錨噴支護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與施工

1、第7章 錨噴支護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與施工7.1 概述噴射混凝土是利用高壓空氣將摻有速凝劑的混凝土混合料通過混凝土噴射機(jī)與高壓水混合噴射到巖面上迅速凝結(jié)而成的，錨噴支護(hù)是噴射混凝土、錨桿、鋼筋網(wǎng)噴射混凝土等結(jié)構(gòu)組合起來的支護(hù)形式，可以根據(jù)不同圍巖的穩(wěn)定狀況，采用錨噴支護(hù)中的一種或幾種結(jié)構(gòu)的組合。工程實(shí)踐證明，錨噴支護(hù)較傳統(tǒng)的現(xiàn)澆混凝土襯砌支護(hù)優(yōu)越。由于錨噴結(jié)構(gòu)能及時(shí)支護(hù)和有效地控制圍巖的變形，防止巖塊墜落和坍塌的產(chǎn)生，充分發(fā)揮圍巖的自承能力，所以錨噴支護(hù)結(jié)構(gòu)比模注混凝土襯砌的受力更為合理。錨噴支護(hù)能大量節(jié)省混凝土、木材和勞動力，加快施工進(jìn)度，工程造價(jià)可大幅度降低，并有利于施工機(jī)械化程度的改進(jìn)和勞動條件的

2、改善等。此外，錨噴支護(hù)是一種符合巖體加固原理的積極支護(hù)方法，加固體具有良好的物理力學(xué)性能。即它能及時(shí)地支護(hù)和加固圍巖，與圍巖密貼并封閉巖體的張性裂隙和節(jié)理，加固圍巖結(jié)構(gòu)面，有效地發(fā)揮和利用巖塊間的鑲嵌咬合和自鎖作用，從而提高巖體自身的強(qiáng)度、自承能力和整體性。由于錨噴支護(hù)結(jié)構(gòu)柔性好，它能同圍巖共同變形，構(gòu)成一個(gè)共同工作的承載體系。在變形過程中，它能調(diào)整圍巖應(yīng)力，抑制圍巖變形的發(fā)展，避免巖體坍塌的產(chǎn)生，防止過大的松散壓力出現(xiàn)。錨噴支護(hù)技術(shù)不再把圍巖僅僅視作荷載（松散壓力），同時(shí)還把它視為承載結(jié)構(gòu)的組成部分。錨噴支護(hù)應(yīng)配合光面爆破等控制爆破技術(shù)，使開挖斷面輪廓平整、準(zhǔn)確，便于錨噴成型，并減少回彈量；

3、減輕爆破對圍巖的松動破壞，維護(hù)圍巖強(qiáng)度和自承能力，使其受力良好。目前，錨噴支護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和施工，已積累了不少經(jīng)驗(yàn)。錨噴支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和施工除了計(jì)算之外，還依賴于“經(jīng)驗(yàn)類比”。還有很多需要進(jìn)一步研究的問題，例如支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論、支護(hù)形式和時(shí)間的合理確定、施工控制、低溫下噴混凝土的成型等問題。此外，錨噴支護(hù)的使用也是有一定條件的，在圍巖的自承能力差、有涌水及大面積淋水處、地層松軟處就很難成型。本章將扼要介紹地層中錨噴支護(hù)的原理、結(jié)構(gòu)計(jì)算和施工。7.2錨噴支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力與計(jì)算一、錨桿支護(hù)結(jié)構(gòu)什么叫錨桿？錨桿的作用和意義？1、 錨桿類型（1） 全長粘結(jié)型（2） 端頭錨固型（3） 摩察型（4） 預(yù)應(yīng)力型2

4、、 錨桿的力學(xué)作用錨桿對圍巖所起的力學(xué)效應(yīng)主要有以下作用：（1） 吊懸作用：將不穩(wěn)定巖層懸吊在堅(jiān)固巖層上，阻止圍巖移動滑落。（2） 減跨作用：在隧道頂板巖層中大入錨桿，相當(dāng)于在頂板上增加了支點(diǎn)，使隧道跨度減小，從而使頂板巖體應(yīng)力減小。（3） 組合作用：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。（4） 擠壓加固作用（整體加固作用）：預(yù)應(yīng)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(yù)應(yīng)力作用下構(gòu)成一個(gè)均勻的壓縮帶，即承載環(huán)。壓縮帶中的巖體處于三向應(yīng)力狀態(tài)，顯著提高圍巖強(qiáng)度。3、 錨桿的設(shè)計(jì)與計(jì)算（1） 錨桿長度的確定：

