隧道二次衬砌：守护地下通道的坚固防线

在隧道工程的复杂体系中，二次衬砌结构宛如一位默默坚守的卫士，虽身处初期支护之后，却肩负着保障隧道长期稳定、安全与耐用的重任。它不仅是抵御地层压力、活载及偶然荷载的坚固堡垒，更是防水、美观等功能的综合提供者，今天就让我们深入了解隧道二次衬砌的奥秘。

一、多重功效 ，筑牢隧道安全根基

（一）永久承载，稳如泰山

协同抵御地层压力： 与初期支护携手，共同承接长期作用的围岩压力和水压力。在复杂地质条件下，二者如同默契的搭档，根据围岩特性动态分配受力比例，确保隧道结构稳固。

承受运营活载： 无论是川流不息的车辆荷载，还是各类设备运转产生的荷载，二次衬砌都能从容应对，以其坚实的身躯维持隧道结构稳定，保障运营安全。

抵抗偶然冲击： 在地震等偶然荷载来袭时，二次衬砌凭借自身强度和与初期支护的协同作用，为隧道提供关键的抗灾能力，降低灾害对隧道结构的破坏风险。

提升整体刚度： 二次衬砌的存在极大地提高了隧道结构的整体刚度，使其在面对各种复杂受力情况时，依然能够保持稳定，减少变形。

（二）防水耐久，延长隧道寿命

防水关键防线： 作为隧道防水体系的核心环节，与初期支护间的防水层紧密配合，二次衬砌形成阻止地下水渗入的最后一道坚实屏障，确保隧道内部环境干燥，避免因渗漏引发的病害。

保护初期支护： 地下水的侵蚀和风化作用会逐渐削弱初期支护的性能，而二次衬砌能有效阻挡这些不利因素，为初期支护保驾护航，延长整个隧道结构的使用寿命。

自身耐久性强： 采用高性能混凝土建造的二次衬砌，具备出色的抗碳化、抗氯离子侵蚀和抗冻融循环能力，在恶劣环境下依然能够保持良好的性能。

（三）安全储备，应对突发状况

初期支护的后盾： 当初期支护因局部受损或长期性能退化而无法完全发挥作用时，二次衬砌挺身而出，提供重要的安全储备，防止隧道结构失稳。

复杂地质的保障： 对于地质条件复杂或重要性高的隧道，二次衬砌在设计中承担更大的承载比例，为隧道的安全运营提供更可靠的保障。

（四）改善环境，满足使用需求

平整内表面： 为照明、通风、信号、消防等设施的安装提供了平整、光滑的内表面，不仅提高了设施安装的便利性，还能保证行车的舒适性和安全性。

满足防火美观要求： 通过合理选择材料或附加防火层，二次衬砌能够满足隧道的防火需求；同时，其良好的外观效果也能为隧道增添美观性，提升整体形象。

二、多样形式，适配复杂工程需求

（一）模筑混凝土衬砌：应用广泛的经典之选

这是最为常见的二次衬砌形式。在初期支护和防水层完成后，通过架立模板台车，现场浇筑混凝土。根据受力需要，其断面形式丰富多样，如等厚直墙拱形适用于地质条件较好的地段，能有效承受竖向荷载；曲墙拱形则更适合地质条件复杂、水平围岩压力较大的情况，可更好地抵抗侧向力；圆形断面常用于盾构隧道，能均匀分散地层压力；马蹄形断面则在公路隧道中较为常见，兼顾了施工便利性和结构受力性能。多数情况下采用钢筋混凝土浇筑，以增强结构的抗拉和抗弯能力，但在少数地质条件优越、受力较小的部位，也可使用素混凝土。

（二）预制管片衬砌：盾构隧道的得力助手

主要应用于盾构法隧道施工。在工厂预制高强度钢筋混凝土管片，甚至采用铸铁、钢材等材料制作管片，然后运输至施工现场进行拼装成环。这些管片不仅是隧道的支护结构，更是最终的衬砌结构，集支护与永久衬砌功能于一身。在传统矿山法施工中，由于其拼装工艺和场地要求等限制，较少用于二次衬砌。

（三）喷射混凝土衬砌：特定条件下的选择

在围岩条件极好，或者作为临时加固措施时，可采用钢纤维喷射混凝土作为二次衬砌。其施工速度快，能快速对围岩提供支护作用，但由于其施工质量控制难度较大，且耐久性相对较弱，应用范围相对较窄。

