隧道工程-第7章錨噴支護結構的設計與施工原則（共153頁）

1、隧道工程第7章 錨噴支護結構的 設計與施工原則都市快軌交通2007年會北京：目前142km,300萬/日；2008年200km；2012年407km；2015年561km。上海：目前143km,280萬/日；年底230km；2012年500km。廣州：目前116km,200萬/日；2010年200km；2020年500km；香港：目前211km, 400萬/日，占公交運量的40本章學習的目的：（1）深入理解新奧法施工的理念；（2）掌握錨噴聯(lián)合支護及圍巖與支護共同作用的力學原理；（3）掌握錨噴支護施工原則及要點。第7章 錨噴支護結構的設計與施工原則7.1 概述7.2 錨噴支護結構的受力與計算 7

2、.3 錨噴支護結構的施工原則 7.1 概述1、支護結構理論的發(fā)展2、現(xiàn)代支護理論與設計要點3、錨噴支護與傳統(tǒng)支護的區(qū)別4、錨噴支護的特點1、支護結構理論的發(fā)展 1920年以前的古典壓力理論階段 特點：作用在支護結構上的壓力是其上覆巖層的重量 代表：Haim、Rankine和金尼克理論 隨著開挖深度的增加，人們發(fā)現(xiàn)，古典壓力理論不符合實際情況。 19201960年代的松散體理論階段 特點：當埋深較大時，作用在支護結構上的壓力，不是上覆巖層的重量，而只是圍巖坍落拱內(nèi)的松散巖體的重量。 19201960年代的松散體理論階段 代表：太沙基(K.Terzaghi)和普氏理論 60年代后發(fā)展期來的現(xiàn)代支護

3、結構 特點：圍巖和支護結構共同組成了承載的支護體系，其中圍巖是承載主體，而支護結構是輔助性的，但也不可缺少。 代表：新奧法理論是其典型代表。7.1 概述1、支護結構理論的發(fā)展2、現(xiàn)代支護理論與設計要點3、錨噴支護與傳統(tǒng)支護的區(qū)別4、錨噴支護的特點 現(xiàn)代支護理論 一切方法、手段和措施都圍繞圍巖穩(wěn)定為目的； 支護與圍巖視作統(tǒng)一的復合體，支護和圍巖共同作用；2、現(xiàn)代支護理論與設計要點 在復合體中，圍巖是承載主體，最大限度的發(fā)揮圍巖的自承能力，同時也要發(fā)揮支護結構的承載能力； 憑借現(xiàn)場試驗和監(jiān)測手段，劃定圍巖級別，獲得力學參數(shù)，指導施工； 對不同的地質(zhì)條件，力學特征的圍巖，靈活采用不同支護方式和相應的

4、力學計算模型。 基本要求 支護必須與周圍巖體大面積的牢固接觸，即保證支護-圍巖作為一個統(tǒng)一的支護體系而共同工作； 重視初期支護的作用，并使初期支護與二次支護相互配合，協(xié)調(diào)一致的工作； 使初期支護與二次支護相互配合，協(xié)調(diào)一致的工作 要允許圍巖及支護結構產(chǎn)生有限的變形，以發(fā)揮圍巖承載作用而減少支護結構的受力。 必須保證支護結構及時施作。如支護施作過晚，會使圍巖暴露時間過長，產(chǎn)生過渡的位移而瀕臨破壞； 支護結構要根據(jù)隧道圍巖的實際動態(tài)，及時進行調(diào)整和修改，以適應不斷變化的圍巖狀態(tài)；7.1 概述1、支護結構理論的發(fā)展2、現(xiàn)代支護理論與設計要點3、錨噴支護與傳統(tǒng)支護的區(qū)別4、錨噴支護的特點 對圍巖和圍巖

5、壓力的認識上傳統(tǒng)支護理論：圍巖壓力由洞室塌落的圍巖“松散壓力”造成的;現(xiàn)代支護理論：圍巖具有自承能力，圍巖作用于支護的壓力不是松散壓力，是阻止圍巖變形的形變壓力。3、錨噴支護與傳統(tǒng)支護的區(qū)別 在圍巖和支護間的相互關系上：傳統(tǒng)支護理論：將圍巖與支護分開考慮，視為“荷載-結構”體系錨噴支護理論：將圍巖和支護視為統(tǒng)一體，二者組成“圍巖-支護”體系共同參與工作。 在支護功能和作用原理上：傳統(tǒng)支護理論：支護只是為了承受荷載；錨噴支護理論：支護是為了及時穩(wěn)定和加固圍巖。 在設計計算方法上：傳統(tǒng)支護理論：主要是確定作用在支護上的荷載；錨噴支護理論：設計的作用荷載是巖體的地應力，圍巖和支護共同承載； 荷載結構