5、錨桿總長度是錨固深度；為不穩(wěn)定巖層厚度；是外露長度（約小于噴射混凝土厚度）；根據(jù)錨桿抗拉強(qiáng)度與砂漿粘結(jié)力相等的等強(qiáng)度原則，可確定錨桿的錨固深度 （）其中：d是錨桿直徑，螺紋鋼筋；D是鉆孔直徑；k安全系數(shù)，35；是砂漿與巖孔之間的抗剪強(qiáng)度。實(shí)踐中要求大于30厘米；（2）錨桿間距的確定：若等間距布置，每根錨桿所負(fù)擔(dān)的巖體重量即為所受荷載。其中，是巖體容重；錨桿間距，一般>2；k安全系數(shù)，23。（3） 支護(hù)塊狀圍巖：圍巖塌落總是從危石開始，可能形成連鎖反應(yīng)。利用正弦定理：； 由此可確定錨桿直徑： （）砂漿錨桿的承載力：（4） 加固裂隙圍巖：若在隧道頂部出現(xiàn)裂隙，為防止進(jìn)一步擴(kuò)展危及頂部巖體穩(wěn)定

6、，可采用預(yù)應(yīng)力錨桿加固。假設(shè)裂隙受到預(yù)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：； 二、噴混凝土支護(hù)結(jié)構(gòu)噴射混凝土結(jié)構(gòu)通過局部穩(wěn)定圍巖和整體穩(wěn)定圍巖起支護(hù)作用。1、 局部穩(wěn)定原理危石除用錨桿支護(hù)外，也可用噴射混凝土層支護(hù)。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。（1） 抗沖切計(jì)算噴層厚度必須滿足： （）其中：為噴射混凝土抗拉強(qiáng)度（理論上應(yīng)是抗剪強(qiáng)度，因抗剪強(qiáng)度較大，計(jì)算不安全）；u為危石底面周長，k是安全系數(shù)35。（2） 抗撕裂計(jì)算 （）其中：是噴層和巖石之間的計(jì)算粘結(jié)強(qiáng)度。為此，需求出危石自重作用下在噴層與巖石之間

7、的拉應(yīng)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(dāng)x=0端點(diǎn)時(shí)，有最大值：2、 整體穩(wěn)定原理三、錨噴聯(lián)合支護(hù)1、 錨噴聯(lián)合支護(hù)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（1） 圍巖是隧道穩(wěn)定的基本部分，盡量維護(hù)圍巖體的強(qiáng)度特性l 愛護(hù)圍巖，如何維護(hù)？l 開挖后用錨噴支護(hù)維護(hù)（2） 保證初期支護(hù)具有柔性，并與圍巖密貼l 為什么要使初期支護(hù)具有柔性？允許圍巖適當(dāng)變形，釋放地應(yīng)力（3） 設(shè)計(jì)和施工中要正確估計(jì)圍巖特性及其隨時(shí)間的變化l 如何判別圍巖特性？各種方法探測與判別l 圍巖變形為什么會隨時(shí)間變化？流變特性2、 支護(hù)

8、與圍巖共同作用的力學(xué)原理 （1） 錨噴支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的力學(xué)原理 共同作用的彈塑性理論（2） 彈塑性理論的基本概念 基于材料試驗(yàn)彈塑性曲線（3） 均質(zhì)圍巖中圓形隧道的彈性解（4） 均質(zhì)圍巖中圓形隧道的塑性解l 基本方程：，l 邊界條件：l 塑性解：（5） 彈性區(qū)與塑性區(qū)邊界上的連續(xù)條件當(dāng)r=R時(shí)，（6） 塑性區(qū)半徑與支護(hù)抗力的關(guān)系 這是支護(hù)抗力與圍巖塑性區(qū)半徑的關(guān)系（7） 由洞周位移計(jì)算圍巖壓力l 彈性區(qū)引起的應(yīng)力增量：l 圍巖引起的徑向應(yīng)變： l 由以上關(guān)系得：l 彈塑性邊界上的徑向位移：l 據(jù)彈性區(qū)應(yīng)力和摩爾庫侖關(guān)系得：l 變形過程中假設(shè)塑性區(qū)體積不變：ll 用洞周位移表達(dá)的圍巖壓力l 例題：

