隧道单层衬砌技术.ppt

隧道与地下工程设计方法隧道与地下工程设计方法0 s o u t h w e s t j I a o t o n g u n I v e r s I t y隧道单层衬砌技术隧道单层衬砌技术隧道与地下工程设计方法隧道与地下工程设计方法1基于矿山法施工技术，对水下隧道衬砌结构基于矿山法施工技术，对水下隧道衬砌结构上水压力分布模式进行调研，形成调研报告。上水压力分布模式进行调研，形成调研报告。提示：应针对不同的地层结构或岩性特征（渗提示：应针对不同的地层结构或岩性特征（渗透系数），分析水压力的分布模式，以及相应透系数），分析水压力的分布模式，以及相应的设计对策。的设计对策。12周作业：周作业：隧道与地下工程设计方法隧道与地下工程设计方法2 单层衬砌定义单层衬砌定义 单层衬砌应用现状单层衬砌应用现状 设计基本理论设计基本理论 单层衬砌围岩稳定性分级单层衬砌围岩稳定性分级 单层衬砌结构形式单层衬砌结构形式 用作单层衬砌的喷射混凝土力学指标用作单层衬砌的喷射混凝土力学指标 主要内容主要内容隧道与地下工程设计方法隧道与地下工程设计方法3一、单层衬砌定义一、单层衬砌定义隧道与地下工程设计方法隧道与地下工程设计方法4 单层衬砌是由单层或多层混凝土构成的支护体单层衬砌是由单层或多层混凝土构成的支护体系，支护层与衬砌层是一体的，各层间能够充分传系，支护层与衬砌层是一体的，各层间能够充分传递剪力的支护体系，称为递剪力的支护体系，称为单层衬砌单层衬砌。最新的定义最新的定义：取消防水板的前提下，洞室开挖：取消防水板的前提下，洞室开挖后立即喷射一层具有防水性能的混凝土，并根据围后立即喷射一层具有防水性能的混凝土，并根据围岩级别设置必要的支护构件，如锚杆、钢拱架等，岩级别设置必要的支护构件，如锚杆、钢拱架等，然后根据耐久性及平整度的要求，再施作（喷射或然后根据耐久性及平整度的要求，再施作（喷射或模筑）一层或多层混凝土，构成层间具有很强粘接模筑）一层或多层混凝土，构成层间具有很强粘接力并可充分传递剪力的支护体系。力并可充分传递剪力的支护体系。隧道与地下工程设计方法隧道与地下工程设计方法5单层衬砌单层衬砌隧道与地下工程设计方法隧道与地下工程设计方法6单层衬砌的承载机理单层衬砌的承载机理 通过各混凝土层间径向和纵向上的抗滑移性，使得各混凝通过各混凝土层间径向和纵向上的抗滑移性，使得各混凝土层形成共同承载体系。近似地，可以把单层衬砌结构看作土层形成共同承载体系。近似地，可以把单层衬砌结构看作“组合梁组合梁”来分析其力学特性；复合式衬砌其结构类似于来分析其力学特性；复合式衬砌其结构类似于“叠合叠合梁梁”的力学行为。的力学行为。隧道与地下工程设计方法隧道与地下工程设计方法7单层衬砌技术：单层衬砌技术：湿喷技术；高分子和钢纤维喷射混凝土的采用，解决喷射混湿喷技术；高分子和钢纤维喷射混凝土的采用，解决喷射混凝土的防裂和耐久性问题；凝土的防裂和耐久性问题；高分子或钢纤维喷射混凝土施作后形成的隧道轮廓可能并不高分子或钢纤维喷射混凝土施作后形成的隧道轮廓可能并不完全符合设计的衬砌内轮廓理论曲线，但可以做到基本圆顺，完全符合设计的衬砌内轮廓理论曲线，但可以做到基本圆顺，避免局部应力集中，确保支护系统和围岩的稳定性。避免局部应力集中，确保支护系统和围岩的稳定性。同等荷载，厚度比复合式衬砌薄，减少开挖量和衬砌圬工量；同等荷载，厚度比复合式衬砌薄，减少开挖量和衬砌圬工量；基本不需要模板、拱架等，降低造价和缩短工期。