第３６卷第３期 ２０１６年３Ｂ 隧莲建磺 Ｔｕｎｎｅｌ Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ Ｖ０１．３６ Ｎｏ．３ Ｍａｒ．２０１６ 漫谈矿山法隧道技术第五讲——衬砌（一） 关宝树 （西南交通大学，四川成都６１００３１） 摘要：从使用性、应对未来不确定因素和特殊围岩时补充支护的力学功能等方面分析二次衬砌的功能，说明二次衬砌是确保隧道 使用性、耐久性、降低不确定因素影响及具有力学功能的不可或缺的构件。分析衬砌的耐久性：目前各国对衬砌的计划使用期限 的规定一般是１００年；调查显示，混凝土衬砌经过修补或采用“预防维护”体制，可以满足１００年的耐久性要求，但运营隧道的衬砌 有随时间逐渐劣化的趋势。隧道结构劣化的原因除了施工质量未达到设计要求外，主要是围岩劣化和衬砌本身劣化。结合日本的 试验分析认为：在耐久性设计中，可以不考虑围岩劣化的问题。混凝土衬砌的耐久性，多数情况下取决于混凝土的施工工艺。调查 发现目前衬砌存在的主要问题有：１）衬砌｝昆凝土不密实；２）衬砌背后留有空洞；３）衬砌厚度不均匀，拱顶厚度偏薄且留有空隙； ４）衬砌混凝土存在潜在的裂缝。总结各国在提高隧道二次衬砌耐久性方面的主要措施：１）尽可能不采用钢筋混凝土衬砌；２）采 用钢筋混凝土时，保护层厚度应不小于５０ ｍｍ；３）采用喷混凝土作为二次衬砌时，除计算厚度外，应增加５０ ｍｍ的保护层厚度；４） 二次衬砌应设置仰拱；５）仰拱和拱墙须“闭合成环”；６）改善混凝土施工工艺；７）减少混凝土衬砌的初始缺陷。认为在现有技术的 基础上做好６）、７）两点，衬砌的耐久性将得到极大的改善。针对６）、７）两点，介绍日本在衬砌施工关键工艺——浇筑、捣固和养生 方面的做法：拱顶部水平压人浇筑工法、隧道衬砌拱顶捣固系统、喷雾养生和采用塑料模板，以期为我国同仁提供借鉴。 关键词：隧道；矿山法；二次衬砌；衬砌耐久性；围岩耐久性；浇筑；捣固；喷雾养生 ＤＯＩ：１０．３９７３／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７２—７４１Ｘ．２０１６．０３．００１ 中图分类号：ｕ ４５ 文献标志码：Ａ 文章编号：１６７２—７４１Ｘ（２０１６）０３—０２５１—０６ Ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ ｂｙ Ｍｉｎｉｎｇ Ｍｅｔｈｏｄ：Ｌｅｃｔｕｒｅ Ｖ：Ｌｉｎｉｎｇ Ｉ ＧＵＡＮ Ｂａｏｓｈｕ （Ｓｏｕｔｈｗｅｓｔ Ｊｉａｏｔｏｎｇ Ｕｎｉｖｅ￣ｉｔｙ，Ｃｈｅｎｇｄｕ ６１００３１，Ｓｉｃｈｕａｎ，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｆｕｎｃｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｓｅｃｏｎｄａｒｙ ｌｉｎｉｎｇ ｉｓ ｓｔｕｄｉｅｄ ｉｎ ｔｅｒｍｓ ｏｆ ａｐｐｌｉｃａｂｉｌｉｔｙ，ｕｎｃｅｒｔａｉｎ ｆａｃｔｏｒｓ ａｎｄ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ ｔｅｍｐｏｒａｒｙ ｓｕｐｐｏ￣ｆｏｒ ｂａｄ ｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇ ｒｏｃｋｓ；ａｎｄ ｉｔ ｉｓ ｅｍｐｈａｔｉｃａｌｌｙ ｉｌｌｕｓｔｒａｔｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｓｅｃｏｎｄａｒｙ ｌｉｎｉｎｇ ｉｓ ｉｓ ｋｅｙ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ．Ｔｈｅ ｒｅｑｕｉｒｅｄ ｐｌａｎｎｉｎｇ ｓｅｒｖｉｃｅ ｌｉｆｅ ｏｆ ｔｈｅ ｓｅｃｏｎｄａｒｙ ｌｉｎｉｎｇ ｏｆ ｅｖｅｒｙ ｃｏｕｎｔｙ ｉｒｓ １ ００ ｙｅａｒｓ；ｔｈｅ ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｓｅｒｖｉｃｅ ｌｉｆｅ ｏｆ ｔｈｅ ｓｅｃｏｎｄａｒｙ ｌｉｎｉｎｇ ｃａｎ ｒｅａｃｈ １００ ｙｅａｒｓ ｕｎｄｅｒ ｎｅｃｅｓｓａｒｙ ｍａｉｎｔｅｎａｎｃｅ． Ｔｈｅ ｄｅｇｒａｄａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｔｕｎｎｅｌ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｉｓ ｍａｉｎｌｙ ｉｎｄｕｃｅｄ ｂｙ ｄｅｇｒａｄａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇ ｒｏｃｋｓ，ｄｅｇｒａｄａｔｉｏｎ ｏｆ ｌｉｎｉｎｇ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｎｄ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｑｕａｌｉｔｙ．Ｔｈｅ ｄｕｒａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｃｏｎｃｒｅｔｅ ｉｓ ｍａｉｎｌｙ ｄｅｃｉｄｅｄ ｂｙ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．Ｔｈｅ ｍａｉｎ ｐｒｏｂｌｅｍｓ ｏｆ ｌｉｎｉｎｇ ａｒｅ ａｓ ｆｏｌｌｏｗｓ：１）Ｔｈｅ ｌｉｎｉｎｇ ｃｏｎｃｒｅｔｅ ｉｓ ｎｏｔ ｃｏｍｐａｃｔ；２）Ｔｈｅｒｅ ａｒｅ ｈｏｌｌｏｗｓ ｂｅｈｉｎｄ ｔｈｅ ｌｉｎｉｎｇ；３） Ｔｈｅ ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ ｏｆ ｌｉｎｉｎｇ ｉｓ ｎｏｎ—ｕｎｉｆｏｒｍ，ａｎｄ ｔｈｅ ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ ｏｆ ｔｈｅ ｃｒｏｗｎ ｉｓ ｓｍａｌｌ；４）Ｔｈｅｒｅ ａｒｅ ｐｏｔｅｎｔｉａｌ ｃｒａｃｋ ｉｎ ｔｈｅ ｌｉｎｉｎｇ ｃｏｎｃｒｅｔｅ．Ｔｈｅ ｃｏｕｎｔｅｒｍｅａｓｕｒｅｓ ｆｏｒ ｉｍｐｒｏｖｉｎｇ ｔｈｅ ｄｕｒａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｓｅｃｏｎｄａｒｙ ｌｉｎｉｎｇ ａｒｅ ｓｕｍｍａｒｉｚｅｄ ａｓ ｆｏｌｌｏｗｓ：１） Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ ｃｏｎｃｒｅｔｅ ｌｉｎｉｎｇ ｓｈｏｕｌｄ ｎｏｔ ｂｅ ｕｓｅｄ ａｓ ｍｕｃｈ ａｓ ｐｏｓｓｉｂｌｅ；２）Ｔｈｅ ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ ｏｆ ｔｈｅ ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ ｃｏｖｅｒ ｓｈｏｕｌｄ ｎｏｔ ｂｅ ｌｅｓｓ ｔｈａｎ ５０ ｍｍ ｗｈｅｎ ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ ｃｏｎｃｒｅｔｅ ｌｉｎｉｎｇ ｉｓ ｕｓｅｄ；３）Ｔｈｅ ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ ｃｏｖｅｒ ｏｆ ５０ ｍｍ ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ ｓｈｏｕｌｄ ｂｅ ｕｓｅｄ ｗｈｅｎ ｓｈｏｔｃｒｅｔｅ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｉｓ ｕｓｅｄ；４）Ｔｈｅ ｉｎｖｅｒｔ ｓｈｏｕｌｄ ｂｅ ｕｓｅｄ；５）Ｔｈｅ ｒｉｎｇ ｏｆ ｉｎｖｅｒｔ ａｎｄ ｓｉｄｅ ｗａｌｌ ｓｈｏｕｌｄ ｂｅ ｃｌｏｓｅｄ； ６）Ｔｈｅ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｆ０ｒ ｃｏｎｃｒｅｔｅ ｓｈｏｕｌｄ ｂｅ ｉｍｐｒｏｖｅｄ；７）Ｔｈｅ ｉｎｉｔｉａｌ ｓｔｕｃｔｒｕｒａｌ ｄｉｓａｄｖａｎｔａｇｅ ｏｆ ｃｏｎｃｒｅｔｅ ｌｉｎｉｎｇ ｓｈｏｕｌｄ ｂｅ ｍｉｎｉｍｉｚｅｄ．Ｔｈｅ ａｕｔｈｏｒ ｂｅｌｉｅｖｅｓ ｔｈａｔ ｃｏｕｎｔｅｒｍｅａｓｕｒｅｓ ６）ａｎｄ ７）ａｒｅ ｍｏｓｔ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ．Ｔｈｅ ｋｅｙ ｌｉｎｉｎｇ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ ｉｎ Ｊａｐａｎ，ｇｒｏｕｔｉｎｇ，ｔａｍｐｉｎｇ ａｎｄ ｓｔｅａｍ ｃｕｒｉｎｇ，ａｒｅ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ，ｓ０ ａｓ ｔｏ ｐｒｏｖｉｄｅ ｇｕｉｄａｎｃｅ ｆｏｒ ｔｈｅ ｌｉｎｉｎｇ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｉｎ Ｃｈｉｎａ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｔｕｎｎｅｌ；ｍｉｎｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄ；ｓｅｃｏｎｄａｒｙ ｌｉｎｉｎｇ；ｌｉｎｉｎｇ ｄｕｒａｂｉｌｉｔｙ；ｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇ ｒｏｃｋ ｄｕｒａｂｉｌｉｔｙ；ｇｒｏｕｔｉｎｇ； ｔａｍｐｉｎｇ；ｓｔｅａｍ ｃｕｒｉｎｇ 收稿日期：２０１５—０７—１５ 作者简介：关宝树（１９３２一），男，辽宁人，西南交通大学教授，博士生导师，从事隧道及地下工程教学和科研５０余年，隧道与地下工程资深专家。 Ｅ—ｍａｉｌ：ｇｕａｎｂａｏｓｈｕ＠１２６．ｃｏｎ。 窿篷建谨 第３６卷 Ｏ 引言 与围岩、喷混凝土、锚杆、钢架一样，衬砌也是构成 下，要求初期支护能够保证隧道的长期稳定，此时，围 岩与初期支护成为隧道构造的承载主体。