6、模型巖體力學模型 在支護形式和工藝上傳統(tǒng)支護理論：模注混凝土；錨噴支護理論：施工方法簡單，靈活，不需模板，無需回填，在圍巖松動之前能及時加固圍巖。7.1 概述1、支護結構理論的發(fā)展2、現(xiàn)代支護理論與設計要點3、錨噴支護與傳統(tǒng)支護的區(qū)別4、錨噴支護的特點 及時性：噴射砼，如早強，能迅速給圍巖提供支護抗力； 粘貼性：噴射砼與圍巖能全面密貼粘結，粘結力一般可達70kg/cm3；4、錨噴支護的特點粘結有三種作用： 連鎖作用； 復合作用； 增強作用(填充凹隙) 柔性：容易調(diào)節(jié)圍巖變形，可控制圍巖塑性變形適度發(fā)展，發(fā)揮自承能力； 深入性：錨桿可深入圍巖一定深度加固圍巖，形成承載圈； 4、錨噴支護的特點 靈

7、活性：支護類型、參數(shù)、數(shù)量可靈活調(diào)整。 封閉性：可阻止水對圍巖的侵蝕而引起風化等。4、錨噴支護的特點 目前我國所有山嶺隧道和一些城市地下工程都先采用錨噴的柔性支護結構，是為了能做到：（1）容許圍巖發(fā)生有限變形（2）發(fā)揮圍巖的自承能力（3）節(jié)省工程造價7.2 錨噴支護結構的受力與計算 1、錨桿支護結構 2、噴混凝土支護結構 3、錨噴聯(lián)合支護結構 7.2 錨噴支護結構的受力與計算 1、錨桿支護結構 錨桿類型 錨桿的力學作用 錨桿的設計與計算 支護塊狀圍巖 加固裂隙圍巖錨桿的制作過程 錨桿類型 全長粘結型 錨桿類型 端頭錨固型 錨桿類型 端頭錨固型 錨桿類型 摩察型 錨桿類型 摩察型隧道錨桿隧道超前

8、注漿錨桿 錨桿的力學作用 懸吊作用 減跨作用 組合梁作用 整體加固作用 懸吊作用：將不穩(wěn)定巖層懸吊在堅固巖層上，阻止圍巖移動滑落。 減跨作用：在隧道頂板巖層中打入錨桿，相當于在頂板上增加了支點，使隧道跨度減小，從而使頂板巖體應力減小。 組合梁作用：在巖層中打入錨桿，將若干薄弱巖層錨固在一起，類似將疊合的板梁變成組合梁，提高巖層的承載力。 整體加固作用：錨桿群錨入圍巖后，其兩端附近巖體形成圓錐形壓縮區(qū)，按照一定間距排列的錨桿在錨固力作用下構成承載環(huán)。 錨桿的設計與計算 錨桿承載力計算 錨桿錨固長度確定 錨桿直徑的確定 錨桿間距的確定 錨桿承載力計算 當塊體危石墜落時，除使錨桿受拉外，還對錨桿產(chǎn)生

9、剪切作用。 錨桿承載力計算如圖所示，根據(jù)靜力平衡及正弦定理有： 式中：N是錨桿所受拉力；Q是錨桿所受剪力；G是危石重量或一根錨桿承擔的巖石重量；是錨桿與地質(zhì)結構面的夾角；是錨桿與垂直線夾角。 錨固長度確定 錨固深度L1： 根據(jù)錨桿抗拉強度與砂漿粘結力相等的等強度原則，可確定錨桿的錨固深度L1： 其中：d是錨桿直徑， 螺紋鋼筋；D是鉆孔直徑；k安全系數(shù)，3-5； 是砂漿與巖孔之間的抗剪強度。實踐中要求 大于30厘米； 錨桿長總度L：式中：L1是錨固深度；L2為不穩(wěn)定巖層厚度；L3是外露長度（約小于噴射混凝土厚度）； 錨桿直徑的確定以抗拉為例，錨桿直徑可用下式計算 式中：K是安全系數(shù)，可取2；Rg

10、是錨桿抗拉強度；N是錨桿所受拉力；d是錨桿直徑。 錨桿間距 錨桿間距的確定 若等間距布置，每根錨桿所負擔的巖體重量即為所受荷載。其中，是巖體容重；b錨桿間距，一般L12b；k安全系數(shù)23。 支護塊狀圍巖 圍巖塌落總是從危石開始，可能形成連鎖反應。砂漿錨桿的承載力： 加固裂隙圍巖 若在隧道頂部出現(xiàn)裂隙，為防止進一步擴展危及頂部巖體穩(wěn)定，可采用預應力錨桿加固。 假設裂隙受到預加力T和水平方向壓力P，則裂隙法向力和抗滑力分別為： 是裂隙面內(nèi)摩察角，沿裂隙面的下滑力必須滿足的條件： 1、錨桿支護結構 2、噴混凝土支護結構 3、錨噴聯(lián)合支護結構 7.2 錨噴支護結構的受力與計算 2、噴混凝土支護結構 噴

11、射砼是將水泥、砂子、石子、速凝劑按一定的比例均勻的攪拌后送入噴射機，以高速噴射到巖壁表面凝結而成的砼。 它是通過局部穩(wěn)定圍巖和整體穩(wěn)定圍巖起支護作用。 噴混凝土的過程 干噴 濕噴 噴射砼的作用 充填裂隙加固圍巖； 找平，封閉圍巖表面防止風化； 噴砼與圍巖組成共同承載結構。 充填裂隙加固圍巖封閉圍巖表面防止風化噴砼與圍巖組成共同承載結構 局部穩(wěn)定原理 危石除用錨桿支護外，也可用噴射混凝土層支護。在危石重力作用下混凝土噴層可能出現(xiàn)沖切破壞和撕裂破壞。 抗沖切計算 噴層厚度滿足： 為噴射混凝土抗拉強度；u為危石底面周長，k是安全系數(shù)35。 抗撕裂計算 其中： 是噴層和巖石之間的粘結強度。為此，需求出

12、危石自重作用下在噴層與巖石之間的拉應力q的大小，利用彈性半地基上的半無限長梁公式： ； 其中 ；K巖體彈性系數(shù)；E是混凝土彈性模量。當x=0端點時，有最大值： 整體穩(wěn)定原理 整體穩(wěn)定原理 噴混凝土層與圍巖表面緊密粘結、咬合使巖體密貼，組成“組合結構”或“整體結構物”共同工作。 1、錨桿支護結構 2、噴混凝土支護結構 3、錨噴聯(lián)合支護結構 7.2 錨噴支護結構的受力與計算 3、錨噴聯(lián)合支護結構 錨噴聯(lián)合支護修建隧道的基本概念 支護與圍巖共同作用的力學原理 錨噴支護結構承載力計算(4) 隧道圍巖位移量的容許值 二次襯砌支護時間選擇原則3、錨噴聯(lián)合支護結構 、錨噴聯(lián)合支護修建隧道的基本概念 錨桿是深

13、層加固圍巖； 噴砼是表層及局部加固圍巖；3、錨噴聯(lián)合支護結構 圍巖是隧道穩(wěn)定的基本部分，盡量維護圍巖體的強度特性 支護結構要薄而具有柔性，并與圍巖密貼；使因產(chǎn)生彎矩而破壞的可能性達到最小；當需要增加支護襯砌強度時，宜采用錨桿、鋼筋網(wǎng)等加固，而不宜大幅度增加噴層或襯砌厚度。 設計施工中要正確估計圍巖特性及其隨時間的變化，以便采取最合適的支護措施和支護時間。 支護與圍巖共同作用的力學原理 圓形隧道解析解 錨噴支護結構設計的力學原理 采用的是圍巖體和柔性支護共同變形的彈塑性理論。 彈塑性理論的基本概念： 基于材料試驗彈塑性曲線 基于材料試驗彈塑性曲線 對于圓形隧道，作如下假定： 圍巖為均質(zhì)、各向同性

14、的連續(xù)彈塑性體； 初始應力為自重應力場； 隧道視為無限體中的孔洞問題； 采用莫爾-庫侖(Mohr-Coulomb)準則為塑性屈服判據(jù): 均質(zhì)圍巖中圓形隧道的彈性解 均質(zhì)圍巖中圓形隧道的塑性解 基本方程： 邊界條件： 塑性解： 彈性區(qū)與塑性區(qū)邊界上的連續(xù)條件 當r=R時， 塑性區(qū)半徑與支護抗力的關系 由洞周位移計算圍巖壓力 彈性區(qū)引起的應力增量： 圍巖引起的徑向應變： 由以上關系得： 彈塑性邊界上的徑向位移： 據(jù)彈性區(qū)應力和摩爾庫侖關系得： 變形過程中假設塑性區(qū)體積不變： 用洞周位移 表達的圍巖壓力 圍巖支護特性曲線 錨噴支護結構承載力計算 錨噴支護結構承載力計算 初期支護（外拱）設計與計算初選

