薛永宏，曾魯平

（1.江蘇蘇博特新材料股份有限公司 江蘇 南京 2111032.江蘇省建筑科學(xué)研究院有限公司高性能土木工程材料國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 江蘇 南京 211108）

0 引言

隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)作為與開挖巖層直接接觸的第一層材料，性能好壞影響隧道結(jié)構(gòu)的安全性與服役壽命長短，而噴射混凝土作為隧道初期支護(hù)的核心材料，服役過程中存在強(qiáng)度不夠，開裂滲漏、外觀平整性差及與防水層結(jié)合縫隙大等問題[1]，因此發(fā)展高性能隧道支護(hù)技術(shù)及配套噴射混凝土應(yīng)用技術(shù)成為隧道施工技術(shù)研究的一大重要趨勢(shì)。

20 世紀(jì)70 年代，單層襯砌技術(shù)作為一種高性能隧道支護(hù)技術(shù)逐步興起，從定義上，它主要由單層或多層噴射或模筑混凝土構(gòu)成，支護(hù)層與襯砌層之間無防水板設(shè)置，為一體結(jié)構(gòu)，各層間能夠充分傳遞縱向或徑向上的滑移剪力[2]。取消防水板的設(shè)計(jì)思路使得單層襯砌結(jié)構(gòu)在相同結(jié)構(gòu)受力下能減少支護(hù)厚度、防水板材料使用以及噴射混凝土方量，進(jìn)而具有施工工序簡單及開挖效率高、層間滑移剪切力與荷載受力更小、對(duì)非平整面巖體結(jié)構(gòu)的圍巖支護(hù)能力高、可作為永久支護(hù)結(jié)構(gòu)等優(yōu)點(diǎn)[3]，但由于單層襯砌結(jié)構(gòu)主要采用鋼纖維噴射混凝土材料，纖維增韌材料及硅灰等高活性摻和料，纖維的不易分散及結(jié)團(tuán)容易造成設(shè)備堵管、纖維反彈傷人的安全性問題[4]。從單層襯砌技術(shù)的發(fā)展歷程、支護(hù)結(jié)構(gòu)形式及設(shè)計(jì)方法、材料組成及防排水設(shè)計(jì)方面對(duì)隧道單層襯砌技術(shù)及應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行了闡述，為隧道單層襯砌作為永久支護(hù)結(jié)構(gòu)的應(yīng)用推廣提供技術(shù)背景及參考價(jià)值。

1 發(fā)展歷程

最早的單層襯砌技術(shù)應(yīng)用工程來自于挪威、瑞典及德國等北歐國家，1984 年以來，挪威在隧道施工過程中，發(fā)現(xiàn)采用鋼纖維噴射混凝土應(yīng)用在有節(jié)理易超挖的巖層內(nèi)，可有效提供永久支護(hù)作用，并在后續(xù)的460km 干線公路隧道及部分海底隧道工程中得到廣泛應(yīng)用及推廣[5]，較為有名的單層襯砌工程有挪威拉達(dá)爾公路隧道、瑞士費(fèi)爾艾那隧道及德國慕尼黑地鐵，其中隧道襯砌以錨噴支護(hù)結(jié)構(gòu)體系為主，多采用以高品質(zhì)鋼纖維噴射混凝土為主的單層襯砌作為永久結(jié)構(gòu)。20 世紀(jì)90 年代，美國、日本及巴西等國家也分別在泄洪隧洞、鐵路隧道及水電站等地下工程將單層襯砌技術(shù)作為永久支護(hù)設(shè)計(jì)進(jìn)行應(yīng)用。