基本不需要模板、拱架等，降低造价和缩短工期。隧道与地下工程设计方法隧道与地下工程设计方法8二、单层衬砌应用现状二、单层衬砌应用现状隧道与地下工程设计方法隧道与地下工程设计方法9以色列海法市卡迈尔公路隧道以色列海法市卡迈尔公路隧道 国外工程国外工程公路隧道：公路隧道：隧道与地下工程设计方法隧道与地下工程设计方法10以色列海法市卡迈尔公路隧道以色列海法市卡迈尔公路隧道 国外工程国外工程公路隧道：公路隧道：隧道与地下工程设计方法隧道与地下工程设计方法11瑞士的瑞士的VEREINAVEREINA铁路隧道钻爆法施工铁路隧道钻爆法施工的单层衬砌和用的单层衬砌和用TBMTBM施工的单层衬砌施工的单层衬砌 国外工程国外工程铁路隧道：铁路隧道：隧道与地下工程设计方法隧道与地下工程设计方法12瑞士阿尔卑斯山的瑞士阿尔卑斯山的旅游铁路车站隧道旅游铁路车站隧道 国外工程国外工程铁路隧道：铁路隧道：隧道与地下工程设计方法隧道与地下工程设计方法13斯德哥尔摩地铁车斯德哥尔摩地铁车站和地铁换乘大厅站和地铁换乘大厅 国外工程国外工程地铁：地铁：隧道与地下工程设计方法隧道与地下工程设计方法14芬兰赫尔辛基地铁区间及车站芬兰赫尔辛基地铁区间及车站 国外工程国外工程地铁：地铁：隧道与地下工程设计方法隧道与地下工程设计方法15地下酒窖地下酒窖 挪威挪威Gjolasvik地下体育馆地下体育馆 国外工程国外工程其他工程：其他工程：隧道与地下工程设计方法隧道与地下工程设计方法16芬兰赫尔辛基Itakeskus Swimming Hall 隧道与地下工程设计方法隧道与地下工程设计方法17成昆铁路布祖湾隧道成昆铁路布祖湾隧道 国内工程国内工程铁路隧道：铁路隧道：隧道与地下工程设计方法隧道与地下工程设计方法18西安南京铁路万军迴隧道西安南京铁路万军迴隧道钢纤维喷混凝土单层衬砌钢纤维喷混凝土单层衬砌 茶园涪陵二级公路上的关长茶园涪陵二级公路上的关长山隧道采用山隧道采用C25C25聚丙烯纤维聚丙烯纤维喷射混凝土单层衬砌喷射混凝土单层衬砌 国内工程国内工程公路隧道：公路隧道：铁路隧道：铁路隧道：隧道与地下工程设计方法隧道与地下工程设计方法19三、设计基本理论三、设计基本理论松动圈支护理论松动圈支护理论隧道与地下工程设计方法隧道与地下工程设计方法20Q法在法在欧洲广泛应用欧洲广泛应用，但需要确定六，但需要确定六个系数；不太适合我国国情，因此以个系数；不太适合我国国情，因此以松动圈支护理论为基础展开。松动圈支护理论为基础展开。隧道与地下工程设计方法隧道与地下工程设计方法211 1、围岩松动圈的概念、围岩松动圈的概念 2020世纪世纪7070年代末，以董方庭教授为首的课题年代末，以董方庭教授为首的课题组，提出了围岩破裂过程中的岩石碎胀变形（碎胀组，提出了围岩破裂过程中的岩石碎胀变形（碎胀力）是支护的对象，并把在围岩中发展的这个破裂力）是支护的对象，并把在围岩中发展的这个破裂区定义为围岩松动圈；在国内外首先提出了区定义为围岩松动圈；在国内外首先提出了“围岩围岩松动圈支护理论松动圈支护理论”。其主要包括三部分：围岩松动圈其主要包括三部分：围岩松动圈支护理论支护理论、围、围岩松动圈岩松动圈分类方法分类方法以及围岩松动圈以及围岩松动圈喷锚支护技术喷锚支护技术。