北京交通大學(xué)-隧道設(shè)計(jì)與施工-第5部分隧道預(yù)設(shè)計(jì)

1主講:譚忠盛隧道工程設(shè)計(jì)與施工北京交大隧道系2第五部分隧道預(yù)設(shè)計(jì)3

隧道設(shè)計(jì)分為：預(yù)設(shè)計(jì)和修正設(shè)計(jì)二類(lèi)。預(yù)設(shè)計(jì)指：通過(guò)施工前的地質(zhì)調(diào)查，按標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)進(jìn)行的設(shè)計(jì)，正確與否或與實(shí)際的符合程度，需通過(guò)施工的檢驗(yàn)。修正設(shè)計(jì)指：通過(guò)施工中的調(diào)查和觀察，包括量測(cè)的驗(yàn)證等，而對(duì)預(yù)設(shè)計(jì)進(jìn)行修正的設(shè)計(jì)，也可稱(chēng)為設(shè)計(jì)變更或施工設(shè)計(jì)。預(yù)設(shè)計(jì)以大致掌握安全性、施工性、對(duì)周邊的影響等為主要目的，其設(shè)計(jì)項(xiàng)目以下表中的①-④為主要對(duì)象。修正設(shè)計(jì)則著重在表中的⑤以下的項(xiàng)目，并修正預(yù)設(shè)計(jì)決定的項(xiàng)目。一、概述4設(shè)計(jì)項(xiàng)目預(yù)設(shè)計(jì)修正設(shè)計(jì)①斷面形狀◎△②開(kāi)挖方法◎△③對(duì)策◎△④超前支護(hù)◎△⑤一次支護(hù)○◎⑥二次襯砌及仰拱○◎⑦防排水☆◎⑧洞口部☆◎⑨量測(cè)☆◎◎：詳細(xì)研究○：以需要的精度研究△：有必要時(shí)修正☆：有必要時(shí)研究

預(yù)設(shè)計(jì)、修正設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)項(xiàng)目56二、隧道凈空斷面的確定在隧道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)中，隧道凈空斷面的標(biāo)準(zhǔn)化是關(guān)鍵。它直接決定了隧道的開(kāi)挖輪廓和形狀。從公路隧道的功能出發(fā)，隧道凈空斷面應(yīng)確保以下必要的空間，而且要考慮穩(wěn)定性、施工性及車(chē)輛的走行性，確定合理的斷面形狀和尺寸。

·道路寬度及建筑限界；

·鋪裝、排水；

·通風(fēng)設(shè)備；

·內(nèi)裝；

·監(jiān)視員通道；

·其他。7

這里所指的隧道凈空斷面是隧道襯砌和基底圍巖或仰拱所包圍的內(nèi)側(cè)部分的大小和形狀。公路隧道不僅要提供汽車(chē)行駛的空間，還要滿(mǎn)足舒適行駛、交通安全、防災(zāi)等服務(wù)的空間。因此，隧道的凈空斷面不僅要滿(mǎn)足要求的道路寬度及建筑限界，還要有設(shè)置通風(fēng)、照明、內(nèi)裝、排水、標(biāo)志等的設(shè)置空間，也要確保維修檢查的監(jiān)視員通道的設(shè)置空間。隧道斷面應(yīng)具有合理適應(yīng)應(yīng)力流和變形的形狀，同時(shí)要適應(yīng)圍巖條件、凈空要求，一般都采用三心圓、五心圓等馬蹄形形狀。但從降低造價(jià)方面看，以采用簡(jiǎn)明、單純的單心圓斷面為宜。8

日本標(biāo)準(zhǔn)凈空斷面設(shè)定的基本方法有明確規(guī)定，對(duì)我們編制公路隧道的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)有一定的參考價(jià)值。（1）適用隧道：雙車(chē)道、自然通風(fēng)或縱向式通風(fēng)（并設(shè)2臺(tái)直徑1500mm射流風(fēng)機(jī)）（2）建筑限界等車(chē)道的建筑限界、空間的施工高度及監(jiān)視員通道上方的步行空間的設(shè)置，以及隧道路肩構(gòu)造示于圖。9

（3）橫斷坡度一般取-3.0~+3.0%，來(lái)決定凈空半徑、下半斷面高度?；讎鷰r和鋪裝路面，如圖所示，要設(shè)置2.0%以上的中央排水管。鋪裝構(gòu)造為混凝土板25cm、鋪裝路面20cm，中央排水管無(wú)有孔塑料管或高密度管（直徑300mm）。10

（4）路側(cè)部構(gòu)造路側(cè)的構(gòu)造如圖，路側(cè)排水溝采用圓形水管（200mm）左右襯砌的基腳位置壁計(jì)劃路面高度低50cm。11

（5）通風(fēng)設(shè)備采用2臺(tái)1500的射流風(fēng)機(jī)。

（6）內(nèi)裝設(shè)置在不影響凈空斷面的高度以下。監(jiān)視員通道設(shè)在隧道側(cè)部、其上部步行空間示于圖。監(jiān)視員通道等構(gòu)造步行空間的標(biāo)準(zhǔn)尺寸12

（7）其他標(biāo)志原則上設(shè)在殘余空間，不專(zhuān)門(mén)考慮。各種標(biāo)準(zhǔn)凈空斷面的典型例示于圖。

從建筑限界看，隧道的凈空斷面可以是直壁的，也可以是曲壁的。但從結(jié)構(gòu)受力角度看，多數(shù)國(guó)家，不管?chē)鷰r好壞，一律采用曲壁的凈空斷面。不僅如此，在底部與壁的連接處，也多采用圓順的沒(méi)有隅角的連接方式。隧道凈空斷面的形狀，直接影響隧道結(jié)構(gòu)的形狀。13三、支護(hù)結(jié)構(gòu)的功能和作用機(jī)理1、對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)的基本要求支護(hù)結(jié)構(gòu)的基本作用：保持坑道斷面的使用凈空；防止圍巖質(zhì)量的進(jìn)一步惡化；承受可能出現(xiàn)的各種荷載；使坑道支護(hù)體系有足夠的安全度。因此，任何一種類(lèi)型的支護(hù)結(jié)構(gòu)都應(yīng)具有與上述作用相適應(yīng)的構(gòu)造、力學(xué)特性和施工可能性。理想的支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)滿(mǎn)足以下基本要求：

（1）必須能與周?chē)鷩鷰r大面積地牢固接觸，即保證支護(hù)一圍巖體系作為一個(gè)統(tǒng)一的整體工作。接觸狀態(tài)的好壞，不僅改變了荷載的分布圖形，也改變了兩者之間相互作用的性質(zhì)。例如在通常礦山法中,早期臨時(shí)支護(hù)多采用木支撐，它與圍巖形成點(diǎn)的、任意部位的接觸，而鋼支撐雖然也是點(diǎn)接觸，14

但位置是固定的，因而支護(hù)效果比木支撐優(yōu)越。在噴混凝土施工中，支護(hù)結(jié)構(gòu)與圍巖是全面而牢固地接觸，這與模筑混凝土與圍巖的接觸狀態(tài)是完全不同的，因而，支護(hù)效果也有顯著差異。

圍巖—支護(hù)結(jié)構(gòu)的接觸狀態(tài)點(diǎn)接觸面接觸

A.任意的B.確定的C.松散的D.牢固的模筑混凝土鋼支撐、木支撐土質(zhì)隧道噴混凝土、有回填層泵送混凝土襯砌接觸狀態(tài)的分類(lèi)15

由于接觸狀態(tài)的不同，對(duì)圍巖應(yīng)力分布，對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)等都有著重要的影響。例如：D類(lèi)接觸，由于全面的牢固接觸，不僅能傳遞徑向應(yīng)力也能傳遞切向應(yīng)力，而且接觸應(yīng)力的分布比較均勻。同時(shí)也改善了結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)，支護(hù)效果較佳。

A類(lèi)接觸，由于接觸點(diǎn)的不確定，圍巖壓力極不均勻。因此經(jīng)常出現(xiàn)襯砌受力異常，發(fā)生開(kāi)裂甚至喪失使用功能。我們目前的襯砌設(shè)計(jì)，基本上是按D類(lèi)接觸進(jìn)行設(shè)計(jì)和計(jì)算的，即能全面地傳遞徑向及切向壓力，但從實(shí)際施工情況看，是難于保證這種狀態(tài)的。最多是C類(lèi)，有時(shí)甚至是A類(lèi)。設(shè)計(jì)條件與受力實(shí)踐是不符的。16

四類(lèi)接觸狀態(tài)的力學(xué)聯(lián)系大致如圖。

接觸不同，在支護(hù)—圍巖體系中發(fā)生的力學(xué)過(guò)程也是不同的。這在建立某一種計(jì)算方法時(shí)是必須解決的。現(xiàn)代支護(hù)理論的研究多數(shù)是以全面接觸為出發(fā)點(diǎn)的。因此，在施工作業(yè)時(shí)必須盡量實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。從現(xiàn)灌混凝土看，取消回填，采用混凝土泵〈或輸送器〉的灌注方法可以基本上滿(mǎn)足要求，噴射混凝土則能更好地滿(mǎn)足這個(gè)要求。17

（2）重視初期支護(hù)的作用，并使初期支護(hù)與永久支護(hù)相互配合，協(xié)調(diào)一致地工作。過(guò)去在支護(hù)處理上，常分為臨時(shí)支護(hù)和永久支護(hù)兩種。臨時(shí)支護(hù)的主要目的是為了暫時(shí)地、迅速地控制坑道圍巖的力學(xué)過(guò)程，為永久支護(hù)創(chuàng)造有利條件。過(guò)去只把永久支護(hù)作為基本的承載的支護(hù)結(jié)構(gòu)，完全忽視了臨時(shí)支護(hù)的作用。目前隨著支護(hù)技術(shù)的發(fā)展，逐步把臨時(shí)支護(hù)與永久支護(hù)合并考慮，臨時(shí)支護(hù)亦作為永久支護(hù)的一個(gè)重要部分。噴射混凝土一錨桿支護(hù)就是一例。18

臨時(shí)支護(hù)實(shí)質(zhì)上是初期支護(hù)，它是永久支護(hù)的第一步。目前很少采用木支撐，木支撐在多數(shù)情況下是要拆除的。這種拆除或頂替已承載支撐的作業(yè)，會(huì)造成圍巖的過(guò)度松弛及應(yīng)力的第二次分配。因此多采用鋼支撐或格柵，它在架設(shè)后不再拆除，而成為永久支護(hù)的一部分。這樣就大大減輕混凝土襯砌的負(fù)擔(dān)。使整個(gè)支護(hù)結(jié)構(gòu)變得經(jīng)濟(jì)、更為有效。噴射混凝土—錨桿支護(hù)的這個(gè)特點(diǎn)更為突出。因此，消除支撐頂替是對(duì)支護(hù)的一個(gè)重要要求。應(yīng)該指出，坑道支護(hù)過(guò)程實(shí)質(zhì)上就是控制坑道圍巖內(nèi)的應(yīng)力—應(yīng)變的變化過(guò)程。因此分階段地、有預(yù)計(jì)地進(jìn)行支護(hù)作業(yè)是很重要的。例如圍巖變形過(guò)大、過(guò)速，可以讓它變緩等。這就要求支護(hù)結(jié)構(gòu)具有良好的適應(yīng)性。19

