張俊儒

（西南交通大學(xué)交通隧道工程教育部重點實驗室，四川成都610031）

噴射混凝土單層襯砌抗?jié)B機(jī)理及防水技術(shù)研究設(shè)想

張俊儒

（西南交通大學(xué)交通隧道工程教育部重點實驗室，四川成都610031）

近年來隨著噴射混凝土施工工藝和質(zhì)量性能的提高，單層襯砌技術(shù)得到了迅速發(fā)展，在世界上許多國家都有了不同程度的應(yīng)用，然而噴射混凝土單層襯砌的抗?jié)B性能及防水技術(shù)卻阻礙著該技術(shù)的全面推廣。在此背景下，該文對國內(nèi)外噴射混凝土單層襯砌抗?jié)B及防水技術(shù)進(jìn)行了調(diào)研，提出進(jìn)一步深入研究的思路和設(shè)想。主要基于兩個層面：一個是基于多元復(fù)合膠凝材的噴射混凝土抗?jié)B性能的研究，包括抗?jié)B性能評價、滲透機(jī)理分析以及抗?jié)B技術(shù)措施等；另一個是噴射混凝土單層襯砌結(jié)構(gòu)的抗?jié)B計算的研究，通過建立滲水預(yù)測模型，求解滲水高度和各支護(hù)層滲透系數(shù)之間的關(guān)系，并優(yōu)選最佳方案，實現(xiàn)對整個支護(hù)體系的抗?jié)B計算。

噴射混凝土；單層襯砌；抗?jié)B機(jī)理；抗?jié)B性能；防水技術(shù)；速凝劑；膠凝材料；纖維增強(qiáng)

0 引言

噴射混凝土單層襯砌（single shell lining）是20世紀(jì)70年代發(fā)展起來的一種隧道支護(hù)體系，與復(fù)合式襯砌相比，單層襯砌具有以下特征：

（1）整個支護(hù)作業(yè)是用噴射方法多次完成，從根本上改變了隧道襯砌的施工工藝（說明：只有局部圍巖不穩(wěn)定地段才增加模筑混凝土襯砌）；

（2）各支護(hù)層間不設(shè)置防水板，一方面可簡化施工工序；另一方面可通過各混凝土層間徑向和縱向上的抗滑移性，使得各混凝土層形成共同承載體系，提高其承載能力；

（3）單層襯砌結(jié)構(gòu)可降低工程造價、縮短工期；同時便于維修養(yǎng)護(hù)。

最近幾十年，隨著噴射混凝土施工工藝和質(zhì)量性能的提高，單層襯砌技術(shù)得到了迅速發(fā)展，在世界上許多國家都有了不同程度的應(yīng)用。圖1為以色列海法市卡邁爾公路隧道單層襯砌；圖2為重慶南涪公路關(guān)長山隧道單層襯砌。

然而通過研究發(fā)現(xiàn)，一方面目前噴射混凝土單層襯砌主要應(yīng)用于無水干燥的地層，而在有水的地層中，即使水量很小，也很容易出現(xiàn)滲水、甚至滴水現(xiàn)象，嚴(yán)重影響了單層襯砌的使用功能；另一方面對噴射混凝土的研究主要集中在力學(xué)性能方面，基本沒有涉及噴射混凝土的耐久性，特別是目前備受關(guān)注的噴射混凝土抗?jié)B性能以及防水技術(shù)。

目前在推行單層襯砌技術(shù)的過程中，遇到的主要阻力之一正是噴射混凝土的抗?jié)B及其防水問題。在此背景下，本文在對噴射混凝土單層襯砌抗?jié)B機(jī)理及防水技術(shù)研究現(xiàn)狀闡述的基礎(chǔ)上，提出噴射混凝土單層襯砌抗?jié)B及防水技術(shù)的進(jìn)一步研究設(shè)想，為深入研究奠定一定的基礎(chǔ)。

