隧道工程(5)衬砌结构设计

1、5 衬砌结构设计（新奥法）衬砌结构设计（新奥法）5.1 建筑材料5.2 结构参数经验法选取5.3 结构参数理论计算校核5.1常用建筑材料v混凝土C50,C40,C30,C25,C20,C15、C10v石材MU100, MU80, MU6O, MU50, MU40v水泥砂浆M25,M20,M15,M10,M7.5,M5v喷射混凝土C30,C25,C20v混凝土砌块MU30 , MU20v钢筋HPB235 , HRB335 , HRB400v锚杆的杆体直径宜为20一32mm，杆体材料宜采用宜采用HRB335钢、HRB400钢;垫板材料宜采用HPB235钢公路隧道公路隧道5.2 衬砌结构参数经验法选

2、取衬砌结构分为：v喷锚衬砌（仅由锚杆和喷射混凝土等构成）v整体式衬砌（仅模筑钢筋混凝土等构成）v复合式衬砌（由锚杆和喷射混凝土、模筑钢筋混凝土构成）一、喷锚衬砌uA 喷射混凝土喷射混凝土：厚度不应小于50mm，不宜大于300mmuB 钢筋网钢筋网：网格应按矩形布置，钢筋间距宜为150一300mmuC 纤维纤维：钢纤维；合成纤维vD 锚杆：锚杆：全长粘结型锚杆有:普通水泥砂浆锚杆、早强水泥砂浆锚杆、树脂锚杆、水泥卷锚杆、中空注浆锚杆和自钻式注浆锚杆等。端头锚固型锚杆有:机械锚固锚杆、树脂锚固锚杆、快硬水泥卷端头锚杆等。摩擦型锚杆有:缝管锚杆、楔管锚杆、水胀锚杆等。预应力锚杆。一、喷锚衬砌锚杆类型

3、 全长粘结型 端头锚固型 全长粘结型全长粘结型端头锚固型端头锚固型 摩擦型 预应力型 涨壳式锚杆涨壳式锚杆南非贝尔公司南非贝尔公司涨壳锚杆涨壳锚杆法国生产的涨壳锚杆机械固定与胶结料固定相结合的锚杆机械固定与胶结料固定相结合的锚杆涨壳式中空灌浆锚杆涨壳式中空灌浆锚杆美国威廉姆斯(williams)生产的涨壳式锚杆结构 (a)树脂固定的张拉锚杆 (b)全长用速凝和缓凝树脂的张拉锚杆 (c)全长用树脂锚固的非张拉锚杆用速凝（黑色）和缓凝（带点色）树脂固定的岩石锚杆缝管锚杆外形缝管锚杆外形水胀式锚杆水胀式锚杆(swellex bolt)水胀式锚杆水胀式锚杆机械整形41mm28mm普通中空注浆锚杆普通中

4、空注浆锚杆 适用于各类隧道与洞室工程，特别是隧道与洞室的顶部。v永久支护的锚杆应为全长粘结型锚杆或预应力注浆锚杆。其它类型的锚杆不能作为永久支护，当需作永久支护时，锚孔内必须注满砂浆或树脂。v自稳时间短的围岩，宜采用全粘结树脂锚杆或早强水泥砂浆锚杆。在III,IV,V,VI级围岩条件下，锚杆应按系统锚杆设计，并符合下列规定:v锚杆一般应沿隧道周边径向布置，当结构面或岩层层面明显时，锚杆应与岩体主结构面或岩层层面呈大角度布置。v锚杆应按矩形排列或梅花形排列。v锚杆间距不得大于1.5m。间距较小时，可采用长短锚杆交错布置。v两车道隧道系统锚杆长度一般不小于2 m，三车道隧道系统锚杆长度一般不小于2

5、.5mvE 钢架钢架v在围岩条件较差地段或地面沉降有严格限制时，应在初期支护内增设钢架。v常用的钢架有:钢筋格栅钢架、工字形型钢钢架、U形型钢钢架和H形型钢钢架。v钢架支护间距宜为0.5一1.5m一、喷锚衬砌公路隧道设计规范铁路隧道设计规范一、喷锚衬砌复合式衬砌复合式衬砌外衬（亦称初次衬砌） 使用能达到早强的喷射混凝土和锚杆，使柔性的外衬既能容许围岩有所变形，而又约束它不让它变形发展太大太快 内衬（亦称二次衬砌） 内衬可以用喷射混凝土层柔性结构，也可以用较厚的模筑混凝土防水层 内外层衬砌之间的防水层可以用软聚氯乙烯薄膜、聚异丁烯片、聚乙烯片等防水卷材，或用喷涂乳化沥青等防水剂 二、复合式衬砌u

