隧道衬砌结构组合类型

隧道工程支护的方式可考虑以下途径：

① 外部支护，即从外部支撑着坑道的围岩，如模筑混凝土整体式衬砌、砖石衬砌、装配式衬砌、喷射混凝土支护等。

② 内部支护，即对围岩进行加固以提高其稳定性，如锚杆支护、注入浆液等。

③ 混合支护，即内部与外部支护混合一起的衬砌，如喷锚支护。

在实际工程中，支护结构通常分为初期支护（一次支护）和永久支护（二次支护、二次衬砌）。初期支护是为了保证施工的安全、加固岩体和阻止围岩的变形、坍塌而设置的临时支护措施，常用支护形式有木支撑、型钢支撑、格栅支撑、锚喷支护等，其中型钢支撑、格栅支撑、锚喷支护一般作为永久支护的一部分，与二次衬砌共同工作。二次支护是为了保证隧道使用的净空和结构的安全而设置的永久性衬砌结构。在实际工程中，衬砌主要指能作为永久支护的结构，常用的有整体式模筑混凝土衬砌、装配式衬砌、锚喷衬砌和复合式衬砌等形式。

1．整体式模筑混凝土衬砌

整体式模筑混凝土衬砌是传统衬砌结构形式，在新奥法（NATM）问世前，采用传统矿山法施工的隧道，广泛使用整体式衬砌，目前在山岭隧道中还有不少工程实例。这种衬砌主要是采用混凝土或钢筋混凝土为材料就地灌注而成，其工艺流程为：立模—灌注—养生—拆模。模筑衬砌的特点是：对地质条件的适用性较强，易于按需要成形，整体性好，抗渗性强，并适用于多种施工条件，如可用木、钢模板或衬砌模板台车等。整体式衬砌有长期的工程实践经验，技术成熟，适应于多种围岩条件。在隧道洞口段、浅埋段及围岩条件很差的软弱围岩中采用整体式衬砌较为稳妥可靠。

单层整体式模筑混凝土衬砌应用传统松弛荷载理论设计，不考虑围岩的承载作用，由衬砌刚度抵御地层的变形，承受围岩松动压力，主要是通过调整断面形状和衬砌厚度来适应不同的地质条件，即适应不同的围岩级别和围岩压力分布情况，因而，单层衬砌的形状和厚度变化较多。就形状而言，单层衬砌常分为直墙式衬砌和曲墙式衬砌两种形式，而曲墙式又分为有仰拱和无仰拱两种。就其厚度而言，单层衬砌厚度少则40～60 cm，厚的则可达到100 cm。当有较大的偏压、冻胀力、倾斜的滑动推力或施工时出现大量坍方以及处于7度以上地震区等情况时，应根据荷载特点进行个别设计。

（1）直墙式衬砌。

直墙式衬砌形式通常适用于地质条件较好的地层、以垂直围岩压力为主而水平围岩压力较小的情况，主要适用于我国铁路、公路隧道围岩分类中的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ级围岩，有时也可用于Ⅳ级围岩。

直墙式衬砌由上部拱圈、两侧竖直边墙和下部铺底三部分组合而成，如图4-1-1所示，拱部内轮廓线系由三心圆曲线组成。一般来说，顶部拱圈可采用圆弧形拱、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）时称为坦三心拱，形状较尖（R1＜R2）时称为尖三心圆拱，若R1=R2时即为割圆拱。拱圈是等厚的，内外轮廓为圆心重合、半径不同的同心圆弧。两侧边墙是与拱圈等厚的竖直墙，与拱圈平齐衔接。洞内一侧设有排除洞内积水的排水沟，有水沟一侧的边墙要深一些。整个结构下部是敞口的，并不闭合；底部多以素混凝土铺底，称为底板，以便铺设轨道或路面。特殊情况下，直墙式衬砌结构有半衬砌、大拱脚以及连拱边墙或柱式边墙等几种变化形式。

