隧道优化设计探讨

一、关于冻胀力（这里只讨论防水板以外的冻胀并假设防水板紧邻的外侧是有水的）

土中的水可区分为结合水和自由水两大类，结合水根据其所受分子引力的大小分为强结合水和弱结合水；自由水则可分为重力水和毛细水。重力水在0℃时冻结，毛细水因受表面张力的作用其冰点稍低于0℃；结合水的冰点则随着其受到的引力的增加而降低，弱结合水的外层-0.5℃时冻结，越靠近土粒表面其冰点越低，弱结合水要在-20 ~ -30℃时才全部冻结，而强结合水在-78℃仍不冻结。

当大气温度降至负温时，隧道衬砌温度随之降低，零度温度线逐渐向围岩方向推移，越过防水板后，喷射混凝土开始冻结，其孔隙中的自由水先冻结成冰晶体，随着温度的继续下降，弱结合水的最外层也开始冻结，使冰晶体逐渐扩大。这样使冰晶体周围的混凝土颗粒（或部分围岩的颗粒）的结合水膜减薄，混凝土及围岩颗粒就产生了剩余的分子引力。另外，由于结合水膜的减薄，使得水膜中的离子浓度增加（因为结合水中的水分子结成冰晶体，使离子浓度相应增加），这样，就产生了渗附压力（即两种水溶液的浓度不同时，会在它们之间产生一种压力差，使浓度较小溶液中的水向浓度较大的溶液渗流）。在这两种引力作用下，附近未冻结区水膜较厚处的结合水，被吸引到冻结区的水膜较薄处。一旦水分被吸引到冻结区后，因为负温作用，水即冻结，使冰晶体增大，而不平衡引力继续存在。若未冻结区存在着水源，及适当的水源补给通道（即毛细通道），就能够源源不断地补充被吸收的结合水，则未冻结的水分就会不断地向冻结区迁移积聚，使冰晶体扩大，在喷射混凝土及围岩中的某个部位中形成冰夹层，使使其体积发生隆胀，即冻胀现象。这种冰晶体的不断增大，一直要到水源的补给断绝后或温度升高后才停止，因此，其冻胀力或许会很大。

二、 关于保温层

保温层的保温原理是形成一系列不连通或连通性不好的气泡，气泡中空气的相互对流很小，所以热量的交换也就很小，以此来达到保温的目的。因此，要保证保温层的良好效果就必须保证其内气泡的数量与质量（大小和形状），例如，保温层被水浸泡或受压变薄等都会严重影响保温效果。

对于环向排水管处的局部保温层，其宽度一般在1m左右，在其外包裹上一层防水板基本上可解决其浸水的问题，但是由于初期支护属柔性支护，其强度较低，再加上厚度较小，

因此，在围岩荷载长期压力下，初期支护会慢慢地变形压迫防水板，因此防水板或许会因厚度的减小而使其保温性能降低。另外，如果围岩中水较多，压力较大且初支防水性不是很好，在长期情况下，如环向排水管堵塞，则条状保温层将承受较大的水压，其厚度会减小，如果其外的防水板密封效果不是很好，则可能受压破损，随后若压力减小可能会被水浸入，则进一步影响保温层的保温性能。此问题的解决方法应从五个方面入手，一是采用强度比较高的保温层材料，如此它受压后的厚度损失会减小，保温性能的折减也将减小；二是将长期情况下保温层厚度的损失考虑进去，在设计时适当增加保温层厚度；三是依靠其他强度比较高的材料来抵抗来自初支的压力，比如在保温层靠近围岩侧设置一些沿隧道轴向的钢构件；四是要严格控制保温层外防水板的焊接质量，使其密封结实，且使里面的空气量适中，不能太少造成干瘪，也不能太多造成鼓胀；五是要确保排水系统的畅通。

对于在初期支护与二衬间全面设置保温层（或者因为二衬损坏严重而在其表面铺设保温层后重新浇筑二衬），本人觉得很不妥，一方面保温层在长期情况下会被水浸透而严重影响保温效果，另一方面保温层会被来自围岩的压力压薄而使其保温效果大打折扣。

三、 关于隧道衬砌所受的水压的确定

如果水源水位较高且水量充足，有人说水压会很大，有人说不大，有人说这个与水的流速有关，但我不这样认为，或许他们都说的没错，但是可能把表面现象当成了本质现象了，对于隧道衬砌所承受的水压的大小，本人认为可根据下面的叙述来确定，示意图如图1~图3。

