第二节 洞身衬砌
一、衬砌建筑材料
1.素混凝土与钢筋混凝土
混凝土是目前隧道施工中采用得最广泛的建筑材料之一。这种材料的主要优点是：整体性好和抗渗性较好，抗压强度高，既能在现场浇筑，也可以在加工厂预制，而且能采用机械化施工。当在混凝土中掺入外加剂后，可以提高相应的性能。掺入早强剂可以提高混凝土的初期强度；掺入密实性附加剂，可以提高混凝土的密实度，从而提高混凝土的抗渗性和防水性能。此外，还可在混凝土中加入其他的外加剂，如低温早强剂、常温早强剂、缓凝剂、减水剂等。但现浇混凝土的缺点是：混凝土浇筑后需一定的养护时间，而不能立即承受荷载。
钢筋混凝土主要用于洞门、明洞衬砌及地震区，偏压、通过断层破碎带或淤泥、流砂等不良地质地段的隧道衬砌中，其强度等级对于衬砌段不应低于C20，对于洞门不应低于C15。在特殊情况下可采用旧钢轨或焊接钢筋骨架进行加强。
2.片石混凝土
片石混凝土主要用于仰拱填充及超挖回填，其他部位不许采用片石混凝土。片石混凝土中的片石要坚硬，严禁使用风化片石，片石强度等级不应低于MU40，片石混凝土内片石掺量不应大于总体积的20%。
3.喷射混凝土
喷射混凝土早期强度和密实性均较普通混凝土高，能封闭围岩的裂隙，尽快地起到支护围岩的作用。其施工过程全部采用机械化，且不需要模板和拱架，在软弱、不稳定围岩中还可与锚杆、钢筋网等配合使用形成喷锚支护，是一种理想的衬砌材料。
喷射混凝土应优先选用硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥，强度等级采用C20。粗骨料应采用坚硬耐久的碎石或卵石，不得使用碱活性骨料，喷射混凝土中的骨料粒径不宜大于15mm，骨料宜用连续级配，细骨料应采用坚硬耐久的中砂或粗砂，细度模数宜大于2.5。钢筋网材料可采用HPB235（Q235）钢，直径宜为4～12mm。
喷射钢纤维混凝土中的钢纤维宜采用普通碳素钢制成，钢纤维可采用方形或圆形断面，等效直径宜为0.3～0.5mm，长度宜为20～25mm，并不得大于25mm，抗拉强度不得小于600MPa，并不得有油渍和明显的锈蚀，掺量宜为混合料重量的3.0%～6.0%。
4.锚杆
锚杆是用机械方法加固围岩的一种金属材料，锚杆杆体的直径宜为16～32mm，杆体材料宜采用HRB335（20MnSi）钢，锚杆端头应设垫板，垫板可采用HPB235（Q235）钢板；砂浆锚杆用的水泥砂浆强度等级不应低于M20。
5.装配式材料
采用盾构施工时，其衬砌材料往往采用装配式材料，如钢筋混凝土预制块，有加筋肋的铸铁预制块。在修筑棚式明洞时，又可用预制板或预制梁装配板式棚洞或梁式棚洞。
6.石料
目前隧道施工中已很少使用石料作为衬砌材料，因为石料砌缝多，容易漏水，无法机械化施工，施工进度慢，费时费力。石料主要用于隧道洞门挡墙等。
隧道工程常用的建筑材料，可选用下列强度等级：
（1）混凝土：C15、C20、C25、C30、C40、C50；
（2）喷射混凝土：C20、C25、C30；
（3）片石混凝土：C15、C20；
（4）水泥砂浆：M7.5、M10、M15、M20；
（5）石材：MU40、MU50、MU60、MU80、MU100；
（6）钢筋：HPB235（Q235）、HRB335（20MnSi）。
隧道衬砌各工程部位所用建筑材料的强度等级应满足耐久性要求，见表2-2。
表2-2 衬砌建筑材料的强度等级要求（不低于）
注 1.砌体包括粗料石砌体和混凝土块砌体，用M10水泥砂浆砌筑。
2.严寒地区洞门用混凝土整体灌注时，其强度等级不应低于C30。
3.片石砌体的胶结材料采用小石子混凝土灌注时，其最低强度等级相应的适用范围与水泥砂浆相同。
修建隧道衬砌的材料应具有足够的强度和耐久性，在某些环境中，还必须具有抗冻、抗渗、耐侵蚀性。此外，还应满足就地取材，降低造价，施工方便及易于机械化施工等要求。
二、隧道衬砌结构类型
隧道开挖后，为了避免隧道变形或岩石风化，都需修建支护结构，即衬砌。