隧道与地下工程设计方法隧道与地下工程设计方法222 2、围岩松动圈支护理论的立论、围岩松动圈支护理论的立论 围岩松动圈是隧道开挖后客观和普遍存围岩松动圈是隧道开挖后客观和普遍存在的；在的；支护对象为松动破裂发展中的岩石碎胀支护对象为松动破裂发展中的岩石碎胀变形或碎胀力；变形或碎胀力；支护的作用一方面是维护破裂的岩石在支护的作用一方面是维护破裂的岩石在原位不垮落，另一方面是限制围岩松动圈形原位不垮落，另一方面是限制围岩松动圈形成过程中的有害变形。成过程中的有害变形。隧道与地下工程设计方法隧道与地下工程设计方法233 3、围岩松动圈稳定性判据、围岩松动圈稳定性判据 松动圈是地应力与围岩强度相互作用的结松动圈是地应力与围岩强度相互作用的结果，它是一个综合指标。果，它是一个综合指标。松动圈越大，围岩收敛变形量越大、支护松动圈越大，围岩收敛变形量越大、支护越困难，反之则易。松动圈的大小反映了支护越困难，反之则易。松动圈的大小反映了支护的困难程度。的困难程度。松动圈与有无支护关系不大松动圈与有无支护关系不大 。隧道与地下工程设计方法隧道与地下工程设计方法24围围岩岩类别类别分分类类名称名称松松动动圈圈L Lp p（cmcm）支支护护机理及方法机理及方法小松小松动动圈圈稳稳定定围围岩岩040040喷喷射混凝土支射混凝土支护护中松中松动动圈圈较稳较稳定定围围岩岩4010040100锚锚杆杆悬悬吊理吊理论喷层论喷层局部支局部支护护一般一般围围岩岩100150100150锚锚杆杆悬悬吊理吊理论喷层论喷层局部支局部支护护大松大松动动圈圈一般不一般不稳稳定定围围岩（岩（软软岩）岩）150200150200锚锚杆杆组组合拱理合拱理论论，喷层喷层、金属、金属网局部支网局部支护护不不稳稳定定围围岩岩（较软围较软围岩）岩）200300200300锚锚杆杆组组合拱理合拱理论论，喷层喷层、金属、金属网局部支网局部支护护极不极不稳稳定定围围岩岩（极（极软围软围岩）岩）300300待定待定4、围岩松动圈分类、围岩松动圈分类隧道与地下工程设计方法隧道与地下工程设计方法255 5、围岩松动圈测试技术、围岩松动圈测试技术 围岩松动圈是围岩应力超过岩体强度之后而在围岩松动圈是围岩应力超过岩体强度之后而在洞室周边形成的破裂带，其物理状态表现为破裂缝洞室周边形成的破裂带，其物理状态表现为破裂缝的增加及岩体应力水平的降低。的增加及岩体应力水平的降低。松动圈测试松动圈测试就是检测隧道开挖后新的破坏裂缝就是检测隧道开挖后新的破坏裂缝及其分布范围，围岩中有新破裂缝与没有破裂缝的及其分布范围，围岩中有新破裂缝与没有破裂缝的界面位置就是松动圈的边界。界面位置就是松动圈的边界。围岩松动圈的测试技术主要有：围岩松动圈的测试技术主要有：超声波测井探超声波测井探测法及地质雷达法测法及地质雷达法。隧道与地下工程设计方法隧道与地下工程设计方法26（1）超声波测井探测法）超声波测井探测法 超声波在岩体中的传播速度与裂隙程度及岩超声波在岩体中的传播速度与裂隙程度及岩体受力状态有关，岩体整体性好，弹性声波速度快，体受力状态有关，岩体整体性好，弹性声波速度快，岩体裂隙发育，弹性波速低。岩体裂隙发育，弹性波速低。（a）波速）波速-孔深曲线孔深曲线 (b)时间时间-孔深曲线孔深曲线 隧道与地下工程设计方法隧道与地下工程设计方法27双孔测试示意图双孔测试示意图 单孔测试示意图单孔测试示意图 隧道与地下工程设计方法隧道与地下工程设计方法28（2）地质雷达探测法）地质雷达探测法 地质雷达探测法是一种用于确定地下介质分布地质雷达探测法是一种用于确定地下介质分布的广谱电磁技术。