（3）要允許坑道—支護(hù)體系產(chǎn)生有限制的變形，以充分協(xié)調(diào)地發(fā)揮兩者的共同作用。這就要求對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)的剛度、構(gòu)造給予充分地注意，即要求支護(hù)結(jié)構(gòu)有一定的柔性或可縮性。這樣可以充分發(fā)揮圍巖的承載作用而減小支護(hù)結(jié)構(gòu)的作用。目前的支護(hù)結(jié)構(gòu)，其剛度相對(duì)地降低很多，即以采用柔性支護(hù)結(jié)構(gòu)為主，與過(guò)去的剛性支護(hù)結(jié)構(gòu)—現(xiàn)灌混凝土襯砌相比，厚度有了大幅度減小。柔性結(jié)構(gòu)能產(chǎn)生一定的變形，使支護(hù)—圍巖中的應(yīng)力重新調(diào)整。例如，在有利的條件下，接觸應(yīng)力(徑向及切向的)變得均勻，而支護(hù)結(jié)構(gòu)中的彎矩很小，基本上是受壓的。20

已知pa與ua的關(guān)系如圖，不同剛度支護(hù)結(jié)構(gòu)與圍巖達(dá)成平衡位移的pa是不同的，與支護(hù)結(jié)構(gòu)1相應(yīng)的位移為uo+up1，支護(hù)阻力為pa1，與支護(hù)結(jié)構(gòu)2相應(yīng)的位移為uo+up2,支護(hù)阻力為pa2，如不考慮uo的話(huà)，可以看出up2>up1，而pa2<pa1，這說(shuō)明剛度大的支護(hù)結(jié)構(gòu)承受較大的徑向應(yīng)力，柔度大的，支護(hù)阻力則減小。這要求在施工初期，要迅速地修筑支護(hù)結(jié)構(gòu)，但要具有一定柔性，使之與圍巖一起有控制地變形。這就是為什么我們強(qiáng)調(diào)早期柔性支護(hù)的理由之一。21

（4）必須保證支護(hù)結(jié)構(gòu)架設(shè)及時(shí)。支護(hù)過(guò)晚會(huì)使圍巖暴露、產(chǎn)生過(guò)度的位移而瀕臨破壞。因此,應(yīng)在坑道圍巖達(dá)到極限平衡之前開(kāi)始發(fā)揮作用。坑道開(kāi)挖后要及時(shí)地、盡快地加以支護(hù)，其目的在于控制圍巖的初始位移。這一點(diǎn)在埋深小、圍巖差的情況下，尤其重要。因?yàn)樵谶@種場(chǎng)合，幾厘米徑向位移就會(huì)造成圍巖有害的松弛。如圖同樣剛度的支護(hù)結(jié)構(gòu)，施設(shè)的時(shí)間不同，最后達(dá)成平衡的狀態(tài)也不同，如2較1所要求的支護(hù)阻力小，但這不等于說(shuō)，支護(hù)參與工作的時(shí)間愈遲愈好。因?yàn)槌跏甲冃尾患涌刂茣?huì)導(dǎo)致坑道的迅速松弛、崩塌。因此，原則上要對(duì)初始變形的增快速度加以限制。即避免圍巖產(chǎn)生有害的松弛。例如，當(dāng)初始位移達(dá)到u0時(shí)再施設(shè)初期支護(hù)，就為時(shí)過(guò)晚。反過(guò)來(lái)說(shuō)，也并不是在所有情況下，都要求愈早愈好。22

例如在埋深大的塑性圍巖中，位移即使達(dá)到20~30cm，圍巖還是處在應(yīng)力釋放過(guò)程中。此時(shí)只要求能夠逐步控制這個(gè)變形的速度就可以了，過(guò)早地控制它的發(fā)展反而有害。

施工過(guò)程對(duì)結(jié)構(gòu)的安全也是有影響的。所以要求不斷改變開(kāi)挖循環(huán)、襯砌時(shí)間、仰拱閉合時(shí)間、上半斷面開(kāi)挖長(zhǎng)度等，以使圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)成為一個(gè)體系來(lái)維護(hù)圍巖的穩(wěn)定。23

（5）作為支護(hù)結(jié)構(gòu)要能根據(jù)坑道圍巖的動(dòng)態(tài)及時(shí)地進(jìn)行調(diào)整和修改，以適應(yīng)不斷變化的圍巖狀態(tài)。這一點(diǎn)在傳統(tǒng)的木支撐條件下，也是較難實(shí)現(xiàn)的，而用現(xiàn)代支護(hù)技術(shù)，則可采取分次噴射、增設(shè)錨桿或調(diào)整其參數(shù)(間距、錨將直徑和長(zhǎng)度)等方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。當(dāng)然，作為支護(hù)結(jié)構(gòu)也要滿(mǎn)足易于施設(shè)、構(gòu)件可互換、斷面類(lèi)型單一、便于改變剛性等施工性上的條件。

顯然，某一種支護(hù)結(jié)構(gòu)要完全滿(mǎn)足上述技術(shù)要求是很困難的，這就要求對(duì)各種類(lèi)型的支護(hù)結(jié)構(gòu)有一正確的評(píng)價(jià)，以便根據(jù)變化的地質(zhì)條件進(jìn)行合理的選擇。24

2、支護(hù)結(jié)構(gòu)的類(lèi)型隧道的支護(hù)體系是由圍巖、初期支護(hù)、二次襯砌構(gòu)成，在某些條件下，還包括超前支護(hù)在內(nèi)。其中初期支護(hù)有：噴混凝土、錨桿和鋼支撐或格柵。超前支護(hù)，按日本的分類(lèi)有短超前支護(hù)和長(zhǎng)超前支護(hù)。有時(shí)也把短超前支護(hù)列在初期支護(hù)內(nèi)。根據(jù)圍巖條件和使用條件，可做如下分類(lèi)：（1）無(wú)支護(hù)坑道（毛洞）；（2）單層襯砌，基本上由噴混凝土、鋼纖維噴混凝土或模筑混凝土構(gòu)成；（3）組合襯砌基本上由初期支護(hù)和二次襯砌構(gòu)成；是目前采用的主要支護(hù)體系，隔離層通常是采用防水板。（4）裝配式襯砌；25

支護(hù)體系的的選擇主要根據(jù)下述條件決定：（1）對(duì)預(yù)計(jì)的主要圍巖類(lèi)型的評(píng)價(jià)；（2）對(duì)圍巖類(lèi)別變化的適應(yīng)性；（3）對(duì)很大的或特殊地壓的適應(yīng)性；（4）對(duì)地下水性質(zhì)的適應(yīng)性；（5）經(jīng)濟(jì)；（6）作業(yè)時(shí)間消耗少。從力學(xué)角度看，支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)根據(jù)圍巖開(kāi)挖后的力學(xué)動(dòng)態(tài)、支護(hù)結(jié)構(gòu)的支護(hù)作用來(lái)選定。除一些特殊情況圍巖以外，可以根據(jù)大部分隧道開(kāi)挖的力學(xué)動(dòng)態(tài)，按下表進(jìn)行選擇。26圍巖支護(hù)的目的主要的初期支護(hù)輔助的初期支護(hù)彈性位移收斂的良好的圍巖·防止圍巖風(fēng)化·飾面·噴混凝土·砂漿—少許掉塊產(chǎn)生松弛的圍巖·支持可能掉落巖塊的重量·阻止巖塊滑移·噴混凝土·局部錨桿—產(chǎn)生較大松弛和一部塑性化的圍巖·控制圍巖松弛；·形成內(nèi)壓，提供支護(hù)阻力·控制塑性區(qū)的發(fā)展·提高圍巖的承載能力·噴混凝土·系統(tǒng)錨桿·局部格柵·金屬網(wǎng)·短超前支護(hù)圍巖強(qiáng)度不足產(chǎn)生形變土壓的圍巖。·形成內(nèi)壓，提供強(qiáng)大的支護(hù)阻力·控制塑性區(qū)的擴(kuò)大·提高圍巖的承載能力·噴混凝土·系統(tǒng)錨桿·系統(tǒng)鋼支撐或格柵·金屬網(wǎng)·長(zhǎng)超前支護(hù)圍巖與初期支護(hù)27

初期支護(hù)的作用也是選擇支護(hù)類(lèi)型的重要依據(jù)。

噴混凝土：直接控制圍巖的松弛，用其強(qiáng)度抵抗發(fā)生位移的圍巖，通過(guò)與圍巖的粘結(jié)力和軸力傳遞到圍巖。這說(shuō)明噴混凝土在直接防止圍巖松弛的增大和不穩(wěn)定巖塊掉落的同時(shí)，給予圍巖內(nèi)壓，使圍巖成為一體。除了襯砌以外，與其他支護(hù)比較，是內(nèi)壓力最高的支護(hù)方式。噴混凝土的問(wèn)題是其材料強(qiáng)度和彈性系數(shù)的出現(xiàn)是需要一定時(shí)間的，因此，在設(shè)計(jì)上一定要強(qiáng)調(diào)噴混凝土的初期強(qiáng)度，其出現(xiàn)時(shí)間要有明確的規(guī)定，通常都規(guī)定1d的強(qiáng)度值。噴混凝土與圍巖表面是密封的，也是噴混凝土發(fā)揮支護(hù)作用的關(guān)鍵。此外噴混凝土還可以把壓力傳遞到錨桿和鋼支撐上，反過(guò)，噴混凝土也可以提高錨桿和鋼支撐的支護(hù)效果。因此，在支護(hù)組成上，任何情況都不能缺少?lài)娀炷痢?8

錨桿：從深入圍巖支護(hù)這一點(diǎn)上看，在補(bǔ)強(qiáng)裂隙巖體薄弱部分和改良圍巖為均勻圍巖方面，是與其他支護(hù)不同的。

在硬巖、中硬巖中，確保巖塊的咬合，抑制不穩(wěn)定巖塊的崩落，控制沿裂隙的位移等，從而確保松弛圍巖一體化。在圍巖沒(méi)有移動(dòng)或位移的場(chǎng)合，錨桿中是不產(chǎn)生應(yīng)力的。

在軟巖圍巖中，開(kāi)挖引起圍巖強(qiáng)度的降低，松弛范圍要增大。錨桿可以一邊追隨圍巖的變形，一邊約束圍巖防止其崩落，確保圍巖一體化。但在內(nèi)摩擦角小的圍巖中單獨(dú)采用錨桿效果是比較小的。

錨桿是在錨固材料的強(qiáng)度出現(xiàn)后才發(fā)揮作用，故為了讓錨桿的作用能夠及早發(fā)揮，應(yīng)在錨固材料方面多做工作。錨桿與圍巖在內(nèi)部緊密接觸，錨桿不僅增強(qiáng)了圍巖的抗剪強(qiáng)度，也可以提高圍巖屈服后的殘余強(qiáng)度。29

