单层衬砌的概念

德国1995年提出的单层衬砌结构与目前推行的复合衬砌有原则的不同，其形式是多种多样的，而且在工程中得到一定程度的推广。

1·单层衬砌构造的原则

在隧道开挖中，众所周知，时间因素是非常重要的。隧道施工时的支护采用喷混凝土以后，对理解围岩是一个具有承载能力的支护，有了进一步的认识。通常，后面施工的内衬（二次衬砌）是为了提高安全度和保证充分的耐水性而设置的。但内衬的施工，如果考虑时间因素，也具有控制变形增加的效果。因此，在单层衬砌中，如果第2层（内衬）与承载有关，也应该考虑时间因素。

在单层衬砌系统中，应力的内部传递机理的比较好的，但被约束的应变、流变及温度变化产生的应力等，在第2层中，在非常早的时期就发生了。为此，就不能充分传递避免因开裂而造成损伤的必要的压力。

结合面完全附着的场合，能够最好地控制因被约束的应变而发生的应力，是从围岩传递到第1层及全体衬砌，同时从第1层向第2层传递机理的最佳条件。其次，由于各个工程的地质及地下水等条件的不同，在修筑第2层衬砌，必须追加合理的施设时间。

单层衬砌的支护 经历不同阶段的荷载状况。开挖后产生的变形也是荷载的一种。图1表示单线单层衬砌的荷载经历过程。时间轴上的主要阶段示于图2。能够分出2种不同的传递机理。第1种从影响支护应力状态的围岩向外部传递。

图2荷载的时间历程

·支护施工前（开挖前）的围岩松弛；

·围岩形成拱效应和松弛荷载向支护再分配；

·在接近地表面开挖时，随时间拱效应丧失，假定支护承受100%的围岩荷载。

如图1所示的第1层的施工到第2层施工完成的最短时间，是图2所示的t（第2层）

和t（第1层）的时间差。

到第2层修筑前的经过时间，对全体衬砌的影响极大。特别是，在适合单层衬砌的地质条件下，从外部（从围岩）的荷载增加的过程中，就修筑第2层的场合，其影响更大。例如，在这种状态下，第1层混凝土硬化后立刻修筑第2层是可以控制二次平衡达成前的松弛。但这样的施工，必须保证第2层的品质。如今，钢纤维混凝土可以满足这个要求。

这样的考虑，在地质条件适合单层衬砌的场合，围岩荷载的一部分从第1层直接传递到全体衬砌的可能的。全体衬砌在荷载减少的过程中完成第2层衬砌的修筑。结果隧道衬砌的不出现拉应力，而处于完全的压缩状态。

另一个传递机理是内部传递机理。应力状态是由内部传递机理控制的。内部传递形态如下。

·因第1层的变形传递；

·第2层的水化热冷却时产生的温差的传递；

·第2层的收缩传递。

根据这样的传递机理，整个衬砌中因被约束应变而产生的应力是上升的。这样的应力在第2层完成后，非常早的时期有一定效果，能够避免开裂的发生。根据地下铁道试用的经验，钢纤维混凝土作为第2层是没有问题的。

采用结合的单层衬砌构造的必要条件是，如图3所示必须尽可能地形成紧密咬合的一体化断面。各层间的附着因接触咬合是可以确保的。因此，从过去一般采用的防水层就没有必要了。

与双层衬砌不同，单层衬砌的支护是永久结构物的构成单元。单层衬砌支护 是为了确保施工安全、隧道稳定而由及早施工的数层构成的，接触围岩的层（过去的初期支护）是永久稳定的，作为能够维持功能要求的构造，而形成合成的结构（图4）。

单层衬砌的净空侧和围岩侧，如图5所示，没有用隔离材分离，而是直接接触的。2层间

的直接接触，可增加剪力的传递，因此，随时间，在荷载增加的场合，与一体断面有同样的结合效果。

目前，外衬砌，通常是不考虑承载和防水功能的。但在单层衬砌中，涉及结构物的耐久性，支护 应按作为最终结构的一部分来考虑。单层构造，由于能够缩短开挖时间、减少材料消耗、削减施工量等，而能够降低修建隧道的成本。