6、复合式衬砌最适宜在级围岩中使用，是我国公路、铁路部门推荐采用的衬砌结构形式u遇到下列情况时，应慎重对待。必要时应辅以相应的加固措施。- 拱顶以上覆盖厚度小于隧道直径时；- 有明显偏压力时；- 在无自稳能力的未胶结砂砾石地层中时；- 在大膨胀性的地层中时；- 在大涌水的地层中时；- 在严重冻害的地区中时。l初期支护设计初期支护设计 初期支护一般指初期支护一般指锚杆喷射混凝土支护锚杆喷射混凝土支护，必要时配合，必要时配合使用钢筋网和钢拱架。使用钢筋网和钢拱架。 目前，国内一些锚喷支护设计规范都明确规定，目前，国内一些锚喷支护设计规范都明确规定，锚喷支护设计应采用锚喷支护设计应采用工程类比法工程类比

7、法为主，必要时辅以为主，必要时辅以监控监控量测法量测法和和理论验算法理论验算法。 l初期支护设计初期支护设计 工程类比设计法工程类比设计法常有直接对比法和间接类比法常有直接对比法和间接类比法两种两种。 直接对比法直接对比法一般是以围岩的岩体强度和岩体完整性、一般是以围岩的岩体强度和岩体完整性、地下水影响程度、洞室埋深、可能受到的地应力、工程地下水影响程度、洞室埋深、可能受到的地应力、工程的形状与尺寸、施工的方法、施工的质量以及使用要求的形状与尺寸、施工的方法、施工的质量以及使用要求等方面因素，将设计的工程与上述条件基本相同的已建等方面因素，将设计的工程与上述条件基本相同的已建工程进行对比，由此

8、确定锚喷支护的类型与参数工程进行对比，由此确定锚喷支护的类型与参数l初期支护设计初期支护设计 间接类比法间接类比法一般是根据现行锚喷支护技术规范，按一般是根据现行锚喷支护技术规范，按其围岩级别表及锚喷支护设计参数确定拟建工程的锚喷其围岩级别表及锚喷支护设计参数确定拟建工程的锚喷支护类型与参数。支护类型与参数。 l初期支护设计初期支护设计 锚喷支护参数应当是广义的、既包括锚喷支护参数应当是广义的、既包括支护类型、支支护类型、支护参数护参数，又应包括，又应包括开挖方法开挖方法，仰拱施作时间仰拱施作时间和和最终支护最终支护时间时间等。等。 不过不过我国我国目前的锚喷支护规范还没有达到这一水目前的锚喷

9、支护规范还没有达到这一水平，只是规定了平，只是规定了最终支护的施作时间最终支护的施作时间。而在锚喷支护参。而在锚喷支护参数表中只给出了数表中只给出了锚喷支护类型与参数锚喷支护类型与参数。 （二）锚喷支护的类型及参数表（二）锚喷支护的类型及参数表 l初期支护设计初期支护设计 确定锚喷支护类型与参数时，应当体现如下原则：确定锚喷支护类型与参数时，应当体现如下原则： (1)根据不同的围岩压力的特点，对拱墙采用相应的支根据不同的围岩压力的特点，对拱墙采用相应的支护参数。护参数。(2)力求体现使用锚喷支护类型的灵活性及允许进行局力求体现使用锚喷支护类型的灵活性及允许进行局部加固围岩的特点。对不同的岩体和

10、围岩的不同部位采部加固围岩的特点。对不同的岩体和围岩的不同部位采用不同的支护类型与参数。用不同的支护类型与参数。 （二）锚喷支护的类型及参数表（二）锚喷支护的类型及参数表 l初期支护设计初期支护设计 确定锚喷支护类型与参数时，应当体现如下原则：确定锚喷支护类型与参数时，应当体现如下原则： (3)锚喷支护参数表中给出的锚喷支护参数是根据工程锚喷支护参数表中给出的锚喷支护参数是根据工程类比确定的。但确定最终支护参数有的还要借助于监控类比确定的。但确定最终支护参数有的还要借助于监控设计与理论设计。设计与理论设计。 (4)锚喷支护表中的锚喷参数，一般是根据本部门以往锚喷支护表中的锚喷参数，一般是根据本

