6.4 钻爆法隧道衬砌设计

6.4.3  本条对山岭隧道的洞口布置提出了基本要求。

6.4.5  本条对明洞的设置条件作了基本规定，隧道设计时应避免对洞口山体进行大量刷坡。

6.4.6  隧道衬砌因其通过的地质情况、结构受力、计算方法以及施工条件的不同，有整体式衬砌(模筑混凝土衬砌及砌体衬砌)、复合式衬砌(内、外两层衬砌组合而成)、喷锚衬砌(喷射混凝土、锚杆喷射混凝土、锚杆钢筋网喷射混凝土、喷钢纤混凝土衬砌)等形式。

     喷锚衬砌是一种加固围岩、抑制围岩变形，积极利用围岩自承能力的衬砌形式。它具有支护及时、柔性、密贴等特点，在受力条件上比模筑衬砌优越，对加快施工进度、节约劳动力及原材料、降低工程成本等效果显著，亦能保证管道运营安全，应予推广。

    复合式衬砌由内、外两层衬砌组合而成。通常称第一层衬砌为初期支护，第二层衬砌叫作二次衬砌；复合式衬砌内外两层组合的方式有喷锚与整体、装配与整体、整体与整体等多种，一般常用的是喷锚与整体的组合。其优点是能充分发挥围岩的自承能力，调整衬砌受力状态，充分利用衬砌材料的抗压强度，从而提高衬砌的承载力。

    整体衬砌是一次衬砌成形的传统形式，施工进度较慢，小断面隧道较少采用。

    衬砌结构类型及强度，必须能长期随围岩压力等承受作用，而围岩压力等作用又与围岩级别、水文地质、埋藏深度、结构工作特点等有关，因此在选定时，可根据这些情况考虑。此外，衬砌结构的选用还受施工方法、施工措施等影响，因而还需考虑施工条件等。鉴于地下结构的工作状态极为复杂，影响因素较多，单凭理论计算还不能完全反映实际情况，为了使理论与实践相结合，选用的衬砌更为合理，除根据以上因素外，还要通过工程类比和结构计算并适当考虑工程误差确定。

6.4.7  对设置衬砌时应符合的各项规定说明如下：

    1  隧道边墙一般有直墙和曲墙两种，一般隧道开挖后，围岩均会产生较大侧压力导致衬砌破坏，故一般跨度不大于5m的小断面隧道可采用直墙式衬砌，大断面隧道应采用曲墙式衬砌，尤其严寒地区洞口若不封闭，洞内冬季会冰冻，会产生较大侧压力导致衬砌破坏，更应采用曲墙式衬砌。

    2  当隧道外侧山体覆盖较薄，地面横坡较陡，或因洞身岩层构造不利，层面倾斜较陡，有顺层滑动可能以及施工坍塌产生围岩松动、滑移等情况而引起明显偏压的地段，为了承受不对称的围岩压力，应采用偏压衬砌。但也要注意当隧道外侧覆盖厚度过薄，会出现外侧土坡失稳，因而尚应采取设置地面锚杆、抗滑桩或支挡结构等措施。

    3  洞口地段，一般埋藏较浅，地质条件较差，受自然条件(雨水侵蚀、冰冻破坏、气候变化等)影响，土质较松散，岩石易风化，稳定性较洞内差，衬砌受力情况也较洞内不利，如有时受仰坡方向的纵向推力等。因此，洞口应设置洞口段衬砌或加强衬砌。根据经验，本款规定应不小于5m的加强衬砌长度。

    4  在洞身地质条件变化地段，围岩压力是不相同的，为了避免强度不够，引起衬砌变形，围岩较差地段的衬砌及偏压衬砌段应适当向围岩较好的地段延伸，以起过渡作用，延伸长度应视围岩的具体变化情况而定，一般延伸5m～10m。

    5  在洞身有明显的硬软地层分界处，由于地基承载力相差很大，前后衬砌下沉不匀，往往造成破裂，甚至引起其他病害，此时应设置变形缝。

6.4.8  采用复合式衬砌有关规定说明如下：

    1  复合式衬砌的初期支护多采用喷锚支护，具有支护及时、柔性的特点，并在一定程度上能够随着围岩的变形而变形，力求最大限度地发挥围岩的自承能力。根据围岩条件，复合衬砌初期支护采用喷射混凝土、锚杆、钢筋网和钢架等支护形式单一或组合施工，并通过监控量测手段，确定围岩已基本趋于稳定，再进行内层二次衬砌施工，二次衬砌可采用模筑混凝土、喷锚、拼装式衬砌等。