图4-1-1　直墙式衬砌

（2）曲墙式衬砌。

曲墙式衬砌适用于地质条件比较差，岩体松散破碎，强度不高，又有地下水，侧向水平压力也相当大的情况，主要适用于Ⅳ级及以上的围岩或Ⅲ级围岩双线。多线隧道、大跨隧道也采用曲墙有仰拱的衬砌。

曲墙式衬砌组成为顶部拱圈、侧面曲边墙和底部仰拱（或铺底），如图4-1-2所示为我国非电气化铁路Ⅴ级围岩整体曲墙式衬砌标准图，其内部轮廓由五心圆曲线组成。上部拱圈的内轮廓与直墙式衬砌一样，但拱圈截面厚度是变化的，拱顶处薄而拱脚处厚，因而不但拱部的外弧与内弧的半径不同，而且它们各自的圆心位置也不是相互重合的。侧墙内轮廓也是一段圆弧，半径较大；侧墙外轮廓上段也是一个圆弧，但半径更大，其下段变为直线形，并稍稍向内偏斜。

图4-1-2　曲墙式衬砌

仰拱是用另一个半径做出的弧段。仰拱的作用是抵御底部围岩压力和防止衬砌沉降，并使衬砌形成一个环状的封闭整体结构以提高衬砌的承载能力。除在Ⅳ级围岩无地下水，且基础不产生沉降的情况下可不设仰拱，只做铺底外，一般均设仰拱，且曲墙底面应予以加宽，以抵抗上鼓力，防止结构整体下沉。在Ⅴ、Ⅵ级围岩，且有地下水时，竖向压力和水平压力都很大，则衬砌宜设成近圆形（蛋形）或圆形断面。

2．装配式衬砌

就地模筑的整体式混凝土衬砌虽然在我国被广泛地采用，但是，它在灌注以后不能立即承受荷载，必须经过一个养生时期，因而施工进度受到一定的限制。随着社会不断地向着工业化和机械化发展，隧道施工也提出向工业化和机械化改进。于是，出现了装配式的隧道衬砌。

（1）装配式衬砌的特点。

装配式衬砌，也称拼装式衬砌、管片衬砌，如图4-1-3所示，是将衬砌分解为若干块构件（也称管片），这些构件在现场或工厂预制，然后运到现场安装。

图4-1-3　装配式衬砌（单位：cm）

装配式衬砌具有下列优点：① 一经装配成环，不需养生时间，即可承受围岩压力；② 预制的构件可以在工厂成批生产、在洞内机械化拼装，从而改善了劳动条件；③ 拼装时，不需要临时支撑如拱架、模板等，从而节省了大量的支撑材料和劳力；④ 拼装速度因机械化而提高，缩短了工期，还有可能降低造价。

早在19世纪国外就已开始试用装配式衬砌，我国在宝兰铁路线上曾试用过拱部半圆形的装配式衬砌，在黔桂铁路线上试用过T字形镶嵌式装配式衬砌。但它们还存在着一些缺点，如需要坑道内有足够的拼装空间，制备构件尺寸上要求有一定的精度，接缝多、防水较困难等。由于以上的原因，目前拼装衬砌多在使用盾构法施工的城市地下铁道中应用，在我国铁路和公路隧道上未能推广使用。相信在科学技术发展的将来，克服了上述缺点后，拼装式衬砌将是一种有前途的衬砌形式。

（2）装配式衬砌的构造。

装配式衬砌的构造应满足下列条件：① 强度足够而且耐久；② 能立即承受荷载；③ 装配简便，构件类型少，形式简单，尺寸统一，便于工业化制作和机械化拼装；④ 构件尺寸大小和重量适合拼装机械的能力；⑤有可靠的防水设施。盾构法隧道装配式衬砌结构设计见12.2.5节。

