復合式襯砌概述結構設計及工程案例

southwestjIaotongunIversIty西南交通大學SouthwestJiaotongUniversity復合式襯砌概述、結構設計及工程案例

概述復合式襯砌的設計工程案例主要內容一概述

復合襯砌是用錨噴支護作初期支護，模筑混凝土做二次襯砌的一種組合襯砌（二層間有或無防水層）。復合襯砌是以新奧法為基礎進行設計和施工的一種新型支護結構，近幾年在國內外的地下工程中得到了普遍的采用。研究和實踐表明：復合襯砌理論先進、技術合理，能充分發(fā)揮圍巖自承能力，提高襯砌承載力，加快施工進度，降低工程造價。復合式襯砌受力變形的特點

外層為錨噴的復合式襯砌的真實受力狀態(tài)：不僅與襯砌本身的結構形式有關，而且與圍巖特性以及施工工序直接相關。復合式襯砌受力變形的特點

在新奧法施工中，復合式襯砌的施工步驟一般為：斷面開挖好以后及時噴混凝土，錨桿或鋼拱支架的一種或幾種作為初期支護對圍巖進行加固，防止有害松動，維護圍巖穩(wěn)定，待初期支護的變形基本穩(wěn)定后，再模筑二次襯砌。復合式襯砌受力變形的特點初期支護是主要受力結構；二次襯砌的作用將視圍巖特性而異：在堅固地層中，二次襯砌僅作為安全儲備；在軟弱圍巖中，二次襯砌不再是一種單純的安全儲備，也是受力結構的一個組成部分。新奧法技術

新奧法(NewAustrianTunnellingMethod)是奧地利學者Rabcewiz教授等一大批學者和工程技術人員在長期工程經(jīng)驗的基礎上創(chuàng)立于50年代，并于1962年正式命名的一種隧道工程方法。新奧法技術

它的創(chuàng)立，給隧道工程實踐的科學化和技術經(jīng)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道工程界的重視，并已在世界各地的礦山、鐵道、水工隧道、軍事工程洞庫或其它地下建筑工程中推廣應用。新奧法技術

新奧法施工復合襯砌支護的基本原理在于：一是充分利用或發(fā)揮圍巖的自承能力；二是增強圍巖的強度，均衡圍巖應力的分布，并允許圍巖有一定程度的變形，以減小對支護的圍巖壓力；三是利用現(xiàn)場的監(jiān)測值進行反饋施工。新奧法技術新奧法技術修筑隧隧道時支護體系中中巖體是主要承載載單元，并允許巖巖體發(fā)生一定數(shù)量量的變形。在巖體松弛前先向向洞壁施作柔性薄薄層混凝土封閉巖巖層，必要時，用用錨桿加固，以穩(wěn)穩(wěn)定圍巖。這一工工序可重復一二次次，有時還在噴層層中增設網(wǎng)筋，圍圍巖變形趨于穩(wěn)定定后，再作一層永永久支護。復合式襯砌的國內內外研究現(xiàn)狀很多學者為了進一一步明確各種支護護形式的作用機理理，進行了大量的的理論和試驗研究究。應用形狀彈性應變能方法，對圍巖的穩(wěn)穩(wěn)定，錨噴支護的的設計及其合理施施工等課題進行了了較系統(tǒng)的研究；；復合式襯砌的國內內外研究現(xiàn)狀利用室內模型試驗，對雙層襯砌內外外層厚度不同時的的承載力、在軟弱弱圍巖中復合式襯襯砌結構的破壞形形態(tài)、復合式襯砌砌內外層不同時灌灌注時的極限承載載力與同厚度的單單層襯砌承載力的的比較等課題進行行了研究；復合式襯砌的國內內外研究現(xiàn)狀利用彈塑性或粘彈塑性性理論對復合式襯砌整個個結構破壞時的極極限承載力，圍巖巖與支護的相互作作用以及防水層對對襯砌承載能力的的影響等進行了分分析討論。復合式襯砌需研究究的問題①隧洞圍巖變形、應應力分布、破壞區(qū)區(qū)域隨時間的變化規(guī)律；②初期支護和二次次襯砌作用機理及其作用效果；③復合式襯砌的設計計算方法；④復合襯砌二次襯襯砌的模筑時間以及地層與支護剛度的匹配；⑤圍巖與支護的相互作用關系等。