喷射混凝土单层衬砌抗渗机理及防水技术研究设想

张俊儒

（西南交通大学交通隧道工程教育部重点实验室，四川成都610031）

喷射混凝土单层衬砌抗渗机理及防水技术研究设想

张俊儒

（西南交通大学交通隧道工程教育部重点实验室，四川成都610031）

近年来随着喷射混凝土施工工艺和质量性能的提高，单层衬砌技术得到了迅速发展，在世界上许多国家都有了不同程度的应用，然而喷射混凝土单层衬砌的抗渗性能及防水技术却阻碍着该技术的全面推广。在此背景下，该文对国内外喷射混凝土单层衬砌抗渗及防水技术进行了调研，提出进一步深入研究的思路和设想。主要基于两个层面：一个是基于多元复合胶凝材的喷射混凝土抗渗性能的研究，包括抗渗性能评价、渗透机理分析以及抗渗技术措施等；另一个是喷射混凝土单层衬砌结构的抗渗计算的研究，通过建立渗水预测模型，求解渗水高度和各支护层渗透系数之间的关系，并优选最佳方案，实现对整个支护体系的抗渗计算。

喷射混凝土；单层衬砌；抗渗机理；抗渗性能；防水技术；速凝剂；胶凝材料；纤维增强

0 引言

喷射混凝土单层衬砌（single shell lining）是20世纪70年代发展起来的一种隧道支护体系，与复合式衬砌相比，单层衬砌具有以下特征：

（1）整个支护作业是用喷射方法多次完成，从根本上改变了隧道衬砌的施工工艺（说明：只有局部围岩不稳定地段才增加模筑混凝土衬砌）；

（2）各支护层间不设置防水板，一方面可简化施工工序；另一方面可通过各混凝土层间径向和纵向上的抗滑移性，使得各混凝土层形成共同承载体系，提高其承载能力；

（3）单层衬砌结构可降低工程造价、缩短工期；同时便于维修养护。

最近几十年，随着喷射混凝土施工工艺和质量性能的提高，单层衬砌技术得到了迅速发展，在世界上许多国家都有了不同程度的应用。图1为以色列海法市卡迈尔公路隧道单层衬砌；图2为重庆南涪公路关长山隧道单层衬砌。

然而通过研究发现，一方面目前喷射混凝土单层衬砌主要应用于无水干燥的地层，而在有水的地层中，即使水量很小，也很容易出现渗水、甚至滴水现象，严重影响了单层衬砌的使用功能；另一方面对喷射混凝土的研究主要集中在力学性能方面，基本没有涉及喷射混凝土的耐久性，特别是目前备受关注的喷射混凝土抗渗性能以及防水技术。

目前在推行单层衬砌技术的过程中，遇到的主要阻力之一正是喷射混凝土的抗渗及其防水问题。在此背景下，本文在对喷射混凝土单层衬砌抗渗机理及防水技术研究现状阐述的基础上，提出喷射混凝土单层衬砌抗渗及防水技术的进一步研究设想，为深入研究奠定一定的基础。

图1 卡迈尔公路隧道

图2 关长山隧道

1 国内外研究现状及发展动态分析

1.1 喷射混凝土单层衬砌总体研究

喷射混凝土单层衬砌技术发展至今已经有30多年的历史，工程应用实例主要遍布于欧洲及亚洲一些国家，如瑞典、挪威、德国、法国、日本、中国等。其主要研究成果可概括为四个方面：单层衬砌的支护机理、单层衬砌的结构形式、单层衬砌的设计方法以及喷射混凝土的力学性能。

1.1.1 单层衬砌的支护机理

文献[1]对由喷射混凝土构成的单层衬砌支护机理进行了详细阐述，主要研究成果有以下三方面。

（1）引入接触力学对由多层混凝土构成的单层衬砌结构支护机理进行了研究，并与复合衬砌结构进行了比较。在同等荷载条件下，支护结构的厚度相同时，单层衬砌结构比复合衬砌结构产生的内力小20%～50%；如产生的内力相等时，单层衬砌结构比复合衬砌结构的厚度可减薄1/5～1/4，隧道开挖量减少5%～8%。由多层混凝土构成的单层衬砌结构中，内力分配遵循“先时间、后刚度”的原则，即支护早施作早受力；同时承载条件下，刚度越大，其所承受的内力也越大。