3．喷锚衬砌

喷射混凝土是利用泵或压缩空气为动力，将掺有速凝剂的混凝土拌和料与水混合成为浆状，喷射到坑道的岩壁上，它可以很快凝结、硬化，并和岩壁紧密贴合，厚度多在5～20 cm之间。锚杆则是把金属或其他高抗拉性的杆状构件置于岩体中，并与岩体结为一体，增加岩体的强度和抗变形能力。喷射混凝土与锚杆构成的支护形式，简称喷锚支护或锚喷支护。喷锚衬砌是指喷锚结构既作为隧道临时支护，又作为隧道永久结构的形式，如图4-1-4所示。也可根据实际情况在喷混凝土中掺加钢纤维，加设金属网和钢架等。

（1）喷锚支护的特点和适用条件。

图4-1-4　锚喷式衬砌

喷锚支护本身是一种符合岩体力学原理的支护方法。它不是用刚度很大的结构被动承受围岩松动的荷载，而是通过对围岩适度地加固保护来发挥围岩自身的承载能力，并与围岩共同承载。其特点是可以灵活组合，能与围岩密贴、支护及时且柔性好，同时封闭了围岩壁面，可防止风化，并能充填裂隙加固围岩，控制围岩的变形，能充分调动围岩本身的自稳能力，与围岩组成共同承载体系。另外，喷锚支护有效利用了洞内净空，能提高施工的安全性和作业效率，特别是纤维喷射混凝土技术显著改善了喷混凝土的性能，在围岩整体性较好的军事工程、各类用途的使用期较短及重要性较低的隧道中广泛使用。从施工方法来看，它不用拱架和模板来灌注和盛装建筑材料，而是直接把建筑材料喷到岩壁上，直接凝成支护层。它节约了大量的木材，降低了工人劳动强度，使坑道断面缩小，从而减少了开挖量，圬工量也因减薄而节省。可以说，它是一种极有发展前途而带有改革性质的方向性进步。目前在我国，不但在隧道工程中喷锚支护已基本取代厚体的模筑混凝土衬砌，在公路、铁路隧道设计规范中都有根据隧道围岩地质条件、施工条件和使用要求可采用锚喷衬砌的规定，而且在许多其他土建工程中，也在大力推广使用喷锚支护，取得了很好的效果。

喷锚支护是目前常用的一种围岩支护手段，适用于各种围岩地质条件。但是，由于喷锚衬砌刚度较小，若作为永久衬砌，一般考虑在Ⅰ、Ⅱ级等围岩良好、完整、稳定的地段中采用。在隧道洞口段等围岩条件差，埋深浅，受地形、环境条件影响较大的地段，衬砌要求具有很高的抗风化能力和耐久性，所以，隧道洞口段不宜采用。不宜采用喷锚支护作为永久衬砌的情况还有：① 膨胀性围岩；② 黏土质胶结的软岩；③ 大面积涌水地段；④ 堆积层、破碎带等不良地质地段；⑤ 对衬砌有特殊要求的隧道或地段，如洞口地段，要求衬砌内轮廓很整齐、平整；⑥辅助坑道或其他隧道与主隧道的连接处及附近地段；⑦ 有很高的防水要求的隧道；⑧ 围岩及覆盖太薄，且其上已有建筑物，不能沉落或拆除等；⑨ 地下水有侵蚀性，可能造成喷射混凝土和锚杆材料的腐蚀；⑩最冷月平均气温低于－5 °C地区的冻害地段。

（2）喷锚衬砌的形式和设计参数。

根据不同使用要求，喷锚衬砌可以有以下形式：锚杆支护、喷射混凝土支护、喷射混凝土锚杆联合支护、喷射混凝土钢筋网联合支护、喷射混凝土与锚杆及钢筋网联合支护、喷射钢纤维混凝土支护、喷射钢纤维混凝土锚杆联合支护，以及上述几种类型加设钢架支撑而成的联合支护。喷锚支护在初步设计阶段，可以根据地质勘察资料，初步确定围岩级别，再按《铁路隧道设计规范》给出的参数表确定隧道的喷锚支护类型和设计参数。隧道的喷锚支护类型和设计参数扫二维码获取。

喷锚支护作为隧道的永久衬砌，一般考虑是在Ⅲ级及以上围岩中采用。在Ⅳ级及以下围岩中，其可靠性差。按目前的施工水平，可将锚喷支护作为初期支护配合第二次模筑混凝土衬砌，形成复合衬砌。当仅有喷锚支护作隧道衬砌时，也可参照表4-1-1进行公路隧道和各类地下工程设计。