水压力的大小和供水能力与排水能力的比值及水的流速与流向有关，不妨假设

P(1 式中：P—衬砌所承受的水的压力；

QpQg)hP冲击

Qp、Qg—分别为相当于将流经隧道的水的通道从衬砌处分为彻底独立的两段后，在供水充足的情况下，这两段在在单位时间内的过水量，此值只是一个理论值 （相当于是两个管道的过水能力），在实际中几乎不能得到准确值，但可根据经验及 现场情况近似确定，当Qp大于Qg时，其比值取1，因为衬砌周围缝隙较多，存在负压的可能性不大； γ—为水的重度；

h—为衬砌处距水源的高程； P冲击—水流对衬砌的冲击力，P冲击m(V2V1)S，P冲击的值不好确定，但

因其量值较小，所以可以省去不计。

式中：m—单位时间从衬砌旁边流过的水的质量；

V1、V2—分别为经过衬砌旁边的水流向衬砌和远离衬砌时的速度，为

矢量；

S—与从衬砌旁边流过的水接触密切的衬砌的面积。

当Qp相对于Qg很小几乎为零时，此种情况如图1所示，此时衬砌所承受的水压力比较大，Ph。

图1 Qp很小相对于Qg很小几乎为零时的情况

当Qp比Qg小时，其情况如图2 所示。

图2 Qp比Qg小时的情况

当Qp比Qg大或者两者相差不大时，其情况如图3所示，此时衬砌所承受的压力很小，几乎为零。

图3当Qp比Qg大或者两者相差不大时的情况

四、 关于LV构件

毋庸置疑，LV构件在防水板的铺设方面效果显著，其不但能提高防水板铺设的整齐度，

而且比较牢固，但是，在它的使用中可能还存在一些问题。

比如其抗剪问题，在二衬浇筑时LV构件的近二衬端会被镶嵌在二衬里，被二衬卡死，在隧道运营过程中，在围岩压力作用下，初支会慢慢向二衬变形，此时，由于LV里的射钉，再加上初支是柔性支护，所以初支很容易将LV构件的近初支端卡住，随后，由于温度的周期性变化，二衬会发生相应的胀缩变形，而由于初支是连续地，其变形属于平面应变问题，几乎不随温度的变化发生纵向胀缩变形，所以初支和二衬之间会有一个位移差，而此时的LV构件却会阻止它们的相对位移，所以，在LV构件处会产生应力集中，尤其是在施工缝（一般和变形缝与沉降缝设置在一起）处应力集中最明显，所以，如果此时的LV构件的抗剪强度不够的话就有可能被剪坏，所以在LV构件的强度问题上必须进行试验模拟，以确保其长期的耐久性。

如果剪力确实可能会使LV构件损坏的话，可以在防水板铺设时在LV构件近二衬侧用胶水粘一个形状类似黑板刷的长方体塑料泡沫板（其与LV构件粘贴的那一侧应刻上圆形凹槽以便镶嵌LV，另外，此长方体的长边应与隧道轴线平行）。

另外，在二衬随温度的变化而胀缩时，防水板也会被迫产生一定的变形，但由于LV构件的强度远大于防水板的强度，所以其应变将会远小于防水板材料，再加上LV构件被初支与二衬卡住，于是在整个防水板发生变形时，LV构件周围的防水板会产生应力集中现象，所以，还需对这种情况下的防水板的性能进行试验测试。

由于实际施工中初期支护钢拱架靠近隧道侧的混凝土保护层厚度比较薄，所以在铺设LV构件前一定要大致估计距离使所铺设的那一段防水板上的LV构件和钢拱架错开。

当铺设防水板时如果不慎将LV构件损坏或者铺设完成后发现某个LV构件有漏水，这时则需要对其进行修补或更换，如果破损的LV构件在防水板边上，手可以伸进防水板与初支之间够着构件，那么应对其进行更换，如果够不着，则应在其上重新焊接一块防水板对其进行密封。

五、 关于背贴式洞顶人工假顶技术

因为喷射混凝土表面的平整度较差，为了使浇筑二衬时拱顶尽可能地密实，在采用假顶技术进行止水带的安装时需要注意假顶与拱顶的密封问题，如果喷射混凝土表面的平整度不是很差，可采用在假顶上粘贴两道海绵来密封的方法，如果喷射混凝土表面的平整度很差，可考虑在假顶靠近模板台车侧设置一组小端头模板，小端头模板靠近模板台车侧用防水板密封，并用小端头模板顶紧。

六、 关于隧道施工缝处漏水的处理

隧道的防水板一旦被突破，则二衬和施工缝处的止水带则成为最后防线，但由于止水带的设计和施工中的一些缺陷及不足，使得施工缝常被渗水突破，这时则需要对施工缝处进行防排水处理，但由于施工缝又往往是变形缝和沉降缝，其宽度随温度的变化而变化，所以对其进行的防排水措施必须能满足反复的拉伸，且耐久性较好，在一本书中见到下图（图4）所示的外置内贴式止水带。遇水膨胀腻子条（或可充气橡胶止水条，个人认为遇水膨胀腻子条更好些，因为可充气橡胶止水条有可能会漏气，以至于影响堵水效果，并且漏气失效后不容易被发现）可对漏水进行封堵，使其水量减少，然后外置内贴止水带对越过遇水膨胀腻子条的水进行严密地堵排，其两翼可保证将漏水严密封堵，内侧的空隙可使水排走而不会产生过大的压力，中间的U型部分可适应施工缝的宽度的变化，所以，其效果应该会很好。

