第四章坑道穩(wěn)定性態(tài)與支護(hù)結(jié)構(gòu)概論

第四章坑道穩(wěn)定性態(tài)與支護(hù)結(jié)構(gòu)概論第一頁，共十三頁，編輯于2023年，星期五隧道工程力學(xué)原理體系中，地層既是承載結(jié)構(gòu)的基本組成部分，又是造成荷載的主要來源，這種合二為一的作用機(jī)理與地面結(jié)構(gòu)是完全不同的。在隧道工程這樣的地下結(jié)構(gòu)中，地層起主導(dǎo)作用。隧道工程的一切活動(包括：能否順利地建成，使用中是否會出現(xiàn)問題，以及工期長短，投資多少等等)無一不與隧道所在區(qū)域的地層條件，也就是它所賦存的地質(zhì)環(huán)境息息相關(guān)。了解和認(rèn)識地質(zhì)環(huán)境，研究它在工程建設(shè)活動中的變化，制定有力的工程措施，使這種變化不危及隧道的安全，乃是隧道工程勘測、設(shè)計(jì)和施工中的頭等大事，應(yīng)當(dāng)受到充分重視。隧道工程所賦存的地質(zhì)環(huán)境的內(nèi)涵很廣，包括地層特征、地下水狀況、地層中的原始地應(yīng)力狀態(tài)以及地溫梯度等。對隧道工程來說，最關(guān)心的問題則是地層被挖成隧道后的穩(wěn)定程度。

第二頁，共十三頁，編輯于2023年，星期五隧道工程力學(xué)原理地層被挖成隧道后的穩(wěn)定程度稱為隧道圍巖的穩(wěn)定性，這是一個(gè)反映地質(zhì)環(huán)境的綜合指標(biāo)。所以說，研究隧道工程地質(zhì)環(huán)境問題，歸根到底就是研究隧道圍巖的穩(wěn)定性問題，它包括隧道圍巖破壞或穩(wěn)定的規(guī)律、影響圍巖穩(wěn)定的主要因素、標(biāo)志圍巖穩(wěn)定性的指標(biāo)和判斷準(zhǔn)則、分析圍巖穩(wěn)定性的方法以及為維護(hù)圍巖穩(wěn)定而必須采取的工程措施(如施工程序和方法、支護(hù)結(jié)構(gòu)的類型、數(shù)量和架設(shè)時(shí)間等)。

對隧道工程地質(zhì)環(huán)境的認(rèn)識和處理，科學(xué)的方法應(yīng)該從圍巖變形與破壞的根本作用力——圍巖的原始地應(yīng)力出發(fā)，結(jié)合圍巖的工程性質(zhì)，施工對地層原始狀態(tài)干擾和破壞的程度等進(jìn)行綜合研究，并根據(jù)圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)共同作用，用圍巖為主的觀點(diǎn)來制定施工程序和進(jìn)行支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

第三頁，共十三頁，編輯于2023年，星期五隧道工程力學(xué)原理第二節(jié)圍巖失穩(wěn)破壞性態(tài)與穩(wěn)定程度隧道圍巖失穩(wěn)破壞大致有以下五種情況：

1．脆性破裂整體狀和塊狀結(jié)構(gòu)巖體，僅產(chǎn)生局部掉塊或巖爆。

2．塊狀運(yùn)動塊狀或?qū)訝顜r體，向臨空面運(yùn)動，逐漸形成塊體塌落、滑動、轉(zhuǎn)動、傾倒以及塊體擠出等失穩(wěn)破壞性態(tài)。

3．彎曲折斷破壞層狀巖體尤其是有軟弱夾層的互層巖體，易產(chǎn)生下沉彎曲鼓出，進(jìn)而張裂、折斷形成塌落體。

4．松動解脫碎裂結(jié)構(gòu)巖體，容易松動、潰散(解脫)而成碎塊脫落、坍塌。第四頁，共十三頁，編輯于2023年，星期五隧道工程力學(xué)原理

5．塑性變形和剪切破壞散體結(jié)構(gòu)巖體或碎裂結(jié)構(gòu)巖體，表現(xiàn)為坍方、邊墻擠入、底鼓以及洞徑縮小等等，而且變形的時(shí)間效應(yīng)比較明顯。根據(jù)坑道開挖實(shí)踐，坑道開挖后的穩(wěn)定性大體上可分為以下幾類：

