《地下結(jié)構(gòu)工程施工技術(shù)》第四章新奧法與錨噴支護培訓PPT（83頁

1、地 下 結(jié) 構(gòu) 工 程第04章上一章要點懸臂支護、單撐單錨支護、土層錨桿、水泥擋土墻、土釘墻、SMW方法、逆作拱墻的設(shè)計過程；了解逆作法施工。第4章 新奧法與錨噴支護4.1 概述4.1.1 新奧法簡介奧地利學者L.V.Rabcewicz二十世紀60年代出提出了“新奧地利隧道施工法” 。New Austrian Tunnelling Method簡稱為“新奧法”（NATM）?！皻W洲隧道掘進法”或“收斂約束法”（Convergence Confinement Method）。新奧法 ：圍巖本身具有“自承”能力，若采用正確的設(shè)計施工方法，最大限度地發(fā)揮這種自承能力，即可以使得經(jīng)濟效果達到最佳 。要點

2、 盡可能不擾動周邊圍巖，開挖之后及時進行一次支護，然后視需要進行二次支護。支護都是柔性的，以適應(yīng)圍巖的變形。目前采用經(jīng)驗統(tǒng)計類比的方法做預(yù)設(shè)計，再在施工過程中不斷監(jiān)測圍巖的應(yīng)力、應(yīng)變狀況，按其發(fā)展規(guī)律來調(diào)整支護措施。 適用條件及要求 深埋、淺埋、中等埋深 均可；勘測、設(shè)計、施工、控制各環(huán)節(jié)密切配合；盡可能地發(fā)揮圍巖的自承作用 ，采用控制爆破（光面爆破、預(yù)裂爆破）。 新奧法的優(yōu)點（1）經(jīng)濟、快速。若以面積A為100，設(shè)計襯砌量B和超挖量的面積C?？梢钥闯觯捎诓捎每刂票?、柔性薄襯砌，新奧法的開挖量為老方法的73（110/151），襯砌量為老方法的20。此外，還可省去全部木模和40以上的混凝土，

3、降低支護成本30以上 2）安全、適應(yīng)性強 表4-1 老方法與新奧法工程量對比老方法新奧法有效使用面積A100100混凝土襯砌面積B367超挖面積C153B+C5110新奧法的主要原則（1）圍巖是洞室的主要承載結(jié)構(gòu)，而不是單純的荷載，它具有一定的自承能力。 （2）盡量保持圍巖原有的結(jié)構(gòu)和強度； （3）盡可能作到適時支護。（4）支護本身應(yīng)具有薄、柔、與圍巖密貼和早強等特性，支護施工應(yīng)及時快速，使圍巖盡快封閉而處于三向受力狀態(tài)。（5）洞室盡可能為圓形斷面，或由光滑曲線連接而形成的斷面，以避免應(yīng)力集中。 （6）良好的施工組織和施工人員的良好素質(zhì)對洞室結(jié)構(gòu)施工的安全、經(jīng)濟非常重要。 4.1.2 錨噴支護

4、簡介錨噴支護（Shotcrete and Bolting）是采用噴射混凝土、鋼筋網(wǎng)噴射混凝土、錨桿噴射混凝土或錨桿鋼筋網(wǎng)噴射混凝土等在毛洞開挖后及時地對地層進行加固的結(jié)構(gòu)。 1）錨噴支護的優(yōu)點節(jié)省、加快施工進度；符合巖體力學原理的積極支護方法 ；柔性好，它能與圍巖變形一致，從而與之構(gòu)成一個共同工作的承載體系 ；錨噴支護技術(shù)不再把圍巖僅僅視作荷載（松散壓力），同時還把它視為承載結(jié)構(gòu)的組成部分。錨噴支護結(jié)構(gòu)承受荷載的性質(zhì)為圍巖的形變壓力。2）錨噴支護的適用條件及要求配合光面爆破等控制爆破技術(shù)，使開挖斷面輪廓平整、準確，便于錨噴成型，并減少回彈量；減輕爆破對圍巖的松動破壞，維持圍巖強度和自承能力。4