鋼支撐或格柵：基本上與噴混凝土具有同樣的功能，可補(bǔ)充噴混凝土初期強(qiáng)度的不足，直接承受松弛荷載，與噴混凝土成為一體，給予內(nèi)壓，確保圍巖的一體化。鋼支撐施工后可以發(fā)揮100%的材料強(qiáng)度，在這一點(diǎn)上，錨桿和噴混凝土都是不能比擬的。可以在噴混凝土和錨桿的強(qiáng)度發(fā)現(xiàn)前承受荷載，在噴混凝土和錨桿強(qiáng)度出現(xiàn)后，鋼支撐因具有較大的彎曲韌性，而繼續(xù)發(fā)揮其作用。特別是在噴混凝土發(fā)生開(kāi)裂后，鋼支撐是一個(gè)線(xiàn)形構(gòu)件，其自身與圍巖的密貼是通過(guò)噴混凝土實(shí)現(xiàn)的，這一點(diǎn)在施工中要特別注意。這三種支護(hù)的形態(tài)示于下表。30

各支護(hù)構(gòu)件的支護(hù)形態(tài)噴混凝土錨桿鋼支撐材料強(qiáng)度的出現(xiàn)出現(xiàn)需要時(shí)間砂漿錨固方式時(shí)間立即出現(xiàn)配置形態(tài)（從洞內(nèi)）面點(diǎn)線(xiàn)與圍巖的密著表面密著內(nèi)部密著通過(guò)噴混凝土密著其他特征能夠把壓力傳遞到其他支護(hù)構(gòu)件具有改善圍巖性質(zhì)的效果具有較大的彎曲韌性31

襯砌（包括仰拱）：襯砌作為支護(hù)結(jié)構(gòu)具有特殊的性質(zhì)，是確保隧道穩(wěn)定的最終階段，可在下述場(chǎng)合中采用：（1）對(duì)隧道穩(wěn)定性的安全系數(shù)要求高的場(chǎng)合。幾乎所有的場(chǎng)合都屬于此種情況。為了有效地利用圍巖強(qiáng)度，用最小限度的支護(hù)結(jié)構(gòu)來(lái)確保圍巖的穩(wěn)定是最重要的。同時(shí)考慮到圍巖的不確定性和地下水等的作用對(duì)長(zhǎng)期的圍巖性質(zhì)的影響，必須提高安全系數(shù)。（2）用其他支護(hù)結(jié)構(gòu)控制變形有困難，為控制變形需要很大內(nèi)壓的場(chǎng)合。因?yàn)閲鷰r強(qiáng)度比小，即使產(chǎn)生變形也不能滿(mǎn)足土壓減輕的場(chǎng)合，要用襯砌約束變形，使隧道穩(wěn)定，因此要在變形沒(méi)有收斂的階段的適當(dāng)時(shí)期修筑襯砌。

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（3）埋深小，為控制地表下沉在最小限度以?xún)?nèi)，需要采用剛性大的結(jié)構(gòu)的場(chǎng)合。埋深小的場(chǎng)合有時(shí)需要防止開(kāi)挖影響到地表的情況，或不能期待拱效應(yīng)而把位移限制在最小限度之內(nèi)的場(chǎng)合，襯砌在開(kāi)挖后要盡快施工，襯砌應(yīng)考慮承受全部埋深荷載。

綜上所述，日本曾給出選擇支護(hù)體系的大致標(biāo)準(zhǔn)。33

圍巖種類(lèi)特征支護(hù)對(duì)象支護(hù)構(gòu)件輔助工法記事噴砼錨桿鋼支撐襯砌二襯仰拱硬巖裂隙不發(fā)育·掉落巖塊二襯不承受荷載裂隙發(fā)育但沒(méi)有粘土填充·掉落巖塊·松弛壓力△○△鋼支撐只設(shè)在上半斷面裂隙發(fā)育、破碎·掉落巖塊·松弛壓力·形變壓力○○○△掌子面穩(wěn)定對(duì)策（正面、拱頂）最好設(shè)置仰拱軟巖圍巖強(qiáng)度比大·掉落巖塊△△○原則上設(shè)置仰拱圍巖強(qiáng)度比小·松弛壓力·形變壓力○○○△○仰拱要及早施工圍巖強(qiáng)度比極小·松弛壓力·形變壓力○○○○掌子面穩(wěn)定對(duì)策（正面穩(wěn)定）斷面要及早閉合，采用高強(qiáng)噴混凝土，考慮設(shè)置變形富裕量膨脹性圍巖·松弛壓力·形變壓力·膨脹壓力○○○○○掌子面穩(wěn)定對(duì)策（正面穩(wěn)定、腳部補(bǔ)強(qiáng)）斷面要及早閉合，采用高強(qiáng)噴混凝土，考慮設(shè)置變形富裕量土砂圍巖·松弛壓力·控制下沉○△○○○掌子面穩(wěn)定、地表下沉、近接施工斷面要及早閉合，襯砌按承載構(gòu)件進(jìn)行設(shè)計(jì)注：○一般需要設(shè)置的；△必要時(shí)需要設(shè)置的。選擇支護(hù)體系的大致標(biāo)準(zhǔn)（開(kāi)挖斷面20~100m2）34

四、噴混凝土1、概述一般的混凝土結(jié)構(gòu)是可以用力學(xué)方法進(jìn)行設(shè)計(jì)的，但噴混凝土則很少能夠用力學(xué)方法進(jìn)行設(shè)計(jì)。這是因?yàn)閲娀炷恋淖饔脵C(jī)理和噴混凝土是否能夠形成一個(gè)結(jié)構(gòu)體系來(lái)發(fā)揮作用還不十分清楚。目前的認(rèn)識(shí)水平，噴混凝土是唯一的能夠與圍巖壁面大面積牢固粘附的支護(hù)手段，也是適用于各種圍巖的一種有效的支護(hù)手段，其作用主要來(lái)自噴混凝土與壁面的粘著力所產(chǎn)生的抗剪阻力。如圖噴混凝土的軸力是由拱腳下的反力和界面的抗剪阻力所支持的。在這個(gè)界面上的剪力以切向應(yīng)力傳遞到圍巖內(nèi)部，有助于形成所謂的拱狀的壓應(yīng)力帶。35

此外，如下圖所示，對(duì)局部的外力，如浮石某些塊體或偏壓等，噴混凝土的一部分可以作為板或梁，用其抗彎和抗剪能力發(fā)揮支護(hù)的作用，此時(shí)粘附點(diǎn)可以視為支持點(diǎn)。局部荷載的作用梁、板的模式化36

因此，噴混凝土與圍巖的粘附是異常重要的。這是發(fā)揮噴混凝土支護(hù)效果的基本保證。也是噴混凝土最主要的力學(xué)作用。其次，噴混凝土的支護(hù)效果和發(fā)揮的程度與圍巖關(guān)系十分密切。多數(shù)場(chǎng)合，是很難保證噴混凝土作為拱形結(jié)構(gòu)的效果。實(shí)際上，考慮到圍巖不連續(xù)面的存在，噴混凝土局部補(bǔ)強(qiáng)的效果會(huì)大于拱形結(jié)構(gòu)的效果。在這種情況下，可靠的粘附也是發(fā)揮噴混凝土作用的關(guān)鍵。此外噴混凝土除力學(xué)效果外，還具有覆蓋的物理效果，如防止圍巖風(fēng)化，阻止?jié)B水等。因此，噴混凝土設(shè)計(jì)應(yīng)滿(mǎn)足以下要求：對(duì)作用荷載有足夠的強(qiáng)度；具有早期需要的強(qiáng)度；與圍巖充分粘著、填充和密實(shí)；確保開(kāi)挖面平滑；耐久。

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2、噴混凝土的設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)項(xiàng)目主要是噴混凝土的強(qiáng)度、厚度和耐久性。

1）噴混凝土強(qiáng)度一般都采用材齡28d抗壓強(qiáng)度為18N/mm2，這個(gè)基準(zhǔn)強(qiáng)度如表下所示，從各國(guó)的標(biāo)準(zhǔn)看是最低的水準(zhǔn)。在強(qiáng)度一定條件下，厚度則因圍巖而異，在多數(shù)場(chǎng)合是憑經(jīng)驗(yàn)決定的。

從表可以看出，各國(guó)的抗壓強(qiáng)度的基準(zhǔn)差異較大?？偟膩?lái)說(shuō)，歐洲各國(guó)的基準(zhǔn)強(qiáng)度的水準(zhǔn)較高。我國(guó)的基準(zhǔn)強(qiáng)度與日本基本上是一致的。但日本最近幾年有向高強(qiáng)度噴混凝土發(fā)展的趨勢(shì)。例如，在第2東名·名神高速公路的3車(chē)道隧道中，材齡28d的抗壓強(qiáng)度就提高到36N/mm2。38

材齡抗壓強(qiáng)度（N/mm2）國(guó)名、團(tuán)體名、其他8h5Wood1d5日本8*法國(guó)10加拿大、南非、EFNARC3d20Wood7d17*法國(guó)25噴混凝土協(xié)會(huì)、Wood30EFNARC28d18日本25**法國(guó)30南非、EFNARC35瑞典35***德國(guó)40*德國(guó)40加拿大、南非、瑞典、Wood45瑞典90d35EFNARC各國(guó)的噴混凝土抗壓強(qiáng)度基準(zhǔn)39

日本噴混凝土的抗壓強(qiáng)度基準(zhǔn)值。企業(yè)名稱(chēng)噴混凝土種類(lèi)抗壓強(qiáng)度（N/mm2）3h1d28d日本鐵道建設(shè)公團(tuán)標(biāo)準(zhǔn)噴混凝土—818高品質(zhì)噴混凝土1.5818日本道路公團(tuán)標(biāo)準(zhǔn)噴混凝土—518高品質(zhì)噴混凝土21036鋼纖維噴混凝土21036分類(lèi)內(nèi)容SCⅠ沒(méi)有荷載作用的場(chǎng)合：對(duì)質(zhì)量和耐久性的要求較松，主要用于飾面、填平補(bǔ)齊，平整巖面SCⅡ有臨時(shí)荷載作用的場(chǎng)合：作為開(kāi)挖的施工支護(hù)，其初期強(qiáng)度應(yīng)根據(jù)具體條件設(shè)定SCⅢ有永久荷載作用的場(chǎng)合：代替二次襯砌，作為永久支護(hù)使用，對(duì)強(qiáng)度和特殊性質(zhì)有嚴(yán)格要求。澳大利亞對(duì)噴混凝土的功能進(jìn)行分類(lèi)40

級(jí)別抗壓強(qiáng)度平均值下限(N/mm2)摘要SC1212SC1616SC1919如能確保低齡J1或J2的強(qiáng)度，就可確保28d的強(qiáng)度。SC22.523如能確保低齡J1或J2的強(qiáng)度，就可確保28d的最大強(qiáng)度。SC2525SC2828如能確保低齡J1或J2的強(qiáng)度，就可確保90d的強(qiáng)度。SC3030作為低齡噴混凝土，不要求特別的條件。SC4040澳大利亞對(duì)噴混凝土進(jìn)行強(qiáng)度分級(jí)。

在強(qiáng)度分級(jí)中特別強(qiáng)調(diào)低齡噴混凝土的初期強(qiáng)度應(yīng)符合圖中的低齡噴混凝土的強(qiáng)度條件。圖低齡噴混凝土的強(qiáng)度條件41

