单层衬砌的概念
望洞庭教学设计-
单层衬砌的概念
德国
1995
年提出的单层衬砌结构与目前推行的复合衬砌有原则的不同，其形式是多种
多样的，而且在工程中得到一定程度的推广。
1
·单层衬砌构造的原则
在隧道开挖中，
众所周知，
时间因素是非常重要的
。
隧道施工时的支护采用喷混凝土以
后，
对理解围岩是一个具有承载能力的支护，
有了进一步的认识。
通常，
后面施工的内衬
（二
次衬砌）<
/p>
是为了提高安全度和保证充分的耐水性而设置的。
但内衬的施工，
如果考虑时间因
素，也具有控制变形增加的效果。因此，在单层
衬砌中，如果第
2
层（内衬）与承载有关，
也应该考虑时间因素。
在单层衬砌系统中，应力的内部传
递机理的比较好的，
但被约束的应变、
流变及温度变
化产生的应力等，在第
2
层中，
< br>在非常早的时期就发生了。为此，
就不能充分传递避免因开
裂而造成损伤的必要的压力。
结合面完全附着的场合，能够
最好地控制
因被约束的应变而发生的应力，是从围岩传递
到第<
/p>
1
层及全体衬砌，同时从第
1
层向第
2
层
传递机理的最
佳条件。其次，由于各个工程的
地质及地下水等条件的不同，在修筑第
< br>2
层衬
砌，必须追加合理的施设时间。
< br>
单层衬砌的支护
经历不同阶
段的荷载状
况。开挖后产生的变形也是荷载的一种。图
1
表示单线单层衬砌的荷载经历过程。时间轴上
的主要阶段示于图
2
。能够分出
2
种不
同的传
递机理。第
1
种从影响支护应力
状态的围岩向
外部传递。
图
2
荷载的
时间历程
·支护施工前（开挖前）的围岩松弛；
·围岩形成拱效应和松弛荷载向支护再分配；
·在接近地表面开挖时，随时间拱效应丧失，假定支护承受
100%
的围岩荷载。
如图
1<
/p>
所示的第
1
层的施工到第
2
层施工完成的最短时间，是图
2
所示的
t
（第
2
< br>层）
和
t
（第
< br>1
层）的时间差。
到第
2
层修筑前的经过时间，
对全体衬砌的影响极
大。
特别是，
在适合单层衬砌的地质
条
件下，
从外部
（从围岩）
的荷载增加的
过程中，
就修筑第
2
层的场合，
其影响更大。
例如，
在这种状态下，
第
1
层混凝土硬化后立刻修筑第
2
层是可以控制二次平衡达成前的松弛。
但
这样的施工，必须保证第
2
层的品质。如今，钢纤
维混凝土可以满足这个要求。
这样的考虑，
< br>在地质条件适合单层衬砌的场合，
围岩荷载的一部分从第
1
层直接传递到
全体衬砌的可能的。
全
体衬砌在荷载减少的过程中完成第
2
层衬砌的修筑。
结果隧道衬砌的
不出现拉应力，而处于完全的压缩状态。
< br>
另一个传递机理是内部传递机理。
应力状态是由内部传
递机理控制的。
内部传递形态如
下。
·因第
1
层的变形传递；
·
第
2
< br>层的水化热冷却时产生的温差的传
递；
·第
2
层的收缩传递。
根据这样的传递机理，
整个衬砌中因被约
束
应变而产生的应力是上升的。
这样的应力在
第
< br>2
层完成后，非常早的时期有一定效果，能
够避免开裂的
发生。根据地下铁道试用的经
验，钢纤维混凝土作为第
2
层是没有问题的。
采用结合的单层衬砌构造
的必要条件是，
如图
3
所示必须尽可能
地形成紧密咬合的一体
化断面。
各层间的附着因接触咬合是可以
确保
的。因此，从过去一般采用的防水层就没有必
要了。
与双层衬砌不同，
单层衬砌的支护是永久
结构物的构成单元。单层衬砌支护
<
/p>
是为了确
保施工安全、
隧道稳定而由及早
施工的数层构
成的，接触围岩的层（过去的初期支护）是永
久稳
定的，作为能够维持功能要求的构造，而
形成合成的结构（图
4
）
。
单层衬
砌的净空侧和围岩侧，
如图
5
所示，<
/p>
没有用隔离材分离，而是直接接触的。
2
层间
的直接接触，可增加剪力的传递，因此，随时间，在荷载增加的场合，与一体断面有
同样的
结合效果。
目前，
外衬砌，
通常是不考虑承载和防水功能的。
但在单
层衬砌中，涉及结构物的耐久
性，支护
应按作为最终结构的一部分来考虑。单层构造，由于能够缩短开挖时间、减少材
料消耗
、削减施工量等，而能够降低修建隧道的成本。
结合的单层衬
砌的构造形式示于表
1
。
表
1
单层衬砌的构造形式
构造形式
1
2
3
第
1
层
钢纤维喷混凝土
钢纤维喷混凝土
钢纤维喷混凝土
第
2
层
钢纤维喷混凝土
钢纤维模注混凝土
钢筋喷混凝土
4
5
6
钢纤维喷混凝土
钢筋喷混凝土
钢筋喷混凝土
钢筋混凝土
钢纤维喷混凝土
钢纤维模注混凝土
表
1
中的构造形式，第
1
层采用
钢纤维喷混凝土的结构形式示于图
6
。第
2
层的混凝土
施工方法或采用喷射方法或模注方法，补强方法
可采用钢纤维或钢筋。
耐水性可按图
7
的基本方法，以确保其使用性能。
图
7
保证耐水性方法
图
< br>6
第
1
层采用钢纤维喷混凝土<
/p>
的结构模式
其中方法
3
，虽然
2
< br>层是分离的，但对内部断面力的传递具有结合一体的效果。
图
8
第
2
层采用模筑混凝土的结构模式