5、.1.3 新奧法與錨噴支護不能將新奧法等同于錨噴支護； 既有密切聯(lián)系又有原則區(qū)別；錨噴支護的快速有效的支護施工手段，才有可能使新奧法的基本原則得以實現(xiàn)。 不把圍巖看成自承結(jié)構(gòu)，不充分發(fā)揮圍巖本身的作用，即使大量采用錨噴支護，也不能認為是應(yīng)用了新奧法。4.2 隧道圍巖壓力的確定4.2.1 圍巖壓力 開挖隧道使圍巖原有的平衡狀態(tài)破壞了，對隧道周圍一定范圍內(nèi)的圍巖產(chǎn)生了不同程度的擾動。支護結(jié)構(gòu)要阻止圍巖的移動、變形，支護結(jié)構(gòu)就必然要受到圍巖所施加的力，即圍巖壓力 。初始應(yīng)力 平衡狀態(tài)下的三向應(yīng)力 ：隧道開挖前后的變化 硬巖及軟巖在隧道開挖后應(yīng)力重新分布范圍的大小與地質(zhì)條件有關(guān)，一般為隧道開挖跨度的0

6、.52.5倍。 在堅硬、完整巖體中，由于巖體強度高，影響范圍小，巖體能承受周邊急劇增大的應(yīng)力，可使隧道保持穩(wěn)定，一般只有彈性變形而不會破壞；而在松軟、破碎巖體中，由于巖體不能承受增大的應(yīng)力，在一定范圍內(nèi)的巖石就要松動、破壞并向隧道內(nèi)坍塌。圍巖壓力類型有垂直壓力、側(cè)壓力和底壓力， 4.2.2 隧道圍巖壓力的確定1）深埋隧道圍巖壓力的確定i為每增減1m時的圍巖壓力增減率。以B5.0m的圍巖垂直均布壓力為準，當B60MPa V :呈大塊狀砌體結(jié)構(gòu)硬質(zhì)巖石, Rb30MPa IV :呈塊（石）碎（石）狀鑲嵌結(jié)構(gòu) III :略具壓密或成巖作用的粘性土 、砂性土II :濕的一般碎、卵石土，圓礫、角礫土及黃

7、土 I：軟塑狀粘性土及潮濕的粉細砂等 表4-3 各類圍巖的重度圍巖類別(kN/m3)25.527.424.526.522.524.518.621.616.719.614.716.7注：對類圍巖的老黃土采用16.717.6kN/m3；對類圍巖的新黃土采用14.7kN/m3。表4-4 圍巖水平均布壓力e圍巖類別、e00.15q(0.150.3)q(0.30.5)q(0.51.0)q必須同時具備下列條件： （1）H/B1.7，H為隧道開挖高度，B為隧道開挖寬度。 （2）不產(chǎn)生膨脹力的圍巖及偏壓不顯著的隧道；（3）采用鉆爆法施工的隧道。2）淺埋隧道圍巖壓力的確定按荷載等效高度的判定式為：在新奧法施工的

8、條件下，類圍巖取 ，類圍巖 。（1）埋深H小于或等于荷載等效高度hq圍巖壓力完全由上覆巖（土）柱的重力產(chǎn)生，視為均布時，垂直壓力和水平壓力為：（2）埋深H大于hq、小于Hp在這種情況下，隧道上覆土體下滑時要考慮滑面阻力的影響，否則計算出的壓力值過大。本講要點理解新奧法和噴錨支護的實質(zhì)與聯(lián)系；掌握深埋和淺埋隧道圍巖壓力的計算。（2）埋深H大于hq、小于HpEFHG巖（土）體下沉，帶動兩側(cè)三棱土體（如圖中FDB及ECA）下沉受到阻力T，整個土體ABDC下沉時，又要受到未擾動巖（土）體的阻力F； AC或BD表示假定的破裂面 與水平成 角；T未知三棱體ECA中，受到三個力：T F W運用正弦定理：極限

9、狀態(tài)下可以求得破裂面的夾角總垂直壓力 ：簡化為： 豎向均布荷載和水平側(cè)壓力4.3 錨噴支護結(jié)構(gòu)4.3.1 錨噴支護的設(shè)計步驟5個步驟進行：（1）調(diào)查地質(zhì)和水文地質(zhì)情況，分析圍巖的穩(wěn)定條件；（2）用工程類比方法選擇支護類型及設(shè)計參數(shù)，對錨噴支護進行受力分析和結(jié)構(gòu)計算，并提出施工注意事項；（3）支護施工中，嚴密監(jiān)測地質(zhì)情況的變化，及時修改設(shè)計參數(shù)，變更施工工序；（4）支護完成后，分析隧道的穩(wěn)定狀況，對其長期穩(wěn)定性作出評價。必要時，可對支護變形和應(yīng)力進行量測，包括施工階段的監(jiān)測；（5）總結(jié)經(jīng)驗，改進設(shè)計與施工。掌握巖體變形、坍塌的規(guī)律之后，在恰當?shù)臅r間，采用適當?shù)霓k法進行支護。4.3.2 錨噴支護的