我國(guó)鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范、公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范以及錨桿噴射混凝土支護(hù)技術(shù)規(guī)范規(guī)定的噴混凝土（C20），其28d的極限強(qiáng)度和彈性模量列于下表。規(guī)范軸心抗壓強(qiáng)度彎曲抗壓強(qiáng)度抗拉強(qiáng)度彈性模量鐵路15181.32.2×104公路1417.51.22.0×104噴錨1011.01.12.1×104

由表可以看出，我國(guó)規(guī)定的基準(zhǔn)強(qiáng)度可能是最低的。因此，適當(dāng)提高噴混凝土的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)是極為必要的。噴混凝土的極限強(qiáng)度及彈性模量（單位：MPa）42

3、噴混凝土配比由于噴混凝土的噴射特點(diǎn)，其配比在噴射過(guò)程中會(huì)有較大的變化。一般說(shuō)，噴射后粘附在壁面上的噴混凝土，其粗骨料因回彈而減少，其水泥因粉塵而減少，因此，配比與噴射前的噴混凝土?xí)霈F(xiàn)較大的差異。這一點(diǎn)，在設(shè)計(jì)上必須加以考慮。下表是歐洲一些國(guó)家采用的噴射前后的強(qiáng)度對(duì)應(yīng)關(guān)系可以參考。噴射后噴混凝土強(qiáng)度C30C35C40C45C50C55噴射前噴混凝土強(qiáng)度C38C43C48C54C60C65噴射前后的強(qiáng)度對(duì)應(yīng)關(guān)系43

噴混凝土的設(shè)計(jì)配比，應(yīng)該是噴射后粘附在壁面上的噴混凝土配比。因此，在施工中必須控制回彈量和粉塵量。日本目前規(guī)定：回彈量不能大于20%，粉塵量不能大于5mg/m3，否則，噴混凝土質(zhì)量就是不合格。

另外，對(duì)噴混凝土一個(gè)重要指標(biāo)是：噴混凝土與圍巖的粘結(jié)強(qiáng)度。錨桿噴混凝土支護(hù)技術(shù)規(guī)范規(guī)定：Ⅰ、Ⅱ級(jí)圍巖不應(yīng)低于0.8MPa，Ⅲ級(jí)圍巖不應(yīng)低于0.5MPa。44

4、噴混凝土設(shè)計(jì)厚度噴混凝土設(shè)計(jì)厚度，應(yīng)采用最小厚度作為設(shè)計(jì)厚度。因?yàn)?，由于壁面的不平整，噴混凝土厚度的離散性非常大。對(duì)噴混凝土的厚度大致有如下認(rèn)識(shí)：（1）從飾面的角度出發(fā)，噴混凝土厚度，多采用5cm，噴砂漿的厚度可以采用3cm；（2）但作為發(fā)揮支護(hù)構(gòu)件作用的厚度，不宜小于8cm；（3）噴混凝土的最大厚度，除特殊場(chǎng)合外不宜大于20cm。在特殊場(chǎng)合可以采用25cm。更大厚度的噴混凝土施工例是很少的。因?yàn)?，采用更大厚度的噴混凝土，已?jīng)失去了初期支護(hù)的意義。

45

（4）此外噴射厚度過(guò)大，結(jié)果是增加了初期支護(hù)的剛度，會(huì)誘發(fā)較大的彎曲應(yīng)力。在這種場(chǎng)合，應(yīng)采用代替方案，如采用鋼纖維噴混凝土等。在硬巖時(shí)，幾乎無(wú)土壓作用，噴混凝土僅僅是為防止掉塊和巖塊滑動(dòng)而設(shè)置的，設(shè)計(jì)厚度可以小些。但在象膨脹性圍巖土壓很大、變形量很大的情況、承載能力和變形能力都小的未固結(jié)圍巖的情況以及埋深小、極力減少對(duì)周邊環(huán)境影響的情況，為增加支護(hù)剛性控制位移，需要噴射厚度比較大的噴混凝土。噴混凝土，一般都采用標(biāo)準(zhǔn)支護(hù)模式的厚度，但在不能采用標(biāo)準(zhǔn)支護(hù)模式時(shí)，應(yīng)采用類(lèi)似設(shè)計(jì)和解析方法設(shè)計(jì)，并參考周邊圍巖的穩(wěn)定、容許位移、構(gòu)件中的應(yīng)力等決定。46

圖開(kāi)挖斷面積與噴混凝土厚度的關(guān)系47

5、噴混凝土的增強(qiáng)噴混凝土的抗拉強(qiáng)度和抗彎柔性一般都采用金屬網(wǎng)和纖維等增強(qiáng)，但也有添加硅灰噴射高強(qiáng)混凝土和采用鋼支撐的方法。但這里主要說(shuō)明金屬網(wǎng)增強(qiáng)的噴混凝土。金屬網(wǎng)的作用主要是增強(qiáng)噴混凝土的抗剪能力、提高粘附性、防止破壞時(shí)噴混凝土的剝落。為此，金屬網(wǎng)多在噴混凝土不易粘附的圍巖、開(kāi)挖后自穩(wěn)性差的圍巖或變形比較大的圍巖中設(shè)置。使用金屬網(wǎng)一般會(huì)出現(xiàn)以下問(wèn)題：粗骨料的回彈增加；易于留有空隙；循環(huán)時(shí)間增加；金屬網(wǎng)的固定有時(shí)困難。通常使用的金屬網(wǎng)的網(wǎng)格是100×100m、150×150mm、線(xiàn)徑為3.2mm、4.0mm、5.0mm、6.0mm幾種。金屬網(wǎng)原則上采用φ5×150×150的焊接金屬網(wǎng)。48

為了發(fā)揮金屬網(wǎng)功能，原則上要埋在噴混凝土中，一般設(shè)在第1層和第2層之間。但要確保有3～5cm的保護(hù)層。金屬網(wǎng)要相互搭接，至少有1目的搭接長(zhǎng)度。要用釘子固定在圍巖和噴混凝土上，結(jié)合部要搭接1-2個(gè)網(wǎng)格。規(guī)格mm×mm×mm重量（kgf/m2）6×150×1506×100×1005×150×1505×100×1004×150×1504×100×1003.2×150×1503.2×100×1003.064.602.133.191.362.040.881.31焊接金屬網(wǎng)規(guī)格圖金屬網(wǎng)的設(shè)置49

在土砂圍巖這樣強(qiáng)度小的情況，噴混凝土的重量會(huì)從圍巖上剝落，因此應(yīng)在圍巖上設(shè)置防止剝落的金屬網(wǎng)，來(lái)保證噴混凝土的支護(hù)效果。其次，為減少回彈，也可初噴砂漿或氣泡底層和金屬網(wǎng)。在這種情況下，可采用3.2×100×100mm的金屬網(wǎng)。

在膨脹性圍巖這種會(huì)造成噴混凝土中產(chǎn)生很大應(yīng)力的情況和需防止噴混凝土破壞時(shí)剝落的情況，為提高抗剪能力應(yīng)采用金屬網(wǎng)。我們把金屬網(wǎng)視為鋼筋網(wǎng)是值得存疑的一個(gè)問(wèn)題。采用過(guò)大直徑的鋼筋，在圍巖有微小變形的情況下，就會(huì)使噴混凝土開(kāi)裂，這已為工程實(shí)踐所證實(shí)。50五、錨桿1、作用效果錨桿是唯一從內(nèi)部補(bǔ)強(qiáng)圍巖的手段，可以提高裂隙圍巖的抗剪強(qiáng)度，也可以改善圍巖的物性指標(biāo)，更可以將一些不連續(xù)的巖塊聯(lián)系在一起，它基本上不占用作業(yè)空間，施工性好，因此得到廣泛的應(yīng)用。為發(fā)揮錨桿與圍巖形成一體的效果，注意以下幾點(diǎn)：

（1）硬巖

圍巖強(qiáng)度比大、隧道周邊圍巖沒(méi)有塑性化的情況，不需要內(nèi)壓效果。同時(shí)，硬巖的巖石本身的強(qiáng)度是充分的，隧道的穩(wěn)定通常是由裂隙等力學(xué)上不連續(xù)面所控制。51

錨桿可以保持巖塊和控制巖塊移動(dòng)，使圍巖成為一體，并促進(jìn)平衡拱的形成。因此，在設(shè)計(jì)錨桿時(shí)，最好考慮圍巖的裂隙狀態(tài)，此外，硬巖中的錨桿軸力，因隧道而異，通常都顯示比較大的數(shù)值。

圖1硬巖的錨桿作用效果

圖2最大錨桿軸力與最大凈空位移52

（2）軟巖在圍巖強(qiáng)度比小的軟巖中，隧道周邊圍巖發(fā)生塑性化，需以?xún)?nèi)壓效果和形成平衡拱效果為主。圍巖采用完全彈塑性體假定進(jìn)行解析時(shí)，因內(nèi)壓的存在而使塑性區(qū)域和壁面位移減少。但如要使塑性區(qū)不發(fā)生，則在開(kāi)挖初期需要很大的支護(hù)能力。因此必須與其他支護(hù)手段，如噴混凝土等配合使用。（3）土砂圍巖在埋深小的土砂圍巖中，噴混凝土是有效果的，拱項(xiàng)附近的錨桿幾乎不受拉力而只發(fā)生壓力的情況時(shí)有發(fā)生。因此，錨桿主要是加強(qiáng)拱腳附近和防止掌子面的崩塌為主。錨桿的強(qiáng)度是根據(jù)圍巖條件而預(yù)計(jì)發(fā)生的軸力、圍巖性質(zhì)、錨固材料的性能等決定的拉拔力決定的。錨桿的破壞強(qiáng)度應(yīng)在此拉拔力之上。532、錨桿設(shè)計(jì)錨桿設(shè)計(jì)包括錨桿類(lèi)型的選擇、錨桿的布置（長(zhǎng)度、根數(shù)、間隔等）以及錨固材料的選擇等。

1）錨桿的形式

日本等國(guó)家，錨桿都已經(jīng)商品化了，而我國(guó)目前使用的錨桿多數(shù)還是用各種類(lèi)型的鋼筋，在工地自行制造的，錨桿的質(zhì)量、規(guī)格參差不齊，再加上施工的因素，錨桿的支護(hù)作用常常得不到明顯的體現(xiàn)。因此，錨桿商品化，是提高錨桿技術(shù)的關(guān)鍵。錨桿大體上有：全面錨固方式、摩擦錨固方式和全面錨固方式及頭部錨固方式并用三種類(lèi)型。頭部錨固方式，目前幾乎沒(méi)有采用。摩擦錨固方式，是近幾年開(kāi)發(fā)的一種方式，此方式利用摩擦力發(fā)揮錨固作用。54錨固方式錨固方法特征適用范圍概念圖全面錨固方式·孔內(nèi)填充錨固材料，捅入錨桿錨固的方法，錨固材料采用水泥砂漿。·錨固插入中壓注錨固材料錨固的方法，錨固材料采用水泥或樹(shù)脂因用錨固材料錨桿全長(zhǎng)錨桿，錨桿全長(zhǎng)能夠約束圍巖。視圍巖條件、孔壁的自穩(wěn)性等，有各種特性。硬巖、中硬巖、軟巖、土砂圍巖到膨脹性圍巖都可采用摩擦錨固方式用錨固密著孔壁產(chǎn)生的摩檫力的錨固方法。采用套管方式時(shí)，因強(qiáng)行插入比鉆孔大的錨桿，或采用膨脹型時(shí)，用高壓水壓注使鋼管膨脹，而獲得瞬時(shí)的支護(hù)功能。套管式的適用于涌水多的硬巖，膨脹型的適應(yīng)范圍廣。并用方式錨桿頭部采用機(jī)械式固定、而后壓注砂漿的錨固方法?；蛟谌驽^固方式中填充錨固材料時(shí)，頭部用速凝藥包的錨固方法。頭部機(jī)械錨固，壓注砂漿，施工比較麻煩。因施工不當(dāng)，藥包的作用不能發(fā)揮。在膨脹性圍巖或需要予應(yīng)力的場(chǎng)合比較有效。表1錨桿的錨固方式55