图4 外置内贴止水带

七、 梯形止水带拱顶处的排气问题

由于梯形止水带的两翼的存在，再加上拱顶处二衬往往很难密实，使得在浇筑时梯形止水带拱顶部位或存在一些空气而使得拱顶浇筑的密实性进一步下降。对于此种情况是否会发生，可采用形状相近的透明橡胶塑料或玻璃，再用一些混凝土，加上震动的仪器进行模拟试验。如确会发生此问题，则需在此止水带的使用中采取措施进行预防，比如在安装止水带前预设一根小管子进行排气。

八、 关于激光隧道围岩位移实时监测系统及其应用

对于其“布置方便、可实时监控、安全可靠”等优点我在此不再叙说，只是觉得，如果隧道较长，且需要监控的断面距洞口较远，则如用此监测系统的话，就必须用很长的电缆将数据引到洞外的监控室里，这样则会导致费工耗时，并使成本增加，使其优越性降低，此时，如果隧道内装设了用于洞外人员与洞内人员保持联系的临时的无线信号发射与接受装置，则可适当改进监测系统，使其能无线传播数据，如此可使监测工作方便快捷，并能降低其成本。

九、 关于引水隧道

引水隧道与普通山岭隧道在受力方面的主要差别是引水隧道在运营期间要承受比较大的来自水的内压，因此，其设计应该有所不同，但一般做法或许是增加引水隧道的衬砌的配筋率或厚度，甚至给其施加预应力。

在修建隧道时，新奥法认为应采用柔性支护，使围岩适当变形以充分利用其承载能力，但对于引水隧道，如果还是用此理论，个人认为须对此理论的理解上作出一些修正，应更重视在运营阶段对围岩承载力的利用，当然，需从设计施工阶段做起。这里面，支护时机是关键，个人认为应该根据估计的运营期间隧道内水压力的大小将引水隧道的支护时机适当提前，同时，应增加初期支护强度，图5为对于公路或铁路隧道所选择的支护时机，图6为对于引水隧道所选择的支护时机，这样做虽会增加施工阶段的困难，但是在以后的运营阶段其相当于给衬砌施加了一定的预应力，可以部分抵消隧道内水的压力，会对隧道防漏防渗有显著作用，同时也会减少衬砌所受的环向拉应力，如图7和图8所示，这对减少整体造价效果显著。由于围岩对衬砌压力的增大，衬砌所受围岩压力的不均匀性所产生的危害将会增强，因此，应更加重视衬砌因围岩压力不均匀性而产生损坏的预防，应使初期支护与围岩的尽量密实，必要时应及时进行注浆作业。

图5 山岭隧道支护曲线 图6 引水隧道支护曲线

图7

图8

十、 关于隧道初期支护钢拱架的纵向连接

这个方案主要用于围岩较差的情况，适用于采用台阶法开挖的隧道，由于掌子面处每个循环进尺距离较短，因此，如果将纵向连接的工字钢作为初期支护的一部分，并与钢拱架焊接在一起，则工字钢与钢拱架之间的焊接只能在一个循环掘进后而尚未进行喷射混凝土时进行，于是，一，纵向工字钢的长度与相邻两榀钢拱架之间的距离保持一致，但由于其只与相邻两榀钢拱架有连接，故失去其作用，或使其作用大打折扣；二，连续开挖好几个循环后再进行钢拱架和纵向连接工字钢的布置与焊接，但是这样往往会错过支护的最佳时机，使得安全无法保证。于是，纵向攻击刚只能作为临时加固构件，这样也可以减少成本。

在有锁脚锚杆存在的情况下（一般都有），应将其与锁脚锚杆焊接在一起，可增加工字钢的稳定性，另外，也可使锁脚锚杆的作用增强。为了更好地发挥纵向连接工字钢的作用以

减少拱顶沉降和保证作业面的稳定，须对纵向工字钢施加预应力，所以建议在纵向工字钢的靠近掌子面端设置千斤顶组。对于纵向连接工字钢与钢拱架之间的焊接问题，考虑到易施工性与施工效率，不建议将纵向工字钢与钢拱架直接焊接，而建议使用一种托架（如长方体的箱子去掉两个相对的面，剩下的四个面中外侧与上方的两个面可以如门一样开合，另外两个面是固定的，其直接与钢拱架及锚杆焊接，另外，托架的上下两个面的内侧应各有一个由六或八个螺丝连接起来的钢板），施工时，先焊接托架，然后将工字钢放到托架内，拧紧托架上的固定螺丝，然后边使用千斤顶加载，边调节托架上下面的螺丝以使内置钢板随工字钢角度的变化而变化，以减少不必要的扭矩。对于加载的大小，可通过设置一定大小的力来控制，也可通过位移来控制，比如说上一下台阶开挖使得拱顶沉降5mm，则在加载时可使工字钢托架处的挠度达到5mm时结束加载。