的广谱电磁技术。地质雷达通过记录电磁反射波信地质雷达通过记录电磁反射波信号的强弱及到达时间来判定电性异常体的几何形态号的强弱及到达时间来判定电性异常体的几何形态和岩性特征，介质中的反射波形成雷达剖面，通过和岩性特征，介质中的反射波形成雷达剖面，通过异常体反射波的走时、振幅和相位特征来识别目标异常体反射波的走时、振幅和相位特征来识别目标体，便可推断介质结构。体，便可推断介质结构。隧道与地下工程设计方法隧道与地下工程设计方法29（2）地质雷达探测法）地质雷达探测法 雷达测试围岩松动圈的基本原理是雷达测试围岩松动圈的基本原理是：围岩松动：围岩松动圈是以围岩破坏产生宏观裂隙形成的物性界面为主圈是以围岩破坏产生宏观裂隙形成的物性界面为主要特征，在该范围内岩体呈破裂松弛状，地质雷达要特征，在该范围内岩体呈破裂松弛状，地质雷达在扫描过程中，发出的电磁波在松动圈内传播时，在扫描过程中，发出的电磁波在松动圈内传播时，波形呈杂乱无章状态，无明显同相轴；当电磁波经波形呈杂乱无章状态，无明显同相轴；当电磁波经过松动圈与非破坏区交界面时，必然发生较强的反过松动圈与非破坏区交界面时，必然发生较强的反射，从而可以根据反射波图像特征来确定围岩松动射，从而可以根据反射波图像特征来确定围岩松动圈的范围。圈的范围。隧道与地下工程设计方法隧道与地下工程设计方法30隧道与地下工程设计方法隧道与地下工程设计方法31四、单层衬砌围岩四、单层衬砌围岩稳定性分级稳定性分级隧道与地下工程设计方法隧道与地下工程设计方法32 根据对围岩稳定性的分析评价及单层衬砌的作根据对围岩稳定性的分析评价及单层衬砌的作用机理分析，在单层衬砌设计过程中，分两阶段用机理分析，在单层衬砌设计过程中，分两阶段进行设计：即进行设计：即施工前的预设计和施工过程中的修施工前的预设计和施工过程中的修正设计正设计。单层衬砌稳定性分级远期应该与国际接轨，单层衬砌稳定性分级远期应该与国际接轨，推荐采用为与推荐采用为与Q系统相同的系统相同的9级。根据我们的研究，级。根据我们的研究，提出了两阶段单层衬砌隧道稳定性分级。提出了两阶段单层衬砌隧道稳定性分级。隧道与地下工程设计方法隧道与地下工程设计方法33隧道与地下工程设计方法隧道与地下工程设计方法34预设计阶段单层衬砌隧道稳定性分级预设计阶段单层衬砌隧道稳定性分级 隧道与地下工程设计方法隧道与地下工程设计方法35施工阶段单层衬砌隧道稳定性分级施工阶段单层衬砌隧道稳定性分级 隧道与地下工程设计方法隧道与地下工程设计方法36五、单层衬砌结构形式五、单层衬砌结构形式隧道与地下工程设计方法隧道与地下工程设计方法37稳稳定性分定性分级级围围岩岩稳稳定状定状态态支支护护机理机理支支护护型式型式I I极极稳稳定定围围岩自承岩自承无需支无需支护护很很稳稳定定构造支构造支护护喷喷射混凝土射混凝土稳稳定定悬悬吊作用吊作用局部局部锚锚杆杆+喷喷射混凝土射混凝土较稳较稳定定悬悬吊作用吊作用+壳体支壳体支护护系系统锚统锚杆杆+喷喷射混凝土射混凝土一般一般悬悬吊作用吊作用+壳体支壳体支护护系系统锚统锚杆杆+合成合成纤维纤维混凝土混凝土VIVI较较不不稳稳定定锚锚杆杆组组合拱支合拱支护护+加加强强型壳体支型壳体支护护系系统锚统锚杆杆+合成合成纤维喷纤维喷混凝混凝土土+钢钢架架不不稳稳定定预预支支护护+锚锚杆杆组组合拱支合拱支护护+加加强强型壳体支型壳体支护护超前支超前支护护+系系统锚统锚杆杆+合成合成纤维喷纤维喷混凝土混凝土+钢钢架架很不很不稳稳定定预预支支护护+锚锚杆杆组组合拱支合拱支护护+加加强强型壳体支型壳体支护护超前支超前支护护+系系统锚统锚杆杆+钢纤钢纤维喷维喷混凝土混凝土+钢钢架架极不极不稳稳定定预预支支护护+锚锚杆杆组组合拱支合拱支护护+组组合壳体支合壳体支护护超前支超前支护护+系系统锚统锚杆杆+钢纤钢纤维喷维喷混凝土混凝土+钢钢架架+模筑混模筑混凝土凝土特殊特殊设计设计 