二復合式襯襯砌的設計初期支護設計初期支護一般指錨桿噴射混凝土支支護，必要時配合使用用鋼筋網(wǎng)和鋼拱架架。目前，國內一些錨錨噴支護設計規(guī)范范都明確規(guī)定，錨錨噴支護設計應采采用工程類比法為主，必要時輔以以監(jiān)控量測法和理論驗算法。初期支護設計工程類比設計法常有直接對比法和和間接類比法兩種。直接對比法一般是以圍巖的巖巖體強度和巖體完完整性、地下水影影響程度、洞室埋埋深、可能受到的的地應力、工程的的形狀與尺寸、施施工的方法、施工工的質量以及使用用要求等方面因素素，將設計的工程程與上述條件基本本相同的已建工程程進行對比，由此此確定錨噴支護的的類型與參數(shù)（一）工程類比設設計的原則與方法法初期支護設計間接類比法一般是根據(jù)現(xiàn)行錨錨噴支護技術規(guī)范范，按其圍巖級別別表及錨噴支護設設計參數(shù)確定擬建建工程的錨噴支護護類型與參數(shù)。（一）工程類比設設計的原則與方法法初期支護設計遵循的原則：(1)錨噴支護設計參數(shù)數(shù)表的制定是基于于國內大量錨噴工工程的實踐，它以以工程實例為依據(jù)據(jù)，并經(jīng)過綜合分分析，主要按圍巖巖級別與洞跨給出出相應支護類型與與參數(shù)。（一）工程類比設設計的原則與方法法初期支護設計遵循的原則：(2)根據(jù)不同的圍巖壓壓力特點，對拱、、墻等不同部位采采用不同支護參數(shù)數(shù)。一般中等穩(wěn)定定以上的圍巖，主主要為局部失穩(wěn)破破壞而承受松散地地壓，支護參數(shù)的的選定應貫徹“拱拱是重點、拱墻有有別”的原則；對對不穩(wěn)定的圍巖，，主要承受變形地地壓，所以拱墻宜宜采用相同的支護護參數(shù)。（一）工程類比設設計的原則與方法法初期支護設計遵循的原則：(3)力求體現(xiàn)錨噴支護護靈活性的特點及及圍巖局部破壞局局部加固、整體加加固與局部加強的的等強度支護原則則。對不同的巖體體和不同的部位分分別采用不同的支支護類型與參數(shù)。?，F(xiàn)行規(guī)范錨噴支護護參數(shù)表中，對同同一級的圍巖級別別和洞跨，給出多多種錨噴支護類型型和參數(shù)，以便酌酌情選用。（一）工程類比設設計的原則與方法法初期支護設計遵循的的原則則：(4)錨噴支支護參參數(shù)表表中，，考慮慮了各各種設設計方方法的的配合合，雖雖然參參數(shù)表表中給給出的的支護護參數(shù)數(shù)是根根據(jù)工工程類類比確確定的的，但但要確確定最最終支支護參參數(shù)，，有的的還要要借助助于監(jiān)監(jiān)控設設計和和理論論設計計。（一））工程程類比比設計計的原原則與與方法法初期支支護設設計（一））工程程類比比設計計的原原則與與方法法遵循的的原則則：(5)考慮不不同的的工程程對象象，對對重要要工程程宜采采用支支護參參數(shù)表表中的的上限限值，，而一一般工工程宜宜采用用下限限值。。(6)支護參參數(shù)由由錨噴噴支護護設計計參數(shù)數(shù)表與與規(guī)范范中的的有關關條文文共同同確定定。例例如對對不穩(wěn)穩(wěn)定圍圍巖，，要求求錨桿桿有一一定的的密度度，通通常在在條文文中規(guī)規(guī)定了了錨桿桿的最最大間間距限限。初期支支護設設計錨噴支支護參參數(shù)應應當是是廣義義的、、既包包括支護類類型、、支護護參數(shù)數(shù)，又應應包括括開挖方方法，仰拱施施作時時間和最終支支護時時間等。