    2  影响二次衬砌受力状态的因素很多，除围岩级别、地下水状态、隧道埋置深度外，还有初期支护的刚度、隧道断面大小及其施作时间等，故设计二次衬砌时，应综合考虑各种因素的影响，以期达到经济安全的目的。目前，多采用工程类比法设计二次衬砌。管道隧道均属于小断面隧道，若采用模筑混凝土二次衬砌工法，则衬砌台车与出渣设备在空间上产生矛盾，初支和二衬不能同步施工，因而绝大多数隧道都是待贯通之后才施作二次衬砌，造成较差的围岩段施工中存在不安全因素，也造成隧道工期的延长，若二衬也采用喷锚支护就可解决上述两项缺点。二次衬砌一般受力比较均匀，为防止应力集中，故宜采用连接圆顺、等厚的马蹄形断面。

    3  表6.4.8中复合衬砌的设计参数，是根据国外铁路(公路)隧道支护参数统计、类比，结合专家意见进行调研修改的。其中Ⅳ、Ⅴ级围岩当初期支护设置格栅钢架时，要求喷射混凝土必须覆盖钢架。

6.4.9  采用喷锚衬砌时，应符合的规定说明如下：

    1  为确保衬砌不侵入隧道限界，喷锚衬砌内轮廓除考虑按整体式衬砌内轮廓要求放大外，尚应预留100m作为补强之用。喷锚衬砌是柔性结构，厚度较薄，并与围岩共同作用，考虑必要时需要加强喷锚衬砌，以防内轮廓尺寸不够，因此预留。

    3  鉴于有水时不利于喷层与围岩的紧密黏结，难以充分发挥喷射混凝土的应有作用，甚至给喷射混凝土带来不利影响；洞内地下水具有侵蚀性的地段，易造成衬砌腐蚀，由于喷层厚度较薄，受腐蚀的危害甚于模筑混凝土衬砌，岩性较软的岩层，开挖后易风化潮解，亲水性很强，遇水泥化、软化、膨胀、围岩压力大，严重者发生淤泥状流淌，稳定性较差，喷锚衬砌难以阻止其迅速的变形；喷锚衬砌抗冻胀性能较差，严寒和寒冷地区，土壤冻胀导致衬砌破坏的危害甚于模筑混凝土衬砌，故大面积淋水地段、能造成腐蚀及膨胀性地层的地段、严寒和寒冷地区不封闭的隧道，不宜采用喷锚衬砌。对于地下水不发育的Ⅴ级围岩的山岭隧道，通过现场试验确定相关参数后，也可采用锚喷支护。

6.4.10  采用整体式衬砌时，应符合的规定说明如下：

    1  隧道洞口地段，如线路中线与地形等高线斜交，地质条件较好，为降低边、仰坡开挖高度，选用斜交洞门时，可采用斜交衬砌。但因斜交地段地层压力和衬砌受力较为复杂，施工也较困难，特别是在松软地层地段，易出现病害或造成事故，为了安全，故制定本条规定。

    2  在严寒地区，冬春季节，洞内气温常在0℃以下，衬砌圬工由于冷缩影响，往往导致开裂、变形，为了结构安全，应设置伸缩缝，伸缩缝的间距可视隧道长度及其所在地区最冷月平均气温等条件确定，一般是洞口段短些，洞内长些，气温影响较大者短些，影响较小者长些；设计时，可根据具体情况，每隔10m～30m设置一道，如围岩较好，又无地下水时，亦可采用贯通拱圈与边墙的工作    当洞身通过地质不良地段或傍山有偏压地段，一般地压较大，且不对称，如不及时压注水泥砂浆填充衬砌与围岩间空隙，衬砌更易变形，因此要求向衬砌背后进行断面压注水泥砂浆或其他浆液，既填充空隙，改善衬砌受力状态，又加固围岩，减少围岩压力。

    有地下水地段设有引水设备时，应采取措施，防止堵塞通路，但不能因为需引水而不压浆，衬砌是主体结构，防止衬砌变形是主要的。如压浆后排水通路堵塞造成渗漏时，可再钻孔、凿槽或埋管引水，或采取其他防水措施。