在这种情况 隧道支护结构的一个构件。在不同的国家，由于围岩、 技术、环境等条件不同，处理衬砌的方法也不同。形成 了以我国和日本为代表的复合式衬砌支护结构和以欧 洲国家为代表的喷锚支护结构２个不同的支护结构体 系。前者认为衬砌不需要承载，但应满足构造（安全 下，理论上二次衬砌不是必须的。一些欧洲国家，在良 好围岩条件下，基本上是不施作混凝土衬砌的，包括海 底隧道；而把我们所谓的初期支护作为永久支护。有 的国家，例如日本，与我国的做法是一致的，都将衬砌 作为安全储备来设置，仅在构造上要求能够确保隧道 的长期使用性和耐久性。只有在一些地层破碎带、土 砂围岩或特殊围岩中，才要求衬砌发挥承受后期荷载 和长期耐久性的功能。 日本在隧道结构物的性能设计中，明确规定二次 衬砌的功能是：１）具有隧道使用性的必要功能；２）具 储备）及耐久性的要求；后者认为衬砌可以独立承载 或与喷锚支护共同承载，同时满足耐久性的要求。 二次衬砌是确保隧道结构耐久性的基本方法。本 讲针对二次衬砌的功能以及在复合式支护结构中的作 用，重点说明在现行设计和现有技术条件下提高二次 衬砌的功能及耐久性的方法和对策。 备应对未来不确定因素的功能；３）在小埋深、断层破 碎带、膨胀性围岩、城市矿山法隧道等特殊围岩条件， 具有补充支护的力学功能。 １ 复合式支护结构中衬砌的功能 自从引进喷混凝土和锚杆技术后，由围岩、初期支 护和二次衬砌构成的复合式支护结构已成为我国公路 和铁路矿山法隧道支护构造的主体。在一般围岩条件 表１是针对上述规定，对公路隧道和铁路隧道二 次衬砌提出的基本功能要求。 表１ 二次衬砌的基本功能… Ｔａｂｌｅ １ Ｂａｓｉｃ ｆｕｎｃｔｉｏｎｓ ｏｆ ｓｅｃｏｎｄａｒｙ ｌｉｎｉｎｇ［ ］ 注：◎一重要度高的作用和功能；ｏ一一般的作用和功能；△一视情况要求的作用和功能。 由表１可知：二次衬砌不是可有可无的构件，而 ２衬砌的耐久性 衬砌的耐久性不仅是性能要求，也是一个时间概 念。任何混凝土结构物，根据其用途和性能要求的不 同，对耐久性的要求也是不同的。例如：日本在２００９ 是确保隧道使用性、耐久性、降低不确定因素影响及具 有力学功能的构件；即使在初期支护能够把变形控制 在容许范围之内的情况下，设置二次衬砌对提高隧道 结构的耐久性也具有一定的意义。 年版的日本建筑学会标准ＪＡＳＳ一５…中，将计划使用 第３期 关宝树： 漫谈矿山法隧道技术第五讲——衬砌（一） 期间的级别修订为超长期、长期、标准及短期４类；计 划使用期间不同，对衬砌耐久性的要求也不同。 由表２可知，经３００次冻融循环，未破坏岩石的 质量损失率都在０．１７％以下，几乎没有产生剥离。 这说明在这些岩类中开挖隧道，不必担心围岩的劣 化；导致隧道变异的原因，基本上可以归结为混凝土 衬砌的缺陷。 关于隧道混凝土结构的计划使用期限，各国的规 定基本上都是１００年，但对海底隧道的计划使用期限 也有规定１２０年的。因此，目前讨论的衬砌是使用期 限为１００年的隧道结构物。 试验中发生破坏的岩石的质量损失率以泥岩最 为显著。 试验表明，在泥质片岩ａ、泥质片岩ｂ、凝灰岩等软 根据国内外近期对现有的二次衬砌的调查显示： １）混凝土衬砌有经过补修而使用超过１００年的事例； ２）采用“预防维护”体制，混凝土衬砌可以满足１００年 质岩类以及吸水率较高的泥质围岩中，要考虑围岩后 的使用期限（耐久性）的要求；３）运营隧道的衬砌随 时间有逐渐劣化的趋势。 