11、部门以往修建工程的设计参数，经统计和分析研究后确定的。修建工程的设计参数，经统计和分析研究后确定的。 （二）锚喷支护的类型及参数表（二）锚喷支护的类型及参数表 l二次衬砌设计二次衬砌设计 二次衬砌的作用因不同的围岩级别而异：二次衬砌的作用因不同的围岩级别而异： 1）对于）对于I级稳定硬质围岩，因围岩和初期支护的变级稳定硬质围岩，因围岩和初期支护的变形很小，且很快趋于稳定，故二次衬砌不承受围岩压力，形很小，且很快趋于稳定，故二次衬砌不承受围岩压力，其主要作用是其主要作用是防水、利于通风和修饰面层防水、利于通风和修饰面层； （一）二次衬砌的主要作用（一）二次衬砌的主要作用 l二次衬砌设计二次衬砌设

12、计 二次衬砌的作用因不同的围岩级别而异：二次衬砌的作用因不同的围岩级别而异： 2）对于）对于II级基本稳定的硬质围岩，虽然围岩和初期级基本稳定的硬质围岩，虽然围岩和初期支护变形小，二次衬砌承受不大的围岩压力，但考虑洞支护变形小，二次衬砌承受不大的围岩压力，但考虑洞室运营后锚杆钢筋锈蚀、围岩松弛区逐渐压密，初期支室运营后锚杆钢筋锈蚀、围岩松弛区逐渐压密，初期支护质量不稳定等原因，故施作二次衬砌以护质量不稳定等原因，故施作二次衬砌以提高支护衬提高支护衬砌的安全度砌的安全度； （一）二次衬砌的主要作用（一）二次衬砌的主要作用 l二次衬砌设计二次衬砌设计 二次衬砌的作用因不同的围岩级别而异：二次衬砌的

13、作用因不同的围岩级别而异： 3）对于）对于IIIV级围岩，由于岩体流变、膨胀压力、级围岩，由于岩体流变、膨胀压力、地下水等作用，或由于浅埋、偏压及施工等原因，围岩地下水等作用，或由于浅埋、偏压及施工等原因，围岩变形未趋于基本稳定而提前施作二次衬砌，此时，变形未趋于基本稳定而提前施作二次衬砌，此时，二二次衬砌主要承受较大的后期围岩形变压力次衬砌主要承受较大的后期围岩形变压力。 （一）二次衬砌的主要作用（一）二次衬砌的主要作用 l二次衬砌设计二次衬砌设计 A 基本要求：基本要求： (1)初期支护与二次衬砌之间的密贴程度，对复合式衬砌受力初期支护与二次衬砌之间的密贴程度，对复合式衬砌受力状态会产生影

14、响。状态会产生影响。 (2)支护与衬砌两层紧密粘结在一起时，两层间能传递径向力支护与衬砌两层紧密粘结在一起时，两层间能传递径向力和切向力，可按整体结构验算。两层间设有防水层时，按组合结和切向力，可按整体结构验算。两层间设有防水层时，按组合结构验算，只传递径向荷载。构验算，只传递径向荷载。 （二）二次衬砌结构的设计（二）二次衬砌结构的设计 l二次衬砌设计二次衬砌设计 A 基本要求：基本要求： (3)为防止洞内漏水，设计时应对二次衬砌的变形予以控制。为防止洞内漏水，设计时应对二次衬砌的变形予以控制。 (4)支护与衬砌间空隙部分应回填密实。支护与衬砌间空隙部分应回填密实。 （二）二次衬砌结构的设计（

15、二）二次衬砌结构的设计 l二次衬砌设计二次衬砌设计 B 二次衬砌的计算二次衬砌的计算 ： u 复合式衬砌分层施作，应考虑时间效应，可考虑按粘弹塑性复合式衬砌分层施作，应考虑时间效应，可考虑按粘弹塑性有限元法进行计算有限元法进行计算u 也可运用弹塑性理论或特征曲线法近似计算复合式衬砌也可运用弹塑性理论或特征曲线法近似计算复合式衬砌u 也可参考我国复合式衬砌围岩压力现场量侧数据和模型试验也可参考我国复合式衬砌围岩压力现场量侧数据和模型试验结果及国内外有关资料，对结果及国内外有关资料，对IVIV级围岩，以级围岩，以30%50%30%50%的围岩压的围岩压力作为二次衬砌的外荷载。按荷载力作为二次衬砌的