6.4.11  初期支护应具有合理的刚度，并且在一定程度能够随着围岩的变形而变形；由于喷射混凝土、锚杆、钢筋网、钢架或格栅钢架等的不同作用各不相同，初期支护的刚度与其组成成分有着密切关系。故在设计时应根据工程地质、水文地质、隧道断面尺寸、覆盖层厚度等条件选择初期支护的组成部分，确定初期支护的刚度时，除上述因素外，还应考虑地面及地下建筑物的种类及状态和使用目的等因素；当隧道所在地区对地表下沉量有严格限制时，在此条件下，应进行现场试验，防止单凭经验处理问题。在松散、胶结性差的地层中可加设钢筋网，以提高喷射混凝土与受喷岩面间的黏结力，防止喷层剥落和松散介质坍塌。

    在不同地质条件下，使用锚杆的目的也不同。在节理、层理发达的硬岩和中硬岩中，因岩石本身强度高，一般会出现因开挖而使围岩中的应力超过围岩本身强度的现象；在此条件下，采用锚杆的目的在于抑制岩块间的滑动，以保持围岩稳定。在软岩或土砂地层中，往往因开挖而使围岩中的应力超过本身的强度，从而在围岩中出现塑性区，使净空变形加大，此时采用锚杆的目的在于限制塑性区的产生及发展，尽力减少围岩变形，以达到稳定围岩的目的。

    锚杆类型可分为端头锚固型、全长黏结型、摩擦型、预应力锚杆等。

6.4.12  对隧道的仰供衬砌提出了具体要求。

6.4.13  钻爆法隧道设计、施工应遵循新奥法，是集设计、施工、勘察于一体的动态控制过程。通过施工勘察与监测，可以调整设计支护参数和施工工艺，提前发现工程难点、疑点，及早进行技术准备，实现安全、可靠、经济、合理的目标。因此工程设计中应针对具体的条件提出具体的施工勘察和监测要求。

6.4.19  隧道设计应采取下列施工防水、防坍塌措施，保证施工安全。

    1  留设隔水岩柱。

    一般山岭钻爆法隧道，其顶面上覆盖层厚度一般不小于隧道横断面高度的2.5倍～3倍，但对于水下隧道来讲，在隧道开挖后，受打眼、爆破作业的扰动，围岩原始状态遭到破坏，从而产生导水裂隙或使原裂隙扩张导通，因此必须留设隔水岩柱将河水与开挖隧道“隔离”，防止涌水，保证施工安全。“隔水岩柱”实际就是隧道埋深，参照煤矿水下采煤方法在采区顶部保留一定厚度的隔水岩柱，以防止水的侵入。一般而言隧道顶与水体之间的竖向距离不宜小于隧道横断面高度的10倍。防水侵入的保护岩层厚度按下式计算：

      式中：
          S——保护岩层的厚度(m)；

          H——水头高度(m)；水深与隧道最小埋深之和，要考虑顶部基岩的预水裂隙长度；

          B——隧道毛断面宽度(m)；

          F——围岩的强度系数；

          C——风化层厚度(m)。

    2  超前探水。

    对于有的围岩，裂隙发育或岩石破碎，甚至有断裂带，断裂带中充填物胶结不实等情况下，仅留隔水岩柱隔水是不够的。为了确保开挖面安全作业，设计应要求施工中必须向开挖面打超前钻“探水”。探水钻孔有两个作用：一是根据探水钻孔所取岩芯判断开挖前方岩石破碎情况，裂隙发育程度等(因为工程地质勘察时，按详勘要求一般钻孔孔距50m，孔与孔之间地层情况很难预测)；二是根据钻孔流水流量判断裂隙是否导水，是否与河水有水力联系(一般流水是清水而不带黄色说明与河水无水力联系)，从而确定是否需要采取进一步措施治水。一般超前探水钻孔3个，钻孔口应有防突水措施(在孔口安装闸门)，一个钻孔取岩芯，两个不取岩芯，钻孔长度一般30m～50m，孔径为100m～150mm，钻孔搭接长度10m。钻孔外插角一般3°。

    3  超前地质预报。

    根据围岩状况，对于断层较多，围岩破碎的隧道除了要进行超前钻孔探水外，还应进行超前地质预报，采用CQTC-1、TSP等超前地质预报探测系统，可以探测前方各种地质构造、破碎带、充水带，与超前探水结合，有效地避免大量涌水、坍塌等地质灾害，确保施工安全。

    4  注浆“堵水”。

    超前钻探发现开挖面前方出现异常状况，围岩破碎，裂隙发育，钻孔水流量大，不采取措施施工难度较大且存在较大风险时，应立即停止开挖作业，采取注浆措施“堵水”，以防止大量的裂隙水涌人开挖面。