)的劃分與既有混凝土間的粘結(jié)與巖體之間的粘結(jié)作為受力支護結(jié)構(gòu)1.0MPa0.5MPa非結(jié)構(gòu)性的防護0.5MPa0.1MPa挪威規(guī)定:粘結(jié)強度在0.2~1.8MPa之間;《錨桿噴射混凝土支護技術(shù)規(guī)范》：噴射混凝土與圍巖的粘結(jié)強度I、II級圍巖不應(yīng)低于0.8MPa，III級圍巖不應(yīng)低于0.5MPa

4、工程實例二、單層襯砌技術(shù)現(xiàn)狀

以色列海法市卡邁爾隧道4、工程實例二、單層襯砌技術(shù)現(xiàn)狀

以色列海法市卡邁爾隧道4、工程實例二、單層襯砌技術(shù)現(xiàn)狀

瑞士穿越阿爾卑斯山的旅游鐵路隧道

4、工程實例二、單層襯砌技術(shù)現(xiàn)狀

瑞典斯德哥爾摩地鐵

5、設(shè)計方法二、單層襯砌技術(shù)現(xiàn)狀

挪威法

5、設(shè)計方法二、單層襯砌技術(shù)現(xiàn)狀

極限狀態(tài)法能量原理設(shè)計法

6、防水性能二、單層襯砌技術(shù)現(xiàn)狀

加入外加劑；如硅粉、粉煤灰等盡量不采用鋼筋網(wǎng)噴射混凝土

7、襯砌平整度二、單層襯砌技術(shù)現(xiàn)狀

控制爆破，對噴射混凝土表面處理“外裝修”，離壁式襯砌等

三、單層襯砌發(fā)展趨勢

目前的情況：

設(shè)計方法----Q系統(tǒng)法支護形式----噴射混凝土、濕噴為主材料性能----高強高性能發(fā)展存在的不足：圍巖評價方法過于單一、經(jīng)驗性強單層襯砌的作用機理研究不夠深入噴混凝土力學(xué)指標(biāo)分析還不夠全面國內(nèi)沒有單層襯砌的設(shè)計規(guī)范和施工指南第二部分圍巖穩(wěn)定性分析方法及單層襯砌支護機理研究一、圍巖分級的評價方法二、毛洞穩(wěn)定性的影響因素三、洞室圍巖穩(wěn)定性分析方法四、單層襯砌的作用機理分析五、本部分總結(jié)一、圍巖分級的評價方法對于地下工程而言，一個準(zhǔn)確而合理的圍巖分級，不僅是人們認(rèn)識洞室圍巖特征，正確進行隧道設(shè)計、施工的基礎(chǔ)，而且也是現(xiàn)場進行科學(xué)管理，發(fā)展新的施工工藝以及正確評價經(jīng)濟效益的有力工具。因此，在進行單層襯砌支護機理研究之前，先對目前國內(nèi)外圍巖分級方法作一分析。按巖石質(zhì)量指標(biāo)RQD分級巖體的地質(zhì)力學(xué)分級法

（RMR）日本、中國鐵路隧道圍巖分級

巴頓巖體質(zhì)量分類（Q分類)

圍巖分級的評價方法一、圍巖分級的評價方法二、毛洞穩(wěn)定性的影響因素毛洞穩(wěn)定性影響因素歸納起來可分兩類：一類是客觀存在的地質(zhì)因素；地質(zhì)因素是影響毛洞穩(wěn)定性的本質(zhì)的、決定性因素，主要包括巖性、地質(zhì)構(gòu)造、地應(yīng)力場和地下水等；一類是人為的工程因素；工程因素是通過地質(zhì)因素的影響而起作用的，主要包括洞室的方位、形狀、規(guī)模、施工方法以及支護形式和時機等。服務(wù)于穩(wěn)定性評價兩個概念：

物體受到荷載作用后，隨著荷載的增大，由彈性狀態(tài)過渡到塑性狀態(tài)，這種過渡叫做屈服。三、洞室圍巖穩(wěn)定性分析方法1、基于屈服接近度的洞室圍巖穩(wěn)定性分析兩個概念：