各级围岩单层衬砌支护机理及支护型式各级围岩单层衬砌支护机理及支护型式隧道与地下工程设计方法隧道与地下工程设计方法38单层衬砌支护形式单层衬砌支护形式稳稳定性定性分分级级支支护护型式型式锚锚杆杆喷喷射混凝土射混凝土 钢钢架架超前超前模筑模筑预预留留补补强强空空间间厚度厚度组组成成I I无需支无需支护护5 5素素喷喷1010喷喷射混凝土射混凝土5858素素喷喷1010局部局部锚锚杆杆+喷喷射混凝土射混凝土11.511.5815815 素素喷喷1010系系统锚统锚杆杆+喷喷射混凝土射混凝土1.521.521.51.51.21.2152015201010系系统锚统锚杆杆+合成合成纤维纤维混凝土混凝土22.522.51.21.21.21.2202520251010VIVI系系统锚统锚杆杆+合成合成纤维喷纤维喷混凝土混凝土+钢钢架架2.532.531.21.21.21.22530253015cm2215cm22格格栅栅1.2m1.2m1010超前支超前支护护+系系统锚统锚杆杆+合成合成纤维纤维喷喷混凝土混凝土+钢钢架架33.533.51.01.01.21.23035303515cm2215cm22格格栅栅1.0m1.0m2525超超前前锚锚杆杆1010超前支超前支护护+系系统锚统锚杆杆+钢纤维喷钢纤维喷混凝土混凝土+钢钢架架45451.01.01.01.03540354020cm2520cm25格格栅栅0.8m0.8m4242超超前前导导管管1010超前支超前支护护+系系统锚统锚杆杆+钢纤维喷钢纤维喷混凝土混凝土+钢钢架架+模筑混凝土模筑混凝土45451.01.01.01.03540354020cm2520cm25格格栅栅0.6m0.6m5050双双层层超前超前导导管管30301010特殊特殊设计设计隧道与地下工程设计方法隧道与地下工程设计方法39六、用作单层衬砌的喷射六、用作单层衬砌的喷射混凝土力学指标混凝土力学指标 隧道与地下工程设计方法隧道与地下工程设计方法40设计基准强度设计基准强度 单 位类 别设计基准强度（N/mm2）道路协会喷混凝土18铁道建设运输施设高品质喷混凝土18道路公团喷混凝土18高强度喷混凝土36高强度纤维喷混凝土36日本日本 隧道与地下工程设计方法隧道与地下工程设计方法41设计基准强度设计基准强度 EFNARC要求强度（N/mm2）强度划分C24/30C28/35C32/40C36/45C40/50C44/55C48/60圆柱体试件24283236404448立方体试件30354045505580隧道与地下工程设计方法隧道与地下工程设计方法42设计基准强度设计基准强度 挪威挪威抗压强度（N/mm2）C30C35C40C45C50C55立方体试件的最小抗压强度（N/mm2）303540455055取样试件的最小抗压强度（N/mm2）19.222.425.628.832.035.2隧道与地下工程设计方法隧道与地下工程设计方法43设计基准强度设计基准强度 中国中国等级C15C20C25C30轴心抗压（N/mm2）7.510.012.515.0看出：看出：我国和日本我国和日本的规定水准的规定水准相对较低相对较低，欧洲规，欧洲规范，很少有用小于范，很少有用小于C25的喷混凝土，喷混凝土的的喷混凝土，喷混凝土的设计基准强度有设计基准强度有向高强度方向向高强度方向发展。