15、噴層厚度t，按照經(jīng)驗公式：t=0.017r0， r0是隧道半徑確定錨桿直徑、長度和間距噴層支護抗力： 初期支護（外拱）設計與計算承載環(huán)內(nèi)巖體的抗力：錨桿的抗力：其它支護提供的抗力：總支護抗力： 二次支護（內(nèi)拱）設計與計算內(nèi)拱的承載力常是一種安全儲備，安全系數(shù) 內(nèi)拱承載力： K=1.52.0 內(nèi)拱厚度： (4) 隧道圍巖位移量的容許值 影響隧道周邊最終位移量的因素 巖體的物理力學性質(zhì) 原始地應力大小 開挖方式（全斷面開挖小） 掘進速度（速度越快位移越?。?支護時機 及支護方式 隧道周邊容許位移量的確定原則 城市地下隧道的下沉量盡量小，一般不能超過510毫米； 淺埋山嶺隧道容許位移量可以大些，一般

16、小于30毫米； 深埋隧道洞周的位移不致引起有害松動為原則，一般不超過30毫米； 一些容許位移量控制標準 （國內(nèi)外的一些標準） 埋深圍巖300mIII0.100.300.20.500.401.20IV0.150.500.401.200.802.0V0.200.800.601.601.03.0相對位移值指實測位移值與兩測點距離之比；脆性圍巖取小值，塑性圍巖取大值；I、II、VI級圍巖可按工程類比選定容許值范圍；表中數(shù)據(jù)可在施工中做調(diào)整； 我國公路隧道施工技術規(guī)范JTJ042-94規(guī)定容許相對位移值（） 法國工業(yè)部規(guī)定地下工程拱頂處圍巖最大容許位移量 隧道埋深/m硬質(zhì)巖/cm塑性地層/cm10501

17、225505002610205006122040 國外隧道工程師根據(jù)現(xiàn)場量測數(shù)據(jù)大小制定的危險警戒標準等級標 準措施三級警戒任一點位移大于10mm報告管理人員二級警戒兩相鄰測點位移均大于15mm或任一測點位移速度超過15mm/月口頭報告，召開會議，寫書面報告及建議一級警戒位移大于15mm，且多處測點位移均在加速主管工程師立即現(xiàn)場調(diào)查，召開現(xiàn)場會議，研究應急措施 二次襯砌支護時間選擇原則 各測試項目的位移速率明顯收斂，圍巖基本穩(wěn)定； 已產(chǎn)生的各項位移已達預計總位移量的80%90%； 周邊位移速率小于0.10.2mm/d，或拱頂下沉速率小于 0.070.15mm/d以上原則適合于圍巖條件較好情況。

18、 1、錨桿支護結構 2、噴混凝土支護結構 3、錨噴聯(lián)合支護結構 7.2 錨噴支護結構的受力與計算 7.3 錨噴支護施工原則 實施錨噴支護施工原則，是為了達到以下的目的： （1）技術上可靠（2）經(jīng)濟上合理1、采取各種措施，確保圍巖不出現(xiàn)有害松動 洞形及側壓系數(shù)的選擇問題，即在洞室的布置和造型上應適應原巖應力狀態(tài)和巖體的地質(zhì)、力學特征，盡量爭取一個較好的受力條件。 采用控制爆破技術：減少對圍巖的擾動強度 減少對圍巖的擾動次數(shù)：盡可能采用全斷面一次開挖 初期支護及時快速：及時是抑制圍巖變形的有害發(fā)展 合理利用開挖面空間效應抑制圍巖變形 開挖面的“空間效應”，是指洞室在掘進過程中，由于受到開挖面的約束

19、，使開挖面附近的圍巖不能立即釋放其全部位移，這種現(xiàn)象稱為開挖面的“空間效應” 盡量減少其他外界因素（水、潮）對圍巖的影響：對有地下水的裂隙巖體，要防止大的滲透壓力 2、使圍巖變形適度發(fā)展，合理利用圍巖自承能力 初期支護分次施作 初期支護必須保證圍巖達到穩(wěn)定狀態(tài)，主要是在有控制的條件下實現(xiàn)“卸壓”。 二次支護主要是提高支護的安全度，其作用主要是限制變形過量，使圍巖進入穩(wěn)定。 在穩(wěn)定情況下適當延遲支護時間 原則上，可以通過延遲支護時間來控制圍巖變形，不過這個時機很難掌握，因此，常常不宜采取這種方法。3、保證錨噴支護與圍巖形成共同體 施工方法和施工措施上保證 列入施工質(zhì)量檢測項目(噴層與巖石的粘結力

