水工隧洞断面设计中衬砌型式选择研究

张宝晶 柴 伟

（中国水利水电第九工程有限公司，贵州贵阳550081）

0 引言

水工隧洞是以输水为目的在地下开凿而成的建筑物。随着我国国民经济和科学技术的发展，水工隧洞的建设取得了举世瞩目的巨大成就。 然而，水工隧洞断面设计中衬砌型式的选择由于没有严格的系统规范以及施工队伍施工水平的限制，其型式选择纷繁多样，科学适应性差，弊端很多。 因此对水工隧洞断面设计中衬砌型式选择的研究显得至关重要！

1 衬砌的型式

需要衬砌的隧洞，可以沿隧洞长度选择一种或数种不同型式的衬砌。

衬砌型式大致有以下几种

1.1 护面衬砌或称平整衬砌

主要为了减小糙率或防止岩石风化而采用，一般用喷浆、喷混凝土或抹水泥砂浆做成，其厚度不经计算而视开挖的平整程度按构造采用5 一巧厘米。单纯为了减小糙率而采用护面衬砌时常与不衬砌方案进行技术经济比较。 不衬砌的隧洞虽然省去了衬砌作业，但需要开挖断面较大，所以无论造价和工期可能是有利的也可能并不有利。 无压隧洞为了减小糙率还可以考虑只在过水断面的部分采用护面衬砌。还有为了施工方便和适当减小平均糙率而只在洞底做衬砌的。

1.2 混凝土衬砌和砖石衬砌

当围岩比较完整不需要配钢筋抗拉时可采用混凝土衬砌。不论无压隧洞和有压隧洞，其衬砌厚度均由计算确定。

1.3 钢筋混凝土衬砌

当隧洞衬砌中的拉应力超过混凝土的允许抗拉强度，应采用钢筋混凝土来衬砌。 有压隧洞或无压隧洞均可采用钢筋混凝土衬砌，其厚度与混凝土衬砌一样由计算确定。

1.4 组合式衬砌

通常分为二层：内层或称内围主要用来保证衬砌不透水和承担一部分内水压力， 外围承担岩石压力并和围岩一起承担余下的内水压力。 外层用混凝土或钢筋混凝土视强度需要而定，内层用钢丝网喷浆或钢板也视强度需要而定。国内已建的水利水电工程中大都采用内层为钢板外层为混疑土的双层衬砌，在体形比较复杂(如分岔口部位)和地质条件很差的地段则采用内层为钢板外层为钢筋混疑土的衬砌。双层衬砌的内外层厚度原则上都由计算确定。组合衬砌型式主要应用于高水头的有压隧洞。

1.5 装配式衬砌

用预制的混凝土或钢筋混凝土块拼装成衬砌环后用水泥砂浆灌注缝隙作成，一般用于盾构法开挖的隧洞或整断面开挖中要求立即支承围岩的隧洞。装配式衬砌的优点是：可以在工厂或工场预先浇制，质量较有保证，衬砌为拼装工作，便于快速施工缩短施工时间。 缺点是：接缝较多，易漏水，从而需要考虑设置止水和防止接缝可能裂开的措施。

1.6 预应力衬砌

是指预先使衬砌产生环向压应力以抵消大部分或一部分内水压力产生的拉应力，包括纯混凝土的压浆式预应力衬砌，钢筋混凝土的拉筋式和钢箍式预应力衬砌。预应力衬砌主要用于内水压力较高的隧洞中。

1.7 喷锚衬砌

是向围岩钻孔插入锚杆并在表面喷混凝土做成，尤其在围岩需要及时支护的情况下更能显示它的优越性。 近代隧洞在施工时，常在开挖面完成以后，立即采用喷锚衬砌。 如岩石较好，可不再作衬砌，即以喷锚结构作为衬砌，如岩石较差，则仍需另作衬砌。

2 衬砌型式的选择

衬砌的作用包括:承受岩石压力；承受内水压力；防止漏水；减小洞壁糙率，防止岩石风化；防止高速水流对岩石冲蚀等。施工和运用期间围岩稳定、不坍塌，不漏水，并且允许有较大的水头损失，则隧洞可以不做衬砌。

2.1 衬砌型式选择中重要的影响因素

在有压隧洞衬砌形式选择中，围岩有无承担内水压力的能力是一个考虑的重要因素。

围岩是否具有承担内水压力的能力， 一般以围岩地应力来判断，当地应力的最小主应力大于内水压力时， 围岩不会产生水力破坏，即围岩具备承担此内水压力的能力。由于目前并非所有工作都进行地应力测试，所以在很多情况下，常用隧洞埋深来代替地应力的判断。隧洞围岩要满足承担内水压力能力的最小厚度D 应是：

式中：

rw——水的重度；

rR——围岩的重度；

H——内水压力水头；

a——地面坡度。

实际工程中应用这一准则时还应考虑一定的安全系数。对于隧洞上部围岩覆盖厚度，根据设计规范规定D)0.4H(H 为内水压力，D 为覆盖岩层厚度)，如下图1 所示：

图1

图2

围岩覆盖厚度的确定，还要根据围岩的构造情况，对Ⅰ、Ⅱ类围岩，岩石新鲜或微风化岩体，岩层完整性好，覆盖岩体抗内水压力的上抬作用，不仅靠岩体的自重，还有岩块间的抗剪作用，即使上覆围岩厚度不到0.4 倍的水压力，也能保持稳定。 而风化破坏较严重的Ⅲ、Ⅳ类围岩。 由于完整性较差，则覆盖岩层厚度应取大于0.4 倍的内水压力的数值。

2.2 衬砌型式的选择

衬砌形式的选择与围岩条件紧密相连，当水工隧洞的内水外渗会引起一些严重危害(如围岩失稳、边坡失稳、周围建筑物失稳等)时，防渗常常是一个重要因素，另外，隧洞的运行条件、施工方法等也是衬砌形式选择要考虑的方面。例如，不衬砌及喷锚衬砌的糙率大，运行中产生的水头损失也大，只适应于流速较小的隧洞。 当隧洞采用双护盾掘进机施工时，这种施工方法决定了衬砌形式只能采用预制钢筋混凝土管片的装配式衬砌。

以围岩条件、隧洞运行条件、防渗要求来选择衬砌形式的流程如图2 所示，有时还需进行经济比较后再确定衬砌形式。

3 结语

本文系统总结了衬砌的各种型式及其相应的优缺点、 适应范围，确定了影响衬砌型式选择的重要因素，得出了以围岩条件、隧洞运行条件、防渗要求来选择衬砌形式的流程图，为之后水工隧洞断面设计中衬砌型式选择提供了依据。

［1］水工隧洞设计规范SD134－84[S].北京：水利电力出版社，1985：1－127.

［2］潘家铮.水工隧洞[M].科技卫生出版社，1958.

［3］汪胡祯，顾慰慈.水工隧洞的设计理论和计算[M].水利水电出版社，19：26－355.