中國方面，隧道工程采用單層襯砌技術(shù)作為永久支護(hù)手段，應(yīng)用范圍較窄且施工規(guī)模不大，但近年隨著西南山區(qū)高鐵及川藏公路等基礎(chǔ)建設(shè)步伐的加快，鐵路和公路部門將單層襯砌技術(shù)在大量隧道工程中得到實(shí)際應(yīng)用，取得了很好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益，但主要應(yīng)用于圍巖等級(jí)較好、自穩(wěn)性高的短隧道工程或輔助斜井工程。19 世紀(jì)60年代成昆鐵路某段使用了錨桿支護(hù)結(jié)合噴射混凝土的單層襯砌技術(shù)，運(yùn)營現(xiàn)狀良好；西南鐵路的磨溝嶺隧道采用模筑鋼纖維混凝土單層襯砌；2010 年摩天嶺隧道斜井，傾角24°21＇48＇、全長1367.31m，為國內(nèi)首例長傾角斜井，由于以模筑混凝土為二襯結(jié)構(gòu)的施工難度較大，為此采用以鋼纖維噴射混凝土材料為主的單層襯砌技術(shù)[6]，此外在大別山隧道斜井中也采用了單層襯砌結(jié)構(gòu)，其材料主要為硅粉鋼纖維噴射混凝土[7]，2018 年梨花井隧道采用挪威Q 值法在三級(jí)圍巖灰?guī)r破碎帶條件下應(yīng)用了錨桿支護(hù)加噴射混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的單層襯砌技術(shù)[8]。

2 結(jié)構(gòu)形式及設(shè)計(jì)方法

單層襯砌的結(jié)構(gòu)形式取決于隧道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)分析結(jié)果，也是單層襯砌技術(shù)的設(shè)計(jì)方法的重要依據(jù)。國際上較為典型的設(shè)計(jì)方法有挪威隧道修建法（Norwegian Method of Tunneling），即“Q值法”、極限狀態(tài)法及能量原理設(shè)計(jì)法，而國內(nèi)尚未形成自己的成熟設(shè)計(jì)體系，更多借鑒挪威Q 值法與德國在1995 年提出的單層襯砌結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)定（對(duì)比如表1）。

表1 挪威Q 值法與德國結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)定的單層襯砌設(shè)計(jì)方法

對(duì)比德國對(duì)單層襯砌設(shè)計(jì)方法的規(guī)定，挪威法隧道設(shè)計(jì)內(nèi)容包含：正確的圍巖評(píng)價(jià)、合理的支護(hù)參數(shù)選定以及高性能的支護(hù)材料。其中噴射混凝土常采用C35-C45，采用“Q 值”確定支護(hù)參數(shù)，并大量使用了鋼纖維、硅粉、無堿液體速凝劑和CT 錨桿等材料，其分級(jí)及材料應(yīng)用上更為詳細(xì)，故對(duì)比Q 值法，德國法、極限狀態(tài)法與能量守恒法設(shè)計(jì)方法應(yīng)用范圍較小，設(shè)計(jì)難度也較高。極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法根據(jù)2 種極限狀態(tài)（破壞極限狀態(tài)和使用極限狀態(tài)）下的分項(xiàng)系數(shù)，最終設(shè)計(jì)材料組成及構(gòu)造厚度、形式以滿足結(jié)構(gòu)的安全性和適用性要求，由于極限設(shè)計(jì)法需充分考慮其用途、地層條件、構(gòu)造部位、隧道周邊環(huán)境、地下水等設(shè)計(jì)條件及開挖方法，設(shè)計(jì)上更為科學(xué)合理，但設(shè)計(jì)及計(jì)算工作量耗時(shí)長，而根據(jù)能量守恒原理，則從圍巖能量釋放穩(wěn)定角度，平衡襯砌破壞吸收能量與圍巖釋放能量，來判斷整體系統(tǒng)的穩(wěn)定情況[9]。

3 材料組成及防排水設(shè)計(jì)

從材料組成上，目前單層襯砌結(jié)構(gòu)的核心材料為纖維噴射混凝土，并多采用硅灰類高活性混合材，部分研究中還采用了偏高嶺土活性摻和料與鋼纖維材料的材料組成體系[10]。與素噴射混凝土相比，纖維噴射混凝土（SFRS）通過均勻亂向分布的鋼纖維明顯改善了混凝土的脆性材料本質(zhì)，使得初支結(jié)構(gòu)的抗沖擊剪切、耐磨性及抗侵蝕耐久性能有明顯改善，此外，鋼纖維噴射混凝土在發(fā)生較大變形后仍能保持承載能力，可有效改善噴射混凝土早期強(qiáng)度偏低時(shí)對(duì)軟弱圍巖的支護(hù)作用與粘結(jié)效果。硅灰等活性混合材的摻入能顯著提供混凝土與鋼纖維之間的粘結(jié)強(qiáng)度、更有效發(fā)揮纖維的增強(qiáng)作用，此外，還能明顯改善噴射混凝土的后期硬化強(qiáng)度與抗?jié)B性能[11]。