结合的单层衬砌的构造形式示于表1。 表1 单层衬砌的构造形式 构造形式 1 2 3 第1层 钢纤维喷混凝土 钢纤维喷混凝土 钢纤维喷混凝土 第2层 钢纤维喷混凝土 钢纤维模注混凝土 钢筋喷混凝土 4 5 6 钢纤维喷混凝土 钢筋喷混凝土 钢筋喷混凝土 钢筋混凝土 钢纤维喷混凝土 钢纤维模注混凝土 表1中的构造形式，第1层采用钢纤维喷混凝土的结构形式示于图6。第2层的混凝土施工方法或采用喷射方法或模注方法，补强方法可采用钢纤维或钢筋。

耐水性可按图7的基本方法，以确保其使用性能。

图7 保证耐水性方法

图6第1层采用钢纤维喷混凝土 的结构模式

其中方法3，虽然2层是分离的，但对内部断面力的传递具有结合一体的效果。

图8第2层采用模筑混凝土的结构模式

3钢纤维模筑混凝土的单层衬砌

图8表示第2层采用钢纤维模筑混凝土的构造形式。形式②和⑥仅第1层的施工方法不同。这种构造形式的优点是采用与双层衬砌同样的施工方法，第2层采用高品质的耐水混凝土。因此在要求具有耐水性的场合采用。

为了确保构造的稳定性，第1层的厚度与过去的外衬厚度一样（图9）。最终状态的承

载力是按第1层和第2层结合后的全体衬砌来考虑的。第2层完成后，全体衬砌承受第2层的自重及干燥收缩、第1层的变形、温度产生的应力等。

目前，钢纤维混凝土的特性得到不断的改善，但还要研究结构的稳定性。这意味着要附加结构上的安全系数。但是，从最近的动向看，混入钢纤维的方法会越来越多。

图9

钢纤维模筑混凝土，其钢纤维在低令时能够控制开裂的发生，比素混凝土和钢筋混凝土更能约束应变。并缓和发生的应力，是比较好的。但是在弯矩的作用下，预测可能发生细小的开裂（图10 ）。即使在这种场合钢纤维也是没有问题的。者已得到工程实践的证实。

图１０

单层衬砌构造主要是能够把因弯曲而在接触面产生剪力，通过接触作用传递的场合采用，是一个比较经济的工法。经验证实，采用格栅等补强材会增加透水性有可能损伤全体结构的稳定性。

图11是一个应该层间剪切动态的试验结果。结果表明：在第1层未加工的喷射面，几乎与人为的作成具有三角形的表面的情况相同。这说明设置补强材的必要性是不大的。

第1层假定表面“污染”的状态，如图12，约降低30%的抗剪能力。其真正的意义是第2层如修筑过迟，就需要洗净表面。如图11所示，第2层用钢纤维喷混凝土作成的试件与用钢纤维模筑混凝土作成的试件比较，基本上，钢纤维喷混凝土传递剪力的能力大。

图１１结合面抗剪强度的试验结果

图１２结合面污染的影响

4·采用钢纤维喷混凝土的单层衬砌

1989年在地下铁道区间隧道第2层采用钢纤维喷混凝土衬砌取得成功。 图１３是第2层采用钢纤维喷混凝土的构造形式。构造形式因耐水性的要求不同有以下不同。

构造形式①：第1层和第2层的2层都具有承载和耐水功能；

⑤：第1层和第2层的2层具有承载功能，只有第2层具有耐水功能。

单层衬砌的第2层采用钢纤维喷混凝土的目的是： ·为获得充分的承载能力，强化第1层； ·确保使用期间的耐水性。

这与第1层采用钢纤维喷混凝土周围支护的目的是不同的。为了达到这些目的，要特别注意钢纤维喷混凝土的质量保证。

图１３ 第2层采用钢纤维喷混凝土的结构模式

为此，应注意一下事项。

·在喷第２层前，对第１层的表面要进行处理；

·第２层要连续喷射，为保证均匀性应尽可能地避免留有施工缝； ·第２层钢纤维混凝土应采用湿喷； ·应确保喷射厚度。