表4-1-1　喷锚永久支护设计参数

注：Ⅳ～Ⅵ级围岩，地质软弱、破碎，一般多地下水，宜采用复合式衬砌。

隧道的喷锚支护类型和设计参数

喷锚衬砌的内轮廓线，宜采用曲墙式的断面形式，衬砌外轮廓线除考虑锚喷变形量外宜再预留10（铁路）～20 cm（公路）。采用喷锚衬砌后，内表面不太平整顺直，美观性差，影响驾乘人员在行车过程中的视觉感观。在高等级道路或城镇及附近的隧道中，应根据需要考虑内装，以消除上述缺点，也便于照明、通风的安装，达到提高洞内照明、防水、通风、视线诱导，减少噪声等的效果。

4．复合衬砌

（1）复合衬砌的结构。

复合式衬砌不同于单层厚壁的模筑混凝土衬砌，它是把衬砌结构分成不止一层，在不同的时间上先后施作的。顾名思义，它可以是两层、三层或更多的层，但是目前实践的都是外衬和内衬两层，所以也有人叫它“双层衬砌”。复合衬砌按内、外衬的组合情况可分为：① 喷锚支护与混凝土衬砌；② 喷锚支护与喷射混凝土衬砌；③ 可缩性钢拱架（或格栅刚构拱架）喷射混凝土与混凝土衬砌；④ 装配式衬砌与混凝土衬砌。

目前，最常用的外衬主要是以喷射混凝土和锚杆为基本组合形式的一系列现代隧道支护，内层衬砌则有多种材料和构造形式，以就地模筑混凝土为主，按现代围岩承载理论设计和施作。如图4-1-5所示为目前在公路隧道中比较常见的复合衬砌结构（Ⅳ级围岩）。

图4-1-5　复合衬砌结构（Ⅳ级围岩段公路隧道）（单位：cm）(www.xing528.com)

复合式衬砌是先在开挖好的洞壁表面喷射一层早强的混凝土（有时也同时施作锚杆），凝固后形成薄层柔性支护结构（称初期支护）。它既能容许围岩有一定变形，又能限制围岩产生有害变形，其厚度多在5～20 cm之间。一般待初期支护与围岩变形基本稳定后再施作内衬，通常为就地灌注混凝土衬砌（称二次衬砌）。为了防止地下水流入或渗入隧道内，可以在外衬和内衬之间设防水层。

（2）复合衬砌的特点和适用条件。

复合衬砌是比较合理的结构形式，具体表现在以下几个方面：

第一，复合衬砌是将整个人工支护结构分解为初期支护和二次衬砌两大部分，各部分分别起到不同的作用，并与围岩共同工作。初期支护充分发挥喷锚支护快速、及时与围岩密贴的特点，限制围岩在施工期间的变形，充分发挥围岩的自承能力，达到围岩的暂时稳定，使二次衬砌所受的力减到最小；二次衬砌通常采用模筑混凝土衬砌，具有长期可靠的作用，能保证隧道内壁平整，外观成形较好。复合式衬砌在初期支护与二次衬砌之间铺设防水层，可解决隧道衬砌漏水问题。所以，复合式衬砌具有较高的结构承载能力、耐久性和防水性能。

第二，模型试验和理论分析的结果表明：复合式衬砌的极限承载能力比同等厚度的单层模筑混凝土衬砌可提高20%～30%，如能调整好内衬的施作时间，还可以改善结构的受力条件。与传统的模筑混凝土单层衬砌相比，能节约工程投资5%～10%。可见，复合衬砌具有较好的经济性。