圖1 卡邁爾公路隧道

圖2 關(guān)長山隧道

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展動態(tài)分析

1.1 噴射混凝土單層襯砌總體研究

噴射混凝土單層襯砌技術(shù)發(fā)展至今已經(jīng)有30多年的歷史，工程應(yīng)用實例主要遍布于歐洲及亞洲一些國家，如瑞典、挪威、德國、法國、日本、中國等。其主要研究成果可概括為四個方面：單層襯砌的支護(hù)機(jī)理、單層襯砌的結(jié)構(gòu)形式、單層襯砌的設(shè)計方法以及噴射混凝土的力學(xué)性能。

1.1.1 單層襯砌的支護(hù)機(jī)理

文獻(xiàn)[1]對由噴射混凝土構(gòu)成的單層襯砌支護(hù)機(jī)理進(jìn)行了詳細(xì)闡述，主要研究成果有以下三方面。

（1）引入接觸力學(xué)對由多層混凝土構(gòu)成的單層襯砌結(jié)構(gòu)支護(hù)機(jī)理進(jìn)行了研究，并與復(fù)合襯砌結(jié)構(gòu)進(jìn)行了比較。在同等荷載條件下，支護(hù)結(jié)構(gòu)的厚度相同時，單層襯砌結(jié)構(gòu)比復(fù)合襯砌結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的內(nèi)力小20%～50%；如產(chǎn)生的內(nèi)力相等時，單層襯砌結(jié)構(gòu)比復(fù)合襯砌結(jié)構(gòu)的厚度可減薄1/5～1/4，隧道開挖量減少5%～8%。由多層混凝土構(gòu)成的單層襯砌結(jié)構(gòu)中，內(nèi)力分配遵循“先時間、后剛度”的原則，即支護(hù)早施作早受力；同時承載條件下，剛度越大，其所承受的內(nèi)力也越大。

（2）提出了在N.Barton巖質(zhì)評定系數(shù)Q值計算式中引入褶皺影響系數(shù)、斷層影響系數(shù)以及地形影響系數(shù)，反映其影響程度的大小；引入屈服接近度對洞室圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行總體評價，并根據(jù)屈服接近度的大小對洞室穩(wěn)定性進(jìn)行了分級。

（3）提出了采用屈服接近度對圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行總體評價完成預(yù)設(shè)計，運用松動圈支護(hù)理論修正設(shè)計的單層襯砌設(shè)計思路。

1.1.2 單層襯砌的結(jié)構(gòu)形式[2]

國內(nèi)外單層襯砌的結(jié)構(gòu)形式以德國和挪威的最為常見。其中挪威法目前被大多數(shù)國家采用，其以Q系統(tǒng)為基礎(chǔ)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計，表1為挪威法單層襯砌結(jié)構(gòu)形式。

表1 挪威法單層襯砌結(jié)構(gòu)形式

1.1.3 單層襯砌的設(shè)計方法[2]

在國內(nèi)外，目前應(yīng)用于單層襯砌支護(hù)設(shè)計較為成熟的方法是挪威法（The Norwegian Method of Tunneling，簡稱NMT），它是由正確的圍巖評價、合理的支護(hù)參數(shù)和高性能的支護(hù)材料三部分組成的一種隧道施工方法。挪威法的基本內(nèi)容和方法如下：

（1）基于現(xiàn)場調(diào)查、鉆孔調(diào)查及彈性波探查進(jìn)行預(yù)設(shè)計；

（2）采用Q法進(jìn)行圍巖分級；

（3）支護(hù)模式的數(shù)值解析驗證多采用非連續(xù)體解析的UDEC、3D-DEC等方法進(jìn)行；

（4）局部錨桿、系統(tǒng)錨桿、系統(tǒng)錨桿+鋼纖維噴射混凝土構(gòu)成的一次支護(hù)作為永久支護(hù)的一部分；最終的支護(hù)設(shè)計根據(jù)施工中的觀察和量測記錄求出的Q值選定支護(hù)模式；