10、受力分析和結(jié)構(gòu)計算影響因素比較復(fù)雜,多種計算方法,尚處于半經(jīng)驗半理論階段 . 錨桿支護結(jié)構(gòu)；噴射混凝土支護；1）錨桿支護結(jié)構(gòu)全長粘結(jié)型錨桿：普通水泥砂漿錨桿、早強水泥砂漿錨桿、樹脂卷錨桿和水泥卷錨桿； 端頭錨固型錨桿；機械錨固錨桿、樹脂錨固錨桿、快硬水泥卷錨固錨桿； 摩擦型錨桿 ；縫管錨桿、楔管錨桿、水脹錨桿； 預(yù)應(yīng)力錨桿；自鉆式錨桿。（1）錨桿的設(shè)計計算錨桿的軸向拉力標準值、設(shè)計值錨桿鋼筋截面面積錨桿抗拉工作條件系數(shù)，永久性錨桿取0.69，臨時性錨桿取0.92； 錨桿錨固體與地層的錨固長度錨桿鋼筋與錨固砂漿之間的錨固長度 鋼筋與錨固砂漿之間的粘結(jié)強度設(shè)計值（kPa），應(yīng)由試驗確定，當缺乏試驗

11、資料時可按表4-9取值； 鋼筋與砂漿粘結(jié)強度工作條件系數(shù)，對永久性錨桿取0.60，對臨時性錨桿取0.72。錨桿支護可以根據(jù)不同圍巖的巖層產(chǎn)狀和穩(wěn)定狀況靈活進行。其作用原理主要有聯(lián)結(jié)作用、組合作用和整體加固作用。 （2）錨桿的聯(lián)結(jié)作用用錨桿將它們聯(lián)合起來，并將錨桿盡可能深入到穩(wěn)定的巖層中，考慮錨桿承擔全部不穩(wěn)定巖塊的重量。 錨桿承載力計算建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范（GB 503302002）規(guī)定： 用錨桿加固局部不穩(wěn)定塊體時，錨桿抗力應(yīng)滿足下列要求：a.加固受拉破壞的不穩(wěn)定危巖塊體，錨桿抗拉承載力應(yīng)滿足：b.加固受剪破壞的不穩(wěn)定危巖塊體，錨桿抗剪承載力應(yīng)滿足：錨桿長度錨桿總長度應(yīng)為錨固段、自由段和外錨

12、段的長度之和，并應(yīng)滿足下列要求：a.錨桿自由段長度按外錨頭到潛在滑裂面的長度計算；預(yù)應(yīng)力錨桿自由段長度應(yīng)不小于5m，且應(yīng)超過潛在滑裂面；b.錨桿錨固段長度應(yīng)按式（4-22）、（4-23）進行計算，并取其中大值 。構(gòu)造土層錨桿的錨固段長度不應(yīng)小于4m，且不宜大于10m；巖石錨桿的錨固段長度不應(yīng)小于3m，且不宜大于45D（D為錨固體直徑）和6.5m，或55D和8m（對預(yù)應(yīng)力錨索）； （3）錨桿的組合作用錨桿的組合作用是依靠錨桿將數(shù)層薄層的巖層組合在一起，形成組合拱或組合梁，以提高巖層整體的抗剪、抗彎的能力 。錨桿提供的抗剪力、抗拉力，以及錨桿的錨固力使將要滑動的巖塊得以穩(wěn)定，阻止層面的互相錯動。錨