（2）提出了在N.Barton岩质评定系数Q值计算式中引入褶皱影响系数、断层影响系数以及地形影响系数，反映其影响程度的大小；引入屈服接近度对洞室围岩稳定性进行总体评价，并根据屈服接近度的大小对洞室稳定性进行了分级。

（3）提出了采用屈服接近度对围岩稳定性进行总体评价完成预设计，运用松动圈支护理论修正设计的单层衬砌设计思路。

1.1.2 单层衬砌的结构形式[2]

国内外单层衬砌的结构形式以德国和挪威的最为常见。其中挪威法目前被大多数国家采用，其以Q系统为基础进行结构设计，表1为挪威法单层衬砌结构形式。

表1 挪威法单层衬砌结构形式

1.1.3 单层衬砌的设计方法[2]

在国内外，目前应用于单层衬砌支护设计较为成熟的方法是挪威法（The Norwegian Method of Tunneling，简称NMT），它是由正确的围岩评价、合理的支护参数和高性能的支护材料三部分组成的一种隧道施工方法。挪威法的基本内容和方法如下：

（1）基于现场调查、钻孔调查及弹性波探查进行预设计；

（2）采用Q法进行围岩分级；

（3）支护模式的数值解析验证多采用非连续体解析的UDEC、3D-DEC等方法进行；

（4）局部锚杆、系统锚杆、系统锚杆+钢纤维喷射混凝土构成的一次支护作为永久支护的一部分；最终的支护设计根据施工中的观察和量测记录求出的Q值选定支护模式；

（5）一次支护作为永久支护时，使用开始后作为漏水、冰霜对策可采用混凝土板或钢板施设二次衬砌；

（6）开挖视围岩状况采用爆破或机械方法进行；

（7）永久支护的支护模式：边施工、边选定；

（8）永久支护由高品质钢纤维喷射混凝土和全长附着型、高拉力、耐腐蚀的锚杆构成。

其次比较有应用前景的另外一种单层衬砌设计方法是极限状态法。对于隧道工程，一方面荷载难于确定，另一方面影响因素众多，其极限状态比较复杂，因此该方法还没有推广应用。

1.1.4 喷射混凝土的力学性能

喷射混凝土的力学性能，国内外的研究相对较多。如我国的《锚杆喷射混凝土支护技术规范》(GB50086-2001)、日本土木学会2005年公布的《隧道喷射混凝土指南》、挪威隧道学会1999年出版的《喷射混凝土岩石支护》以及欧洲共同体的有关喷射混凝土性能的规定等，对喷射混凝土的一些力学指标都做出了明确要求。在这些规范或指南中，主要对喷射混凝土的设计基准强度、初期强度、弯曲韧性、粘结强度等有明确的规定或控制指标[3-5]。

从国内外对喷射混凝土单层衬砌的总体研究来看，研究的重点主要集中在两个方面：一个是喷射混凝土的强度；一个是单层衬砌的结构，包括形式、设计方法等。然而，结构渗漏水是影响单层衬砌使用功能的最大“元凶”，由于地下水的作用，使得喷射混凝土结构内部受到损伤，其他性能也明显较低，如强度、密实性、粘附性都有不同程度的降低。因此，欲提高喷射混凝土的使用寿命，首先需要解决的问题就是它的抗渗问题。

1.2 喷射混凝土抗渗性能研究

由于施工工艺的差异，喷射混凝土与普通的模筑混凝土相比有其自身显著的特点：一是施工工艺采用喷射作业，有“回弹”现象，致使原有配合比成分中的部分原材料损失，使得粘附在受喷对象上的混凝土配合比和喷射机的“喷出”混凝土配合比不一致；二是为保证喷射混凝土与受喷对象的良好粘结，在喷射混凝土原料中加入了速凝剂，改变了喷射混凝土的原有性能。尽管对于普通模筑混凝土的抗渗性能研究较多，也取得了一些研究成果，但直接将这些成果移植到喷射混凝土的抗渗中，显然不能满足喷射混凝土的抗渗要求，甚至还会起到相反的作用。另外，对喷射混凝土的抗渗性能，也有一些文献报道，这些研究成果可归纳为两类：第一类是增加水泥用量。这种办法有两个致命的弱点，一是会产生高水化热，容易在混凝土内部产生微裂纹，二是水泥在凝结硬化过程中形成的氢氧化钙增多，在地下水的长期作用下，氢氧化钙会逐渐被溶蚀和碳化，对喷射混凝土的早期抗渗性和长期溶蚀性都有较大的影响；第二类是在喷射混凝土中掺入硅粉、粉煤灰、纤维等来改善其抗渗性能，但是外掺料的“堆砌”掺入，对喷射混凝土的抗渗性虽有一定的提高，但作用非常有限，配置高抗渗标号的喷射混凝土受到了明显的限制。