9、在初始地應(yīng)力場為40Mpa的巖體中開挖一直徑為10米的圓形隧道，已知巖體抗剪強(qiáng)度指標(biāo)，巖體剪切模量G=5000Mpa，試求：1）洞周最大位移；2）不出現(xiàn)塑性區(qū)的圍巖壓力；3）允許洞周位移3厘米時(shí)的圍巖壓力。（8） 圍巖支護(hù)特性曲線3、 錨噴支護(hù)結(jié)構(gòu)承載力計(jì)算（1） 初期支護(hù)（外拱）設(shè)計(jì)與計(jì)算l 初選噴層厚度t，可按照經(jīng)驗(yàn)公式：t=0.017r0， r0，是隧道半徑；l 確定錨桿直徑、長度和間距l(xiāng) 噴層支護(hù)抗力：l 承載環(huán)內(nèi)巖體的抗力： l 錨桿的抗力：l 其它支護(hù)提供的抗力：l 總支護(hù)抗力：（2） 二次支護(hù)（內(nèi)拱）設(shè)計(jì)與計(jì)算l 內(nèi)拱的承載力常是一種安全儲備，安全系數(shù)l 內(nèi)拱承載力：，K=1.5

10、2.0l 內(nèi)拱厚度：4、隧道圍巖位移量的容許值（1） 影響隧道周邊最終位移量的因素l 巖體的物理力學(xué)性質(zhì)l 原始地應(yīng)力大小l 開挖方式（全斷面開挖?。﹍ 掘進(jìn)速度（速度越快位移越小）l 支護(hù)時(shí)機(jī)l 支護(hù)方式（2） 隧道周邊容許位移量的確定原則l 城市地下隧道的下沉量盡量小，一般不能超過510毫米；l 淺埋山嶺隧道容許位移量可以大些，一般小于30毫米；l 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；（3） 一些容許位移量控制標(biāo)準(zhǔn)l 我國公路隧道施工技術(shù)規(guī)范JTJ042-94規(guī)定容許位移； 埋深圍巖<50m50300m>300mIV0.100.300.20.500.40

11、1.20III0.150.500.401.200.802.0II0.200.800.601.601.03.01) 相對位移值指實(shí)測位移值與兩測點(diǎn)距離之比；2) 脆性圍巖取小值，塑性圍巖取大值；3) I、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(diào)整；l 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/cm1050122550500261020>5006122040l 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(xiǎn)警戒標(biāo)準(zhǔn)等級標(biāo) 準(zhǔn)措施三級警戒任一點(diǎn)位移大于10mm報(bào)告管理人員二級警戒兩相鄰測點(diǎn)位移均大于15mm或任一測點(diǎn)位移速度超

12、過15mm/月口頭報(bào)告，召開會議，寫書面報(bào)告及建議一級警戒位移大于15mm，且多處測點(diǎn)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(yīng)急措施例題：某隧道埋深大于100米，在III類圍巖（灰?guī)r）中掘進(jìn)，斷面直徑為12米，則容許位移為u/D=0.4%，u=4.8cm; 若為塑性圍巖，則u=14.4cm5、二次襯砌支護(hù)時(shí)間選擇原則（1） 各測試項(xiàng)目的位移速率明顯收斂，圍巖基本穩(wěn)定；（2） 已產(chǎn)生的各項(xiàng)位移已達(dá)預(yù)計(jì)總位移量的80%90%；（3） 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(hù)施工原則1、采取各種措施確保圍巖不出現(xiàn)有害松動（1）

13、 洞形及側(cè)壓系數(shù)的選擇問題根據(jù)彈性力學(xué)解的結(jié)果：u 是一個(gè)重要參數(shù)，小于0.2，在拱頂出現(xiàn)拉應(yīng)力；u 跨高比很小的洞形，圍巖受力不利；u 橢圓形隧道周邊切向應(yīng)力 K為短軸與長軸之比。u 最佳隧道形狀a、問題的提出：保證圍巖最穩(wěn)定，襯砌受力最有利，開挖量最少。b、尋找最小應(yīng)力集中的洞形：使圍巖最大應(yīng)力集中系數(shù)降到最小。c、d、洞頂不出現(xiàn)拉應(yīng)力的條件：當(dāng)e、洞壁兩側(cè)不出現(xiàn)拉應(yīng)力的條件：當(dāng)（2） 采用控制爆破技術(shù)：減少對圍巖的擾動強(qiáng)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(hù)及時(shí)快速：及時(shí)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(yīng)抑制圍巖變形： 什么是開挖面空