屈服接近度可廣義的表述為：描述一點的現(xiàn)時狀態(tài)與相對最安全狀態(tài)的參量的比。相對于某一強度理論則可以定義為：空間應(yīng)力狀態(tài)下的一點沿最不利應(yīng)力路徑到屈服面的距離與相應(yīng)的最穩(wěn)定參考點在相同羅德角方向上沿最不利應(yīng)力路徑到屈服面的距離之比。三、洞室圍巖穩(wěn)定性分析方法1、基于屈服接近度的洞室圍巖穩(wěn)定性分析三、洞室圍巖穩(wěn)定性分析方法1、基于屈服接近度的洞室圍巖穩(wěn)定性分析Mohr-Coulomb準(zhǔn)則的屈服接近度分析剪切破壞：三、洞室圍巖穩(wěn)定性分析方法1、基于屈服接近度的洞室圍巖穩(wěn)定性分析Drucker-Prager準(zhǔn)則的屈服接近度分析三、洞室圍巖穩(wěn)定性分析方法1、基于屈服接近度的洞室圍巖穩(wěn)定性分析Drucker-Prager準(zhǔn)則的屈服接近度分析三、洞室圍巖穩(wěn)定性分析方法1、基于屈服接近度的洞室圍巖穩(wěn)定性分析Drucker-Prager準(zhǔn)則的屈服接近度分析三、洞室圍巖穩(wěn)定性分析方法1、基于屈服接近度的洞室圍巖穩(wěn)定性分析基于屈服接近度毛洞穩(wěn)定性分級分級依據(jù)：（1）利用復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下的應(yīng)力分量進行表述，可以較全面客觀地反應(yīng)圍巖的實際狀態(tài)；同時將力學(xué)概念與幾何特點結(jié)合起來，表述清楚，簡單實用。三、洞室圍巖穩(wěn)定性分析方法1、基于屈服接近度的洞室圍巖穩(wěn)定性分析基于屈服接近度毛洞穩(wěn)定性分級分級依據(jù)：（2）圍巖中未發(fā)生屈服的點并不表示其安全程度是一樣的，相同的應(yīng)力水平下，屈服點的安全程度也是有差別的，而屈服接近度則可以合理地表達(dá)這種差別，分析比較接近實際情況。三、洞室圍巖穩(wěn)定性分析方法1、基于屈服接近度的洞室圍巖穩(wěn)定性分析基于屈服接近度毛洞穩(wěn)定性分級分級依據(jù)：（3）在預(yù)設(shè)計階段，可通過理論分析和數(shù)值模擬手段，不僅可以得到塑性區(qū)分布范圍，還可通過屈服接近度分析確定塑性區(qū)之外區(qū)域的應(yīng)力集中程度的分區(qū)，表達(dá)了其應(yīng)力危險性。三、洞室圍巖穩(wěn)定性分析方法屈服接近度毛洞穩(wěn)定性分級穩(wěn)定性特征支護措施充分穩(wěn)定洞室有足夠的自穩(wěn)能力和自支護能力；無坍塌。飾面支護或防護支護穩(wěn)定暴露時間長，洞室可能會出現(xiàn)局部小坍塌，側(cè)壁穩(wěn)定。構(gòu)造支護臨界穩(wěn)定拱部無支護可產(chǎn)生小坍塌，側(cè)壁基本穩(wěn)定。輕型承載支護不穩(wěn)定拱部無支護時，可產(chǎn)生較大的坍塌，側(cè)壁有時失去穩(wěn)定。噴錨支護，并采用全封閉支護體系。圍巖易坍塌，處理不當(dāng)會出現(xiàn)大坍塌，側(cè)壁經(jīng)常小坍塌；淺埋時易出現(xiàn)地表下沉或塌至地表。輔以超前支護，加強型噴錨支護，并采用全封閉支護體系。圍巖極易坍塌，洞室無自支護能力，淺埋時易塌至地表。輔以超前支護及地層加固，加強型噴錨支護，并采用全封閉支護體系。1、基于屈服接近度的洞室圍巖穩(wěn)定性分析三、洞室圍巖穩(wěn)定性分析方法2、基于圍巖松動圈的洞室圍巖穩(wěn)定性分析圍巖松動圈支護理論的立論：圍巖松動圈是隧道開挖后客觀存在和普遍存在的；支護對象為松動破裂發(fā)展中的巖石碎脹變形或碎脹力；支護的作用一方面是維護破裂的巖石在原位不垮落，另一方面是限制圍巖松動圈形成過程中的有害變形。三、洞室圍巖穩(wěn)定性分析方法2、基于圍巖松動圈的洞室圍巖穩(wěn)定性分析圍巖松動圈穩(wěn)定性判據(jù)：松動圈是地應(yīng)力與圍巖強度相互作用的結(jié)果，它是一個綜合指標(biāo)。

松動圈越大，圍巖收斂變形量越大、支護越困難，反之則易。松動圈的大小反映了支護的困難程度。

松動圈與有無支護關(guān)系不大。三、洞室圍巖穩(wěn)定性分析方法圍巖類別分類名稱松動圈Lp(

cm）支護機理及方法備注小松動圈Ⅰ穩(wěn)定圍巖0~40噴射混凝土支護圍巖整體性好，不易風(fēng)化的可不支護中松動圈Ⅱ較穩(wěn)定圍巖40~100錨桿懸吊理論噴層局部支護Ⅲ一般圍巖100~150錨桿懸吊理論噴層局部支護剛性支護局部破壞大松動圈Ⅳ一般不穩(wěn)定圍巖（軟巖）150~200錨桿組合拱理論，噴層、金屬網(wǎng)局部支護剛性支護大面積破壞Ⅴ不穩(wěn)定圍巖（較軟圍巖）200~300錨桿組合拱理論，噴層、金屬網(wǎng)局部支護圍巖變形有穩(wěn)定期Ⅵ極不穩(wěn)定圍巖（極軟圍巖）>300待定圍巖變形在一般支護條件下無穩(wěn)定期2、基于圍巖松動圈的洞室圍巖穩(wěn)定性分析三、洞室圍巖穩(wěn)定性分析方法2、基于圍巖松動圈的洞室圍巖穩(wěn)定性分析圍巖松動圈的測試技術(shù)：超聲波測井探測法

地質(zhì)雷達(dá)