（5）一次支護(hù)作為永久支護(hù)時，使用開始后作為漏水、冰霜對策可采用混凝土板或鋼板施設(shè)二次襯砌；

（6）開挖視圍巖狀況采用爆破或機(jī)械方法進(jìn)行；

（7）永久支護(hù)的支護(hù)模式：邊施工、邊選定；

（8）永久支護(hù)由高品質(zhì)鋼纖維噴射混凝土和全長附著型、高拉力、耐腐蝕的錨桿構(gòu)成。

其次比較有應(yīng)用前景的另外一種單層襯砌設(shè)計方法是極限狀態(tài)法。對于隧道工程，一方面荷載難于確定，另一方面影響因素眾多，其極限狀態(tài)比較復(fù)雜，因此該方法還沒有推廣應(yīng)用。

1.1.4 噴射混凝土的力學(xué)性能

噴射混凝土的力學(xué)性能，國內(nèi)外的研究相對較多。如我國的《錨桿噴射混凝土支護(hù)技術(shù)規(guī)范》(GB50086-2001)、日本土木學(xué)會2005年公布的《隧道噴射混凝土指南》、挪威隧道學(xué)會1999年出版的《噴射混凝土巖石支護(hù)》以及歐洲共同體的有關(guān)噴射混凝土性能的規(guī)定等，對噴射混凝土的一些力學(xué)指標(biāo)都做出了明確要求。在這些規(guī)范或指南中，主要對噴射混凝土的設(shè)計基準(zhǔn)強(qiáng)度、初期強(qiáng)度、彎曲韌性、粘結(jié)強(qiáng)度等有明確的規(guī)定或控制指標(biāo)[3-5]。

從國內(nèi)外對噴射混凝土單層襯砌的總體研究來看，研究的重點主要集中在兩個方面：一個是噴射混凝土的強(qiáng)度；一個是單層襯砌的結(jié)構(gòu)，包括形式、設(shè)計方法等。然而，結(jié)構(gòu)滲漏水是影響單層襯砌使用功能的最大“元兇”，由于地下水的作用，使得噴射混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部受到損傷，其他性能也明顯較低，如強(qiáng)度、密實性、粘附性都有不同程度的降低。因此，欲提高噴射混凝土的使用壽命，首先需要解決的問題就是它的抗?jié)B問題。

1.2 噴射混凝土抗?jié)B性能研究

由于施工工藝的差異，噴射混凝土與普通的模筑混凝土相比有其自身顯著的特點：一是施工工藝采用噴射作業(yè)，有“回彈”現(xiàn)象，致使原有配合比成分中的部分原材料損失，使得粘附在受噴對象上的混凝土配合比和噴射機(jī)的“噴出”混凝土配合比不一致；二是為保證噴射混凝土與受噴對象的良好粘結(jié)，在噴射混凝土原料中加入了速凝劑，改變了噴射混凝土的原有性能。盡管對于普通模筑混凝土的抗?jié)B性能研究較多，也取得了一些研究成果，但直接將這些成果移植到噴射混凝土的抗?jié)B中，顯然不能滿足噴射混凝土的抗?jié)B要求，甚至還會起到相反的作用。另外，對噴射混凝土的抗?jié)B性能，也有一些文獻(xiàn)報道，這些研究成果可歸納為兩類：第一類是增加水泥用量。這種辦法有兩個致命的弱點，一是會產(chǎn)生高水化熱，容易在混凝土內(nèi)部產(chǎn)生微裂紋，二是水泥在凝結(jié)硬化過程中形成的氫氧化鈣增多，在地下水的長期作用下，氫氧化鈣會逐漸被溶蝕和碳化，對噴射混凝土的早期抗?jié)B性和長期溶蝕性都有較大的影響；第二類是在噴射混凝土中摻入硅粉、粉煤灰、纖維等來改善其抗?jié)B性能，但是外摻料的“堆砌”摻入，對噴射混凝土的抗?jié)B性雖有一定的提高，但作用非常有限，配置高抗?jié)B標(biāo)號的噴射混凝土受到了明顯的限制。