不同于復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)，單層襯砌結(jié)構(gòu)無法采用防水板，需建立新的防排水理念及技術(shù)體系。從目前國內(nèi)外襯砌結(jié)構(gòu)排水建設(shè)效果看，通過有效的堵排水措施可以滿足二級(jí)防水標(biāo)準(zhǔn)，僅依靠單層襯砌本身滿足一級(jí)防水標(biāo)準(zhǔn)存在較大的技術(shù)攻關(guān)難度[12]。

隧道防排水按防排水設(shè)計(jì)方法可分為材料自身防水與結(jié)構(gòu)堵排水，如挪威法是主要依靠噴混凝土本身自防水而德國隧道以排水為主，防水為輔。結(jié)構(gòu)堵排水研究方面，北歐國家單層襯砌防排水技術(shù)思路為以圍巖注漿堵水為主，輔之以噴膜防水。但圍巖注漿堵水受到地質(zhì)與水文條件的限制，技術(shù)復(fù)雜，注漿成本也很高，此外，噴膜防水成本較高，同時(shí)質(zhì)量缺陷將可能造成防水失效。國內(nèi)結(jié)構(gòu)排水方面主要借鑒德國排水模式，對(duì)隧道消除承壓地下水的方法常用措施是隧道仰拱地下設(shè)置縱向貫通的排水通道。從噴射混凝土材料自身防水角度，需要對(duì)混凝土標(biāo)號(hào)提高、原材料質(zhì)量控制方面進(jìn)行精細(xì)調(diào)整，難度較大，在材料設(shè)計(jì)上以鋼纖維硅灰噴射混凝土、聚合物噴射混凝土較為普遍，但聚合物體系在改善混凝土抗折強(qiáng)度與抑制微裂縫生長擴(kuò)張方面作用明顯，但對(duì)構(gòu)件抗壓強(qiáng)度等力學(xué)強(qiáng)度會(huì)產(chǎn)生一定負(fù)面影響[2]。

4 結(jié)語

作為高性能襯砌結(jié)構(gòu)的一種，單層襯砌技術(shù)的出現(xiàn)緩解了復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)的多層滑移荷載作用，減少了滿足承載要求的有效結(jié)構(gòu)厚度與施工方量，是一種可作為永久襯砌支護(hù)建設(shè)的重要途徑。相比較國內(nèi)，國外對(duì)于單層襯砌技術(shù)的設(shè)計(jì)方法、應(yīng)用及理論計(jì)算較為成熟，形成了以Q 值法-挪威隧道修建法為典型代表的系統(tǒng)單層襯砌應(yīng)用技術(shù)，而國內(nèi)對(duì)此技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用存在一定技術(shù)難度，主要在于核心材料鋼纖維噴射混凝土的制備及配套噴射工藝、設(shè)備，從而導(dǎo)致實(shí)際單層襯砌結(jié)構(gòu)無法滿足抗水滲等級(jí)高、軟弱圍巖等級(jí)的襯砌支護(hù)要求。圍繞目前單層襯砌存在的技術(shù)難點(diǎn)以及中國西南復(fù)雜地形山區(qū)條件下的基礎(chǔ)隧道工程建設(shè)大背景，筆者認(rèn)為單層襯砌的未來發(fā)展主要從以下4 個(gè)方面出發(fā)：單層襯砌結(jié)構(gòu)厚度設(shè)計(jì)及其與圍巖粘結(jié)作用構(gòu)效；適應(yīng)于單層襯砌結(jié)構(gòu)的防排水設(shè)計(jì)方法；高性能纖維噴射混凝土的制備技術(shù)及質(zhì)量評(píng)價(jià)；復(fù)雜服役環(huán)境下單層襯砌結(jié)構(gòu)的耐久性等。