单层衬砌(single shell lining)是一种新兴的隧道支护体系，开始于19世纪70年代，随着近年来施工技术水平的发展，尤其是喷射混凝土施工工艺发展，喷射混凝土质量得到保证，该技术得到了广泛的发展和应用。瑞典和挪威较早地使用了单层衬砌，其中，在挪威460 km左右的干线公路隧道中，采用了喷射混凝土或钢纤维混凝土作为永久衬砌共有160 km(部分是海底隧道)^[1]，单层衬砌技术在瑞典斯德哥尔摩地铁中的各个区域如地铁区间、地铁车站地铁换乘大厅、车站的连接通道和换乘通道等得到了广泛地发展和应用。单层衬砌技术在瑞士的费尔艾哪隧道中的使用率大约占到97%^[2]。德国的慕尼黑地铁也取消了内层模筑混凝土和隔水板的施工技术，而选择了喷射混凝土做单层衬砌的方式^[3]。在19世纪80年代~90年代，巴西在大量的砂粘土和陡峭多孔性粘土地区采用喷射混凝土作为永久衬砌^[3]。法国从上世纪80年代引进钢纤维喷混凝土技术作为隧道衬砌，并在1990年将之作为隧道永久衬砌。在美国肯塔基州的哈伦，1条内径10.4 m的泄洪隧洞亦采用了钢纤维喷射混凝土作作永久衬砌^[4]。同样，单层衬砌技术在日本的公路、铁路隧道以及诸多欧洲国家都得到了广泛应用^[5]。

中国在1960年代修建的成昆铁路，在其中围岩较好的隧道中，就成功地运用了喷射混凝土加锚杆的单层衬砌技术。1999年，在汕头野花石油气储库工程中单层衬砌支护技术得到了应用并取得了较好的效果^[6]。铁路隧道中，西康铁路线中的秦岭隧道中有1 220 m^[7]采用了喷射钢纤维混凝土单衬，高蹁沟隧道采用喷射钢纤维混凝土单衬长达289 m^[8]，而在磨沟岭隧道中，永久单层衬砌采用了模筑钢纤维混凝土^[9]。

单层衬砌技术不仅可应用于各种隧道工程，同时在地下工程中也可广泛应用^[10-11]。目前国内外单层衬砌技术在软弱围岩和硬质围岩中都已经有了广泛的应用，但是对于隧道单层衬砌用混凝土及单层衬砌结构稳定性的研究甚少，尤其是具有许多优点的聚丙烯纤维增强混凝土机理的研究就更少^[12]。

1 单层衬砌结构现场实验

关长山隧道位于重庆木洞镇与双河镇交界处，为双向行驶两车道公路隧道，隧道全长885 m，属于中长隧道。隧道进口高程约为235.11 m，出口高程约为239.88 m，隧道设计线进口和洞身位于直线上，出口位于R=627.947 m的圆曲线和缓和曲线上。隧道设计坡线为双向坡(+1.1%/330，-0.92/555)，最大埋深为120 m。隧道周围地层主要为粉砂质泥岩，紫红色，多由粘土矿物组成，含砂质约20%左右，灰夹绿色钙质结核及多层乳白色约为1~2 mm厚的石膏薄膜，砂泥质结构，中层状构造。

1.1 测试方案

单层衬砌试验段选择在K23+525~K23+775段，在该里程段隧道穿越侏罗系上统遂宁组地层，岩性为粉砂质泥岩，地下水呈点滴状出水，隧道处于深埋状态。为全面掌握单层衬砌试验段的围岩分布特征和结构的受力特征，总计布设了4个典型断面：即K23+698.7、K23+715、K23+730、K23+745。本段隧道开挖采用上下台阶法开挖施工，上部开挖后埋设拱顶及左、右拱腰处测试元件，下部断面开挖后再埋设左、右边墙处的测试元件。每个断面的测试项目及所用仪器见表 1所示。

现场测试元件的埋设分两种类型：断面K23+698.7及K23+745元件的埋设采用图 1的形式；断面K23+715及K23+730元件的埋设采用图 2的形式。

锚杆作为隧道单层衬砌支护技术中的主动支护体系，从加强围岩自身承载力出发进行围岩的加固，在系统中有重要的作用。因此，在现场实验中，特别增加了锚杆轴力的监测，在断面K23+715.6和K23+745的拱顶、左、右拱腰分别安装了锚杆轴力计，锚杆上传感器的布置见图 3所示。