1.3 單層襯砌結(jié)構(gòu)抗?jié)B計算

對于單層襯砌結(jié)構(gòu)的防水，基本上所有文獻(xiàn)都只考慮了噴射混凝土的抗?jié)B性能。然而，單層襯砌是一種承載結(jié)構(gòu)，承受外部的圍巖壓力和水荷載。因此，單層襯砌結(jié)構(gòu)防水是有壓條件下的防水，這個與單層襯砌的施工過程密切相關(guān)，不單純是材料的抗?jié)B性能。

2 進(jìn)一步研究設(shè)想

針對噴射混凝土單層襯砌抗?jié)B機(jī)理及防水技術(shù)的研究現(xiàn)狀，提出進(jìn)一步的研究設(shè)想，主要分為兩個層面：一是基于多元復(fù)合膠凝材的噴射混凝土抗?jié)B性能的研究，重點研究密實性、溶蝕性、干縮性對噴射混凝土抗?jié)B性能的影響，在此基礎(chǔ)上配置出不同抗?jié)B要求下的系列噴射混凝土配合比；其次是噴射混凝土單層襯砌結(jié)構(gòu)的抗?jié)B計算（本文提及到的噴射混凝土施工工藝為濕噴法）。

2.1 噴射混凝土材料的抗?jié)B性能

噴射混凝土的抗?jié)B機(jī)理研究應(yīng)從噴射混凝土自身材料出發(fā)開展抗?jié)B性能的評價、滲透的機(jī)理分析以及噴射混凝土“三性（密實性、溶蝕性、干縮性）”指標(biāo)的研究。

2.1.1 抗?jié)B性能的評價

普通混凝土以抗?jié)B等級評價其抗?jié)B能力，因抗?jié)B等級不能直觀反映混凝土的抗?jié)B能力，在實際應(yīng)用中很不方便；而滲水高度則與混凝土的滲透系數(shù)、滲水時間、承受水壓力參數(shù)有直接的數(shù)學(xué)關(guān)系，更能直觀地反映混凝土的抗?jié)B能力。因此，在噴射混凝土的抗?jié)B性能評價中建議使用滲水高度。

噴射混凝土的滲透機(jī)理分析可從三方面入手：

（1）物理機(jī)理，即噴射混凝土的密實性問題，涉及到噴射混凝土的膠凝材料、粗細(xì)骨料、配合比、回彈等；

（2）化學(xué)機(jī)理，即噴射混凝土的溶蝕性問題，涉及到噴射混凝土中氫氧化鈣的溶蝕量；

（3）斷裂機(jī)理，即噴射混凝土的開裂問題，裂縫包括微觀裂縫和宏觀裂縫，涉及到噴射混凝土外摻料的品種、性能、數(shù)量等。

2.1.3 噴射混凝土“三性”指標(biāo)研究

結(jié)合噴射混凝土的抗?jié)B機(jī)理研究提高抗?jié)B性能的技術(shù)措施是：高密實性、低溶蝕性、低干縮性。因此如何配置噴射混凝土配合比來實現(xiàn)其高密實性、低溶蝕性、低干縮性，使其達(dá)到P10及以上的抗?jié)B標(biāo)號，是另外一個研究重點。

（1）膠凝材料

（2）跟蹤、追究不嚴(yán)格。高校審計處根據(jù)審計結(jié)果出具審計報告，對內(nèi)部控制設(shè)計和執(zhí)行情況有針對性地提出改善對策和建議，并要求整改。但是內(nèi)部審計部門出具完審計報告后，跟蹤及追究力度不夠，加之相關(guān)部門對審計結(jié)果疏于重視，未能及時堵住漏洞，導(dǎo)致風(fēng)險依舊存在，嚴(yán)重影響了內(nèi)部控制實施的有效性。