在圍巖強(qiáng)度顯著低的情況，孔壁不能自穩(wěn)時(shí)，自鉆孔型的錨固是很有效的。此外當(dāng)隧道埋深小，錨桿需導(dǎo)入預(yù)應(yīng)力時(shí)，頭部錨固是極為重要的。涌水多的圍巖或鉆孔不能自穩(wěn)的圍巖，除摩擦錨固方式外，也有采用口部設(shè)置布袋，用錨固材料確實(shí)充填的錨固方法。圖3錨桿的基本類(lèi)型56

我國(guó)目前主要采用鋼筋型灌漿錨固式錨桿。鋼管膨脹型摩擦錨固式錨桿，一般采用較少。這種錨桿不需要灌漿是用鋼管膨脹后的管壁與孔壁的摩擦力錨固的。如圖所示，處于折疊狀態(tài)的鋼管，注入高壓水后，膨脹的鋼管與孔壁接觸后獲得所需的摩擦力。這種錨桿施設(shè)后可立即發(fā)揮錨固效果。特別適用于需要早期提供支護(hù)阻力的地質(zhì)條件。圖4鋼管膨脹型摩擦錨固式錨桿示意圖57表2鋼管膨脹型摩擦錨固式錨桿壁厚管徑鉆孔徑抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)型增強(qiáng)型超強(qiáng)型2.0mm2.0mm3.0mm26~41mm36~54mm36~54mm32~39mm43~52mm43~52mm110kN140kN200kN

鋼管膨脹型摩擦錨固式錨桿一般采用的長(zhǎng)度是3~6m，但也有采用12m的。在有巖爆發(fā)生的場(chǎng)合，比其他類(lèi)型錨桿能夠更好地發(fā)揮錨桿的支護(hù)效果。鋼管膨脹型摩擦錨固式錨桿的極限拉拔力，如已知接觸壓力，可由下式求出。

F=2πr×L×q×tan（φ+i）式中：F－極限拉拔力；r－鉆孔半徑；L－錨桿有效長(zhǎng)度；q－接觸壓力；φ：錨桿和圍巖的摩擦角；i－開(kāi)挖孔壁的粗度角。582）錨桿的材質(zhì)錨桿的材質(zhì)在凈空位移不大的一般圍巖中，原則上采用SD295。根據(jù)圍巖條件采用SD345以上時(shí)，應(yīng)進(jìn)行錨桿軸力發(fā)生狀況的量測(cè)。表3錨桿的種類(lèi)、材質(zhì)和承載力錨桿種類(lèi)異形棒鋼全羅紋棒鋼羅紋棒鋼材質(zhì)SD295SD295SD345SD345SD2g5STD510STD510名義直徑D22D25D22D25D22D21D24羅直徑(mm)M22M24M22M24M22M24紋斷面積(cm)3.033.533.033.533.873.033.53部屈服承載力(kN)89105105122114155180破斷承載力(kN)1331551481721702072／44素?cái)嗝娣e(cm)3.875.073.875.073.694.46材屈服承載力(kN)114150133175188227部破斷承載力(kN)170223190248253306593）錨桿的選擇

?用于懸吊巖塊的錨桿在一般圍巖中采用以懸吊效果為目的的錨桿時(shí)，因發(fā)生的軸力不大，采用SD295或SD345程度的材質(zhì)，并盡可能采用直徑小的錨桿。但在裂隙發(fā)育的圍巖條件下，不能期待錨桿的懸吊效果時(shí)，應(yīng)考慮與輔助工法并用。

?以?xún)?nèi)壓效果和拱效果為目的的錨桿

在一般圍巖中，原則上采用材質(zhì)SD295、22mm直徑的錨桿。在變形大（凈空位移大于50mm以上）的圍巖中，為提高錨桿的承載力可采用高強(qiáng)度鋼或大直徑錨桿或增加根數(shù)等。應(yīng)考慮錨桿的拉拔力、施工性、經(jīng)濟(jì)性、市場(chǎng)性等決定。因高拉力鋼的延展性差，選擇時(shí)要研究位移值的大小。60

錨桿接續(xù)施工時(shí)，要采用套管，但使用的套管應(yīng)具有良好施工的形狀和與錨桿同等的強(qiáng)度。掌子面的正面錨桿和擴(kuò)大段加強(qiáng)的錨桿，為保證開(kāi)挖的施工性，可用鋼管膨脹型的錨桿代替棒鋼墊板是使錨桿和噴混凝土形成一體的重要構(gòu)件，應(yīng)具有抵抗外力的充分面積和強(qiáng)度。一般采用平板(6×150×150mm)就可以了。在膨脹性圍巖中，可能發(fā)生使錨桿破斷的軸力，厚6mm的墊板也有破壞的例子，最好采用9mm的墊板。圖5墊板的形狀61

4）配置和尺寸錨桿的配置應(yīng)根據(jù)圍巖種類(lèi)、強(qiáng)度、隧道斷面大小、形狀、開(kāi)挖方法、裂隙間距、長(zhǎng)度、有無(wú)涌水等決定。錨桿原則上應(yīng)配置在受開(kāi)挖影響的，需要加強(qiáng)的區(qū)域內(nèi)。錨桿的設(shè)計(jì)方法，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的具體情況，預(yù)計(jì)到的裂隙間距、長(zhǎng)度、大小等和巖塊掉落的可能性等決定不使巖塊掉落的錨桿配置。有局部加強(qiáng)的隨機(jī)配置和系統(tǒng)加強(qiáng)的系統(tǒng)配置。決定錨桿間距時(shí)，應(yīng)考慮發(fā)揮鄰接錨桿的相互作用。

?懸吊巖塊的場(chǎng)合視裂隙或節(jié)理狀況，可配置在隧道的拱部。最好根據(jù)開(kāi)挖后的圍巖狀況決定錨桿的配置，但實(shí)際上圍巖內(nèi)部的潛在的裂隙狀況是特定的，噴混凝土施工后的施設(shè)是很困難的，因此，應(yīng)做好開(kāi)挖后的掌子面觀察的記錄。62

?初期支護(hù)的縫合的場(chǎng)合在臺(tái)階法施工的場(chǎng)合，為防止初期支護(hù)下沉或加強(qiáng)拱腳處的支護(hù)剛性，可在上半斷面及邊墻配置錨桿，把初期支護(hù)與圍巖縫合在一起。圖6巖塊的懸吊圖7初期支護(hù)的縫合63

?內(nèi)壓效果和拱效果的場(chǎng)合在隧道全周或除仰拱以外的全部周邊配置錨桿。圖8內(nèi)壓效果和拱效果

?輔助使用的場(chǎng)合

錨桿通常都是呈放射狀的，與開(kāi)挖面成直角配置的，以發(fā)揮起效果，但也有斜方向和與隧道軸線(xiàn)平行配置的情況。圖9錨桿的配置例64

錨桿的尺寸，在一般圍巖中采用φ22×(2~3m)即可。在膨脹性圍巖中，要考慮松弛區(qū)域大小和形成拱效果的大小。通常采用φ25×(3~4m)左右。預(yù)計(jì)有強(qiáng)大土壓作用時(shí)，要采用能錨固在松弛區(qū)域以外的長(zhǎng)錨桿或打設(shè)短而多的錨桿，應(yīng)參考有關(guān)工程事例決定適當(dāng)?shù)某叽纭?/p>

5）錨固材料選擇錨固材料時(shí)，要考慮圍巖條件、使用目的等使在錨固長(zhǎng)度上能夠獲得充分的錨固力。錨固材料的必要條件是充填性好，早期、長(zhǎng)期的錨固力大并具有足夠的耐久性。錨固材料有砂漿、水泥漿、樹(shù)脂等。一般多采用砂漿，但為確保早期強(qiáng)度與速凝劑并用，可采用早強(qiáng)水泥。樹(shù)脂錨固材料是用裝入錨固材料的布袋用錨桿攪拌而形成的瞬時(shí)錨固的材料。65

錨固材料的單軸抗壓強(qiáng)度在材令3天時(shí)應(yīng)在10MPa以上。錨固方法有：一般是先向孔內(nèi)充填錨固材料，而后插入錨桿固定的充填方式和錨桿插入后壓注錨固材料固定的壓注方式。選擇錨固方法時(shí)，應(yīng)考慮圍巖條件、涌水狀況等。

6）抗拔承載力錨桿在錨固過(guò)程中主要是作為拉力構(gòu)件發(fā)揮其功能的，因此在設(shè)定拉拔承載力時(shí)，要充分考慮錨桿的屈服軸力和錨固力。錨桿的錨固力是否充分，應(yīng)通過(guò)拉拔實(shí)驗(yàn)，基于其結(jié)果判斷拉拔承載力。拉拔承載力通常是因圍巖和錨固材料間的摩擦力而產(chǎn)生的，受到圍巖條件、錨固方式、錨固材料、錨桿長(zhǎng)度、孔徑、錨固后的經(jīng)過(guò)時(shí)間等的影響，故要充分考慮這些設(shè)計(jì)條件。錨固的拉拔承載力，要注意以下事項(xiàng)：66

?硬巖或中硬巖在硬巖或中硬巖中，錨固材料和圍巖間有很大的錨固力，進(jìn)行拉拔實(shí)驗(yàn)后，一般說(shuō)，錨桿的屈服都在產(chǎn)生的破壞之前，具有充分的錨固力。在這種場(chǎng)合，因只在隧道壁面附近產(chǎn)生拉拔阻力，所以采用全面膠結(jié)型錨桿的拉拔實(shí)驗(yàn)確認(rèn)的錨固力，不一定是沿全長(zhǎng)的錨固力。

?軟巖拉拔承載力，是因圍巖和錨固材料間產(chǎn)生的剪切阻力而決定的。圍巖是否塑性化，其錨固長(zhǎng)度和錨固力是不同的。

?土砂圍巖有時(shí)不能獲得很大的錨固力，要事先進(jìn)行拉拔實(shí)驗(yàn)確認(rèn)。同時(shí)，參考同樣條件下的施工例，在不妨礙施工的范圍內(nèi)，盡量采用小直徑的錨桿，研究提高拉拔承載力的方法。673、錨桿參數(shù)的經(jīng)驗(yàn)確定

1)日本鐵道建設(shè)公團(tuán)一般圍巖：D22mm，L=2~3m

膨脹性圍巖等：D25mm，L=3~4m

增設(shè)錨桿的場(chǎng)合，要比標(biāo)準(zhǔn)錨桿長(zhǎng)1.5倍。

2)日本道路公團(tuán)錨桿長(zhǎng)度：L=W/3~W/5或L≥t式中：L－錨桿長(zhǎng)度；W－隧道開(kāi)挖寬度；t－掌子面到完成支護(hù)地段的距離；設(shè)置間隔：0.5L~0.7L。

