單層襯砌的概念德國1995年提出的單層襯砌結構與目前推行的復合襯砌有原則的不同，其形式是多種多樣的，而且在工程中得到一定程度的推廣。1單層襯砌構造的原則在隧道開挖中，眾所周知，時間因素是非常重要的。隧道施工時的支護采用噴混凝土以后，對理解圍巖是一個具有承載能力的支護，有了進一步的認識。通常，后面施工的內襯（二次襯砌）是為了提高安全度和保證充分的耐水性而設置的。但內襯的施工，如果考慮時間因素，也具有控制變形增加的效果。因此，在單層襯砌中，如果第2層（內襯）與承載有關，也應該考慮時間因素。在單層襯砌系統中，應力的內部傳遞機理的比較好的，但被約束的應變、流變及溫度變化產生的應力等，在第2層中，在非常早的時期就發生了。為此，就不能充分傳遞避免因開裂而造成損傷的必要的壓力。結合面完全附著的場合，能夠最好地控制因被約束的應變而發生的應力，是從圍巖傳遞到第1層及全體襯砌，同時從第1層向第2層傳遞機理的最佳條件。其次，由于各個工程的地質及地下水等條件的不同，在修筑第2層襯砌，必須追加合理的施設時間。單層襯砌的支護 經歷不同階段的荷載狀況。開挖后產生的變形也是荷載的一種。圖1表示單線單層襯砌的荷載經歷過程。時間軸上的主要階段示于圖2。能夠分出2種不同的傳遞機理。第1種從影響支護應力狀態的圍巖向外部傳遞。 圖2荷載的時間歷程支護施工前（開挖前）的圍巖松弛；圍巖形成拱效應和松弛荷載向支護再分配；在接近地表面開挖時，隨時間拱效應喪失，假定支護承受100%的圍巖荷載。如圖1所示的第1層的施工到第2層施工完成的最短時間，是圖2所示的t（第2層）和t（第1層）的時間差。到第2層修筑前的經過時間，對全體襯砌的影響極大。特別是，在適合單層襯砌的地質條件下，從外部（從圍巖）的荷載增加的過程中，就修筑第2層的場合，其影響更大。例如，在這種狀態下，第1層混凝土硬化后立刻修筑第2層是可以控制二次平衡達成前的松弛。但這樣的施工，必須保證第2層的品質。如今，鋼纖維混凝土可以滿足這個要求。這樣的考慮，在地質條件適合單層襯砌的場合，圍巖荷載的一部分從第1層直接傳遞到全體襯砌的可能的。全體襯砌在荷載減少的過程中完成第2層襯砌的修筑。結果隧道襯砌的不出現拉應力，而處于完全的壓縮狀態。另一個傳遞機理是內部傳遞機理。應力狀態是由內部傳遞機理控制的。內部傳遞形態如下。因第1層的變形傳遞；第2層的水化熱冷卻時產生的溫差的傳遞；第2層的收縮傳遞。根據這樣的傳遞機理，整個襯砌中因被約束應變而產生的應力是上升的。這樣的應力在第2層完成后，非常早的時期有一定效果，能夠避免開裂的發生。根據地下鐵道試用的經驗，鋼纖維混凝土作為第2層是沒有問題的。采用結合的單層襯砌構造的必要條件是，如圖3所示必須盡可能地形成緊密咬合的一體化斷面。各層間的附著因接觸咬合是可以確保的。因此，從過去一般采用的防水層就沒有必要了。與雙層襯砌不同，單層襯砌的支護是永久結構物的構成單元。單層襯砌支護 是為了確保施工安全、隧道穩定而由及早施工的數層構成的，接觸圍巖的層（過去的初期支護）是永久穩定的，作為能夠維持功能要求的構造，而形成合成的結構（圖4）。單層襯砌的凈空側和圍巖側，如圖5所示，沒有用隔離材分離，而是直接接觸的。2層間的直接接觸，可增加剪力的傳遞，因此，隨時間，在荷載增加的場合，與一體斷面有同樣的結合效果。