普通噴射混凝土是以單一的普通硅酸鹽水泥作為膠凝材料。實踐證明，這是從根本上無法解決噴射混凝土耐久性問題的。為解決這一問題，筆者提出如下思路。

礦物摻合料和高效化學(xué)外加劑置換部分普通硅酸鹽水泥，使混凝土中生成的氫氧化鈣顯著減少，地下水對噴射混凝土的溶蝕明顯減少；同時，水泥量減少，水泥在凝固過程中的水化熱也同時降低，這樣可減少干縮裂縫，達(dá)到“一舉多能”的效果。礦物摻合料和高效化學(xué)外加劑進(jìn)行深加工，使部分膠凝材料的細(xì)度達(dá)到準(zhǔn)納米級，實現(xiàn)多元復(fù)合膠凝材料自身的良好級配。磨細(xì)的膠凝材料細(xì)度比表面積增大，顯著提高其活性；使得噴射混凝土水化熱降低，密實性提高，磨細(xì)的膠凝材料可取代30%質(zhì)量分?jǐn)?shù)的水泥熟料，降低噴射混凝土成本。

（2）粗、細(xì)骨料

粗、細(xì)骨料是噴射混凝土施工時回彈的主要成分，因此也是影響“粘附”混凝土耐久性的又一重要因素。擬從以下兩方面進(jìn)行改進(jìn)：一是對粗骨料的粒徑范圍、級配進(jìn)行優(yōu)化；二是細(xì)骨料的置換，用石灰石細(xì)粉末置換0.15mm以下的微顆粒分量，可抑制噴射混凝土的回彈。

（3）速凝劑

噴射混凝土在噴射初期需與受噴對象有充分的附著力和具有一定的初期強(qiáng)度，因此需加入速凝劑。傳統(tǒng)的粉末狀速凝劑盡管可滿足以上要求，但對噴射混凝土的耐久性有較大危害。本項目擬從兩方面改進(jìn)：一是采用無堿液態(tài)速凝劑，可獲得安全的作業(yè)環(huán)境，也不會發(fā)生堿-骨料反應(yīng)；二是液態(tài)速凝劑的添加，會導(dǎo)致水灰比的增大，因此在配合比設(shè)計時要充分考慮液態(tài)速凝劑的影響。

（4）纖維增強(qiáng)

作者前期對噴射混凝土的外摻纖維——鋼纖維和聚丙烯纖維有一定的研究基礎(chǔ)。鋼纖維彈模高、韌度好，但鋼纖維的銹蝕對噴射混凝土的耐久性影響較大；聚丙烯纖維彈模低，有一定的韌性和抗裂性能，可提高噴射混凝土一定的抗?jié)B性，但對其他性能改善不明顯。設(shè)想的解決思路是：對鋼纖維和聚丙烯纖維混合摻入噴射混凝土的抗?jié)B性能繼續(xù)深入研究，同時研究介于上述兩種纖維性能之間的另外一種纖維——高彈高分子化學(xué)纖維進(jìn)行改性，以期獲得較好效果。

通過以上研究，最終形成提高噴射混凝土抗?jié)B性能的密實性、溶蝕性、干縮性控制指標(biāo)，配置出適用于不同抗?jié)B要求的噴射混凝土配合比。

2.2 噴射混凝土單層襯砌結(jié)構(gòu)的抗?jié)B計算

噴射混凝土襯砌結(jié)構(gòu)是集合了承載和防水功能的一個綜合體系，因此單層襯砌結(jié)構(gòu)的防水不能只靠傳統(tǒng)的材料抗?jié)B等級來解決。作者的解決思路是要建立一個滲水預(yù)測模型，該模型中可規(guī)定單層襯砌結(jié)構(gòu)體系中各支護(hù)層的功能、強(qiáng)度等屬性。

單層襯砌結(jié)構(gòu)是由多層噴射混凝土構(gòu)成的支護(hù)體系，應(yīng)賦予各支護(hù)層不同的屬性，開展結(jié)構(gòu)的抗?jié)B計算。為說明這一問題，以單層襯砌結(jié)構(gòu)由三層噴射混凝土構(gòu)成為例建立抗?jié)B模型（圖3），其設(shè)計理念如表2。