根据衬砌的支护方式可分为：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、装配式衬砌、喷射混凝土衬砌等；内部支护，即对围岩进行加固以提高其稳定性，如锚杆支护、注浆加固等；混合支护，即采用内部支护与外部支护相结合的方式，如喷锚支护等。
从衬砌施工工艺方面将隧道衬砌的形式分为以下几类。
1.整体式衬砌
整体式衬砌是指就地灌注混凝土施工衬砌，也称模筑混凝土衬砌。其施工工艺流程为：立模—灌筑—养护—拆模。模筑衬砌的特点是：对地质条件的适应性强，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，如可用木模板、钢模板或衬砌模板台车等。
整体式衬砌按照不同的围岩类别采用不同的衬砌厚度，其形式有直墙式和曲墙式两种，而曲墙式又分为仰拱和无仰拱两种。当有较大的偏压、冻胀力、倾斜的滑动推力或施工中出现大量坍方以及七度以上地震区等情况时，则应根据荷载特点进行个别设计。
（1）直墙式衬砌。这种类型的衬砌适用于地质条件比较好，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Ⅰ～Ⅲ级围岩，在短距离的高级别围岩相同的Ⅳ级围岩区段也可采用。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。图2-8为时速160km/h及以下铁路隧道Ⅲ级围岩整体直墙式衬砌标准图，拱部内轮廓线系由三心圆曲线组成。
（2）曲墙式衬砌。曲墙式衬砌适用于地质较差，有较大水平围岩压力的情况。主要适用于Ⅳ级及以上的围岩，Ⅲ级围岩双线。多线隧道也采用曲墙有仰拱的衬砌。它由顶部拱圈、侧面曲边墙和底板（或铺底）组成。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，只做平铺底外，一般均设仰拱，以抵御底部的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，图2-9为时速160km/h及以下铁路隧道Ⅴ级围岩整体曲墙式衬砌标准图，其内部轮廓线由五心圆曲线组成。
图2-8 铁路隧道Ⅲ级围岩整体直墙式衬砌标准图（单位：cm）
2.装配式衬砌
装配式衬砌是构件在现场或工厂预制，然后将构件运进坑道内再进行拼装成一环接着一环的衬砌。其特点是衬砌拼装后能够立即受力，便于机械化施工，改善劳动条件，节省劳力。目前多在盾构法施工的隧道内使用。
3.喷锚支护
喷锚支护常用的材料和结构形式有喷射混凝土（有时加钢筋网或钢纤维）、锚杆和钢拱架。一般可根据地质条件和结构形式的变化组合使用。如图2-10所示。
（1）喷射混凝土。喷射混凝土是以压缩空气为动力，将掺有速凝剂的混凝土拌合料与水合成为浆状，喷射到坑道的岩壁上凝结而成的。喷射混凝土分为干喷、潮喷、湿喷三种，以湿喷工艺较优。
（2）锚杆或锚索。锚杆或锚索是用金属或其他抗拉强度较高的材料制成的一种杆状构件，并使用某些机械装置或黏结介质，将其安设在隧道及地下工程的围岩体中或其他工程结构体中，利用杆端锚头的膨胀作用，或利用灌浆黏结，增加岩体的强度和抗变形能力，从而提高围岩的自稳能力。
图2-9 铁路隧道Ⅴ级围岩整体曲墙式衬砌标准图（单位：cm）
图2-10 喷锚支护
4.复合式衬砌
复合式衬砌是由两层或两层以上的衬砌组成。目前主要采用内外两层衬砌，即初期支护及二次衬砌。如图2-11所示。
目前初期支护多采用喷锚支护，二次衬砌多采用模筑混凝土衬砌。就是先在开挖好的洞壁表面喷射一层早强混凝土，凝固后形成薄层柔性支护结构，它既能容许围岩有一定的变形，又能限制围岩产生有害变形。其厚度在5～20cm。待初期支护与围岩变形基本稳定后再施做二次衬砌，一般为就地灌注混凝土衬砌，为了防止地下水流入或渗入隧道内，可以在初衬与二衬之间敷设防水层。
图2-11 某公路隧道复合式衬砌（单位：cm）
复合式衬砌可以满足初期支护施做及时、刚度小易于变形的要求，且与围岩密贴，从而能保护和加固围岩。二次衬砌完成后，衬砌内表面光滑平整，可以防止外层风化，装饰内壁，增强安全感，所以复合式衬砌是一种较为理想的结构型式，在工程中广泛应用。