探測法三、洞室圍巖穩(wěn)定性分析方法2、基于圍巖松動圈的洞室圍巖穩(wěn)定性分析圍巖松動圈的影響因素（數(shù)值計算）：隧道跨度。3~7m范圍內(nèi)，影響可忽略不計，大于7m，產(chǎn)生明顯影響，跨度越大松動圈越大。

側(cè)壓力系數(shù)。側(cè)壓力系數(shù)小，松動圈大；側(cè)壓力系數(shù)大，松動圈小。三、洞室圍巖穩(wěn)定性分析方法2、基于圍巖松動圈的洞室圍巖穩(wěn)定性分析圍巖松動圈的影響因素（數(shù)值計算）：地應(yīng)力。初始地應(yīng)力越大，松動圈越大。

三、洞室圍巖穩(wěn)定性分析方法2、基于圍巖松動圈的洞室圍巖穩(wěn)定性分析圍巖松動圈的影響因素（數(shù)值計算）：巖體強度。巖體強度越低，松動圈越大。

三、洞室圍巖穩(wěn)定性分析方法2、基于圍巖松動圈的洞室圍巖穩(wěn)定性分析圍巖松動圈的影響因素（數(shù)值計算）：影響松動圈大小的各因素中，按其重要程度從大到小排序依次為：隧道高跨比、圍巖強度比以及側(cè)壓力系數(shù)。

基于Q系統(tǒng)的洞室圍巖穩(wěn)定性分析基于屈服接近度的洞室圍巖穩(wěn)定性分析基于圍巖松動圈的洞室圍巖穩(wěn)定性分析三、洞室圍巖穩(wěn)定性分析方法3、洞室穩(wěn)定性分析方法的綜合評價基于Q系統(tǒng)的洞室圍巖穩(wěn)定性分析：Q值計算中，各個參數(shù)的取值是通過給定性描述賦權(quán)值的方法進行，操作簡單，使用方便。未考慮宏觀地質(zhì)構(gòu)造（如斷層、褶皺等）、地形對洞室穩(wěn)定性的影響，進行“修正”。三、洞室圍巖穩(wěn)定性分析方法3、洞室穩(wěn)定性分析方法的綜合評價基于Q系統(tǒng)的洞室圍巖穩(wěn)定性分析：

宏觀地質(zhì)構(gòu)造影響：斷層三、洞室圍巖穩(wěn)定性分析方法3、洞室穩(wěn)定性分析方法的綜合評價基于Q系統(tǒng)的洞室圍巖穩(wěn)定性分析：

宏觀地質(zhì)構(gòu)造影響：褶皺三、洞室圍巖穩(wěn)定性分析方法3、洞室穩(wěn)定性分析方法的綜合評價基于Q系統(tǒng)的洞室圍巖穩(wěn)定性分析：

地形影響：地形坡度三、洞室圍巖穩(wěn)定性分析方法3、洞室穩(wěn)定性分析方法的綜合評價基于Q系統(tǒng)的洞室圍巖穩(wěn)定性分析：

地形影響：河谷三、洞室圍巖穩(wěn)定性分析方法3、洞室穩(wěn)定性分析方法的綜合評價基于Q系統(tǒng)的洞室圍巖穩(wěn)定性分析：

地形影響：河谷三、洞室圍巖穩(wěn)定性分析方法3、洞室穩(wěn)定性分析方法的綜合評價基于Q系統(tǒng)的洞室圍巖穩(wěn)定性分析：

Q值的修正計算：三、洞室圍巖穩(wěn)定性分析方法3、洞室穩(wěn)定性分析方法的綜合評價基于屈服接近度的洞室圍巖穩(wěn)定性分析：

根據(jù)實測的圍巖物理力學(xué)指標(biāo)，計算給出屈服接近度等值線進行評價。不僅給出了塑性區(qū)的范圍，還給出了塑性區(qū)之外區(qū)域的應(yīng)力集中程度的分區(qū)，表達(dá)了其穩(wěn)定程度；但在屈服接近度等于零等值線以內(nèi)范圍，根據(jù)塑性區(qū)的大小判斷圍巖的穩(wěn)定程度，還需在實踐中進一步完善。

三、洞室圍巖穩(wěn)定性分析方法3、洞室穩(wěn)定性分析方法的綜合評價基于圍巖松動圈的洞室圍巖穩(wěn)定性分析：實際上是一種信息化方法。繞過了原巖應(yīng)力、圍巖強度、結(jié)構(gòu)面性質(zhì)測定等困難問題，著重抓住它們的影響結(jié)果，即松動圈測試，完成圍巖穩(wěn)定性評價；但在工程設(shè)計初期，無法對松動圈的大小進行預(yù)測完成預(yù)設(shè)計。三、洞室圍巖穩(wěn)定性分析方法3、洞室穩(wěn)定性分析方法的綜合評價綜合分析：提出分兩階段設(shè)計的思路：預(yù)設(shè)計與修正設(shè)計。施工前，根據(jù)屈服接近度對圍巖進行評價，提出預(yù)設(shè)計支護參數(shù)；施工階段，通過松動圈大小的測試，根據(jù)實測結(jié)果與預(yù)設(shè)計的符合程度，對預(yù)設(shè)計進行修正，完成整個設(shè)計。三、洞室圍巖穩(wěn)定性分析方法3、洞室穩(wěn)定性分析方法的綜合評價四、單層襯砌的作用機理分析1、單層襯砌的支護對象分析支護的主要對象：圍巖破裂過程中的巖石碎脹變形或碎脹力。支護的作用一方面是維護破裂的巖石在原位不垮落，另一方面是限制松動圈形成過程中的有害變形。四、單層襯砌的作用機理分析1、單層襯砌的支護對象分析碎脹力：由于巖石碎脹變形對周圍介質(zhì)（支護）產(chǎn)生的變形壓力稱之為碎脹力