不過我國目前的的錨噴噴支護護規(guī)范范還沒沒有達達到這這一水水平，，只是是規(guī)定定了最終支支護的的施作作時間間。而在在錨噴噴支護護參數(shù)數(shù)表中中只給給出了了錨噴支支護類類型與與參數(shù)數(shù)。（二））錨噴噴支護護的類類型及及參數(shù)數(shù)表初期支支護設設計確定錨錨噴支支護類類型與與參數(shù)數(shù)時，，應當當體現(xiàn)現(xiàn)如下下原則則：(1)根據(jù)不不同的的圍巖巖壓力力的特特點，，對拱拱墻采采用相相應的的支護護參數(shù)數(shù)。(2)力求體體現(xiàn)使使用錨錨噴支支護類類型的的靈活活性及及允許許進行行局部部加固固圍巖巖的特特點。。對不不同的的巖體體和圍圍巖的的不同同部位位采用用不同同的支支護類類型與與參數(shù)數(shù)。（二））錨噴噴支護護的類類型及及參數(shù)數(shù)表初期支支護設設計確定錨錨噴支支護類類型與與參數(shù)數(shù)時，，應當當體現(xiàn)現(xiàn)如下下原則則：(3)錨噴支支護參參數(shù)表表中給給出的的錨噴噴支護護參數(shù)數(shù)是根根據(jù)工工程類類比確確定的的。但但確定定最終終支護護參數(shù)數(shù)有的的還要要借助助于監(jiān)監(jiān)控設設計與與理論論設計計。(4)錨噴支支護表表中的的錨噴噴參數(shù)數(shù)，一一般是是根據(jù)據(jù)本部部門以以往修修建工工程的的設計計參數(shù)數(shù)，經(jīng)經(jīng)統(tǒng)計計和分分析研研究后后確定定的。。（二））錨噴噴支護護的類類型及及參數(shù)數(shù)表二次襯襯砌設設計二次襯襯砌的的作用用因不不同的的圍巖巖級別別而異異：1）對于于I級穩(wěn)定定硬質質圍巖巖，因因圍巖巖和初初期支支護的的變形形很小小，且且很快快趨于于穩(wěn)定定，故故二次次襯砌砌不承承受圍圍巖壓壓力，，其主主要作作用是是防水水、利利于通通風和和修飾飾面層層；（一））二次次襯砌砌的主主要作作用二次襯襯砌設設計二次襯襯砌的的作用用因不不同的的圍巖巖級別別而異異：2）對于于II級基本本穩(wěn)定定的硬硬質圍圍巖，，雖然然圍巖巖和初初期支支護變變形小小，二二次襯襯砌承承受不不大的的圍巖巖壓力力，但但考慮慮洞室室運營營后錨錨桿鋼鋼筋銹銹蝕、、圍巖巖松弛弛區(qū)逐逐漸壓壓密，，初期期支護護質量量不穩(wěn)穩(wěn)定等等原因因，故故施作作二次次襯砌砌以提提高支支護襯襯砌的的安全全度；；（一））二次次襯砌砌的主主要作作用二次襯襯砌設設計二次襯襯砌的的作用用因不不同的的圍巖巖級別別而異異：3）對于于III~V級圍巖巖，由由于巖巖體流流變、、膨脹脹壓力力、地地下水水等作作用，，或由由于淺淺埋、、偏壓壓及施施工等等原因因，圍圍巖變變形未未趨于于基本本穩(wěn)定定而提提前施施作二二次襯襯砌，，此時時，二二次襯襯砌主主要承承受較較大的的后期期圍巖巖形變變壓力力。（一））二次次襯砌砌的主主要作作用二次襯襯砌設設計1）基本要要求：：(1)初期支支護與與二次次襯砌砌之間間的密密貼程程度，，對復復合式式襯砌砌受力力狀態(tài)態(tài)會產(chǎn)產(chǎn)生影影響。。(2)支護與與襯砌砌兩層層緊密密粘結結在一一起時時，兩兩層間間能傳傳遞徑徑向力力和切切向力力，可可按整整體結結構驗驗算。。兩層層間設設有防防水層層時，，按組組合結結構驗驗算，，只傳傳遞徑徑向荷荷載。。（二））二次次襯砌砌結構構的設設計二次襯襯砌設設計1）基本要要求：：(3)為防止止洞內內漏水水，設設計時時應對對二次次襯砌砌的變變形予予以控控制。。