三、精选材料，铸就坚固衬砌结构

（一）混凝土：二次衬砌的核心材料

高强度要求： 通常设计强度等级不低于 C30/C35，在重要隧道或受力较大的部位，为满足更高的承载需求，可能会使用 C40/C50 甚至更高强度等级 的混凝土。

高耐久性保障： 通过采用低水胶比、高抗渗等级（如 P8/P10）的配合比设计，以及掺加矿物掺合料（粉煤灰、矿粉）和高效减水剂，提高混凝土的抗冻融、抗化学侵蚀能力，确保其在长期使用过程中性能稳定。

良好工作性必备： 为保证混凝土能够顺利泵送并在浇筑过程中尤其是拱顶部位实现密实填充，需要具备良好的工作性，确保混凝土能够均匀、流畅地填充到模板的各个角落。

（二）钢筋：增强结构性能的关键

在钢筋混凝土衬砌中，钢筋发挥着至关重要的作用。它能够承受拉应力和弯曲应力，有效控制裂缝宽度，提高结构的延性和整体性，同时抵抗温度应力和收缩应力，增强衬砌结构的稳定性和可靠性。

（三）钢 纤维： 提升混凝土性能的助手

有时会将钢纤维掺入混凝土中，以代替或部分代替钢筋。钢纤维的加入能够显著提高混凝土的韧性、抗裂性和抗冲击性能，使混凝土在承受复杂荷载时表现更加出色。

（四）其他材料：特殊情况的选择

在特殊情况下，可能会使用钢拱架作为内层骨架，进一步增强衬砌结构的承载能力；或者添加合成纤维，改善混凝土的性能，提高其抗裂、抗渗等特性。

四、精细设计，确保结构安全可靠

（一）设计原则：科学严谨的指引

极限状态设计法： 从承载能力极限状态和正常使用极限状态两个维度进行设计，确保二次衬砌在各种不利工况下既能满足结构强度要求，又能保证正常使用功能。

协同作用考量： 充分考虑初期支护与二次衬砌的协同工作模式，采用 “共同承载模型” 或 “组合结构模型”，使二者在不同阶段、不同工况下合理分担荷载；同时，也考虑初期支护失效后二次衬砌单独承载的情况，采用更保守的 “荷载 - 结构模型” 进行复核，确保安全。

水压力重视： 在地下水丰富的地段，将水压力作为主要设计荷载之一，通过精确计算和合理的结构设计，确保二次衬砌能够有效抵抗水压力的作 用。

施工方法适配： 不同的开挖和衬砌方法，如全断面法、台阶法、CRD 法、盾构法等，会对隧道结构内力产生显著影响。在设计过程中，充分考虑施工方法带来的影响，优化结构参数，确保设计与施工的紧密结合。

长期效应关注： 考虑混凝土收缩、徐变等长期效应，对结构内力进行长期分析，合理预留变形余量，保证隧道结构在长期使用过程中的稳定性。

规范严格遵循： 严格遵循国家及行业相关设计规范，如《公路隧道设计规范》JTG D70、《铁路隧道设计规范》TB 10003、《地下工程防水技术规范》GB 50108 等，确保设计的合规性和可靠性。

（二）主要荷载：全面考量的因素

围岩压力： 包括垂直方向和侧向的围岩压力，是二次衬砌设计的主要荷载之一。其大小和分布与围岩的地质条件、隧道埋深、开挖方式等密切相关，需要通过精确的地质勘察和计算确定。

地下水压力： 静水压力和外水压力对二次衬砌的作用不容忽视。在设计中，根据地下水位、围岩渗透特性等因素准确计算水压力，并采取相应的抗渗、防水措施。

结构自重： 二次衬砌自身的重量也是设计荷载的一部分，在计算结构内力时需要予以考虑。

回填层压力： 如有回填层，其对二次衬砌产生的压力也需纳入设计荷载范围。

车辆或设备荷载： 运营期间的车辆荷载或设备荷载，根据实际使用情况进行合理取值和分布模拟，确保二次衬砌能够承受这些活载的作用。

温度变化影响： 温度变化会导致二次衬砌产生热胀冷缩变形，从而产生温度应力。在设计中，考虑不同地区的温度变化范围，对温度应力进行计算和分析，采取相应的构造措施加以应对。

混凝土收缩、徐变影响： 混凝土在硬化过程中会发生收缩，在长期荷载作用下会产生徐变，这些特性会对二次衬砌的内力和变形产生影响，设计时需进行详细计算和考虑。

地震力： 在地震区，地震力是重要的设计荷载。根据地震设防烈度、场地条件等因素，采用合适的地震分析方法，计算地震力对二次衬砌的作用，确保结构具有足够的抗震能力。

（三）计算方法：精准分析的手段

荷载 - 结构模型： 将地层压力简化为作用在衬砌上的荷载，把衬砌视为弹性地基上的梁、拱、框架等结构进行计算。常用的方法有弹性连续框架法、弹性地基梁法（链杆法、弹性支撑法）、有限元法等。这种模型计算相对简单，能够快速得到结构内力，但对复杂地质条件和结构相互作用的模拟能力有限。