隧道结构劣化的原因多数是由于施工质量没有达 到设计要求。除此之外，造成隧道结构劣化的原因主 要有２个方面：一是衬砌背后的围岩随时间的劣化； 二是衬砌本身随时间的的劣化。 因此，研究隧道的耐久性必须从这２方面着手，即 围岩的耐久性和衬砌的耐久性。其中，对围岩耐久性 的研究比较少，而对混凝土耐久性的研究虽然比较多， 但针对隧道二次衬砌混凝土耐久性的研究较少。 ２．１围岩耐久性 对围岩耐久性研究的文献资料比较少，日本在 《冻融循环作用下岩石的破坏过程和耐久性评价》 一文中，对１２种岩类进行了质量损失率、吸水率、动弹 性系数和Ｐ波速度等方面的试验，并提出了评价岩石 在冻融循环作用下的耐久性的方法。研究采集了裂隙 发育、具有层理构造的岩石等１２种岩石样品，进行了 ３００次冻融循环的试验。ｌ２种岩石样品包括砂岩、绿 岩、泥质片岩、有方解石贯入的绿岩、片理裂隙发育的 泥质片岩ａ、没有裂隙的泥质片岩ｂ、凝灰岩、石灰岩、 安山岩（破碎）ｂ、白云岩、片岩及泥岩等。这些样品有 的裂隙发育、有的有岩脉侵入、有的破碎，以便在试验 时考虑软弱面的影响。 经３００次冻融循环未破坏岩石的质量损失率和吸 水率见表２。 表２经３００次冻融循环未破坏岩石样本的质量损失率和吸水率 Ｔａｂｌｅ ２ Ｍａｓｓ ｌｏｓｓ ａｎｄ ｗａｔｅｒ ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ ｏｆ ｒｏｃｋ ｓａｍｐｌｅｓ ａｆｔｅｒ ３００ ｔｉｍｅｓ ｏｆ ｆｒｅｅｚｅ－ｔｈａｗ ｃｙｃｌｅｓ ％ 期变化对隧道耐久性的影响。 一般来说，隧道建成后，受施工影响的围岩在超 前支护和初期支护的作用下，基本上是稳定的。随 着时间的推移，施工中施作的支护失效，最多是围岩 恢复到没有支护前的状态或者支护成为围岩的一部 分。此外，既使围岩劣化，其过程也是极为缓慢的， 不会是突发性的（地震、暴雨、海啸等突发原因除 外）。因此，在耐久性设计中，可以不考虑围岩劣化 的问题。 某些有特殊性质的围岩，如膨胀性围岩和挤压性 围岩，其变形是随时问而发展的，即使在施工中加以控 制，但在使用期间由于自身的特性（遇水膨胀、高应力 下的挤压等）也会出现“后荷”现象，但不是劣化。 总之，强化对围岩耐久性的研究是十分必要的。 ２．２混凝土衬砌的耐久性 在矿山法隧道中，衬砌多数采用素混凝土或钢筋 混凝土。因此，其耐久性能取决于混凝土的耐久性和 混凝土的施工工艺。实际上，在多数情况下衬砌的耐 久性取决于混凝土的施工工艺。也就是说，在确保施 工工艺满足混凝土性能要求的条件下，混凝土的耐久 性是完全可以保证的。 目前，在山岭隧道中二次衬砌主要采用的是素混 凝土，部分采用的是钢筋混凝土。从目前修建的高速 铁路隧道衬砌的情况看，钢筋混凝土衬砌的采用率有 逐渐增长的趋势，这一点值得关注。 素混凝土衬砌的劣化是混凝土的劣化。造成素混 凝土劣化的原因有冻融循环、化学侵蚀及碱一骨料反 应等。钢筋混凝土二次衬砌的劣化主要是钢筋的腐 蚀，而造成钢筋腐蚀的原因有衬砌开裂、碳化及氯离子 侵蚀等。 通过对既有隧道衬砌的实地调查发现，目前衬砌 存在的主要问题有：１）衬砌混凝土不密实，造成衬砌 强度不足；２）衬砌背后留有空洞；３）衬砌厚度不均 匀，拱顶厚度偏薄且留有空隙；４）衬砌混凝土存在潜 在的裂缝等。这些施工缺陷是影响衬砌耐久性的主要 原因。因此，从技术上构筑满足耐久性要求的密实的、 厚度偏差小的、强度充分的、没有潜在缺陷的混凝土衬