20、、錨桿的錨固力)4、選擇合理支護類型和參數(shù)，并充分發(fā)揮其功效 綜合考慮各種因素確定支護類型(圍巖地質(zhì)特點、工程斷面大小和使用條件要求等) 一般情況下，應優(yōu)先考慮選用噴混凝土支護或錨噴聯(lián)合支護 堅硬裂隙巖體中的大斷面隧道：通常在長錨桿之間還要加設短錨桿以支承其間的巖體 破碎軟弱巖體 ：通常要早支護、早封閉，設仰拱、加強支護。一般采用錨噴網(wǎng)聯(lián)合支護 塑性流變巖體 ：支護施作宜“先柔后剛”，設置仰拱，形成全封閉環(huán) 選擇合理的錨桿類型與參數(shù)，在圍巖中有效形成承載圈 錨桿支護設計主要根據(jù)圍巖地質(zhì)、工程斷面和使用條件等選定錨桿類型，確定錨桿直徑、長度、數(shù)量、間距和布置方式。 錨桿間距的選定：除考慮巖體穩(wěn)定

21、條件外，一般應能充分發(fā)揮噴層作用和施工方便，即通過錨桿數(shù)量的變化使噴層始終具有有利厚度 錨桿長度的選?。簯斠阅艹浞职l(fā)揮錨桿的功能作用，并獲得經(jīng)濟合理的錨固效果為原則 錨桿的布置：應當采用重點（局部）布置與整體（系統(tǒng)）布置相結合 錨桿的方向：應與巖體主結構面成較大角度，這樣則能穿過更多的結構面，有利于提高結構面上的抗剪強度，使錨桿間的巖塊相互咬合 合理選擇噴層厚度，充分發(fā)揮噴層與圍巖自身承載力 合理噴層厚度（剛度）：既能使圍巖穩(wěn)定又容許圍巖有一定的塑性位移，實現(xiàn)卸壓；經(jīng)驗表明合理初始噴層厚度在515厘米間；噴層太厚和太薄都是不合理的 在下列情況下可考慮配置鋼筋網(wǎng) 在土砂等條件下，噴射混凝土從圍

22、巖表面可能剝落時在破碎軟弱流變巖體和膨脹性巖體條件下，噴層可能破壞剝落時，或需要提高噴混凝土抗剪強度時 地震區(qū)或有震動影響的隧道 在下列場合應考慮使用鋼支撐 噴射混凝土或錨桿發(fā)揮支護作用前，需要使隧道巖面穩(wěn)定時 用鋼管（棚架）、鋼板樁進行超前支護需要支點時為抑制地表下沉，或由于壓力大，需要提高初期支護的強度或剛性時 5、 合理安排施工程序 施工方法的正確性和合理性對錨噴支護的成敗和效果有重大影響 特別是開挖順序、掘進進尺、支護和閉合時機等至關重要 開挖臺階數(shù) 圍巖較好：應盡量采用全斷面開挖法，減少對圍巖的擾動次數(shù)； 破碎圍巖：分部開挖，減少對圍巖擾動的強度 支護次數(shù) 6、依據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)指導施

23、工 由于錨噴支護理論目前還不成熟，故需依靠現(xiàn)場監(jiān)控量測來掌握圍巖動態(tài)、修正設計，指導施工以及對支護效果作出正確評價?，F(xiàn)場量測內(nèi)容： 隧道內(nèi)目測觀察 隧道收斂量測 地表下沉量測 位移反分析，指導施工 隧道內(nèi)目測觀察 隧道目測觀察的目的 預測開挖面前方的地質(zhì)條件 為判斷圍巖穩(wěn)定性提供地質(zhì)依據(jù) 根據(jù)噴層表面狀態(tài)及錨桿工作狀態(tài)分析支護結構可靠度 隧道目測觀察的主要內(nèi)容 了解開挖工作面的工程地質(zhì)，包括地質(zhì)種類及分布狀態(tài)，巖石顏色、成分、結構等，節(jié)理狀況，斷層特征等 水文地質(zhì)條件：地下水類型，涌水量大小，涌水位置，涌水壓力，水的化學成分等 繪制開挖工作面的素描剖面圖 開挖支護后的觀察：初期支護的裂縫狀況，錨桿端頭情況，鋼拱架是否被壓曲，是否有底鼓現(xiàn)象 隧道目測觀察中圍巖破壞形態(tài)分析 危險性不大的破壞：構筑仰拱后在拱肩部出現(xiàn)的剪切破壞一般進展緩慢，危險