3)日本道路學(xué)會(huì)硬巖：L≥2P，L≥3S，L≥（1/3~1/5）B式中：L－錨桿長(zhǎng)度；P－錨桿間隔；S－節(jié)理平均間距；B－隧道開(kāi)挖寬度。684)L?V?Rabcewicz的中硬巖的公式錨桿長(zhǎng)度：L≥t，L≥b/3~b/4

錨桿間隔：設(shè)周向間隔為D1，縱向間隔為D2，則：

D1=A/D2式中：A=T/(γ?L)；A：一根錨桿支持的面積；T：錨桿的容許支持力；L：開(kāi)挖寬度；γ：圍巖的單位重量。圖10L·V·Rabcewicz的經(jīng)驗(yàn)的松弛區(qū)域69

5）T?A?Lang的光彈試驗(yàn)式試驗(yàn)表明，在某些場(chǎng)合，錨桿會(huì)形成連續(xù)的壓縮帶，而錨桿長(zhǎng)度L和錨桿間隔D與壓縮帶的形成，有如下的關(guān)系。

?形成均勻的壓縮帶的條件：L/D2；

?壓縮帶窄的情況：L/D=1.6；

?壓縮帶不連續(xù)的情況：L/D=1.33。圖11錨桿長(zhǎng)度、間隔、壓縮帶的關(guān)系70

6）山本的試驗(yàn)式采用灌漿錨桿時(shí)，有如下關(guān)系：

L≥（D+α）

R≥γ?L?D1?D2=W式中：L：錨桿長(zhǎng)度；R：錨桿的錨固力；D1：周向間隔；D2：縱向間隔（D2>D1）；α：確保錨桿錨固力的必要長(zhǎng)度；γ：圍巖的單位重量；W：松弛荷載。

這些經(jīng)驗(yàn)式表明，從理論上決定錨桿的參數(shù)，目前還有一定困難，必須配合試驗(yàn)、經(jīng)驗(yàn)綜合判定。從理論上說(shuō)，錨桿長(zhǎng)度應(yīng)比周邊圍巖不穩(wěn)定區(qū)域大。這里所謂的不穩(wěn)定區(qū)域，實(shí)質(zhì)上是指松弛區(qū)，而非塑性區(qū)，因?yàn)樾纬伤苄詤^(qū)，并不意味圍巖不穩(wěn)定。因此，錨桿長(zhǎng)度一定要大于塑性區(qū)是一個(gè)誤解。71

六、鋼支撐和格柵1、鋼支撐鋼支撐很少單獨(dú)使用，多數(shù)場(chǎng)合是與噴混凝土、錨桿等組合使用的。目的：(1)是作為噴混凝土支護(hù)功能發(fā)現(xiàn)前的支持物；（2）是對(duì)噴混凝土進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)；（3）是作為超前支護(hù)的支點(diǎn)；（4）是與噴混凝土、錨桿共同發(fā)揮初期支護(hù)的作用。鋼支撐的最大特點(diǎn)是架設(shè)后能夠立即承載。因此，多在需要立即控制圍巖繼續(xù)松弛和塑性區(qū)繼續(xù)擴(kuò)大，或變形迅速發(fā)展的場(chǎng)合采用。鋼支撐的設(shè)計(jì)，主要包括鋼支撐的形狀，斷面、材質(zhì)、間距、接頭和聯(lián)系構(gòu)件等的設(shè)計(jì)。

1）形狀鋼支撐應(yīng)具有與開(kāi)挖輪廓相適應(yīng)的形狀。根據(jù)目前實(shí)際采用的形狀看，大致有三種形狀。72圖1鋼支撐的基本形狀2）斷面、材質(zhì)日本是采用鋼支撐最多的國(guó)家，要求其材質(zhì)能夠承受很大荷載，即使產(chǎn)生很大變形也不會(huì)發(fā)生脆性破壞的鋼材，并要求易于彎曲加工和焊接加工。因此，多采用表列的H型鋼和U型鋼。73

表1鋼支撐使用的標(biāo)準(zhǔn)形鋼類(lèi)別材質(zhì)尺寸（mm）斷面積（cm2）單位質(zhì)量（kg/m）慣性矩Ix（cm4）斷面系數(shù)zx（cm3）最小曲率半徑(cm)H型鋼SSH-100×100×6×8H-125×125×6.5×9H-150×150×7×10H-200×200×8×1221.5930.0039.6563.5316.923.631.149.93788391620472076.6134216472120150200420U型鋼SMAU-21U-2926.8037.0021.029.029658156.897.4135150圖2鋼支撐與隧道斷面積的關(guān)系74

3）鋼支撐間距為了確保鋼支撐的支護(hù)作用和避免作業(yè)過(guò)程中的危險(xiǎn)，其間距不宜大于1.5m，與圍巖級(jí)別關(guān)系可參照標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)。

4）鋼支撐的接頭鋼支撐接頭的位置和構(gòu)造，應(yīng)根據(jù)開(kāi)挖斷面形狀、發(fā)生的應(yīng)力大小和分布狀態(tài)及施工方法決定。一般，鋼支撐都要分割成幾個(gè)構(gòu)件，而后用接頭將各構(gòu)件連接成鋼支撐。在設(shè)計(jì)上，接頭板要盡可能少地突出到二次襯砌中，這是造成二次襯砌開(kāi)裂的一個(gè)原因。圖3接頭構(gòu)造示例圖4底腳構(gòu)造示例75

5）聯(lián)系構(gòu)件為了保持鋼支撐的正確位置和防止傾覆并把鋼支撐連接成一個(gè)整體，應(yīng)設(shè)置聯(lián)系構(gòu)件。聯(lián)系構(gòu)件對(duì)確保鋼支撐縱向受力也是重要的。一般鋼支撐的聯(lián)系構(gòu)件如圖。圖5鋼支撐聯(lián)系構(gòu)件76

2、格柵我國(guó)是采用格柵最多的國(guó)家，積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。格柵是由普通建筑用鋼筋(多采用16Mn鋼)經(jīng)冷彎成形后焊接而成，其形狀可根據(jù)使用要求和坑道輪廓而定。下圖是格柵最基本的、常用的形式。有圓形、半圓形、馬蹄形、門(mén)形等，可根據(jù)坑道輪廓進(jìn)行設(shè)計(jì)。從格柵的斷面形式看，有各種形式，如三邊形、四邊形等。圖6格柵斷面形狀示例77

格柵斷面采用較多的是由三根或四根主筋組成。其中4根主筋的形式采用最多，四主筋型的每根鋼筋相同，在等高情況下，其抗彎和抗扭慣性矩大于三主筋型，故多用于軟巖、土砂地層的雙線(xiàn)隧道。三主筋型是由上面雙筋和下面單筋組成，上主筋面積盡量與下主筋總面積相等，多用于單線(xiàn)隧道。

主筋直徑不宜小于22mm，并宜采用20MnSi或A3鋼筋。斷面高度應(yīng)根據(jù)承載條件和噴砼厚度確定，一般為160～200mm。連接方式較多，主要用圖示形式，聯(lián)系鋼筋直徑不宜小于10mm。圖7格柵斷面構(gòu)成78

格柵接頭形式有：

螺栓連接板接頭。連接板焊于主筋上。通過(guò)螺栓將兩段鋼架連接板緊密地連在一起。

套管螺栓接頭。套管螺栓直接套在主筋上，將兩段鋼架連接在一起。圖8接頭的各種形式79

格柵段長(zhǎng)、節(jié)間距在滿(mǎn)足隧道分部開(kāi)挖、便于安裝的要求時(shí)，宜加大格柵分段長(zhǎng)度以減少接頭。拱部格柵段長(zhǎng)宜為2~3m。為了保證主筋和加強(qiáng)筋的局部穩(wěn)定，滿(mǎn)足施工工藝要求，節(jié)間距不宜過(guò)長(zhǎng)，一般可取兩倍格柵高度．格柵與鋼支撐一樣也是分段加工，在架設(shè)時(shí)再組裝成形。格柵支護(hù)的接頭是整個(gè)結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)，必須加強(qiáng)。為增強(qiáng)格柵鋼架的整體性，在各格柵間應(yīng)設(shè)置縱向連接構(gòu)件。格柵與鋼支撐比較一個(gè)最突出特點(diǎn)是：能很好地與混凝土一起與圍巖密貼，支護(hù)效果好。格柵鋼架能完全被混凝土緊密包裹而成為一體，形成類(lèi)似的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。噴混凝土能充滿(mǎn)格柵及其與圍巖的所有空隙，而鋼支撐的背面常常不能完全充填密實(shí)，從而使支護(hù)不能很好地與圍巖共同作用。80

格柵與鋼支撐的適用條件是一致的，主要用于：（1)自穩(wěn)時(shí)間很短的圍巖，在錨桿或噴混凝土支擴(kuò)發(fā)揮作用前，可能發(fā)生圍巖失穩(wěn)或塌坍危險(xiǎn)時(shí)；（2）淺埋、偏壓隧道，當(dāng)早期圍巖壓力增長(zhǎng)快，需要提高一次支護(hù)的早期強(qiáng)度和剛度時(shí)；（3)在難以施作錨桿、噴射混凝土的砂卵石、土夾石或斷層泥等地層，大面積淋水地段，以及為了抑制圍巖大的變形而增加支護(hù)抗力時(shí)；（4）當(dāng)需要施作超前支護(hù)，設(shè)置格柵作為超前錨扦(或超前小鋼管等)的支承構(gòu)件時(shí);

（5）自穩(wěn)時(shí)間短，一次變形大的地層，對(duì)地面下沉量有嚴(yán)格限制的情況。81

圍巖級(jí)別

單線(xiàn)隧道

雙線(xiàn)隧道Ⅳ

必要時(shí)設(shè)置Ⅴ

必要時(shí)設(shè)置

拱部、邊墻、仰拱Ⅵ

拱部、邊墻、仰拱

通過(guò)試驗(yàn)確定

日本規(guī)定，在隧道斷面積為20~100m2條件下，格柵的采用條件是：裂隙發(fā)育，巖體破碎的硬巖；軟巖強(qiáng)度比較小和極小的情況；膨脹性圍巖；土砂圍巖(埋深小的情況)。

根據(jù)《鐵路隧道構(gòu)筑法技術(shù)規(guī)則》(TBGl08—92)規(guī)定，采用格柵鋼架支護(hù)的適用條件見(jiàn)下表。表2采用格柵的適用條件82

七、超前支護(hù)1、超前支護(hù)的分類(lèi)和特征超前支護(hù)是在掌子面前方構(gòu)筑的薄殼結(jié)構(gòu)，在提高掌子面穩(wěn)定的同時(shí)，也可以作為支護(hù)結(jié)構(gòu)的一部分加以利用，適用于以控制地表下沉和相鄰結(jié)構(gòu)物影響為主要目的的場(chǎng)合。超前支護(hù)由于構(gòu)筑方法的不同，有的是以橫向剛性大的拱形構(gòu)造為主，有的是以縱向連續(xù)性強(qiáng)的梁構(gòu)造為主，也有具有兩者功能的。其分類(lèi)如下表。表1超前支護(hù)方法分類(lèi)超前支護(hù)的分類(lèi)預(yù)計(jì)的功能混凝土拱殼方式隧道橫向剛性大（拱結(jié)構(gòu)）水平噴射注漿方式長(zhǎng)鋼管注漿方式隧道縱向剛性大（梁結(jié)構(gòu)）83