1.2 测试结果与分析 1.2.1 K23+698.7断面测试结果与分析

K23+698.7断面所处围岩岩性为粉砂质泥岩，隧道埋深约为55 m。按埋设顺序，其测试结果和综合分析如下所述。

1) 围岩与喷射混凝土层接触压力

测试结果如图 4所示，可以看出：除左边墙测点，断面各埋设点的围岩与喷射砼层接触压力量测值都为正值，表明均为受压，测试值一般在施工结束后20 d基本稳定。右拱腰位置的接触压力量测值为最大，为0.131MPa；左拱腰最大值为0.098 MPa；拱顶最大值为0.064 MPa；而左侧边墙部位的接触压力受压最大值仅为0.01MPa。总体来看，实测到的围岩压力绝对值都比较小。

2) 格栅钢架内主筋应

测试结果如图 5所示，可以看出：格栅钢架内主筋除在左拱腰外侧受拉外，其余部位只承受压力，且在施工完成后30 d基本稳定。在断面中，左拱腰外侧、左拱腰内侧、拱顶外侧、拱顶内侧、右拱腰外侧、左边墙外侧、左边墙内侧、右边墙外侧、右边墙内侧部位钢筋应力最大值分别为：1.14、0.86、0.64、0.41、0.9、0.07、0.32、0.06、0.08 MPa。另外，左边墙外侧部位钢筋应力初期出现拉应力最大值，为0.05 MPa；左拱腰外侧位置的钢筋应力量测值最大，压应力值为1.14 MPa；总体而言，格栅钢架应力都很小。

3) 喷射混凝土内应力

测试结果如图 6所示，可以看出：本断面左拱腰外侧位置的混凝土内应力量测值最大，最大值为9.83 MPa；左拱腰内侧、拱顶外侧、右拱腰外侧、右拱腰内侧、左边墙外侧、左边墙内侧、右边墙外侧、右边墙内侧部位混凝土内应力最大值分别为：-2.27、2.04、4.58、3.81、0.69、2.52、-1.02、0.72 MPa。在左拱腰内侧及右边墙外侧出现了拉应力，但应力值相对较小，总体而言，各埋设点的应力均小于混凝土设计强度。

1.2.2 K23+715断面测试结果与分析

K23+715断面所处围岩岩性为粉砂质泥岩，隧道埋深约为65 m。按埋设顺序，其测试结果和综合分析如下所述。

1) 围岩与喷射混凝土层间接触压力

测试结果如图 7所示，可以看出：从K23+175断面围岩与喷射混凝土间均以压应力为主，且压应力值较小，表明单层衬砌与围岩共同变形释放了部分围岩压力。断面左拱腰位置的接触压力最大值为0.294 MPa；右拱腰最大值为0.107 MPa；拱顶最大值为0.034 MPa；左侧边墙部位的接触压力最大值为0.031 MPa，左侧边墙部位的接触压力最大值为0.045 MPa。

2) 格栅钢架内主筋应力

测试结果如图 8所示，可以看出：断面各埋设点的格栅钢架应力量测值都为负值，左拱腰外侧、左拱腰内侧、拱顶外侧、拱顶内侧、右拱腰外侧、右拱腰内侧、左边墙外侧、左边墙内侧、右边墙外侧、右边墙内侧部位钢支撑应力最大值分别为：0.7、0.75、0.45、0.49、1、0.71、0.14、0.28、0.22、0.28 MPa；右拱腰外侧位置的格栅钢架主筋应力量测值最大，其值为1 MPa。总体而言，格栅钢架主筋的应力值均较小，表明格栅钢架、喷射混凝土和围岩在共同变形过程中，分担的力较少。

3) 喷射混凝土内应力

测试结果如图 9所示，可以看出：断面各测点的量测值在施工完成30 d后基本趋于稳定，左拱腰外侧、左拱腰内侧、拱顶外侧、右拱腰外侧、右拱腰内侧、左边墙外侧、左边墙内侧、右边墙外侧、右边墙内侧部位混凝土内应力最大值分别为：3.04、0.31、6.99、2.51、2.72、0.73、2.76、0.01、1.59 MPa。在所有监测部位中，拱顶外侧的混凝土内应力量测值为最大，其值为6.99 MPa。总体而言，各埋设点的应力均小于混凝土设计强度。

4) 锚杆轴力量测

为掌握锚杆的受力特征，在断面K23+715的拱顶、左、右拱腰分别安装了锚杆轴力计进行现场测试，图 10、图 11及图 12分别为左拱腰、右拱腰及拱顶锚杆的轴力实测值。