13、桿應(yīng)按與巖層層面垂直的方向設(shè)置。如對錨桿施加預(yù)應(yīng)力，可提高其支護效果。 （4）錨桿的整體加固作用通過有規(guī)律布置的一系列錨桿，將鄰近的巖體聯(lián)結(jié)在一起，能阻止不穩(wěn)定巖石的滑移，促使巖石之間的間隙面壓緊，同時使隧道四周一定范圍內(nèi)的圍巖組成一個承載環(huán)。由于錨桿支護力的作用，壓縮帶獲得徑向支護力，使壓縮帶中的巖體處在三向受壓狀態(tài)。 砂漿錨桿的加固作用砂漿錨桿的承載力可用下式表示當圍巖產(chǎn)生位移時，錨桿單位長度上的承載力Ps/L1與 的合力阻止圍巖位移的發(fā)展，產(chǎn)生支護力，并使在錨桿間的圍巖產(chǎn)生壓縮和成拱作用，提高了圍巖強度并縮小了圍巖的承載跨度（等于錨桿間距），從而達到穩(wěn)定和加固圍巖的目的。本講要點掌握圍巖

14、壓力的計算方法；理解噴錨支護的概念；掌握錨桿支護的作用與計算方法；2）噴射混凝土支護結(jié)構(gòu)兩個方面起支護作用 ：（1）局部穩(wěn)定原理（2）整體穩(wěn)定原理噴射混凝土的設(shè)計強度等級不應(yīng)低于C20；噴射混凝土1d齡期的抗壓強度不應(yīng)低于5MPa。（1）局部穩(wěn)定原理噴射混凝土支護結(jié)構(gòu)及時封閉巖層表面的節(jié)理、裂隙，填平或緩和表面的凹凸不平，使隧道內(nèi)的輪廓較為平順，從而提高圍巖節(jié)理、裂隙間的粘結(jié)力、摩阻力和抗剪強度，并減少應(yīng)力集中現(xiàn)象。噴射混凝土關(guān)鍵是控制冠石，此時，噴射混凝土需能承受冠石的重量。噴層對局部不穩(wěn)定危巖塊體的抗拉承載力應(yīng)按下式驗算（沖切） 噴層工作條件系數(shù)，取0.6； ft噴射混凝土抗拉強度設(shè)計值（

15、kPa）；h噴層厚度ur不穩(wěn)定危巖塊體出露面的周邊長度 a）按沖切破壞計算；b）按撕開破壞計算整體穩(wěn)定原理噴射混凝土與圍巖表面緊密貼合，形成組合結(jié)構(gòu)共同工作。一方面在與圍巖共同承載和變形過程中對圍巖提供支護力，使圍巖變形得到控制，應(yīng)力得以調(diào)整；另一方面承受來自圍巖變形引起的形變壓力，從而使圍巖保持穩(wěn)定。3）新奧法中錨噴聯(lián)合支護的應(yīng)用（1）新奧法與錨噴支護 較好的圍巖（如類以上圍巖），可以噴射混凝土為主，錨桿加固以輔；較差的圍巖，則以錨桿，尤其是預(yù)應(yīng)力錨桿作為主要的巖體加固手段，并與噴射混凝土、鋼筋網(wǎng)噴射混凝土或加鋼拱的鋼筋網(wǎng)噴射混凝土配合使用。施工步驟新奧法以及時的錨噴作為臨時支護，稱為第一次

16、襯砌。第一次襯砌可以起到穩(wěn)定圍巖，控制圍巖應(yīng)力和變形，防止圍巖松馳、坍塌等作用。待其基本穩(wěn)定后，再加做模注混凝土二次襯砌。原來的臨時支護（錨噴支護）成為永久襯砌的一個組成部分。二次襯砌基本上不承受荷載或承受很小的荷載，主要是為了滿足隧道結(jié)構(gòu)物的安全、耐久、防水和飾面等的需要。（2）新奧法中支護與圍巖共同作用的力學原理支護結(jié)構(gòu)的設(shè)計原理是圍巖和柔性支護共同變形、破壞的彈塑性理論。圍巖為均質(zhì)、各向同性的連續(xù)彈塑性體，巖體在塑性變形、剪切破壞后仍有殘余強度；隧道初始應(yīng)力場為自重應(yīng)力場，側(cè)壓力系數(shù)1；隧道斷面形狀為圓形；在一定的埋深條件下，將隧道看作無限體中的孔洞問題?！澳獱?庫倫”準則作為“塑性判據(jù)

