衬砌材料与衬砌类型

一、 衬砌 材料

        隧道是埋藏在地层深处的工程建筑物,其衬砌通常需要承受较大的围岩压力、地下水压力,有时还要受到化学物质的侵蚀,地处高寒地区的隧道往往还要受到冻害等。所以要求用于衬砌的材料应具有足够的强度、耐久性、抗渗性、耐腐蚀性和抗冻性等。

另一方面,隧道是大型工程构造物,每延米隧道都需要大量建筑材料,工程量很大。所以,从经济观点看,衬砌材料应价格便宜、能够就地取材、便于机械化施工。通常采用以下材料：
      1.混凝土
      这种材料的优点是整体性好,既可以在现场浇筑,也可以在加工厂预制,而且可以机械化施工。其本身密实性较好,具有一定的抗渗性。如果在水泥中掺入密实性外加剂,可以提高混凝土的密实度,从而改善混凝土的防水性能。或者使用减水剂,提高混凝土的密实程度,改善混凝土的抗渗性能。混凝土可以根据需要加入其他外加剂,如低温早强剂、常温早强剂、速凝剂、缓凝剂、塑化剂、加气剂等,来满足使用和施工上的需要。
      配制混凝土还可以根据需要选择合适的水泥,例如具备快硬、高强特性的有快硬硅酸盐水泥,具备快硬、早强特性的有硅酸盐膨胀水泥和石膏矾土膨胀水泥,具备抗渗防水特性的有大坝水泥和防水水泥,具备抗硫酸盐侵蚀的抗硫酸盐硅酸盐水泥,以及塑化水泥、加气水泥等。
      配制有抗冻要求的混凝土时,在寒冷地区水泥强度不小于42.5MPa,在严寒地区不宜低于52.5MPa。
      混凝土材料的缺点是灌筑后不能立即承受荷载,需要进行养护,达到一定强度才能拆模,占用的模板和拱架较多,同时普通混凝土的耐侵蚀能力较差。

      2.钢筋混凝土
      隧道施工时,暗挖部分就地绑扎钢筋比较困难,通常是在不得已时才采用现浇钢筋混凝土。而在很多情况下是采用格栅钢架并加上连接钢筋和钢筋网等作为临时支护,在完成临时支护之后,则延用为永久支护。这样就取代了钢筋绑扎过程,起到“一举两得”的效果。在明挖地段可以采用现场绑扎方式,也有采用废旧钢轨等材料的。采用混凝土的强度等级应满足《公路隧道施工技术规范》(JTJ042-1994)的要求。
      3.喷射混凝土
      喷射混凝土是将混凝土干拌和料、速凝剂和水,用混凝土喷射机高速喷射到洁净的岩石表面上凝结而成。其密实性较高,能快速封闭围岩的裂隙,密贴于岩石表面,早期强度高，能很快起到封闭岩面和支护作用,是一种理想的衬砌材料。
      4.锚杆与锚喷支护
      锚杆是用机械方法加固围岩的一种金属材料,种类很多,通常可分为机械型锚杆、粘结型锚杆以及顶应力锚杆。围岩不够稳定时,还可以张挂金属网。设置锚杆 再加喷混凝土时, 即为锚喷支护。
      5.石料
      在隧道衬砌中不得使用裂隙和风化的石料,块石砌体、片石砌体、砂浆等的强度等级及抗压强度设计值应符合《公路隧道设计规范》(JTGD70-2004)的要求。石衬砌材料的优点是材料来源广,可以就地取材,砌好后能较早地承受荷载,可以节省水泥和模板。不过目前已很少使用石料直接作为衬砌材料,尤其是在公路隧道中更无工例可寻。其缺点是砌缝多,容易漏水,施工主要靠手工操作,费工费时,需要大量熟练工人,目前还不能机械化施工。但洞门挡墙、挡土墙、明线路缘石等仍可使用。超挖部分可以使用片石混凝土回填砌筑。

二、 洞身衬砌类型

      山岭隧道与软土隧道、水下隧道相比,由于其受力、施工方法等存在差异,在结构形式上也有很大差别。即使山岭隧道,也因人们对围岩压力和衬砌结构所起作用的深入认识,而使结构形式发生很大变化。尤其是在20世纪中叶以后新奥法的发展,给隧道结构带来了深刻影响,使衬砌结构概念产生了根本改变。以下介绍的是矿山法(传统法)施工条件下的衬砌结构形式,虽然现在已经很少单独使用,但是作为一个历史发展阶段介绍它还是很有必要的。况且在新奥法施工工艺中还是不可或缺的组成部分,所以仍然有必要了解它。

      1.直墙式衬砌
      直墙式衬砌形式通常用于以垂直围岩压力为主要计算荷载、水平围岩压力很小的情况，一般适用于Ⅱ、Ⅲ级围岩,有时也可用于Ⅳ级围岩。对于公路隧道,直墙式衬砌结构的拱部,可以采用割圆拱、坦三心圆拱或尖三心圆拱。三心圆拱指拱轴线由三段圆弧组成,其轴线形状比较平坦(R1>R2)时称为坦三心圆拱,形状较尖(R2>R1)时称为尖三心圆拱, 若R1=R2=R时即为割圆拱(图2-3)。
      2.曲墙式衬砌
      通常在Ⅳ级以下围岩中,水平压力较大,为了抵抗较大的水平压力把边墙也做成曲线形状。当地基条件较差时,为防止衬砌沉陷,可设置仰拱,使衬砌形成环状封闭结构,如图2-4所示。

      3.喷(混凝土)锚(杆)衬砌及复合式衬砌
      这些衬砌与上述传统的衬砌方法有本质上的区别,关于这方面的概念,将在后续课堂中阐述,这里仅介绍其结构形式,如图2-5(a)所示。

      为了使混凝土结构的受力状态臻于理想化,要求用光面爆破开挖以使洞室周边平顺光滑,成型准确,减少超挖欠挖。然后尽快地喷混凝土,即为喷混凝土衬砌。
      根据实际情况,需要安装锚杆的则先装设锚杆,再喷混凝土,即为锚喷衬砌。如果以喷混凝土、锚杆或构件支撑的一种或几种组合作为初期支护,对围岩进行加固,维护围岩稳定,防止有害松动,待初期支护的变形基本稳定后,进行现浇混凝土二次衬砌,二者合称复合式衬砌。为使衬砌的防水性能可靠,保持无渗漏水,采用防水板作复合式衬砌中间防水层是比较适宜的,如图2-5(b)所示。
      上述岩石隧道衬砌结构,往往需要进行内部装饰,关于装饰的详细内容将在后续的课堂中为大家介绍。

      4.圆形断面隧道
      为了抵御膨胀性围岩压力,隧道可以采用圆形或近似圆形断面,可采用隧道掘进机(图2-6)施工。岩石隧道掘进机是开挖岩石隧道的一种机械化切削机械,可形成圆形断面。开挖后可以用喷混凝土衬砌、锚喷衬砌或拼装预制构件衬砌等多种形式。

     水底隧道广泛使用盾构法施工(图2-7),其断面为圆形。通常用预制的弧形管段在现场拼装。此时,在顶棚以上的空间和路面板以下的空间可以用作通风管道。车行道两侧的空间可以设置人行道或自行车道。其余空间还可以设置电缆  电缆桥架和其他设施等。水底隧道的另一种施工方法是沉埋法(图2-8),有单管和双管之分,其断面可以是圆形,也可以是矩形。

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