(4)支護與與襯砌砌間空空隙部部分應應回填填密實實。（二））二次次襯砌砌結構構的設設計二次襯襯砌設設計2）二次襯襯砌的的計算算：復合式式襯砌砌分層層施作作，應應考慮慮時間間效應應，可可考慮慮按粘粘彈塑塑性有有限元元法進進行計計算；；也可可運用用彈塑塑性理理論或或特征征曲線線法近近似計計算復復合式式襯砌砌；也也可參參考我我國復復合式式襯砌砌圍巖巖壓力力現(xiàn)場場量側側數(shù)據(jù)據(jù)和模模型試試驗結結果及及國內內外有有關資資料，，對I~V級圍巖巖，以以30%~50%的圍巖巖壓力力作為為二次次襯砌砌的外外荷載載。按按荷載載—結構模模型進進行計計算。。（二））二次次襯砌砌結構構的設設計二次襯襯砌設設計2）二次襯襯砌的的計算算：由于對對二次次襯砌砌的受受力機機理研研究認認識不不夠深深入，，加之之圍巖巖的地地質條條件千千變萬萬化，，實施施二次次襯砌砌精確確的計計算是是困難難的，，應提提倡運運用簡簡便而而實用用的計計算方方法。。對于于地質質條件件復雜雜的軟軟弱圍圍巖，，應將將上述述幾種種方法法的二二次襯襯砌計計算結結果進進行比比較，，確定定一種種合理理簡便便的計計算方方法。。（二））二次次襯砌砌結構構的設設計二次襯襯砌設設計3）二次襯襯砌施施作時時間的的確定定：二次襯襯砌一一般采采用模模筑混混凝土土，應應在圍圍巖和和初期期支護護變形形基本本穩(wěn)定定后方方可施施作，，并應應具備備下述述條件件：(1)洞室周邊位移移速率有明顯顯減緩趨勢。。(2)在拱腳以上1m和邊墻中部附附近的位移速速度小于0.1~0.2mm/d，或拱頂下沉沉速度小于0.07~0.15mm/d。(3)初期支護表面面裂縫不再繼繼續(xù)發(fā)展。（二）二次襯襯砌結構的設設計二次襯砌設計計3）二次襯砌施作作時間的確定定：(4)施作二次襯砌砌前的位移值值，應達到總總位移值的80%~90%。(5)當采取一定措措施仍難以符符合上列條件件時，可提前前施作二次襯襯砌，且應予予加強。當洞洞室較短且圍圍巖自穩(wěn)性能能較好時，為為減少各工序序間的干擾，，可在整個洞洞室貫通后再再作二次襯砌砌。（二）二次襯襯砌結構的設設計二次襯砌設計計4）加強二次襯砌砌的措施：當圍巖和初期期支護尚未基基本穩(wěn)定而提提前施作的二二次襯砌，或或在淺埋、偏偏壓、膨脹性性圍巖和不良良地質地段施施作二次襯砌砌，均要承受受較大的圍巖巖壓力，故要要求采取如下下措施加強二二次襯砌：（二）二次襯襯砌結構的設設計二次襯砌設計計4）加強二次襯砌砌的措施：(1)改變襯砌形狀狀，以適應外外荷情況，減減少襯砌彎矩矩，使襯砌斷斷面基本受壓壓。(2)提高混凝土標標號，或采用用鋼筋混凝土土、鋼纖維混混凝土等能提提高抗彎曲強強度的材料。。（二）二次襯襯砌結構的設設計二次襯砌設計計4）加強二次襯砌砌的措施：(3)修建仰拱使襯襯砌形成封閉閉結構，以提提高結構的整整體剛度，減減少圍巖變形形。(4)采用超前支護護，注漿加固固地層等措施施，以增加巖巖體強度，提提高圍巖整體體穩(wěn)定性。（二）二次襯襯砌結構的設設計復合式襯砌防防水層的設計計地下洞室應根根據(jù)要求采取取防水措施。。當有地下水水時，初期支支護和二次襯襯砌之間可設設置塑料板防防水層或采用用噴涂防水層層，并可采用用防水混凝土土襯砌。1）塑料板防水水層；2）噴涂防水層層；3）防水混凝土土。三工程程案例工程概況深溪溝電站運運碴隧道進口口段地形陡峻峻，地勢險要要，洞口部位位地形自然坡坡度55～60°。