。四、單層襯砌的作用機理分析1、單層襯砌的支護對象分析圍巖與支護的共同作用原理：四、單層襯砌的作用機理分析2、單層襯砌的力學(xué)傳遞機理圍巖壓力的傳遞應(yīng)力的內(nèi)部傳遞四、單層襯砌的作用機理分析2、單層襯砌的力學(xué)傳遞機理滿足單層襯砌的力學(xué)傳遞特性，單層襯砌構(gòu)造必須滿足兩個條件：一是噴混凝土要有一定的早期強度；二是噴混凝土與圍巖之間、噴混凝土層與噴混凝土層有足夠的粘結(jié)強度，包括沿著接觸面切線方向產(chǎn)生“錯位”的抗剪粘結(jié)力和沿著接觸面法線方向的“因拉拔引起的剝落”的抗拉粘結(jié)力。

四、單層襯砌的作用機理分析3、單層噴混凝土襯砌的作用機理分析噴混凝土襯砌的局部受力機理分析噴混凝土襯砌的整體受力機理分析單體錨桿的支護作用機理分析群錨組合支護的作用機理噴錨組合支護的作用機理基于接觸的單層襯砌力學(xué)模型：

單層襯砌結(jié)構(gòu)，圍巖與結(jié)構(gòu)之間、結(jié)構(gòu)與結(jié)構(gòu)之間都是不連續(xù)的，接觸面兩側(cè)介質(zhì)不再保持為一個變形連續(xù)的整體，直接采用針對連續(xù)介質(zhì)的有限單元法求解，將會產(chǎn)生較大誤差和嚴(yán)重失真。在常規(guī)的連續(xù)介質(zhì)模型基礎(chǔ)上，引入接觸單元模擬接觸問題，從而進行非線性有限元分析，來分析由兩層混凝土構(gòu)成的單層襯砌結(jié)構(gòu)的受力機理。

