近日，同济大学工程风险研究团队张冬梅教授、周文鼎博士研究生在《Tunnelling and Underground Space Technology incorporating Trenchless Technology Research》期刊上发表了题为“Mechanical behaviour of double lining with outer segmental lining and inner fibre reinforced concrete lining under internal water pressure”的研究论文，报道了内水压下盾构钢筋钢纤维混凝土双层衬砌力学特性的最新研究成果。

近年来，大量新建的长距离输水隧道采用盾构双层衬砌结构进行承载。常用内衬型式包括钢内衬、预应力混凝土内衬以及钢筋混凝土内衬，其中钢内衬和预应力混凝土内衬内压承载能力较高，然而前者的费用较高且承载时可能出现钢材屈曲，后者施工工期相对较长。钢筋混凝土内衬具有施工便利，成本较低的优势，其主要缺点在于高内压下混凝土衬砌易开裂，引发渗漏风险，因此其主要适用于设计内水压较小且围岩条件较好的输水隧道工程。

本文考虑钢纤维对衬砌抗裂性能的提升作用，开展了盾构钢筋纤维混凝土双层衬砌和盾构钢筋混凝土内衬内水压承载1：1原型试验。如图1所示，原型试验采用千斤顶系统模拟双层衬砌所受内外压差作用，管片工厂预制后在现场拼装，钢筋混凝土内衬和钢筋钢纤维混凝土内衬（铣削型纤维，体积分数0.8%）均为现场现浇，试验模拟的最大内外压差为2MPa。随后，本文基于试验结果比较了掺入钢纤维后衬砌的内力变形变化情况，并进一步提出了内衬初裂荷载F₁，内衬裂缝控制能力F₂，内力裂后刚度F₃，内衬正常使用极限承载能力F₄和管片防水承载能力F₅五个性能指标评估钢纤维提升效果（图2）。最后，本文提出了盾构双层衬砌内水压承载计算模型（图3），并基于双层衬砌承载性能、用钢量及材料成本对内衬设计参数进行了优化（图4）。

研究表明，掺入钢纤维能有效提升盾构双层衬砌的内水压承载性能，具有较高的工程应用价值。以试验工程背景为例，掺入体积分数为0.8%的铣削型钢纤维后，内衬初裂荷载，内衬裂缝控制能力，内力裂后刚度，内衬正常使用极限承载能力和管片防水承载能力分别提升了36.3%, 50.27%, 46.27%, 37.2% 和31.1%。此外，本文进一步的参数分析结果表明相同体积分数的钢纤维较钢筋来说具有更好的裂缝控制效果，试验的工程背景下，设计参数优化后，采用钢筋钢纤维混凝土内衬（纤维掺量0.6%，配筋率1.64%）相较钢筋混凝土内衬（配筋率2.67%）结构初裂荷载和裂缝控制能力分别提升了约26.15%和22.4%，结构材料成本减少5.36%，用钢量减少16.56%。

(a)

(b)

图1 盾构双层衬砌内水压承载原型试验: (a)示意图；(b)试验主要步骤

图2 试验结果分析：（a）内衬钢筋平均应力；(b)管片螺栓应力；(c)双层衬砌收敛变形；(d)双层衬砌性能提升比例

图3 内水压下盾构双层衬砌开裂后内力变形计算流程

图4 基于双层衬砌承载性能、用钢量和材料成本的内衬设计参数优化

第一作者

周文鼎 博士研究生

主要从事盾构双层衬砌共同作用机理分析、纤维混凝土多尺度模拟方法研究

邮箱：2110050@tongji.edu.cn

第二作者及通讯作者

张冬梅教授

主要从事盾构隧道结构安全与韧性提升方面的研究

邮箱：dmzhang@tongji.edu.cn

文献格式：

Wen-ding Zhou, Dong-mei Zhang, Xiang-hong Bu, Xiao-hu Wang, 2025. Mechanical behaviour of double lining with outer segmental lining and inner fibre reinforced concrete lining under internal water pressure. Tunnelling and Underground Space Technology incorporating Trenchless Technology Research. 155, 106151.

原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.tust.2024.106151

二维码：

撰稿：周文鼎

编辑：赵欣玥

校对：章艺严

审核：申轶尧