14、間效應(yīng)？由于開挖面的約束開挖面附近不能釋放全部位移。如果在空間效應(yīng)范圍內(nèi)支護(hù)就可以圍巖有害變形。（6） 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，最大限度發(fā)揮圍巖自承能力（1） 初期支護(hù)采用分次施作的方法；（2） 調(diào)節(jié)支護(hù)封底時(shí)間，控制圍巖變形；（3） 適當(dāng)延遲支護(hù)時(shí)間，控制圍巖變形；3、保證錨噴支護(hù)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(zhì)量檢測項(xiàng)目；4、選擇合理支護(hù)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(hù)類型；（2） 合理選擇錨桿類型和參數(shù)，在圍巖中有效形成承載圈（3） 合理選

15、擇噴層厚度，充分發(fā)揮噴層與圍巖自身承載力l 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(shí)現(xiàn)卸壓；經(jīng)驗(yàn)表明合理初始噴層厚度在515厘米間；l 噴層太厚和太薄都是不合理的（4） 合理選擇和配置鋼筋網(wǎng)和鋼支撐l 在什么情況下需要采用鋼筋網(wǎng)？：土砂等條件下；在破碎軟弱塑性流變及膨脹性圍巖條件下；地震區(qū)或有振動影響的隧道。l 在什么情況下需要采用鋼支撐？在作錨噴支護(hù)前需要隧道巖面穩(wěn)定時(shí)；用鋼管鋼板樁進(jìn)行超前支護(hù)需要支點(diǎn)時(shí)；為了抑制地表下沉，需要提高初期支護(hù)強(qiáng)度或剛性時(shí)。5、合理安排施工程序（1） 開挖臺階數(shù)（2） 支護(hù)次數(shù)6、依據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)指導(dǎo)施工（1） 隧道內(nèi)目測觀察l 隧道目

16、測觀察的目的是什么？Ø 預(yù)測開挖面前方的地質(zhì)條件；Ø 為判斷圍巖穩(wěn)定性提供地質(zhì)依據(jù)；Ø 根據(jù)噴層表面狀態(tài)及錨桿工作狀態(tài)分析支護(hù)結(jié)構(gòu)可靠度；l 隧道目測觀察的主要內(nèi)容？Ø 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(jié)構(gòu)等，節(jié)理狀況，斷層特征等Ø 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(xué)成分等；Ø 繪制開挖工作面的素描剖面圖：間距根據(jù)情況而定，一般II類圍巖間距為10米，III類圍巖20米，IV 類圍巖40米，V類圍巖50100米；要求現(xiàn)場繪出草圖，室內(nèi)繪出正規(guī)圖件裝訂成冊；Ø

17、開挖支護(hù)后的觀察：初期支護(hù)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。l 隧道目測觀察中圍巖破壞形態(tài)分析Ø 危險(xiǎn)性不大的破壞：構(gòu)筑仰拱后在拱肩部出現(xiàn)的剪切破壞一般進(jìn)展緩慢，危險(xiǎn)性不大；Ø 危險(xiǎn)性較大的破壞：在未構(gòu)筑仰拱前拱頂混凝土因受彎曲壓縮而產(chǎn)生的裂隙常常進(jìn)展急劇，伴隨有碎片飛散，危險(xiǎn)性較大；Ø 塌方征兆的破壞：拱頂噴層出現(xiàn)對稱的向下滑落的剪切破壞現(xiàn)象，或側(cè)墻發(fā)生向內(nèi)側(cè)滑動的剪切破壞并伴隨有底鼓現(xiàn)象，都會引起塌方事故的破壞形態(tài)。（2） 隧道收斂量測Ø 凈空相對位移測試（收斂測試）：洞壁上兩點(diǎn)兩次測量的位移差；Ø 測試頻率：根據(jù)位移速度和離工作面的距離確定位移速度距開挖面距離量測頻率10mm/d以上01B12次/日10mm5mm/d12B1次/日5mm1mm/d25B1次/2日1m