1.3 单层衬砌结构抗渗计算

对于单层衬砌结构的防水，基本上所有文献都只考虑了喷射混凝土的抗渗性能。然而，单层衬砌是一种承载结构，承受外部的围岩压力和水荷载。因此，单层衬砌结构防水是有压条件下的防水，这个与单层衬砌的施工过程密切相关，不单纯是材料的抗渗性能。

2 进一步研究设想

针对喷射混凝土单层衬砌抗渗机理及防水技术的研究现状，提出进一步的研究设想，主要分为两个层面：一是基于多元复合胶凝材的喷射混凝土抗渗性能的研究，重点研究密实性、溶蚀性、干缩性对喷射混凝土抗渗性能的影响，在此基础上配置出不同抗渗要求下的系列喷射混凝土配合比；其次是喷射混凝土单层衬砌结构的抗渗计算（本文提及到的喷射混凝土施工工艺为湿喷法）。

2.1 喷射混凝土材料的抗渗性能

喷射混凝土的抗渗机理研究应从喷射混凝土自身材料出发开展抗渗性能的评价、渗透的机理分析以及喷射混凝土“三性（密实性、溶蚀性、干缩性）”指标的研究。

2.1.1 抗渗性能的评价

普通混凝土以抗渗等级评价其抗渗能力，因抗渗等级不能直观反映混凝土的抗渗能力，在实际应用中很不方便；而渗水高度则与混凝土的渗透系数、渗水时间、承受水压力参数有直接的数学关系，更能直观地反映混凝土的抗渗能力。因此，在喷射混凝土的抗渗性能评价中建议使用渗水高度。

喷射混凝土的渗透机理分析可从三方面入手：

（1）物理机理，即喷射混凝土的密实性问题，涉及到喷射混凝土的胶凝材料、粗细骨料、配合比、回弹等；

（2）化学机理，即喷射混凝土的溶蚀性问题，涉及到喷射混凝土中氢氧化钙的溶蚀量；

（3）断裂机理，即喷射混凝土的开裂问题，裂缝包括微观裂缝和宏观裂缝，涉及到喷射混凝土外掺料的品种、性能、数量等。

2.1.3 喷射混凝土“三性”指标研究

结合喷射混凝土的抗渗机理研究提高抗渗性能的技术措施是：高密实性、低溶蚀性、低干缩性。因此如何配置喷射混凝土配合比来实现其高密实性、低溶蚀性、低干缩性，使其达到P10及以上的抗渗标号，是另外一个研究重点。

（1）胶凝材料

（2）跟踪、追究不严格。高校审计处根据审计结果出具审计报告，对内部控制设计和执行情况有针对性地提出改善对策和建议，并要求整改。但是内部审计部门出具完审计报告后，跟踪及追究力度不够，加之相关部门对审计结果疏于重视，未能及时堵住漏洞，导致风险依旧存在，严重影响了内部控制实施的有效性。

普通喷射混凝土是以单一的普通硅酸盐水泥作为胶凝材料。实践证明，这是从根本上无法解决喷射混凝土耐久性问题的。为解决这一问题，笔者提出如下思路。

矿物掺合料和高效化学外加剂置换部分普通硅酸盐水泥，使混凝土中生成的氢氧化钙显著减少，地下水对喷射混凝土的溶蚀明显减少；同时，水泥量减少，水泥在凝固过程中的水化热也同时降低，这样可减少干缩裂缝，达到“一举多能”的效果。矿物掺合料和高效化学外加剂进行深加工，使部分胶凝材料的细度达到准纳米级，实现多元复合胶凝材料自身的良好级配。磨细的胶凝材料细度比表面积增大，显著提高其活性；使得喷射混凝土水化热降低，密实性提高，磨细的胶凝材料可取代30%质量分数的水泥熟料，降低喷射混凝土成本。