地层 - 结 构模型 ： 利用有限元、有限差分或边界元等数值分析方法，将衬砌和周围岩土体作为一个相互作用的整体系统进行模拟。这种方法能够更真实地反映隧道在三维复杂受力状态下的力学行为，是现代隧道设计的主流方法，但计算过程较为复杂，对计算资源要求较高。

经验类比法： 参考类似地质条件和工程条件的成功经验，确定二次衬砌的结构参数。该方法通常作为辅助手段或在初步设计阶段使用，为后续的详细设计提供参考和依据。

五、严格施工，把控每道关键工序

（一）施作时机：科学决策的关键

一般情况下，在初期支护变形基本稳定后进行二次衬砌施作，这可以通过监控量测数据进行准确判断，避免变形过大对未完全硬化的衬砌混凝土造成挤压破坏。然而，在软弱围岩或对变形控制要求严格的隧道中，为了及时提供更强的约束，也可能在初期支护变形未完全稳定时提前施作二次衬砌。

（二）工艺流程（以模筑混凝土衬砌为例）

基面处理： 仔细清理初期支护表面的杂物、灰尘和渗漏水点，确保表面平整、无尖锐突出物，为后续防水层铺设和混凝土浇筑创造良好条件。

铺设防水层： 这是防水的关键步骤。先铺设土工布缓冲层，再铺设防水板（如 HDPE/LDPE/ECB 等），确保防水板搭接可靠、固定牢固且无破损，为二次衬砌防水奠定坚实基础。

钢筋绑扎（如有）： 严格按照设计要求准确绑扎和定位钢筋骨架，保证钢筋的规格、数量、间距等符合设计标准，确保钢筋在衬砌结构中充分发挥作用。

模板台车就位： 将模板台车精确定位并支撑牢固，确保结构尺寸和净空满足设计要求。同时，在模板表面涂刷脱模剂，便于后续拆模。

混凝土浇筑： 采用对称分层浇筑的方法，尤其是在拱墙部位，防止因偏压导致台车移位。加强振捣工作，特别是在钢筋密集区和模板角落，确保混凝土密实无空洞。拱顶部位是浇筑的难点，需预留注浆孔，通过泵送挤压或预留注浆管后期注浆的方式，确保灌注饱满。

养护： 及时、充分的养护对混凝土强度和耐久性至关重要。可采用洒水、覆盖、喷涂养护剂等方式，确保混凝土在适宜的环境中硬化。

拆模： 待混凝土强度达到设计或规范要求（通常≥8MPa）后，方可拆除模板，避免过早拆模导致混凝土结构受损。

背后回填注浆： 拆模后，通过预埋注浆管对衬砌与防水层之间的空隙进行填充注浆，使衬砌与围岩紧密贴合，改善结构受力状况，并辅助防水。

（三）质量控制关键点：品质保障的核心

混凝土质量： 严格控制混凝土的配合比、坍落度、入模温度等参数，确保混凝土强度和耐久性指标符合设计要求。

防水层施工质量： 重点检查防水层的铺设完整性、焊接或粘接质量，确保 无破损，防止地下水渗漏。

钢筋工程质量： 对钢筋的规格、数量、间距、保护层厚度进行严格检查，保证钢筋工程质量符合设计和规范要求。

模板安装精度： 确保模板的位置、标高、尺寸准确无误，稳定性良好，为混凝土浇筑提供精确的模具。

浇筑密实度： 特别关注拱顶和施工缝位置的浇筑密实度，避免出现空洞、蜂窝等质量缺陷。

施工缝处理： 对施工缝进行凿毛清理，安装止水带（条），并充分湿润，确保施工缝连接牢固、防水可靠。

养护条件： 保证养护条件满足混凝土硬化需求，促进混凝土强度正常增长和耐久性提升。

背后回填注浆效果： 检查背后回填注浆的效果，确保注浆填充饱满，衬砌与围岩密贴，达到预期的受力和防水效果。

隧道二次衬砌作为隧道工程中的关键环节，其设计与施工质量直接关系到隧道的长期稳定与安全运营。从功能作用到 结构形式， 从材料选择到设计计算，再到施工要点与质量控制，每一个环节都凝聚着工程建设者的智慧与心血。只有在各个环节严格把关，精益求精，才能打造出高质量的隧道二次衬砌结构，为隧道工程的顺利运行提供坚实保障，让隧道在地下默默服务于人们的出行与生活。