发展。隧道与地下工程设计方法隧道与地下工程设计方法44喷混凝土的初期强度喷混凝土的初期强度 日本日本单位类别3小时抗压强度（N/mm2）24小时抗压强度（N/mm2）道路协会喷混凝土5铁道建设运输设施高品质喷混凝土1.58道路公团喷混凝土5高强度喷混凝土210高强度纤维喷混凝土210隧道与地下工程设计方法隧道与地下工程设计方法45喷混凝土的初期强度喷混凝土的初期强度 挪威挪威龄 期用作永久支护的纤维增强喷射砼用作永久支护的普通喷射砼1小时（N/mm2）0.54小时（N/mm2）1.06小时（N/mm2）1.50.512小时（N/mm2）3.01.01天（N/mm2）5.02.07天（N/mm2）10.0隧道与地下工程设计方法隧道与地下工程设计方法46喷混凝土的初期强度喷混凝土的初期强度 EFNARC隧道与地下工程设计方法隧道与地下工程设计方法47喷混凝土的初期强度喷混凝土的初期强度 中国中国客运专线铁路隧道工程施工技术指南客运专线铁路隧道工程施工技术指南（TZ214-2005）中对初期强度有这样的规）中对初期强度有这样的规定，定，3h强度达到强度达到1.5MPa，24h强度达到强度达到5.0MPa。隧道与地下工程设计方法隧道与地下工程设计方法48纤维喷混凝土的弯曲韧性纤维喷混凝土的弯曲韧性 纤维混凝土结构技术规程纤维混凝土结构技术规程（CECS 38：2004）对钢纤维喷射混凝土的韧性指标：作为围）对钢纤维喷射混凝土的韧性指标：作为围岩支护和衬砌的钢纤维喷射混凝土，其岩支护和衬砌的钢纤维喷射混凝土，其弯曲韧度弯曲韧度比一般要求不小于比一般要求不小于0.70；采用平板加载试验；采用平板加载试验（EFNARC）确定韧度指标时，用作单层永久衬）确定韧度指标时，用作单层永久衬砌，砌，相应于挠度为相应于挠度为25mm的变形能需达到的变形能需达到700J。隧道与地下工程设计方法隧道与地下工程设计方法49喷混凝土的粘结强度喷混凝土的粘结强度 粘结强度有两种：粘结强度有两种：抗拉粘结强度抗拉粘结强度与与抗剪粘结抗剪粘结强度强度。抗拉粘结强度是衡量喷射混凝土在受到垂。抗拉粘结强度是衡量喷射混凝土在受到垂直于结合界面上的拉应力时保持粘结的能力；而直于结合界面上的拉应力时保持粘结的能力；而抗剪粘结强度则是抵抗平行于结合面上作用力的抗剪粘结强度则是抵抗平行于结合面上作用力的能力。能力。隧道与地下工程设计方法隧道与地下工程设计方法50喷混凝土的粘结强度喷混凝土的粘结强度EFNARC粘结的划分与既有混凝土间的粘结与岩体之间的粘结作为受力支护结构1.0MPa0.5MPa非结构性的防护0.5MPa0.1MPa挪威规定挪威规定:粘结强度在粘结强度在0.21.8 MPa之间之间;锚杆喷射混凝土支护技术规范锚杆喷射混凝土支护技术规范：喷射混凝土与围岩的粘结强度喷射混凝土与围岩的粘结强度I、II级围岩不应级围岩不应低于低于0.8MPa，III级围岩不应低于级围岩不应低于0.5 MPa 此课件下载可自行编辑修改，供参考！感谢您的支持，我们努力做得更好！51