（1）混凝土拱殼方式混凝土拱殼方式是開(kāi)挖前沿掌子面的隧道外周開(kāi)挖厚約15～50cm的拱形槽，開(kāi)挖后立即用混凝土或砂漿充填，形成一個(gè)拱形的殼體。此方式因在隧道橫斷方向形成連續(xù)的剛性大的拱形結(jié)構(gòu)，故在下列制約條件嚴(yán)格的場(chǎng)合采用：土砂等強(qiáng)度極低的場(chǎng)合；埋深淺，需控制地表下沉的場(chǎng)合；近接重要結(jié)構(gòu)物會(huì)受到開(kāi)挖影響的場(chǎng)合。

（2）水平噴射注漿方式此方式是在開(kāi)挖前于掌子面前方的隧道外周形成長(zhǎng)約10m左右的管狀拱形結(jié)構(gòu)體。結(jié)構(gòu)體的形成，是與鉆孔的同時(shí)用高壓噴射攪拌硬化材（水泥砂漿）形成的。可以形成一個(gè)沿隧道橫向的拱形連續(xù)的結(jié)構(gòu)。但與混凝土拱殼方式比，連續(xù)體差一些。84

（3）長(zhǎng)鋼管注漿方式是開(kāi)挖前在掌子面前方沿隧道外周配置長(zhǎng)10～15m的鋼管，形成拱形結(jié)構(gòu)。為使鋼管和圍巖間形成一體，應(yīng)在其間：充填水泥漿；壓注水泥漿和其他壓注材。采用超前支護(hù)時(shí)，要考慮在開(kāi)挖產(chǎn)生的通常荷載上，加上約束掌子面前方的荷載。而且在以下部位會(huì)產(chǎn)生比通常大的荷載：

超前支護(hù)的腳部；鋼支撐等的腳部。如果沒(méi)有足夠的承載力，會(huì)產(chǎn)生比通常大的腳部下沉。如腳部下沉繼續(xù)發(fā)展，就會(huì)使作用在超前支護(hù)上的荷載的平衡崩潰，從而損傷隧道的穩(wěn)定性。為此，要充分注意確保腳部的承載力，必要時(shí)要進(jìn)行加強(qiáng)。85

2、超前支護(hù)的設(shè)計(jì)方法超前支護(hù)的設(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)圍巖條件（圍巖的強(qiáng)度特性、掌子面自穩(wěn)性、初始應(yīng)力狀態(tài)等）和設(shè)計(jì)條件（隧道周邊的地形條件、環(huán)境條件、隧道斷面形狀、開(kāi)挖方法等）選擇適宜的方法進(jìn)行。初期支護(hù)和二次襯砌的設(shè)計(jì)，可采用類(lèi)比設(shè)計(jì)、標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)和解析設(shè)計(jì)中的方法進(jìn)行，但超前支護(hù)由于類(lèi)型多，且事例少還沒(méi)有確立標(biāo)準(zhǔn)的支護(hù)模式，因此超前支護(hù)的設(shè)計(jì)最好采用類(lèi)比設(shè)計(jì)或解析設(shè)計(jì)方法進(jìn)行。進(jìn)行超前支護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)根據(jù)以下順序進(jìn)行：首先明確超前支護(hù)的目的和必要性；其次選定超前支護(hù)結(jié)構(gòu)形式和超前支護(hù)的規(guī)格（長(zhǎng)度、厚度、強(qiáng)度、剛性等）；最后研究掌子面穩(wěn)定性、結(jié)構(gòu)的承載力及下沉量。86

掌子面開(kāi)挖后隧道縱向圍巖的應(yīng)力重新分配，引起掌子面前方的土壓的增加，但采用超前支護(hù)后可以緩和其增加并提高了掌子面的自穩(wěn)性。掌子面前方土塊上的荷載受到超前支護(hù)的支持，使掌子面滑動(dòng)的滑動(dòng)力減小，即使沒(méi)有正面補(bǔ)強(qiáng)或簡(jiǎn)易的正面補(bǔ)強(qiáng)，也能夠確保掌子面的穩(wěn)定性。研究時(shí)要適當(dāng)?shù)姆从炒诵ЧＵ谱用娣€(wěn)定性研究的方法有也有兩種方法：（1）研究掌子面前方土塊滑動(dòng)平衡狀態(tài)的方法假定滑面是直線(xiàn)和對(duì)數(shù)螺旋線(xiàn)，采用極限平衡方法。超前支護(hù)的效果用以下方法考慮：計(jì)算作用在掌子面土塊上方的荷載時(shí)，反映超前支護(hù)的效果；計(jì)算作用在掌子面土塊上方的荷載時(shí)，考慮3維效果求處松弛荷載；考慮縱向應(yīng)力的再分配。87

（2）研究掌子面圍巖自穩(wěn)性的方法采用彈性或彈塑性有限元法評(píng)價(jià)掌子面前方圍巖的應(yīng)力狀態(tài)（塑性區(qū)、應(yīng)力集中等）和控制先行下沉的效果，研究掌子面的穩(wěn)定性。圖1掌子面縱向安全系數(shù)的比較例

（3）超前支護(hù)結(jié)構(gòu)承載力的研究方法超前支護(hù)方式因橫向是連續(xù)的，主要研究隧道橫向的承載力;長(zhǎng)鋼管方式因縱向是連續(xù)的，主要研究隧道縱向的承載力；在前2者之間，進(jìn)行橫向和縱向的研究。88

圖3縱向研究模式3、適用范圍最近山嶺隧道的施工領(lǐng)域逐漸擴(kuò)大，從強(qiáng)度低的軟巖到土砂等未固結(jié)圍巖，采用通常的施工方法很難適應(yīng)。因此，一般都采用輔助工法來(lái)確保掌子面的穩(wěn)定性。過(guò)去是開(kāi)挖后常常采用正面噴混凝土、正面錨桿、小導(dǎo)管等施工，也采用留核心土、斷面分部等方法。但效果差，作業(yè)也繁雜，作業(yè)效率低。圖2橫向研究模式89

超前支護(hù)是預(yù)先在圍巖內(nèi)構(gòu)筑一個(gè)殼狀的保護(hù)殼，可以大斷面開(kāi)挖，或大型機(jī)械施工，且能防止不能預(yù)測(cè)的崩塌。下圖是由施工實(shí)際編制的砂質(zhì)地層和粘土地層判定掌子面穩(wěn)定性的判定圖。此圖能夠按準(zhǔn)彈性系數(shù)和埋深的比值推定隧道掌子面的穩(wěn)定性，研究“稍穩(wěn)定”、“不穩(wěn)定～崩塌”的條件下應(yīng)研究采用超前支護(hù)等任何輔助方法的必要性。超前支護(hù)法中，隧道橫斷方向的連續(xù)性是主要的結(jié)構(gòu)，對(duì)約束相當(dāng)超前長(zhǎng)度的前方圍巖的位移的效果是很大的。因此，需提高掌子面穩(wěn)定性的場(chǎng)合、極力控制地表下沉的場(chǎng)合、近接施工的場(chǎng)合都是有效的。在隧道縱向連續(xù)性為主的工法中，拱效果很小，會(huì)產(chǎn)生一點(diǎn)下沉。但因可能施工的長(zhǎng)度較大，同時(shí)可采用高強(qiáng)度的鋼材，預(yù)計(jì)對(duì)防止掌子面崩塌是有效的。90

圖4山嶺隧道掌子面穩(wěn)定性的實(shí)態(tài)91

八、二次襯砌1、概述設(shè)置襯砌的目的如下：

·考慮圍巖的不均勻性、支護(hù)材料質(zhì)量的離散、錨桿的腐蝕等不確定的因素，要增加作為結(jié)構(gòu)物的安全系數(shù)；

·考慮使用后的外力的變化和支護(hù)材料的劣化，需要提高作為結(jié)構(gòu)物耐久性；

·襯砌施工后，因土壓、水壓、上覆荷載等外力發(fā)生時(shí)，需要加以支持；

·在隧道變形沒(méi)有收斂時(shí)修筑襯砌的場(chǎng)合，要給予隧道穩(wěn)定必要的約束力。

92

在一般場(chǎng)合，原則上都要設(shè)置襯砌。其中，仰拱原則上在Ⅳ~(yú)Ⅵ級(jí)（鐵路隧道）或Ⅲ~Ⅰ類(lèi)（公路隧道）設(shè)置。必要時(shí)，鐵路隧道在Ⅲ級(jí)，公路隧道在Ⅳ類(lèi)圍巖地段也要設(shè)置。仰拱設(shè)置時(shí)期最好在襯砌沒(méi)有產(chǎn)生不利的應(yīng)力之前設(shè)置，在地質(zhì)條件差的圍巖中，不管何種場(chǎng)合，都要及早地設(shè)置，使斷面及時(shí)閉合。在一般的山嶺隧道中，由于圍巖與支護(hù)的相互作用而獲得開(kāi)挖后的穩(wěn)定，二次襯砌的主要目的是：?隧道內(nèi)設(shè)施的保持功能；?防水功能防止（凍結(jié)、漏水）；?內(nèi)裝功能（確保美觀）；?維修管理功能（確保易于檢查）；?提高支護(hù)的安全系數(shù)。93

但在某些條件下，除上述功能外，還應(yīng)具有以下作用：?地下水位回復(fù)的水壓的作用（防水型隧道）；?接近施工的影響；?地震的影響（洞口附近一般是軟弱圍巖、埋深小）。二次襯砌原則上應(yīng)在初期支護(hù)的位移收斂后施設(shè)，但設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)根據(jù)圍巖條件、施工狀況、周邊環(huán)境等，有以下情況時(shí)，應(yīng)另行研究：?土砂圍巖等埋深小、不能形成平衡拱的場(chǎng)合；?因地下水變動(dòng)，有很大水壓作用的場(chǎng)合；?接近其他結(jié)構(gòu)物施工，有荷載作用的場(chǎng)合；?地形等有偏壓作用的場(chǎng)合；?膨脹性圍巖、塑性變形大初期支護(hù)位移不收斂，不得不用襯砌抵抗土壓的場(chǎng)合；94

?初期支護(hù)位移收斂，可以確保周邊圍巖穩(wěn)定，但初期支護(hù)的承載力接近極限的場(chǎng)合。

2、二次襯砌的形狀二次襯砌的形狀，應(yīng)具有確保所定的凈空斷面、使彎矩盡可能地小、而且能有效地傳遞軸力的形狀。在特殊圍巖等場(chǎng)合，預(yù)計(jì)襯砌中會(huì)產(chǎn)生很大的軸力和彎矩，應(yīng)盡量使這些斷面力小而且能夠圓滑地傳遞應(yīng)力、具有圓形形狀的斷面。為此，二次襯砌的形狀，一般多采用單心圓、三心圓、五心圓或多心圓與直線(xiàn)組合的拱形形狀。同時(shí)，多心圓和直線(xiàn)在接續(xù)點(diǎn)處應(yīng)具有共同的切線(xiàn)。特別是，在膨脹性圍巖這樣有強(qiáng)大土壓的場(chǎng)合，應(yīng)采用類(lèi)似圓形或接近圓形的形狀。重點(diǎn)應(yīng)研究仰拱曲率、邊墻底腳與仰拱的連接部位。95

3、襯砌厚度二次襯砌的力學(xué)特性的研究方法目前還沒(méi)有完全確立，一般都按推定的土壓進(jìn)行設(shè)計(jì)。目前還沒(méi)有決定厚度的統(tǒng)一的方法，但在設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)遵循以下原則。

（1）不需附加力學(xué)功能時(shí)指隧道襯在力學(xué)上是不需要的，但為確保隧道長(zhǎng)期的安全，還需要設(shè)置襯砌的場(chǎng)合。采用噴混凝土和錨桿等支護(hù)體系，就可以保證隧道的穩(wěn)定。但噴混凝土和錨桿作為永久的結(jié)構(gòu)物的可靠性，還沒(méi)有得到確認(rèn)，因此作為保證隧道結(jié)構(gòu)物最終安全的，還要設(shè)襯砌。此時(shí)，襯砌的厚度，沒(méi)有必要采用能夠滿(mǎn)足作為結(jié)構(gòu)物功能的厚度，但隧道拱部和邊墻太薄，在施工作業(yè)上、混凝土的質(zhì)量上都會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題，因此一般采用25~30cm。96

（2）需附加力學(xué)功能時(shí)

?