1)充分穩(wěn)定的?？拥涝陂L時(shí)間內(nèi)有足夠的自穩(wěn)能力，無需任何人為支護(hù)而能維持穩(wěn)定，無坍塌、偶爾有掉塊。

2)基本穩(wěn)定的。坑道會因爆破、巖塊結(jié)合松弛等而產(chǎn)生局部掉塊，但不會引起坑道的坍塌，坑道是穩(wěn)定的，層間結(jié)合差的平緩巖層頂板可能彎曲、斷裂。此時(shí)應(yīng)采取局部支護(hù)或輕型的支護(hù)。第五頁，共十三頁，編輯于2023年，星期五隧道工程力學(xué)原理

3)暫時(shí)穩(wěn)定的。大多數(shù)坑道是屬于這個(gè)類型的。坑道開挖后呈現(xiàn)出不同程度的坍塌現(xiàn)象，坍塌后的坑道呈拱形而處于暫時(shí)穩(wěn)定狀態(tài)。在外界（如爆破、重新更換支撐等）和內(nèi)部（如地下水等）條件的影響下，坑道如不及時(shí)支護(hù)，會進(jìn)一步喪失穩(wěn)定。因此，在這種圍巖中，必須采取各種類型的支護(hù)措施。

4)不穩(wěn)定的?？拥涝诓恢ёo(hù)條件下是難以開挖的，隨挖隨坍，常常要先支后挖，坑道的坍塌發(fā)生迅速、影響范圍大，有時(shí)可坍塌到地表，或在地面形成塌盆地。在有水的情況下，土體流動造成極大的荷載。在這種情況下，需要采取專門的支護(hù)措施和施工方法來保證坑道的穩(wěn)定。

第六頁，共十三頁，編輯于2023年，星期五隧道工程力學(xué)原理第三節(jié)支護(hù)結(jié)構(gòu)的基本要求

支護(hù)結(jié)構(gòu)的基本作用在于：①與圍巖一起組成一個(gè)有足夠安全度的隧道結(jié)構(gòu)體系，能承受可能出現(xiàn)的各種荷載；②保持隧道斷面的使用凈空；③防止圍巖質(zhì)量的進(jìn)一步惡化；④提供空氣流通的光滑表面。支護(hù)結(jié)構(gòu)的基本要求如下：

1.與圍巖牢固地面接觸，即保證支護(hù)結(jié)構(gòu)與圍巖作為一個(gè)整體進(jìn)行工作。

第七頁，共十三頁，編輯于2023年，星期五隧道工程力學(xué)原理

2.盡可能設(shè)初期支護(hù)，并使早期支護(hù)與永久支護(hù)相互配合，協(xié)調(diào)一致地工作。盡量不設(shè)臨時(shí)支護(hù)。

3.使圍巖產(chǎn)生有限制的變形，以充分發(fā)揮圍巖的承載能力。

采用柔性支護(hù)，使得接觸壓力分布均勻，支護(hù)結(jié)構(gòu)中的彎矩較小。

4.及時(shí)施作支護(hù)結(jié)構(gòu)，即支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)在坑道圍巖達(dá)到極限平衡之前發(fā)揮其承載作用。

支護(hù)過晚會使圍巖暴露、產(chǎn)生過度的位移而瀕臨破壞(極限平衡)。

原則：控制變形的增長速度。

5.圍巖變則支護(hù)變。支護(hù)結(jié)構(gòu)要能根據(jù)隧道圍巖的動態(tài)(位移、應(yīng)力等)，及時(shí)地進(jìn)行調(diào)整和修改，以適應(yīng)不斷變化的圍巖狀態(tài)。