運碴隧道共共有A、B兩個線路方案案，A方案下穿鐵路路段，上覆地地層主要為弱弱風化白云質質灰?guī)r，而B方案下穿段第第四系覆蓋層層較厚，兩方方案比較，因因A方案地質條件件相對較好，，對控制沉降降有利。工程概況運碴隧道地形形圖運碴隧道進口口地層圖工程概況公路隧洞穿越越長河壩火車車站鐵路時上上覆巖體約有有12.7m厚，從現(xiàn)場地地質測繪和鉆鉆孔資料分析析，該段巖體體中節(jié)理裂隙隙較發(fā)育，特特別是巖體受受層面裂隙和和陡傾角裂隙隙相互切割，，對隧洞頂拱拱及邊墻的圍圍巖穩(wěn)定影響響較大，圍巖巖級別為Ⅳ、Ⅴ級。計算說明復合式襯砌類類型與尺寸系系根據(jù)圍巖級級別、地形、、地質條件，，以工程類比比為主擬定的的。結構計算算，根據(jù)共同同變形理論，，按地層-結構模式進行行計算。（一）計算原原則計算說明采用大型有限限元軟件ANSYS進行計算。二二維地層—結構模式的計計算范圍左右右取80m，底部取60m，頂部取至地地表面，計算算中，錨桿采采用桿單元，，初期支護采采用彈性梁單單元，地層采采用彈塑性等等參單元，左左右水平約束束，底部豎向向約束，頂面面自由。（二）計算模模式及說明計算說明由于缺乏地應應力量測資料料，且埋深較較淺，可取自自重應力場作作為初始應力力場，可由有有限元模型求求得。（三）初始應應力場及開挖挖模擬計算說明圍巖物理力學學參數(shù):建筑材料物理理力學參數(shù)（四）各級圍圍巖和建筑材材料的物理力力學指標圍巖級別容重(kN/m3）彈性抗力系數(shù)（Mpa/m）彈模（Gpa）泊松比內摩擦角（度）粘聚力（Mpa）IV263001.00.35270.3V251500.150.4200.1加固圈251500.50.37250.2項目彈模（Gpa）容重（kN/m3）備注C20噴砼2323.5C25鋼筋砼29.525鋼筋21078計算說明由設計圖，下下穿鐵路段的的拱墻初期支支護采用錨噴噴加型鋼支護護，C20噴射混凝土厚厚25cm，φ22錨桿長3.5m；二次襯砌拱拱部、邊墻、、仰拱全部采采用C25鋼筋混凝土，，拱墻厚80cm，仰拱厚50cm。（五）支護參參數(shù)計算說明由于隧道下穿穿鐵路，考慮慮火車?？亢秃徒?jīng)過的影響響，加上了列列車荷載，列列車荷載按““中－活載””計算：其中，qh為載軌底以下下深度h處，列車活載載的豎向壓力力強度，h計為軌底到道道碴底面計為為0.75m。同時，考慮慮沖擊系數(shù)（（1＋u）。（六）荷載計計算計算分析（一）全斷斷面法分析析1）計算模型型計算分析（一）全斷斷面法分析析2）施工階段段初期支護護內力圖全斷面開挖挖后初期支支護彎矩圖圖(kN.m)全斷面開挖挖后初期支支護軸力圖圖(kN)計算分析（一）全斷斷面法分析析3）二次襯砌砌內力圖全斷面開挖挖后二襯支支護彎矩圖圖(kN·m)全斷面開挖挖后二襯支支護支護軸軸力圖(kN)計算分析（一）全斷斷面法分析析4）結構內力力檢算位置混凝土標號彎矩（kN·m）軸力（kN）計算配筋量（cm2）實際配筋量（cm2）安全系數(shù)初支拱頂C20-8.03-707.47/17.365.0初支邊墻C207.4-633.96/17.365.5二襯拱圈C25-47.64-295.05/鋼筋砼33.1二襯邊墻C25-132.72-365.14/鋼筋砼4.2二襯仰拱C2521.28-154.86/鋼筋砼67.1初期支護及及二襯截面面控制點結結構檢算計算分析（一）全斷斷面法分析析5）結構內力力分析a、全斷面法法開挖后初初期支護最最大正彎矩矩是左右墻墻腳位置，，數(shù)值為7.40kN·m，最大負彎彎矩出現(xiàn)在在左右拱腳腳處，其值值為-8.03kN·m，與彎矩相相對應位置置的軸力分分別是-376.66kN和-707.47kN；計算分析（一）全斷斷面法分析析5）結構內力力分析b、二次襯砌砌最大正彎彎矩在拱頂頂位置，其其數(shù)值為47.64kN·m，最大負彎彎矩出現(xiàn)在在左右墻腳腳，其值為為-189.60kN·m，與彎矩相相對應位置置的軸力分分別是-189.90kN和-365.14kN。