第三，复合衬砌比较符合隧道地下工程结构体系的力学变化过程，尤其是能按受力和变形的规律，调整各项参数，适合多种地质条件，是目前公路、铁路隧道主要的结构形式。

复合式衬砌最适宜在Ⅱ～Ⅵ级围岩中使用，但遇到下列情况时，应慎重对待，必要时应辅以相应的加固措施：① 拱顶以上覆盖厚度小于隧道直径时；② 有明显偏压力时；③ 在无自稳能力的未胶结砂砾石地层中时；④ 在大膨胀性的地层中时；⑤ 在大涌水的地层中时；⑥ 在有严重冻害的地区中时。

（3）复合衬砌的支护机理。

一般认为复合衬砌的支护机理是：

① 外衬（初期支护）：允许大的约束变形，允许出现少量裂缝，吸收变形压力，稳定洞壁，与围岩共同形成支护体系。

② 内衬（二次衬砌）：与外衬围岩共同承受围岩残余变形产生的压力，共同承受外部条件恶化产生的压力，作为整个结构的安全储备。

但关于复合式衬砌内外层结构受力状态的看法并不统一。一种看法认为：围岩中因围岩具有自承能力，它与初期支护组合在一起能起到永久建筑物的作用，故二次衬砌只是用来提高安全度的。另一种看法则认为：二次衬砌的承载作用是主要的，它不仅稳定围岩的变形，且在整个衬砌结构中占有主导地位。还有一种看法认为：内、外衬砌是共同承载受力的。由此，复合衬砌计算方法也不统一。

《铁路隧道设计规范》规定，初期支护应按主要承载结构计算，承担施工阶段全部荷载；二次衬砌在Ⅰ～Ⅲ级围岩中可作为安全储备；在Ⅳ～Ⅵ级围岩及下列情况下宜按承载结构设计：① 浅埋、偏压地段；② 抗震设防及国防设防段；③ 严寒及寒冷地区衬砌可能承受冻胀力地段；④ 可能承受水头压力地段；⑤ 流塑性或挤压性围岩、膨胀岩（土）、软土、人工填土、松散堆积体等特殊地质地段；⑥ 施工中出现大量坍方地段；⑦ 为确保围岩稳定或周边环境安全，需提前施作二次衬砌地段等。

《公路隧道设计规范》规定，初期支护应按主要承载结构设计；二次支护在Ⅰ级稳定坚硬围岩时基本不承受围岩压力，对于Ⅱ级基本稳定的硬质围岩，二次围岩所受围岩压力也不大，这时二次衬砌的主要作用是防水和安全储备，平整的衬砌表面利于通风和美观；对于Ⅲ～Ⅴ级围岩，围岩自稳能力差，仅依靠初期支护不足以抑制围岩变形发展，二次衬砌将承受较大部分的后期围岩压力，应按承载结构设计，并均应满足构造要求。《公路隧道设计细则》（JTG/T D70—2010）给出了初期支护与二次衬砌承载比例的取值建议，如表4-1-2所示。

表4-1-2　公路隧道复合式衬砌初期支护与二次衬砌承载比例（%）

5．复合衬砌参数设计

复合衬砌的初期支护和二次衬砌设计参数，应根据隧道围岩等级、围岩构造特征、地应力条件等采用工程类比、理论分析确定，并结合施工，通过测量、监控取得数据，不断修改和完善设计。

（1）铁路隧道复合衬砌设计参数。

铁路隧道优先采用曲墙式复合衬砌，其中单线Ⅲ级、双线Ⅳ级及以上地段均应设置仰拱。如图4-1-6为单线铁路隧道Ⅳ级围岩复合衬砌标准图，速度350 km/h双线隧道排水型复合衬砌代表性衬砌断面见图4-1-7、图4-1-8。

图4-1-6　速度160 km/h铁路隧道复合衬砌标准图（Ⅳ级围岩）（单位：cm）

图4-1-7　速度350 km/h双线铁路隧道代表性复合衬砌断面（Ⅱ级围岩）（单位：cm）

图4-1-8　速度350 km/h双线铁路隧道代表性复合衬砌断面（Ⅴ级围岩）（单位：cm）

复合式衬砌设计参数可按表4-1-3采用，在确定开挖断面时，除应满足隧道净空和结构尺寸外，还应考虑围岩及初期支护的变形，并预留适当的变形量，以保证初期支护稳定后，二次衬砌的必要厚度。各级围岩隧道预留变形量值可根据围岩级别、开挖跨度、埋置深度、施工方法和支护条件，采用工程类比法确定；当无类比资料时，可按表4-1-4采用。