四、單層襯砌的作用機理分析4、多層混凝土構(gòu)成的單層襯砌作用機理分析接觸面的本構(gòu)模型：許多中外學(xué)者對接觸面本構(gòu)關(guān)系提出了多種接觸面本構(gòu)模型，摩爾—庫侖模型是最常用也是最重要的剪切破壞準(zhǔn)則。因此下面主要介紹平直接觸面和粗糙起伏接觸面的摩爾—庫侖剪切破壞準(zhǔn)則。四、單層襯砌的作用機理分析4、多層混凝土構(gòu)成的單層襯砌作用機理分析①平直結(jié)構(gòu)面的摩爾—庫侖剪切破壞模型四、單層襯砌的作用機理分析4、多層混凝土構(gòu)成的單層襯砌作用機理分析②粗糙起伏結(jié)構(gòu)面的摩爾—庫侖剪切破壞模型如接觸面是粗糙起伏的，在直剪作用下，剪切面與剪力作用不在同一個平面內(nèi)，剪切表現(xiàn)為剪脹和擴容的現(xiàn)象。當(dāng)接觸面表面有起伏角鋸齒起伏時，如接觸面的粘結(jié)強度為零，峰值抗剪強度為：四、單層襯砌的作用機理分析4、多層混凝土構(gòu)成的單層襯砌作用機理分析接觸構(gòu)件橫截面上應(yīng)力分布特征研究：兩梁接觸在一起，在壓彎組合的作用下，如兩梁之間的抗剪強度很小，類似于疊合梁受力；如兩梁之間的抗剪強度足夠大，在壓彎組合作用下兩梁始終粘結(jié)在一起，此時結(jié)構(gòu)類似于合成梁受力。四、單層襯砌的作用機理分析4、多層混凝土構(gòu)成的單層襯砌作用機理分析接觸面上抗剪強度為零時，兩梁之間產(chǎn)生相對滑動，橫截面上的應(yīng)力分布見左圖；接觸面上抗剪強度足夠大時，兩梁之間由于粘結(jié)作產(chǎn)生共同變形，橫截面上的應(yīng)力分布見右圖，當(dāng)兩梁的彈性模量不同時，在接觸面處應(yīng)力發(fā)生突變。四、單層襯砌的作用機理分析4、多層混凝土構(gòu)成的單層襯砌作用機理分析單層襯砌與復(fù)合式襯砌的力學(xué)機理比較分析：工況結(jié)構(gòu)類型初期支護厚度/cm二次襯砌厚度/cm備注一復(fù)合襯砌1535初期支護為C20噴混凝土；二次襯砌為C25模筑混凝土二單層襯砌1535三單層襯砌1025計算工況四、單層襯砌的作用機理分析4、多層混凝土構(gòu)成的單層襯砌作用機理分析接觸面屈服準(zhǔn)則：四、單層襯砌的作用機理分析4、多層混凝土構(gòu)成的單層襯砌作用機理分析計算結(jié)果分析：工況一復(fù)合襯砌，接觸狀態(tài)為相互之間滑動；初支與二襯之間的接觸面上產(chǎn)生的摩擦力很小，可認(rèn)為襯砌結(jié)構(gòu)類似于疊合梁壓彎構(gòu)件。工況二單層襯砌，接觸狀態(tài)為相互粘結(jié)。在接觸面上可充分傳遞剪應(yīng)力，結(jié)構(gòu)產(chǎn)生整體變形，可認(rèn)為襯砌結(jié)構(gòu)類似于組合梁壓彎構(gòu)件。工況三相對于工況二，初支和二襯厚度都減少了，兩者的結(jié)構(gòu)力學(xué)特性及變化趨勢基本一致。四、單層襯砌的作用機理分析4、多層混凝土構(gòu)成的單層襯砌作用機理分析在同等荷載條件下，支護結(jié)構(gòu)的厚度也相同時，單層襯砌比復(fù)合襯砌產(chǎn)生的內(nèi)力小20%~50%；如產(chǎn)生的內(nèi)力相等時，單層襯砌結(jié)構(gòu)比復(fù)合襯砌的厚度可減薄1/5~1/4，隧道開挖量減少5%~8%。因此，采用單層襯砌能夠減少開挖量和襯砌圬工量，節(jié)省工程造價。計算結(jié)果分析：四、單層襯砌的作用機理分析4、多層混凝土構(gòu)成的單層襯砌作用機理分析對于由多層混凝土構(gòu)成的單層襯砌結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)內(nèi)力分配遵循這樣的原則：先按時間分配，然后按剛度分配，即支護早施作早受力，剛度越大，其所承受的內(nèi)力也越大。計算結(jié)果分析：四、單層襯砌的作用機理分析4、多層混凝土構(gòu)成的單層襯砌作用機理分析（1）研究了褶皺、斷層等地質(zhì)構(gòu)造以及地形對圍巖穩(wěn)定性的影響，并提出在N.Barton巖質(zhì)評定系數(shù)Q值計算式中引入褶皺影響系數(shù)、斷層影響系數(shù)以及地形影響系數(shù)，反映其影響程度的大小。五、本部分總結(jié)（2）提出了以定量數(shù)值計算為先導(dǎo)，松動圈實測進行修正的單層襯砌設(shè)計思路，減少了人為因素的影響，提高了設(shè)計的準(zhǔn)確性。五、本部分總結(jié)（3）首次通過有限元分析得到了圍巖壓力與圍巖變形的全過程特征曲線。（4）為滿足單層襯砌的力學(xué)傳遞特性，單層襯砌構(gòu)造必須滿足兩個條件：一是噴混凝土要有一定的早期強度；二是噴混凝土與圍巖之間、混凝土各層之間有足夠的粘結(jié)強度。

五、本部分總結(jié)（5）結(jié)合松動圈支護理論，給出由單層噴混凝土構(gòu)成的單層襯砌作用機理：①噴混凝土支護分：局部受力機理和整體受力機理。在局部受力狀態(tài)下，單層襯砌的支護作用主要是防止圍巖的風(fēng)化潮解和活石的掉落；在整體受力狀態(tài)下，單層襯砌同時起支承和加固作用。五、本部分總結(jié)②在非連續(xù)性巖體中，單體錨桿的作用主要表現(xiàn)為懸吊或銷釘作用；在連續(xù)性巖體中，錨桿錨固力主要是峰后圍巖碎脹變形與錨桿相互作用的結(jié)果。五、本部分總結(jié)（6）引入接觸力學(xué)對由多層混凝土構(gòu)成的單層襯砌結(jié)構(gòu)的作用機理進行了研究，并與復(fù)合襯砌結(jié)構(gòu)的力學(xué)機理進行了比較。①單層襯砌結(jié)構(gòu)中，在混凝土接觸面上可充分傳遞剪應(yīng)力，結(jié)構(gòu)類似于組合梁壓彎構(gòu)件；復(fù)合襯砌結(jié)構(gòu)中，由于防水板的存在，接觸面上產(chǎn)生的摩擦力很小，結(jié)構(gòu)類似于疊合梁壓彎構(gòu)件。

五、本部分總結(jié)②在同等荷載條件下，支護結(jié)構(gòu)的厚度相同時，單層襯砌結(jié)構(gòu)比復(fù)合襯砌結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的內(nèi)力小20%~50%；如產(chǎn)生的內(nèi)力相等時，單層襯砌結(jié)構(gòu)比復(fù)合襯砌結(jié)構(gòu)的厚度可減薄1/5~1/4，隧道開挖量減少5%~8%。因此，采用單層襯砌能夠減少開挖量和襯砌圬工量，節(jié)省工程造價。五、本部分總結(jié)③由多層混凝土構(gòu)成的單層襯砌結(jié)構(gòu)中，內(nèi)力分配遵循“先時間，后剛度”的原則，即支護早施作早受力，剛度越大，其所承受的內(nèi)力也越大。