經(jīng)檢算，全全斷面開挖挖的初期支支護及二次次襯砌的結結構都能滿滿足要求。。計算分析（二）雙側側壁導坑法法1）計算模型型計算分析（二）雙側側壁導坑法法2）各施工階階段初期支支護內力圖圖左上臺階開開挖后初期期支護彎矩矩圖(kN·m)左上臺階開開挖后初期期支護軸力力圖(kN)計算分析（二）雙側側壁導坑法法2）各施工階階段初期支支護內力圖圖左下臺階開開挖后初期期支護彎矩矩圖(kN·m)左下臺階開開挖后初期期支護軸力力圖(kN)計算分析（二）雙側側壁導坑法法2）各施工階階段初期支支護內力圖圖右上臺階開開挖后初期期支護彎矩矩圖(kN·m)右上臺階開開挖后初期期支護軸力力圖(kN)計算分析（二）雙側側壁導坑法法2）各施工階階段初期支支護內力圖圖右下臺階開開挖后初期期支護彎矩矩圖(kN·m)右下臺階開開挖后初期期支護軸力力圖(kN)計算分析（二）雙側側壁導坑法法2）各施工階階段初期支支護內力圖圖中上臺階開開挖后初計算分析（二）雙側側壁導坑法法2）各施工階階段初期支支護內力圖圖中中臺階開計算分析（二）雙側側壁導坑法法2）各施工階階段初期支支護內力圖圖中下臺階開開挖后初期期支護彎矩矩圖(kN·m)中下臺階開開挖后初期期支護軸力力圖(kN)計算分析（二）雙側側壁導坑法法2）各施工階階段初期支支護內力圖圖二次襯砌施施工后初期期支護彎矩矩圖(kN·m)二次襯砌施施工后初期期支護軸力力圖(kN)計算分析（二）雙側側壁導坑法法3）二次襯砌砌內力圖二次襯砌施施工后二襯襯彎矩圖(kN·m)二次襯砌施施工后二襯襯軸力圖(kN)計算分析（二）雙側側壁導坑法法4）各施工階階段結構內內力檢算各施工階段段初期支護護及二襯控控制點結構構檢算施工階段混凝土標號彎矩（kN·m）軸力（kN）計算鋼架面積（cm2）實際鋼架面積（cm2）安全系數(shù)左上施工初支C2017.205244.077-17.364.1左下施工初支C2025.211-213.0992.5017.361.8右上施工初支C2028.548251.2752.5017.361.6右下施工初支C2040.308362.2522.5017.361.2中上施工初支C2050.784648.5462.5017.361.2中中施工初支C2064.41333.82810.1217.360.6中下施工初支C2040.7111192-17.362.6二襯施工初支C2035.9491171-17.362.7二襯墻腳C25206.238388.913-鋼筋砼2.3二襯拱腰C2544.274254.431-鋼筋砼34.3二襯拱腳C2567.064299.259-鋼筋砼13.1計算分析（二）雙側側壁導坑法法5）結構內力力分析采用側壁導導坑法進行行施工時，，各工序結結構受力分分析如下：：a、左上臺階階開挖后初初期支護最最大彎矩在在左拱腳向向上1/6拱位置，數(shù)數(shù)值為17.21kN·m，與彎矩相相對應位置置的軸力為為-207.77kN；計算分析（二）雙側側壁導坑法法5）結構內力力分析b、左下臺階階開挖后初初期支護最最大正彎矩矩發(fā)生在左左拱腳向上上1/6拱位置,其值為25.211kN··m，最大負彎彎矩在左拱拱腳與臨時時仰拱相交交處,數(shù)值為-2.36kN·m，與彎矩相相對應位置置的軸力分分別