（2）公路隧道复合衬砌设计参数。

公路隧道初期支护及二次衬砌的支护参数可参照表4-1-5、表4-1-6选用，并根据现场围岩监控量测信息对设计支护参数进行必要的调整。预留变形量当无预测值时可参照《公路隧道设计规范》规定的表4-1-7选用。

表4-1-3　复合衬砌设计参数

注：① 表中喷射混凝土厚度为平均值；带*号者为钢筋混凝土。
② Ⅵ级围岩和特殊围岩应进行单独设计。
③ Ⅲ级缓倾软质岩地段，隧道拱部180° 范围初期支护可架设格栅钢架，相应调整拱部喷射混凝土厚度。

表4-1-4　预留变形量　单位：mm

注：① 浅埋、软岩、跨度较大隧道取大值，深埋、硬岩、跨度较小隧道取小值。
② 有明显流变、原岩应力较大和膨胀岩（土）隧道，应根据量测数据反馈分析确定预留变形量。
③ 特大跨度隧道，应根据量测数据反馈分析确定预留变形量。

表4-1-5　双车道隧道复合衬砌设计参数

注：① 有地下水时可取大值，无地下水时可取小值。
② 采用钢架时，宜选用格栅钢架。
③ 喷射混凝土厚度小于18 cm时，可不设钢架。
④ “0”或“—”表示可以不设；要设时，应满足最小厚度要求。

表4-1-6　三车道隧道复合衬砌设计参数

注：① 有地下水的可取大值，无地下水时可取小值。
② 采用钢架时，宜选用格栅钢架。
③ 喷射混凝土厚度小于18 cm时，可不设钢架。
④ “0”或“—”表示可以不设；要设时，应满足最小厚度要求。
⑤ “”表示可采用钢筋混凝土。

表4-1-7　开挖轮廓预留变形量　单位：mm

注：① 围岩软弱、破碎取大值，围岩完整取小值。
② 四车道隧道应通过工程类比和计算分析确定。

另外，与传统的模筑混凝土衬砌不同，最近的工程实践有一种新型的单层衬砌。这是一种在取消防水板的前提下，洞室开挖后立即喷射一层具有防水性能的混凝土，并根据围岩级别设置必要的支护构件，如锚杆、钢拱架等，然后根据耐久性及平整度的要求，再施作（喷射或模筑）一层或多层混凝土，形成的层间具有很强黏结力并可充分传递剪力的支护体系，其基本构造如图4-1-9所示。这种衬砌要求在后续混凝土施作之前，对前一层完成的喷混凝土表面采取相应措施（高压水束或砂束）进行处理，减少水化热的产生，避免支护结构开裂，使支护层黏结成可产生共同作用的支承拱。

图4-1-9　新型单层衬砌概念图

这种单层衬砌与复合衬砌本质的区别是分次施作的各支护结构层之间不设置防水板，通过各混凝土层间径向和纵向的抗滑移性，使得各混凝土层形成共同承载体系。近似地，可将其视为组合梁来分析其力学特性。而复合衬砌由于防水板的存在，初期支护和二次衬砌之间不传递剪力，其结构类似于叠合梁，如图4-1-10所示。这样，在同等程度荷载条件下，单层衬砌比复合衬砌产生的内力要小。所以可适当减薄衬砌厚度，同时也减少了开挖量，节约投资。而且用耐水性很好的防水混凝土喷层代替防水板，可保证防水质量，也有利于缩短工期。

图4-1-10　复合衬砌与单层衬砌承载机理

目前，在许多国家单层衬砌都有了不同程度的应用，如德国、瑞士、法国、美国、巴西、加拿大、芬兰、南非、日本、比利时、西班牙以及中国等，效果良好，一些国家还制定了相应的设计和施工规范。