有土壓、水壓作用的場(chǎng)合；

?

有因交通振動(dòng)和以后挖土、填土等環(huán)境變化而產(chǎn)生附加荷載的場(chǎng)合；

?

在膨脹性圍巖等不得不在圍巖變形收斂前修筑襯砌的場(chǎng)合；

?

計(jì)劃有并行隧道和接近施工的場(chǎng)合。要在設(shè)計(jì)中決定襯砌厚度、強(qiáng)度、鋼筋量等。特別是在大的偏壓、埋深淺的圍巖、大的形變壓力產(chǎn)生的圍巖、膨脹性圍巖、有水壓作用的圍巖等，設(shè)計(jì)厚度要仔細(xì)研究決定。但厚度過(guò)大，會(huì)增加開(kāi)挖斷面積，荷載也會(huì)增大，此時(shí)最好采用鋼筋混凝土和纖維混凝土。其設(shè)計(jì)厚度的分布示下圖。97

圖1二次襯砌設(shè)計(jì)厚度的實(shí)際分布4、仰拱和底板（1）仰拱一般說(shuō)，易產(chǎn)生底鼓和側(cè)壁擠出的或有必要采用翻漿冒泥措施的圍巖都要設(shè)置仰拱。在特殊圍巖中仰拱與開(kāi)挖工法形成一體，當(dāng)確認(rèn)位移不能收斂時(shí)，應(yīng)在掌子面附近用噴混凝土施設(shè)臨時(shí)仰拱。98

在土砂圍巖中的仰拱原則上是采用噴混凝土及早閉合斷面的，因此當(dāng)仰拱是在接近掌子面施工時(shí)，考慮圍巖條件、經(jīng)濟(jì)性等可以省略噴混凝土或減小厚度。

一般圍巖：需要設(shè)置仰拱時(shí)，沒(méi)有必要考慮很大的土壓和底鼓，可以采用標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)所示的結(jié)構(gòu)為標(biāo)準(zhǔn)。

特殊圍巖：仰拱的形狀要與土壓的狀態(tài)相適應(yīng)。但曲率大，雖然能夠增加承載力，可是開(kāi)挖量也隨之增加，施工性變差。為此，最好在臨時(shí)仰拱后修筑永久仰拱。仰拱的形狀要考慮水壓、接近施工、地震等的影響，為了使彎矩小而且能夠園順地傳遞軸力，其半徑要小，隅角的半徑要大。仰拱的半徑在山區(qū)隧道是：?jiǎn)尉€(xiàn)采用10m，雙線(xiàn)采用20m，在城市多比上述值小一些。隅角的半徑，在山區(qū)多采用1.0m，在城市要大一些。99

圖2仰拱厚度與開(kāi)挖斷面積的關(guān)系圖3仰拱構(gòu)造例（雙線(xiàn)、防水型）100

(2)仰拱和連接部的半徑的影響

仰拱半徑的影響：以連接部半徑1.5m為準(zhǔn)，仰拱半徑3463m（最大）、1269m、866m（最?。┑母鞣N組合的斷面力圖（軸力圖、彎矩圖）。仰拱形狀偏平（半徑大），仰拱中央的彎矩大。另外，仰拱形狀偏平，軸力變小。圖4解析模式101

仰拱形狀彎矩圖（kN.m）軸力圖（kN）位置：FL＝250m半徑：R3＝3463m位置：FL＝550m半徑：R3＝1269m位置：FL＝1500m半徑：R3＝866m圖5仰拱半徑和最大彎矩的關(guān)系圖6仰拱半徑和最大軸力的關(guān)系

表1斷面內(nèi)力比較102

連接部半徑的影響：表2給出以仰拱半徑1269mm為準(zhǔn)，連接部半徑1000mm、1500mm、2000mm變化的斷面力。仰拱形狀彎矩圖（kN.m）軸力圖（kN）半徑：R4＝1m半徑：R4＝1.5m半徑：R4＝2m

表2斷面內(nèi)力比較103

（3）底板

鐵路隧道中采用整體道床時(shí)應(yīng)設(shè)置底板。同時(shí)，即使在碎石道床，但有可能翻漿冒泥時(shí)，也應(yīng)設(shè)置底版。

考慮側(cè)壓的情況，應(yīng)采取適當(dāng)?shù)募訌?qiáng)措施。底板是介于傳遞列車(chē)反復(fù)荷載的軌道板或道床之間的構(gòu)件，以均勻傳遞為目的，因此，除強(qiáng)度、耐久性外，還要滿(mǎn)足剛性的要求。日本采用的標(biāo)準(zhǔn)底板如下圖。圖7連接部半徑和最大彎矩的關(guān)系圖8連接部半徑和最大軸力的關(guān)系104圖9底板的標(biāo)準(zhǔn)斷面圖10考慮側(cè)壓的底板構(gòu)造105

九、洞口設(shè)計(jì)一般說(shuō)，洞口部地形和地質(zhì)等圍巖條件都是不穩(wěn)定的，施工時(shí)易引起滑坡、坡面崩塌、偏壓等，同時(shí)也易受落石、雪崩、泥石流等自然氣象災(zāi)害的影響，因此，在設(shè)計(jì)中洞口動(dòng)態(tài)與隧道一般地段的動(dòng)態(tài)是不同的，有其特殊的問(wèn)題。洞口設(shè)計(jì)除了基于這些自然條件外，還要考慮洞口一般是淺埋的，洞口附近會(huì)有居民存在。洞口段的設(shè)計(jì)應(yīng)研究以下問(wèn)題：洞口的位置；洞口段的施工范圍；洞口的設(shè)置；洞口段的支護(hù)結(jié)構(gòu)和輔助工法；洞口坡面的穩(wěn)定和對(duì)策；氣象災(zāi)害的可能性和對(duì)策；地表下沉等對(duì)洞口周邊結(jié)構(gòu)物的影響。

設(shè)計(jì)時(shí)要充分參考表1的著眼點(diǎn)和表2的對(duì)策。106

表1洞口段可能出現(xiàn)的問(wèn)題和設(shè)計(jì)上的著眼點(diǎn)問(wèn)題著眼點(diǎn)坡面崩塌、滑動(dòng)洞口開(kāi)挖和伴隨隧道開(kāi)挖引起的周邊圍巖的松弛是誘發(fā)滑動(dòng)、坡面崩塌的原因。因隧道開(kāi)挖有可能發(fā)生滑動(dòng)、坡面崩塌時(shí)，應(yīng)在隧道開(kāi)挖之前，對(duì)坡面進(jìn)行處理，隧道開(kāi)挖時(shí)也要采用輔助工法。要特別注意防止隧道軸向滑動(dòng)的對(duì)策。偏壓因坡面與隧道軸線(xiàn)位置的關(guān)系，會(huì)有偏壓作用，可能產(chǎn)生彎矩和很大的應(yīng)力。應(yīng)在洞口采取不產(chǎn)生偏壓的對(duì)策。基底承載力不足洞口段因埋深小，隧道受到全土柱的荷載作用。另外，因洞口的圍巖多為未固結(jié)的堆積物和風(fēng)化帶，同時(shí)有涌水的情況也多，因此，基底的承載力不足會(huì)引起地表下沉和變異。因此，要采用能提高基底承載力的工法和對(duì)策。掌子面崩塌洞口段一般圍巖強(qiáng)度低，固結(jié)度低，同時(shí)即使在硬巖也因受到斷層和破碎帶的影響，裂隙發(fā)育，因此，掌子面自穩(wěn)性差。因此，在不能充分期待掌子面自穩(wěn)時(shí)，要采用能防止掌子面崩塌的開(kāi)挖方法和輔助工法。地表下沉洞口段，因埋深小，承載力不足、掌子面自穩(wěn)有問(wèn)題等，易于產(chǎn)生地表下沉。在對(duì)下沉有限制的情況下，要采用相應(yīng)對(duì)策，必要時(shí)，要采取輔助工法和加強(qiáng)措施。落石、泥石流、雪崩洞口段處于不受落石、泥石流、雪崩影響的位置是非常重要的，不得已時(shí)，要考慮災(zāi)害的影響，研究采取實(shí)施充分對(duì)策的措施。周邊環(huán)境接近居民區(qū)、鐵塔、公路、鐵路等既有結(jié)構(gòu)物時(shí)，要研究對(duì)其影響和使用后的噪聲、微氣壓波等，必要時(shí)應(yīng)采取對(duì)策。107

表2洞口設(shè)計(jì)中的問(wèn)題和對(duì)策問(wèn)題滑坡坡面崩塌地表下沉掌子面崩塌偏壓承載力不足備注坡面防護(hù)OO擋墻OOOO偏壓擋墻挖土、填土OOO地表垂直錨桿OOO錨索OO抗滑樁OO深基礎(chǔ)、H樁、鋼管樁排水措施(地表、洞內(nèi))OOO井點(diǎn)降水、排水鉆孔圍巖壓漿(地表、洞內(nèi))OOOO圍巖改良(地表、洞內(nèi)、置換)掌子面穩(wěn)定措施OO噴混凝土、錨桿、管棚插板等超前支護(hù)管棚、水平旋噴等臨時(shí)封閉(仰拱)OOO洞口延長(zhǎng)、填土108

圖1標(biāo)準(zhǔn)的洞口段范圍

一般說(shuō)，標(biāo)準(zhǔn)的洞口段范圍如圖1所示，大致以1～2D埋深(D：隧道直徑)作為標(biāo)準(zhǔn)。109

洞口設(shè)計(jì)時(shí)要注意的一些問(wèn)題：

（1）一般說(shuō)，洞口段因開(kāi)挖埋深小，施工時(shí)可能發(fā)生的坡面崩塌，使用期間也易受落石、泥石流、雪崩、地震等的影響；（