圖3 單層襯砌結(jié)構(gòu)抗?jié)B計算模型

表2 單層襯砌結(jié)構(gòu)抗?jié)B設(shè)計理念

這樣，在設(shè)計使用年限、水壓降已知的條件下就可得到滲水高度（即整個支護(hù)體系的厚度）和各支護(hù)層滲透系數(shù)之間的關(guān)系，并優(yōu)選最佳方案，實現(xiàn)對整個支護(hù)體系的抗?jié)B計算。

3 結(jié)束語

當(dāng)前，在單層襯砌支護(hù)技術(shù)迅速發(fā)展的同時，其結(jié)構(gòu)抗?jié)B性能及防水技術(shù)卻是阻礙其全面推廣的重要原因之一。在此背景下，作者在對噴射混凝土單層襯砌抗?jié)B及防水技術(shù)調(diào)研的基礎(chǔ)上，提出了更進(jìn)一步的研究設(shè)想：一是基于多元復(fù)合膠凝材的噴射混凝土抗?jié)B性能的研究；一是噴射混凝土單層襯砌結(jié)構(gòu)的抗?jié)B計算的研究。希望本文提出的研究思路，能夠起到拋磚引玉的作用，有更多的隧道工程師關(guān)注單層襯砌技術(shù)的發(fā)展，實現(xiàn)該技術(shù)的全面推廣。

[1]張俊儒.隧道單層襯砌作用機(jī)理及設(shè)計方法研究[D].成都：西南交通大學(xué)博士學(xué)位論文，2007.

[2]張俊儒，仇文革.隧道單層襯砌研究現(xiàn)狀及評述[J].地下空間與工程學(xué)報，2006，2（4）：693-699.

[3]關(guān)寶樹.隧道及地下工程噴射混凝土支護(hù)技術(shù)[M].北京：人民交通出版社，2009.

[4]中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局，中華人民共和國建設(shè)部.GB50086-2001錨桿噴射混凝土支護(hù)技術(shù)規(guī)范[S].北京：中國計劃出版社，2001.

[5]中國工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會.CECS 38：2004纖維混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S].北京：中國計劃出版社，2004.

責(zé)任編輯：孫蘇，李紅

Study on Impermeability Mechanism and Waterproof Technology of Shotcrete with Single Shell

With the improvement of shotcrete's quality,performance and construction technology,single shell lining technique has developed rapidly in recent years and has been applied throughout the world.But the problems in its impermeability mechanism and waterproof technology are hindering its wide popularization.The two problems are studied and ideas for further study are also proposed.The study is focused on the following two aspects:the impermeability mechanism of shotcrete of multi-component cementitious material,including anti-impermeability assessment,impermeability mechanism analysis and anti-impermeability technical measures;the anti-impermeability calculation of shotcrete with single shell lining,and the relationship between water penetration height and permeability coefficient of each supporting layer is worked out through the water seepage prediction model to optimize the plan and calculate the impermeability of the whole support system.

shotcrete;single shell lining;impermeability mechanism;waterproof technology;accelerator;cementitious material;fiber strengthening

U451+.4

A

1671-9107（2013）09-0027-04

基金論文：該文為國家自然科學(xué)基金資助項目（項目批準(zhǔn)號：51108388）、中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項基金資助項目（項目編號：SWJTU11ZT33）和教育部創(chuàng)新團(tuán)隊發(fā)展計劃資助項目（項目編號：IRT0955）論文之一。

10.3969／j.issn.1671-9107.2013.09.027

2013-06-18

張俊儒（1978-），男，山西神池人，博士，副教授，碩士研究生導(dǎo)師，主要從事隧道圍巖穩(wěn)定性及單層襯砌支護(hù)材料、支護(hù)理論的研究工作。