五、本部分總結(jié)第三部分單層襯砌材料性能及結(jié)構(gòu)受力特征試驗研究一、噴混凝土的力學(xué)性能試驗二、噴混凝土的抗?jié)B性三、單層襯砌的錨桿性能要求四、單層襯砌結(jié)構(gòu)受力特征試驗研究五、本部分結(jié)論一、噴混凝土的力學(xué)性能試驗基準(zhǔn)抗壓強度初期強度劈裂抗拉強度抗彎拉強度粘結(jié)強度幾點認(rèn)識或體會一、噴混凝土的力學(xué)性能試驗基準(zhǔn)抗壓強度試件成型：人工拌合搗固、噴大板；現(xiàn)場測試混凝土壓應(yīng)力：6~8MPa；建議C25滿足設(shè)計要求，考慮長期耐久行，可采用更高標(biāo)號。一、噴混凝土的力學(xué)性能試驗初期強度試件成型：人工拌合搗固、噴試模、鉆芯等；試驗或檢測方法：無損（射釘）或破損；短時間內(nèi)得到混凝土的初期強度。一、噴混凝土的力學(xué)性能試驗外摻纖維等摻鋼纖維的研究很多，重點研究了聚丙烯纖維；《規(guī)范》，物理作用，不改變配合比，但抗壓強度有所降低，約8%~10%；劈裂、抗折都有明顯提高15%~20%；抗?jié)B可提高一級。一、噴混凝土的力學(xué)性能試驗一、噴混凝土的力學(xué)性能試驗二、噴混凝土的抗?jié)B性抗?jié)B試驗用滲透系數(shù)、滲水高度表示可能更直觀一些，使用起來更方便；滲透系數(shù)與時間、水壓力、混凝土厚度的關(guān)系；粉煤灰、硅粉對抗?jié)B的作用。三、單層襯砌的錨桿性能要求影響錨桿耐久性的因素的主要因素：1、腐蝕破壞2、脫粘3、錨頭松動、脫落或損壞三、單層襯砌的錨桿性能要求提高錨桿耐久性的主要措施：1、設(shè)計方面2、施工方面四、單層襯砌結(jié)構(gòu)受力特征試驗研究圍巖壓力

X2DK1+053斷面（單層）

X2DK1+065斷面（復(fù)合）絕對壓力值都很小。四、單層襯砌結(jié)構(gòu)受力特征試驗研究

X2DK1+053斷面（單層）

X2DK1+065斷面（復(fù)合）現(xiàn)場測試得到的最大壓應(yīng)力值僅為設(shè)計值的10%。這意味著在二次襯砌結(jié)構(gòu)中由于圍巖壓力引起的應(yīng)力很小，襯砌內(nèi)的應(yīng)力變化可認(rèn)為是由于溫度應(yīng)力所引起的?；炷翍?yīng)力四、單層襯砌結(jié)構(gòu)受力特征試驗研究錨桿軸力X2DK0+128斷面右拱腰錨桿軸力實測值對于左拱腰及拱頂部位，軸力值無論正或負(fù)，其絕對數(shù)值都很小，這主要是錨桿孔內(nèi)壓注的水泥砂漿在凝結(jié)硬化過程中產(chǎn)生的收縮引起的；而對于右拱腰部位，最大軸力值為7.21MPa，且處于受壓狀態(tài)，這是由于圍巖變形所引起的。

