新奧法隧道結構設計隧道工程新奧法錨噴結構設計

1、第七章錨噴支護結構的設計與施工7.1概述7.2錨噴支護結構的受力與計算7.3錨噴支護施工原則71概述1. 支護結構理論的發(fā)展(1) 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yH代表:海姆(A.Haim)、朗肯(WJ.M.Rankine)和金尼克等理論隨著開挖深度的增加,人們越來越多的發(fā)現(xiàn),古典壓力理論 不符合實際情況,于是出現(xiàn)了散體壓力理論。19201960年代的松散體理論階段:特點:當?shù)叵鹿こ搪裆钶^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的松散巖體的重量。代表:太沙基(K.Terzaghi)和普氏理論60年代后發(fā)展期來的現(xiàn)

2、代支護理論階段: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 是主要的承載結構,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。2、現(xiàn)代支護理論與設計要點(1)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,支護合圍巖共同作用； 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), 指導設計施工； 對不同的地質條件,力學特征的圍巖,靈活采用不同支護方 式,力學計算模型。如荷載-結構模型、經驗類比模型等;（2）基本要求 支護必須與周圍巖體

3、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)調一致的工作； 要允許圍巖及支護結構產生有限的變形,以允許發(fā)揮圍巖的 承載作用而減少支護結構的受力。為此要求對支護結構的剛度、 構造給予充分的注意； 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,產生過渡的位移而瀕臨破壞,所以應在坑道圍巖 達到極限平衡之前發(fā)揮其承載作用； 支護結構要根據(jù)坑道圍巖的實際動態(tài)，及時進行調整和修改 以適應不斷變化的圍巖狀態(tài);3、錨噴支護與傳統(tǒng)支護的區(qū)別(1) 對圍巖和圍巖壓力的認識上:傳統(tǒng)支護理論:圍巖壓力由洞室塌落的圍巖

4、”松散壓力”造成 的；錨噴支護理論:圍巖具有自承能力，圍巖作用在支護上的壓力 不是松散壓力，而是阻止圍巖變形的形變壓力。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。（3）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。（4）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；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

5、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。4、錨噴支護的特點（主要在機理和工藝上）（1）及時性：噴射碇，如早強，能迅速給圍巖提供支護抗力 粘貼性:噴射召仝與圍巖能全面密貼粘結,粘結力一般可達 70kg/cm3;粘結有三種作用： 連鎖作用；復合作用；增強作用（填充凹隙穴）柔性：容易調節(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,形成承載圈靈活性:支護類型、參數(shù)、數(shù)量可靈活調整。封閉性：可阻止水對圍巖的侵蝕而引起風化等。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全長粘結型全長粘結型端頭錨型2+(92告S摩察型桿

6、體上楔刁楔開賛徑管j/J6板J庶焊定位銷g-1-N擋環(huán)捋環(huán)墊板 r預應力型（2）錨桿的力學作用錨桿是利用圍巖自身強度來支護圍巖，屬于內部支護，其對圍 巖的力學效應主要有以下作用: 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:在隧道頂板巖層中大入錨桿,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。減跨作用 組合梁作用:在巖層中大入錨桿，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。 擠壓加固作用（整體加固作用）:預應力錨桿群錨入圍巖后 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 在預應力作用下構成一個均勻

7、的壓縮帶，即承載環(huán)。壓縮帶中 的巖體處于三向應力狀態(tài)，顯著提高圍巖強度。整體加固作用(3) 錨桿的設計與計算錨桿承載力計算裂隙面當塊體危石墜落時，除使錨桿受拉外，還對錨桿產生剪切 作用，如圖所不，根據(jù)靜力平衡及正弦定理有:Q =SI叱N singG sin(pxAr Gsin(-0)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/是錨桿與地質結構面的夾角竹是錨 桿與垂直線夾角。 砂漿錨桿所需錨固長度錨桿直徑d :以抗拉為例,錨桿直徑可用下式計算:d2式中：K是安全系數(shù),可取2 ; Rg是錨桿抗拉強度;N是錨桿 所受拉力；d是錨桿直徑。錨固深度-:根據(jù)錨桿抗拉強