16、外荷载。按荷载结构模型进行计算。结构模型进行计算。 （二）二次衬砌结构的设计（二）二次衬砌结构的设计 l二次衬砌设计二次衬砌设计 C 二次衬砌施作时间的确定二次衬砌施作时间的确定 ： 二次衬砌一般采用模筑混凝土，应在围岩和初期支二次衬砌一般采用模筑混凝土，应在围岩和初期支护变形基本稳定后方可施作，并应具备下述条件：护变形基本稳定后方可施作，并应具备下述条件： (1)洞室周边位移速率有明显减缓趋势。洞室周边位移速率有明显减缓趋势。 (2)在拱脚以上在拱脚以上1m和边墙中部附近的位移速度小于和边墙中部附近的位移速度小于0.10.2mm/d，或拱顶下沉速度小于，或拱顶下沉速度小于0.070.15mm

17、/d。 (3)初期支护表面裂缝不再继续发展。初期支护表面裂缝不再继续发展。 l二次衬砌设计二次衬砌设计 C二次衬砌施作时间的确定二次衬砌施作时间的确定 ： (4)施作二次衬砌前的位移值，应达到总位移值的施作二次衬砌前的位移值，应达到总位移值的80%90%。 (5)当采取一定措施仍难以符合上列条件时，可提前当采取一定措施仍难以符合上列条件时，可提前施作二次衬砌，且应予加强。当洞室较短且围岩自稳性施作二次衬砌，且应予加强。当洞室较短且围岩自稳性能较好时，为减少各工序间的干扰，可在整个洞室贯通能较好时，为减少各工序间的干扰，可在整个洞室贯通后再作二次衬砌。后再作二次衬砌。 （二）二次衬砌结构的设计（

18、二）二次衬砌结构的设计 l二次衬砌设计二次衬砌设计 D加强二次衬砌的措施加强二次衬砌的措施 ： 当围岩和初期支护尚未基本稳定而提前施作当围岩和初期支护尚未基本稳定而提前施作的二次衬砌，或在浅埋、偏压、膨胀性围岩和不的二次衬砌，或在浅埋、偏压、膨胀性围岩和不良地质地段施作二次衬砌，均要承受较大的围岩良地质地段施作二次衬砌，均要承受较大的围岩压力，故要求采取如下措施加强二次衬砌：压力，故要求采取如下措施加强二次衬砌： （二）二次衬砌结构的设计（二）二次衬砌结构的设计 l二次衬砌设计二次衬砌设计 D加强二次衬砌的措施加强二次衬砌的措施 ： (1)改变衬砌形状，以适应外荷情况，减少衬砌弯矩，改变衬砌形

19、状，以适应外荷情况，减少衬砌弯矩，使衬砌断面基本受压。使衬砌断面基本受压。 (2)提高混凝土标号，或采用钢筋混凝土、钢纤维混提高混凝土标号，或采用钢筋混凝土、钢纤维混凝土等能提高抗弯曲强度的材料。凝土等能提高抗弯曲强度的材料。 （二）二次衬砌结构的设计（二）二次衬砌结构的设计 l二次衬砌设计二次衬砌设计 D加强二次衬砌的措施加强二次衬砌的措施 ： (3)修建仰拱使衬砌形成封闭结构，以提高结修建仰拱使衬砌形成封闭结构，以提高结构的整体刚度，减少围岩变形。构的整体刚度，减少围岩变形。 (4)采用超前支护，注浆加固地层等措施，以采用超前支护，注浆加固地层等措施，以增加岩体强度，提高围岩整体稳定性。增

20、加岩体强度，提高围岩整体稳定性。 （二）二次衬砌结构的设计（二）二次衬砌结构的设计 l复合式衬砌防水层的设计复合式衬砌防水层的设计 地下洞室应根据要求采取防水措施。当有地下水时，地下洞室应根据要求采取防水措施。当有地下水时，初期支护和二次衬砌之间可设置塑料板防水层或采用喷初期支护和二次衬砌之间可设置塑料板防水层或采用喷涂防水层，并可采用防水混凝土衬砌。涂防水层，并可采用防水混凝土衬砌。 1）塑料板防水层；）塑料板防水层； 2）喷涂防水层；）喷涂防水层； 3）防水混凝土。）防水混凝土。 v参数确定：v经验法计算校核修正按公路隧道设计规范支护经验设计两车道隧道初期支护的设计参数围岩级围岩级别别初期