（2）粗、细骨料

粗、细骨料是喷射混凝土施工时回弹的主要成分，因此也是影响“粘附”混凝土耐久性的又一重要因素。拟从以下两方面进行改进：一是对粗骨料的粒径范围、级配进行优化；二是细骨料的置换，用石灰石细粉末置换0.15mm以下的微颗粒分量，可抑制喷射混凝土的回弹。

（3）速凝剂

喷射混凝土在喷射初期需与受喷对象有充分的附着力和具有一定的初期强度，因此需加入速凝剂。传统的粉末状速凝剂尽管可满足以上要求，但对喷射混凝土的耐久性有较大危害。本项目拟从两方面改进：一是采用无碱液态速凝剂，可获得安全的作业环境，也不会发生碱-骨料反应；二是液态速凝剂的添加，会导致水灰比的增大，因此在配合比设计时要充分考虑液态速凝剂的影响。

（4）纤维增强

作者前期对喷射混凝土的外掺纤维——钢纤维和聚丙烯纤维有一定的研究基础。钢纤维弹模高、韧度好，但钢纤维的锈蚀对喷射混凝土的耐久性影响较大；聚丙烯纤维弹模低，有一定的韧性和抗裂性能，可提高喷射混凝土一定的抗渗性，但对其他性能改善不明显。设想的解决思路是：对钢纤维和聚丙烯纤维混合掺入喷射混凝土的抗渗性能继续深入研究，同时研究介于上述两种纤维性能之间的另外一种纤维——高弹高分子化学纤维进行改性，以期获得较好效果。

通过以上研究，最终形成提高喷射混凝土抗渗性能的密实性、溶蚀性、干缩性控制指标，配置出适用于不同抗渗要求的喷射混凝土配合比。

2.2 喷射混凝土单层衬砌结构的抗渗计算

喷射混凝土衬砌结构是集合了承载和防水功能的一个综合体系，因此单层衬砌结构的防水不能只靠传统的材料抗渗等级来解决。作者的解决思路是要建立一个渗水预测模型，该模型中可规定单层衬砌结构体系中各支护层的功能、强度等属性。

单层衬砌结构是由多层喷射混凝土构成的支护体系，应赋予各支护层不同的属性，开展结构的抗渗计算。为说明这一问题，以单层衬砌结构由三层喷射混凝土构成为例建立抗渗模型（图3），其设计理念如表2。

图3 单层衬砌结构抗渗计算模型

表2 单层衬砌结构抗渗设计理念

这样，在设计使用年限、水压降已知的条件下就可得到渗水高度（即整个支护体系的厚度）和各支护层渗透系数之间的关系，并优选最佳方案，实现对整个支护体系的抗渗计算。

3 结束语

当前，在单层衬砌支护技术迅速发展的同时，其结构抗渗性能及防水技术却是阻碍其全面推广的重要原因之一。在此背景下，作者在对喷射混凝土单层衬砌抗渗及防水技术调研的基础上，提出了更进一步的研究设想：一是基于多元复合胶凝材的喷射混凝土抗渗性能的研究；一是喷射混凝土单层衬砌结构的抗渗计算的研究。希望本文提出的研究思路，能够起到抛砖引玉的作用，有更多的隧道工程师关注单层衬砌技术的发展，实现该技术的全面推广。

[1]张俊儒.隧道单层衬砌作用机理及设计方法研究[D].成都：西南交通大学博士学位论文，2007.

[2]张俊儒，仇文革.隧道单层衬砌研究现状及评述[J].地下空间与工程学报，2006，2（4）：693-699.

[3]关宝树.隧道及地下工程喷射混凝土支护技术[M].北京：人民交通出版社，2009.

[4]中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中华人民共和国建设部.GB50086-2001锚杆喷射混凝土支护技术规范[S].北京：中国计划出版社，2001.

[5]中国工程建设标准化协会.CECS 38：2004纤维混凝土结构技术规程[S].北京：中国计划出版社，2004.

责任编辑：孙苏，李红

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

基金论文：该文为国家自然科学基金资助项目（项目批准号：51108388）、中央高校基本科研业务费专项基金资助项目（项目编号：SWJTU11ZT33）和教育部创新团队发展计划资助项目（项目编号：IRT0955）论文之一。

10.3969／j.issn.1671-9107.2013.09.027

2013-06-18

张俊儒（1978-），男，山西神池人，博士，副教授，硕士研究生导师，主要从事隧道围岩稳定性及单层衬砌支护材料、支护理论的研究工作。