8、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-:d2RLx 1 4Wr其中：d是錨桿直徑，016嫖紋鋼筋；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。實踐中要求犬于30 厘米；錨桿長總度L :jL = L、+ L/3式中：L是錨固深度;L2為不穩(wěn)定巖層厚度；L_3是外露長度 （約小于噴射混凝土厚度）;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。2Pi=krL2b22b ; k安全系數(shù)2-3。支護塊狀圍巖：圍巖塌落總是從危石開始,可能形成連 銚反應。砂漿錨桿的承載力:ps =兀DL C + 6 tan 久）（5）加固裂隙圍巖：若在隧道頂部

9、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:IzilN = T + PsinaF = (T + Psina) tan 0是裂隙面內摩察角,沿裂隙面的下滑力必須滿足的條件:Pcosa P(sin q tan - sin a)2、噴混凝土支護結構噴射召仝仟噴）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，借助壓縮空氣將干混合料通過管 道壓送到噴頭與高壓水混合,以很高的速度噴射到巖壁表面 凝結而成的召仝。它是通過局部穩(wěn)定圍巖和整體穩(wěn)定圍巖起支 護作用。噴射碇的作用充填裂隙加固圍巖； 找平,

10、封閉圍巖表面防止風化； 噴碇與圍巖組成共同承載結構。（2）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必須滿足：Rlu其中：為噴射混凝土抗拉強度（理論上應是抗剪強度，因 抗剪強度較大,計算不安全）；U為危石底面周長,k是安全抗撕裂計算dkGRLuU其中賦最噴層和巖石之間的計算粘結強度。為此，需求出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： = Z3cosM 中 2 隈“*搟彈性系數(shù)；E是混凝土彈性*莫量。當x=0端 點時，有董大值:2P 2.63P 門4 max =

11、 =7I- - Rs俘41(G6/ 3.63 一RLuu e)（3）整體穩(wěn)定原理5噴混凝土層與圍巖體表面緊密粘結、咬合、使洞室表面巖 體形成較平順的整體,依靠結合面處的抗拉、抗壓、抗剪能 力,與巖體密貼組成”組合結構”或”整體結構物”共同工 作。3、錨噴聯(lián)合支護、錨噴聯(lián)合支護修建隧道的基本概念錨桿是深層加固圍巖,噴射混凝土是表層及局部加固圍巖 錨噴支護不單純是一種施工方法,而且是一種指導原則和思路 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、鋼筋網以及鋼支撐等加固,而不宜

12、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。(2)支護與圍巖共同作用的力學原理 錨噴支護結構設計的力學原理：采用的是囲巖體和柔性支護 共同麥形的彈塑性理論。 彈塑性理論的基本概念：基于材料試驗彈塑性曲線 對于圓形隧道，作如下假定：圍巖為均質、各向同性的連續(xù)彈塑性體；初始應力為自重應力場；隧道視為無限體中的孑L洞問題；采用莫爾-庫侖(Mohr-Coulomb)準貝為塑性屈服判據(jù)。2ccos0 2 sin 69 均質圍巖中圓形隧道的彈性解_ 門 RR2= #0（1 ） + % rrr2=皿1+尹)_乙R2 均質圍巖中圓形隧道的塑性

13、解基本方程: 罕-空二=0 sine arr邊界條件:r = r0,crr = p塑性解：2 sin (par = 3 +ccot )()1_s，n/? ccot 2sin0.=(? +CCOt0)( )0( *) CCOt0% 一 sin 0彈性區(qū)與塑性區(qū)邊界上的連續(xù)條件彈性區(qū)引起的應力增量:Rr 巨 r2b； =(Fo _b dur6 =-dr 1-A2圍巖弓I起的徑向應變:6 E g七由以上關系得：讐二-豊（Po-丄or 2Gr彈塑性邊界上的徑向位移:_ /八r力R /八Ur =2G（Po_習=_柿 rR 廠0(Do sin 0 + Ccos0)(1 sin(p)(pG+ccot )冊U