五、本部分結(jié)論（1）在用作單層襯砌的噴射混凝土中摻入改性材料是必要的，也是必需的；最終根據(jù)試驗結(jié)果并結(jié)合國內(nèi)外相關(guān)的工程實踐，初步提出了用作單層襯砌的噴射混凝土力學(xué)性能控制指標(biāo)，服務(wù)于單層襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計。（2）現(xiàn)場測試得到的最大壓力值僅為設(shè)計值的10%，單層襯砌支護結(jié)構(gòu)完全可以滿足使用和安全要求。（3）在I~III級圍巖中，系統(tǒng)錨桿基本上不承擔(dān)圍巖變形所產(chǎn)生的軸力，錨桿軸力主要是由于溫度應(yīng)力或砂漿凝結(jié)硬化收縮變形引起的。五、本部分結(jié)論（4）噴混凝土與模筑襯砌之間的接觸壓力很小，模筑襯砌基本不承擔(dān)圍巖壓力。因此，從結(jié)構(gòu)力學(xué)方面看，施作40cm厚的二次襯砌太過保守，有必要進一步優(yōu)化襯砌結(jié)構(gòu)。五、本部分結(jié)論第五部分單層襯砌設(shè)計方法研究一、單層襯砌圍巖穩(wěn)定性分級二、單層襯砌的設(shè)計方法三、本部分結(jié)論在單層襯砌設(shè)計過程中，穩(wěn)定分級包括基于屈服接近度的穩(wěn)定性分級和基于松動圈的穩(wěn)定性分級，其中基于屈服接近度穩(wěn)定性分級應(yīng)用于預(yù)設(shè)計階段，基于松動圈的穩(wěn)定性分級應(yīng)用于施工階段，可以對設(shè)計進行驗證或者進行修正。一、單層襯砌圍巖穩(wěn)定性分級基于屈服接近度的穩(wěn)定性分級一、單層襯砌圍巖穩(wěn)定性分級穩(wěn)定性分級圍巖穩(wěn)定狀態(tài)屈服接近度YAII極穩(wěn)定>0.3Ⅱ很穩(wěn)定（0.2,0.3]Ⅲ穩(wěn)定（0.1,0.2]Ⅳ較穩(wěn)定（0,0.1]Ⅴ一般0△R<2.0mVI較不穩(wěn)定2.0m≤△R≤2.5mⅦ不穩(wěn)定2.5m≤△R≤3.5mⅧ很不穩(wěn)定3.5m≤△R≤5.5mⅨ極不穩(wěn)定△R≥5.5m特殊巖體按照目前的勘察水平，完全確定這些參數(shù)還存在困難。鐵路隧道圍巖分級依據(jù)圍巖堅硬程度和圍巖完整程度兩個因素確定圍巖等級，再根據(jù)初始應(yīng)力和地下水狀態(tài)進行修正，根據(jù)定性定量相結(jié)合的方法來確定。因此在條件有限的情況下，可以借鑒采用鐵路隧道圍巖分級確定的經(jīng)驗力學(xué)指標(biāo)。一、單層襯砌圍巖穩(wěn)定性分級基于松動圈的穩(wěn)定性分級一、單層襯砌圍巖穩(wěn)定性分級穩(wěn)定性分級圍巖穩(wěn)定狀態(tài)松動圈Lp/cmI極穩(wěn)定0Ⅱ很穩(wěn)定（0,15]Ⅲ穩(wěn)定（15~50]Ⅳ較穩(wěn)定（50~100]Ⅴ一般（100~150]VI較不穩(wěn)定（150~200]Ⅶ不穩(wěn)定（200~300]Ⅷ很不穩(wěn)定（300~500]Ⅸ極不穩(wěn)定>500特殊巖體（1）單層襯砌是由單層或多層混凝土構(gòu)成的支護體系，各層支護是一體的，各層間能充分傳遞剪力。單層襯砌各支護層間不設(shè)置防水板，結(jié)構(gòu)通過各混凝土層間的徑向和縱向上的抗滑移性，其結(jié)構(gòu)類似于疊合梁，因而結(jié)構(gòu)受力更合理。設(shè)計理念二、單層襯砌的設(shè)計方法（2）單層襯砌采用防、排、堵、截相結(jié)合，因地制宜，綜合治理的防排水原則。（3）單層襯砌作為隧道的永久支護結(jié)構(gòu)，其材料性能、耐久性指標(biāo)應(yīng)滿足耐久性設(shè)計要求。設(shè)計理念二、單層襯砌的設(shè)計方法推薦在以下情況使用單層襯砌：（1）地下水不甚發(fā)育，或注漿堵水后地下水較小的山嶺鐵路隧道；（2）山嶺鐵路隧道輔助坑道；適用條件二、單層襯砌的設(shè)計方法（1）實地調(diào)查充分掌握隧道所在地區(qū)的水文地質(zhì)、宏觀地質(zhì)構(gòu)造等，實測圍巖的物理力學(xué)指標(biāo)；（2）確定圍巖的屈服接近度，以此為據(jù)進行分級，提出預(yù)設(shè)計階段的支護參數(shù)、施工材料及其控制指標(biāo)；（3）進行隧道施工，實測圍巖松動圈大小進行圍巖穩(wěn)定性評價，與預(yù)設(shè)計相符繼續(xù)施工，如不符，修正預(yù)設(shè)計。