目前，外襯砌，通常是不考慮承載和防水功能的。但在單層襯砌中，涉及結構物的耐久性，支護 應按作為最終結構的一部分來考慮。單層構造，由于能夠縮短開挖時間、減少材料消耗、削減施工量等，而能夠降低修建隧道的成本。結合的單層襯砌的構造形式示于表1。表1 單層襯砌的構造形式構造形式第1層第2層1鋼纖維噴混凝土鋼纖維噴混凝土2鋼纖維噴混凝土鋼纖維模注混凝土3鋼纖維噴混凝土鋼筋噴混凝土4鋼纖維噴混凝土鋼筋混凝土5鋼筋噴混凝土鋼纖維噴混凝土6鋼筋噴混凝土鋼纖維模注混凝土表1中的構造形式，第1層采用鋼纖維噴混凝土的結構形式示于圖6。第2層的混凝土施工方法或采用噴射方法或模注方法，補強方法可采用鋼纖維或鋼筋。耐水性可按圖7的基本方法，以確保其使用性能。圖7 保證耐水性方法圖6第1層采用鋼纖維噴混凝土的結構模式其中方法3，雖然2層是分離的，但對內部斷面力的傳遞具有結合一體的效果。圖8第2層采用模筑混凝土的結構模式3鋼纖維模筑混凝土的單層襯砌圖8表示第2層采用鋼纖維模筑混凝土的構造形式。形式和僅第1層的施工方法不同。這種構造形式的優點是采用與雙層襯砌同樣的施工方法，第2層采用高品質的耐水混凝土。因此在要求具有耐水性的場合采用。為了確保構造的穩定性，第1層的厚度與過去的外襯厚度一樣（圖9）。最終狀態的承載力是按第1層和第2層結合后的全體襯砌來考慮的。第2層完成后，全體襯砌承受第2層的自重及干燥收縮、第1層的變形、溫度產生的應力等。目前，鋼纖維混凝土的特性得到不斷的改善，但還要研究結構的穩定性。這意味著要附加結構上的安全系數。但是，從最近的動向看，混入鋼纖維的方法會越來越多。圖9鋼纖維模筑混凝土，其鋼纖維在低令時能夠控制開裂的發生，比素混凝土和鋼筋混凝土更能約束應變。并緩和發生的應力，是比較好的。但是在彎矩的作用下，預測可能發生細小的開裂（圖10 ）。即使在這種場合鋼纖維也是沒有問題的。者已得到工程實踐的證實。圖單層襯砌構造主要是能夠把因彎曲而在接觸面產生剪力，通過接觸作用傳遞的場合采用，是一個比較經濟的工法。經驗證實，采用格柵等補強材會增加透水性有可能損傷全體結構的穩定性。圖11是一個應該層間剪切動態的試驗結果。結果表明：在第1層未加工的噴射面，幾乎與人為的作成具有三角形的表面的情況相同。這說明設置補強材的必要性是不大的。第1層假定表面“污染”的狀態，如圖12，約降低30%的抗剪能力。其真正的意義是第2層如修筑過遲，就需要洗凈表面。如圖11所示，第2層用鋼纖維噴混凝土作成的試件與用鋼纖維模筑混凝土作成的試件比較，基本上，鋼纖維噴混凝土傳遞剪力的能力大。圖結合面抗剪強度的試驗結果圖結合面污染的影響4采用鋼纖維噴混凝土的單層襯砌1989年在地下鐵道區間隧道第2層采用鋼纖維噴混凝土襯砌取得成功。圖是第2層采用鋼纖維噴混凝土的構造形式。構造形式因耐水性的要求不同有以下不同。構造形式：第1層和第2層的2層都具有承載和耐水功能；：第1層和第2層的2層具有承載功能，只有第2層具有耐水功能。單層襯砌的第2層采用鋼纖維噴混凝土的目的是：為獲得充分的承載能力，強化第1層；確保使用期間的耐水性。這與第1層采用鋼纖維噴混凝土周圍支護的目的是不同的。為了達到這些目的，要特別注意鋼纖維噴混凝土的質量保證。 圖第2層