21、支护初期支护喷射混凝土厚度喷射混凝土厚度（cm）锚杆（锚杆（m）钢筋网钢筋网钢架钢架拱部、边墙拱部、边墙仰拱仰拱位置位置长度长度间距间距5-局部局部2.0-5-8-局部局部2.0-2.5-8-12-拱、拱、墙墙2.0-3.01.0-1.5局部局部2525-12-15-拱、拱、墙墙2.5-3.01.0-1.2拱、墙拱、墙2525拱、墙拱、墙15-25-拱、拱、墙墙3.0-4.00.8-1.2拱、墙拱、墙2525拱、墙、仰拱、墙、仰拱拱通过试验、计算确定通过试验、计算确定三车道隧道初期支护的设计参数围岩级围岩级别别初期支护初期支护喷射混凝土厚度喷射混凝土厚度（cm）锚杆（锚杆（m）钢筋网钢筋网钢架

22、钢架拱部、边墙拱部、边墙仰拱仰拱位置位置长度长度间距间距8-局部局部2.5-局部局部-8-10-局部局部2.5-3.5-局部局部-10-15-拱、拱、墙墙3.0-3.51.0-1.5拱、墙拱、墙2525拱、墙拱、墙15-20-拱、拱、墙墙3.0-4.00.8-1.0拱、墙拱、墙2020拱、墙拱、墙20-30-拱、拱、墙墙3.5-5.00.5-1.0拱、墙（双拱、墙（双层）层）2020拱、墙、仰拱、墙、仰拱拱通过试验、计算确定通过试验、计算确定v较少用v主要用在明洞部分三、整体式衬砌武阳右线隧道衬砌结构设计武阳右线隧道衬砌结构设计1、公路隧道设计规范对于衬砌设计的相关规定 2、武阳右线隧道衬砌布

23、置 5、 各级围岩衬砌设计图 3、 初期支护设计参数 4、 二次衬砌参数 武阳右线隧道衬砌布置武阳右线隧道衬砌布置里程衬砌级别长度(m)K23+275K23+300明洞25K23+300K23+310加强10K23+310K23+40797K23+407K23+567160K23+567K23+773206K23+773K23+987214K23+987K24+7386K24+073K24+213140K24+213K24+387174K24+387K24+513126K24+513K24+K24+K24+加强K24+K24+明洞初期支护设计初期支护设计1 1锚杆的设计参数锚杆的设计参数设计参

24、数如下：ua、锚杆类型： 级、和 级围岩采用WTD25中空注浆锚杆，级围岩采用水 泥沙浆锚杆；ub、锚杆长度： 可以按L=1/31/5W（W为隧道开挖宽度 ）取值，结合工程类比， 级围岩2.5m， 级围岩取3.0m，级围岩取3.5m；uc、布置方式：均采用梅花型布置；ud、布置间距：可以按0.5L0.7L进行取值，结合工程类比级围岩采用纵向1.5m ,环向1.5m ； 级围岩采用纵向1.2m ,环向1.2m；级围岩采用纵向1.0m ,环向1.0m。2 2、钢筋网、钢筋网a、钢筋型号：HPB335； b、直径：8； c、布置方式：单层，网格按矩形布置； d、网格间距：级围岩和级围岩加强段取20c

25、m20cm，级围岩 取25cm25cm，级围岩采用局部挂钢筋，网格间距 取25cm25cm ； f、钢筋的搭接长度：各级围岩均取200mm。3 3 喷射混凝土喷射混凝土 本隧道初期支护均采用C20喷射混凝土，喷射混凝土的厚度根据公路隧道设计，喷射混凝土厚度不应小于50mm，不宜大于300mm。应此在级围岩进出洞口加强段，喷射混凝土的厚度取250mm；级围岩段取200mm； 级围岩段取200mm； 级围岩段采用100mm。4 4 钢架钢架 级围岩：采用18号工字钢闭合环，纵向间距为75cm; 级围岩:采用18号工字钢，纵向间距为75cm4.4.二次衬砌设计参数二次衬砌设计参数 二次衬砌均采用模筑混凝土。为了保证衬砌截面的圆顺性，采用等厚的衬砌断面，仰拱厚度与拱强的厚度相同。由于武阳隧道的地下水蕴含比较丰富，应采模筑混凝土采用C25防水混凝土。其混凝土厚度： 级围岩：45cm 级围岩: 40cm 级围岩: 35cmO1O2隧道中线R2=806R2=806通讯电缆沟102.390092.3电力电缆沟R1=556100100纵向间距100，环向间距100梅花型布置WTD25中空注浆锚杆L=3502045877.14520EVA复合防水板C20喷射混凝土+挂8钢筋网20 x20