14、n = Ur = I Ir2G?+ccotsin用洞周位移蟻達的圍巖壓力一 CCOt0Pi = (1 _ sin(p)(pQ + c cot (p)rQ(pQ sin + ccos0)1_sin圍巖支護特性曲線（3）錨噴支護結構承載力計算 初期支護（夕卜拱）設計與計算 初選噴層厚度t ,可按照經驗公式:t=O.O17ro,廠。是隧道半徑確定錨桿直徑、長度和間距噴層支護抗力：八器氏co承載環(huán)內巖體的抗力：嚴竺嚴錨桿的抗力:八心篇皿cosa 2Fstrst其它支護提供的抗力 P bsnast總支護抗力:Pi = p： +Pf +： +并 幾曲阻止剪切體滑移的最小抗力 二次支護（內拱）設計與計算=（

15、刃+卩2）/卩1內拱的承載力常是一種安全儲備,安全系數(shù)內拱承載力：必=（K - 1）。K=1.5 2.0內拱厚度:(K l)pbsina（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 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?。┲ёo時機支護方式（2）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30毫米 左右； 一些容許位移量控制標準 CJ我國公路隧道施工技術規(guī)范JTJ042-94規(guī)定容許位移；埋深 圍巖300

16、mIV010030020500.401.20III0150500.401.2008020II0200800.601.601.03.0E31）相對位移值指實測位移值與兩測點距離之比；2）脆性圍巖取小值，塑性圍巖取大值；3）1、V、VI類圍巖可按工程類比選定容許值范圍;4）表中數(shù)據(jù)可在施工中做調整； bE3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硬質巖 /cm塑性地層 /cm10-501225505002610205006121怎白可”氷2040 肛口壬小車IIG等級標準措施=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 15m m或任一測點位移 速度超

17、過15min/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)場調查f召 開現(xiàn)場會議，研究應急措施（5）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/d7.3錨噴支護施工原則實施錨噴支護施工原則,是為了達到技術上可靠和經濟上 合理的目的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、力學特征，盡量爭取一個較

18、好的受力條件。（2）采用控制爆破技術:減少對圍巖的擾動強度（3）減少對圍巖的擾動次數(shù):盡可能采用全斷面一次開挖（4）初期支護及時快速:及時是抑制圍巖變形的有害發(fā)展（5）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，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、使圉巖變形適度發(fā)展,合理利用圉巖自承能力初期支護采用分次施作的方法初期支護必須保證圍巖達到穩(wěn)定狀態(tài),其作用主要是在有控 制的條件下實現(xiàn)卸壓。二次支護主要是提高支護的安全

19、度,其作用主要是限制變形 過量，使圍巖進入德定。（2）調節(jié)支護封底時間，控制圍巖變形 （3）適當延遲支護時間，控制圍巖變形原則上,我們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（1）施工方法和施工措施上保證 （2）列入施工質量檢測項目（噴層與巖石的粘結力、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（1）綜合考慮各種因素確定支護類型（圍巖地質特點、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

20、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、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取:應當以能充分發(fā)揮錨桿的功能作用,并獲 得經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

21、,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（3）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（4）合理選擇和配置鋼筋網和鋼支撐 在下列情況下可考慮配置鋼筋網 在土砂等條件下，噴射混凝土從圍巖表面可能剝落時在破碎軟弱塑性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 在下列場合必須考慮研究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

22、（棚架）、鋼板樁進行超前支護需要支點時為了抑制地表下沉,或者由于壓力大，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,特別是開挖程序、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: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,指導施工和支護效果作出正確地評 價。(1)隧道內目測觀察隧道目測觀察的目的預測開挖面前方的地質條件 為判斷圍巖穩(wěn)定性提供地質依據(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容了解開挖工作面的工程地質，包括地質種類及分布狀態(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