辦法：可采取分期噴射砼、增設(shè)錨桿或調(diào)整其參數(shù)(間距、錨桿直徑和長度)等方法來實(shí)現(xiàn)。第八頁，共十三頁，編輯于2023年，星期五隧道工程力學(xué)原理最后，支護(hù)結(jié)構(gòu)還要滿足易于架設(shè)、構(gòu)件可以互換、斷面類型單一、便于改變剛性等施工要求。第四節(jié)支護(hù)結(jié)構(gòu)類型的選擇和設(shè)計(jì)

根據(jù)其使用目的，支護(hù)結(jié)構(gòu)可分為：①防護(hù)型支護(hù)。適用于充分穩(wěn)定的巖體。通常是采用噴漿、噴混疑土或單獨(dú)錨桿來完成的。作用是封閉巖面，防止風(fēng)化。②構(gòu)造型支護(hù)。適用于基本穩(wěn)定的巖體。通常采用噴混凝土、錨桿和金屬網(wǎng)、模筑混凝土等支護(hù)構(gòu)件?？拥篱_挖后可能出現(xiàn)局部掉塊或崩塌。支護(hù)結(jié)構(gòu)的參數(shù)只要滿足施工及構(gòu)造上的要求即可。③承載型支護(hù)。適用于暫時(shí)穩(wěn)定或不穩(wěn)定的巖體。承載型支護(hù)是隧道支護(hù)的主要類型。視隧道圍巖的力學(xué)動態(tài)，它可分為輕型、中型及重型等?？刹捎脟娀炷?、錨桿、金屬網(wǎng)及鋼拱架等作為初期支護(hù)，模筑混凝土作為二次支護(hù)。支護(hù)要通過計(jì)算確定。第九頁，共十三頁，編輯于2023年，星期五隧道工程力學(xué)原理

按照支護(hù)的方式分有：①外部支護(hù)，即從外部支撐著坑道的圍巖（如模筑混凝土整體式襯砌、磚石襯砌、裝配式襯砌、噴射混凝土支護(hù)等）；②內(nèi)部支護(hù)，即對圍巖進(jìn)行加固以提高其穩(wěn)定性（如錨桿支護(hù)、壓入漿液等）；③混合支護(hù)，即內(nèi)部與外部支護(hù)混合一起的襯砌（如噴錨支護(hù)）。第十頁，共十三頁，編輯于2023年，星期五隧道工程力學(xué)原理

從襯砌施工工藝方面將隧道襯砌的型式分為以下四類：①整體式模筑混凝土襯砌②裝配式襯砌③噴錨支護(hù)④復(fù)合式襯砌

根據(jù)采用的材料和系統(tǒng)可分為：（1）木支撐（2）鋼支撐（3）錨桿和金屬網(wǎng)支護(hù)（4）混凝土和噴射混凝土①混凝土支護(hù)，包括混凝土預(yù)制塊支護(hù)②噴射混凝土支護(hù)（5）組合支護(hù)①鋼支撐加背板②噴射混凝土與錨桿③噴射混凝土、鋼支撐和錨桿……等。第十一頁，共十三頁，編輯于2023年，星期五隧道工程力學(xué)原理

支護(hù)類型的選擇主要根據(jù)下述條件決定：（1）對預(yù)計(jì)的主要巖體類型的評價(jià)（2）對巖體類別變化的適應(yīng)性（3）對很大的或特殊地壓的適應(yīng)性（4）對地下水性質(zhì)的適應(yīng)性（5）經(jīng)濟(jì)（6）作業(yè)時(shí)間消耗第十二頁，共十三頁，編輯于2023年，星期五隧道工程力學(xué)原理在設(shè)計(jì)支護(hù)結(jié)構(gòu)時(shí)應(yīng)注意：①支護(hù)結(jié)構(gòu)最好設(shè)計(jì)成封閉式的，一般都應(yīng)有仰拱，封閉式結(jié)構(gòu)具有最佳的抵抗變形的能力，即使在厚度較小時(shí)，亦能提供較大的支護(hù)阻力。②對于抗拉性能較差