可以看出：随着时间的推移，左拱腰部位的锚杆轴力性质会发生转化，主要表现为临空面侧至锚杆中部的轴力会由初期的受压状态转化为受拉状态；而在远离隧道一侧锚杆端部的轴力一直保持为受拉；实测的轴力值中，最大压力值为0.34 kN，最大拉力值为0.3 kN。

同样，右拱腰的锚杆轴力亦会随着时间的推移，呈现与左侧拱腰锚杆相同的轴力转化；而在远离隧道一侧锚杆端部的轴力一直保持为受压；实测的轴力值中，最大压力值为7.21 kN，最大拉力值为0.29 kN。

而拱顶的锚杆从锚杆中部至临空面侧同样表现为受压向受拉转化的特性；而在远离隧道一侧锚杆端部的轴力一直保持为受拉；实测的轴力值中，最大压力值为0.38 kN，最大拉力值为0.33 kN。

总体而言，对于左拱腰及拱顶部位，轴力值无论正或负，其绝对数值都很小，最大拉力值为0.32 kN，最大压力值为0.09 kN，这主要是锚杆孔内压注的水泥砂浆在凝结硬化过程中产生的收缩引起的；而对于右拱腰部位，最大轴力值为7.21 kN，且处于受压状态，这是由于围岩变形所引起的。

2 单层衬砌变形控制

监控量测是地下工程、隧道工程施工中不可或缺的内容，是新奥法施工的“眼睛”，隧道施工监控量测为识别结构工作状态，支护手段的合理性，施工方法的选择及支护设计参数的可行性提供了现场数据支撑，在保证施工安全质量的前提下，为后续隧道工程施工提供较好的经验支持。

在关长山隧道单层衬砌试验段，共布置了6个监测断面：K23+668、K23+683、K23+702、K23+726、K23+741、K23+759。在每个监测断面布置3个拱顶下沉点，2条水平测线，测线布置如图 13所示。

K23+668断面埋深约160 m，监测结果如下：

1) 周边收敛

收敛位移时间曲线和收敛速率时间曲线分别如图 14和图 15所示。

上测线收敛值在测点埋设后的前11 d呈快速增长，其值达8.493 mm；而在第12~33 d间，则属缓慢增长阶段；随后，趋于稳定状态，最终收敛值为11. 704 mm。

下测线在测点埋设后的前6 d，收敛值增长较快，累计为3. 607 mm，第7~16 d时增长较为缓慢；随后处于稳定状态，最终收敛值为9.276 mm。上测线收敛速率在测点埋设后的第2 d增长最大，其值达到1.118 mm，随后总体呈逐渐减小趋稳状态，最后趋于0.006 mm；下测线收敛速率在测点埋设后的第2 d增长最大，其值达到0.999 mm，随后总体呈逐渐减小状态，最后趋于0.006 mm。

2) 拱顶下沉位移

图 16和图 17分别为监测断面K23+668处的拱顶下沉位移-时间曲线和下沉速率-时间曲线。

左、中、右3个测点下沉量在测点埋设后的第15 d，累计值分别达8.87、9.45、8.85 mm；在第16 d后呈缓慢增长并趋稳，到下台阶开挖后第13 d内，呈缓慢增长状态，随后趋于稳定阶段，最后稳定收敛值分别为13.46、13.80、13.17 mm；3个测点在埋设后的前2 d下沉速率最大，其值分别达到1.15、1.25、1.09 mm，随后总体则呈逐渐减小状态；下台阶开挖后出现继续增长，随后一段时间总体呈逐渐减小并回落，到下测点埋设第26 d后，速率平均趋于0.003 mm。

3 结论

从以上图中各段监测断面混凝土喷层位移随时间变化的曲线中可以看出：围岩与喷射砼层接触压力量测值都为正值，均为受压，测试值在施工结束后20 d基本稳定；格栅钢架内主筋大多承受压力，且在施工完成后30 d基本稳定；喷射混凝土内应力各测点的量测值在施工完成30 d后基本趋于稳定，混凝土内应力均小于混凝土设计强度；锚杆轴力量测随着时间的推移，拱腰部位的锚杆轴力性质会发生转化，主要表现为临空面侧至锚杆中部的轴力会由初期的受压状态转化为受拉状态，而在远离隧道一侧锚杆端部的轴力一直保持为受拉。

通过在实体隧道施工现场的实验，对变形控制技术进行了研究，表明文中提出的单层衬砌设计方法在保证工程质量和安全方面是可行的，支护结构的工作性状是可靠的，能在工程实际中得到广泛应用及推广，具有一定的理论和现实意义。