17、” 圍巖的彈塑性狀態(tài)1彈塑性狀態(tài)應(yīng)力分布曲線；2彈性狀態(tài)應(yīng)力分布曲線彈性區(qū)中任一點的應(yīng)力為 彈性區(qū)中任一點的徑向應(yīng)力； 彈性區(qū)中任一點的切向應(yīng)力； r彈性區(qū)中任一點到隧道中心的徑向距離。P0原巖應(yīng)力塑性區(qū)中任一點的應(yīng)力公式為 塑性區(qū)中靠近隧道內(nèi)緣的應(yīng)力，因滿足塑性條件而相對減小，成為“應(yīng)力降低區(qū)”，而最大的應(yīng)力發(fā)生在圍巖中塑性區(qū)與彈性區(qū)的交界面上。在彈性區(qū)與塑性區(qū)的交界面上（r=R處） 令兩式分別相等，整理后可得：支護力pi越小，則圍巖中出現(xiàn)的塑性區(qū)半徑R越大；圍巖中出現(xiàn)的塑性區(qū)半徑R越大，則圍巖對支護的形變壓力pa（與支護力pi相平衡）越小。 巖體的原巖應(yīng)力p0越大，則塑性半徑R就越大。p0

18、反映圍巖強度性質(zhì)的兩個指標，即粘聚力c和內(nèi)摩擦角越小，巖體強度越低，則塑性半徑R就越大。新奧法柔性支護理論的出發(fā)點，是設(shè)計、施工中采取支護措施時要積極利用的，以便使支護受到盡可能小的形變壓力。 隧道周邊的徑向位移u 隧道周邊徑向位移u的大小，主要取決于支護力pi。當pi減小時，u增大；反之，u減小。圍巖位移曲線 圍巖位移、支護特性曲線隧道開挖后，若支護非?？?，且支護剛度又很大，隧道周邊圍巖沒有變形或變形很小，圖中A點取得平衡，支護需提供很大支護力pmax；圍巖僅負擔產(chǎn)生彈性變形u0的壓力 ；假如平衡位置由A點移至C點、E點，則形變壓力由pmax減至 、。若隧道開挖后不加支護，或支護很不及時，即

19、允許圍巖自由變形。表現(xiàn)為曲線DB。這時，隧道周邊位移達到最大值umax，形變壓力pa很小或接近于零。 圍巖已經(jīng)出現(xiàn)松馳、坍塌 ，圍巖對支護的壓力就是松散壓力 ，只能按傳統(tǒng)施工方法施作模注混凝土襯砌。較佳的支護工作點應(yīng)當在D點以左附近，如圖中E點。在該點上，圍巖既可產(chǎn)生較大的變形 ，以較多地分擔巖體壓力（ ），而由支護分擔的形變壓力較?。?）； 最重要的便是如何掌握好施作時間（以圍巖的變形來判斷）和支護剛度k（支護特性曲線的斜率）。 兩次支護：首先在隧道開挖后，及時地進行初期支護和封閉 ；通過對圍巖變形的監(jiān)測，掌握隧道周邊圍巖和支護的變形情況，待變形基本趨于穩(wěn)定時，即達到圖中i點附近時，再進行第

20、二次支護。 如作內(nèi)層二次襯砌，所承受的形變壓力就更小，或為零。通過上述兩次支護的手段，便可以達到支護襯砌結(jié)構(gòu)的合理、經(jīng)濟、安全的目的。本講要點理解噴射混凝土的兩種作用；掌握新奧法與錨噴支護結(jié)合的原理：難點是理解位移支護曲線。（3）新奧法錨噴支護的結(jié)構(gòu)計算和支護監(jiān)控新奧法支護設(shè)計的主要方法有：a.以工程類比為基礎(chǔ)的經(jīng)驗法；b.以現(xiàn)場測量為基礎(chǔ)的監(jiān)控法；c.以理論分析為基礎(chǔ)的計算法；d.以上3種方法相結(jié)合的綜合法。新奧法錨噴柔性支護中，支護和圍巖緊密貼合，共同工作，支護和圍巖發(fā)生的破壞主要為剪切破壞。其穩(wěn)定的喪失常常是由圍巖中產(chǎn)生塑性剪切滑移楔體開始的。而錨噴支護則和其加固的巖體承載環(huán)三者的聯(lián)合作用所提供的支護力pi來阻止圍巖中剪切楔體沿滑動面向隧道位移。剪切滑動面 曲線方程新奧法中錨噴支護的結(jié)構(gòu)計算是按錨噴支護對隧道圍巖的加固作用和支護作用進行計算。隧道側(cè)壁巖體的滑移面,以極坐標表示，該曲線的方程為莫爾應(yīng)力圓與莫爾滑動包絡(luò)線 錨桿、噴層和巖體的聯(lián)合作用支