設(shè)計流程二、單層襯砌的設(shè)計方法單層襯砌支護形式二、單層襯砌的設(shè)計方法穩(wěn)定性分級圍巖穩(wěn)定狀態(tài)支護機理支護型式I極穩(wěn)定圍巖自承無需支護Ⅱ很穩(wěn)定構(gòu)造支護噴射混凝土Ⅲ穩(wěn)定懸吊作用局部錨桿+噴射混凝土Ⅳ較穩(wěn)定懸吊作用+殼體支護系統(tǒng)錨桿+噴射混凝土Ⅴ一般懸吊作用+殼體支護系統(tǒng)錨桿+合成纖維混凝土VI較不穩(wěn)定錨桿組合拱支護+加強型殼體支護系統(tǒng)錨桿+合成纖維噴混凝土+鋼架Ⅶ不穩(wěn)定預(yù)支護+錨桿組合拱支護+加強型殼體支護超前支護+系統(tǒng)錨桿+合成纖維噴混凝土+鋼架Ⅷ很不穩(wěn)定預(yù)支護+錨桿組合拱支護+加強型殼體支護超前支護+系統(tǒng)錨桿+鋼纖維噴混凝土+鋼架Ⅸ極不穩(wěn)定預(yù)支護+錨桿組合拱支護+組合殼體支護超前支護+系統(tǒng)錨桿+鋼纖維噴混凝土+鋼架+模筑混凝土特殊設(shè)計各級圍巖單層襯砌支護機理及支護型式二、單層襯砌的設(shè)計方法單層襯砌支護形式穩(wěn)定性分級支護型式錨桿噴射混凝土鋼架超前模筑預(yù)留補強空間厚度組成I無需支護5素噴10Ⅱ噴射混凝土5~8素噴10Ⅲ局部錨桿+噴射混凝土1~1.58~15素噴10Ⅳ系統(tǒng)錨桿+噴射混凝土1.5~21.5×1.215~2010Ⅴ系統(tǒng)錨桿+合成纖維混凝土2~2.51.2×1.220~2510VI系統(tǒng)錨桿+合成纖維噴混凝土+鋼架2.5~31.2×1.225~3015cmΦ22格柵1.2m10Ⅶ超前支護+系統(tǒng)錨桿+合成纖維噴混凝土+鋼架3~3.51.0×1.230~3515cmΦ22格柵1.0mΦ25超前錨桿10Ⅷ超前支護+系統(tǒng)錨桿+鋼纖維噴混凝土+鋼架4~51.0×1.035~4020cmΦ25格柵0.8mΦ42超前導(dǎo)管10Ⅸ超前支護+系統(tǒng)錨桿+鋼纖維噴混凝土+鋼架+模筑混凝土4~51.0×1.035~4020cmΦ25格柵0.6mΦ50雙層超前導(dǎo)管3010特殊設(shè)計內(nèi)襯三方面的作用：（1）在單層襯砌本身滿足二級防水標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，通過內(nèi)襯的隔水作用達(dá)到Ⅰ級防水標(biāo)準(zhǔn)；（2）內(nèi)襯可采用模筑、管片等形式，可以滿足平整度的要求；（3）作為結(jié)構(gòu)強度的安全儲備。二、單層襯砌的設(shè)計方法單層襯砌支護形式（1）應(yīng)根據(jù)環(huán)境類別及其作用等級進行耐久性設(shè)計。（2）單層襯砌為永久性支護，設(shè)計使用年限應(yīng)不小于100年。（3）噴射混凝土的最低強度等級為C30，抗?jié)B等級不低于P8。（4）無腐蝕性采用水泥錨桿；有耐腐蝕要求，采用耐腐蝕錨桿。二、單層襯砌的設(shè)計方法單層襯砌耐久性要求《鐵路隧道設(shè)計規(guī)范》及《鐵路隧道防排水技術(shù)規(guī)范》中對防排水標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定相當(dāng)于二級的防水標(biāo)準(zhǔn)，比高標(biāo)準(zhǔn)鐵路如客運專線的防水等級要求要低一級。二、單層襯砌的設(shè)計方法防排水標(biāo)準(zhǔn)通過有效的堵排水措施可以滿足二級防水標(biāo)準(zhǔn)，但是依靠單層襯砌本身滿足一級防水標(biāo)準(zhǔn)目前來看是比較困難的。二、單層襯砌的設(shè)計方法防排水標(biāo)準(zhǔn)鐵路隧道防排水應(yīng)遵循“防、排、截、堵結(jié)合，因地制宜，綜合治理”的原則。對比各個國家的隧道防排水模式，德國隧道以排水為主，防水為輔。挪威法就是主要依靠噴射混凝土本身自防水。二、單層襯砌的設(shè)計方法防排水設(shè)計原則實現(xiàn)單層襯砌自防水：（1）提高噴射混凝土密實性，加入外加劑。（2）施作聚合物改性噴混凝土用作防水層。（3）噴射混凝土不同層之間噴射防水涂料層。二、單層襯砌的設(shè)計方法防排水設(shè)計原則單層襯砌滿足二級防水標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計思路為：（1）地下水發(fā)育地段采用堵、截水措施，如超前預(yù)注漿、開挖后徑向注漿等；（2）內(nèi)層襯砌采用連接地下水力通道，對股狀水進行引排，對局部滲漏水進行注漿堵水；二、單層襯砌的設(shè)計方法防排水設(shè)計原則消除承壓地下水是一項非常有效措施，國內(nèi)外常用的措施是在隧道仰拱（或底板）底下設(shè)置縱向貫通的排水通道。二、單層襯砌的設(shè)計方法防排水設(shè)計原則帷幕注漿二、單層襯砌的設(shè)計方法堵、截水措施設(shè)計徑向注漿二、單層襯砌的設(shè)計方法堵水及引排設(shè)計裂隙滲水面和狀淋（滲）水注漿堵水股水引排盲溝圖二、單層襯砌的設(shè)計方法堵水及引排設(shè)計涌水部位排水處理示意涌水部位通常盲溝設(shè)置方法圖2-5-15涌水裂隙的盲管設(shè)置有水部位安設(shè)排水板二、單層襯砌的設(shè)計方法噴射混凝土規(guī)范規(guī)定：噴射混凝土的設(shè)計強度等級不應(yīng)低于C15；對于重要隧道和輔助坑道工程，噴射混凝土的設(shè)計強度等級不應(yīng)低于C20；噴射混凝土ld齡期的抗壓強度不應(yīng)低于5MPa。鋼纖維噴射混凝土的設(shè)計強度等級不應(yīng)低于C20，其抗拉強度不應(yīng)低于2MPa，抗彎強度不應(yīng)低于6MPa。二、單層襯砌的設(shè)計方法噴射混凝土噴射混凝土種類配比極限抗壓強度（MPa）極限抗壓強度（MPa）3h1d28d單層襯砌噴射混凝土4421036根據(jù)耐久性規(guī)定，100年設(shè)