隧道工程(7)

隧道工程第七章锚喷支护结构的设计与施工 第七章锚喷支护结构的设计与施工7.1概述7.2锚喷支护结构的受力与计算7.3锚喷支护施工原则 7.1概述1、支护结构理论的发展⑴1920年以前的古典压力理论阶段：●特点：作用在支护结构上的压力是其上覆岩层的重量●代表：海姆(A.Haim)、朗肯(W.J.M.Rankine)和金尼克等理论随着开挖深度的增加，人们越来越多的发现，古典压力理论不符合实际情况，于是出现了散体压力理论。⑵1920～1960年代的松散体理论阶段：●特点：当地下工程埋深较大时，作用在支护结构上的压力，不是上覆岩层的重量，而只是围岩坍落拱内的松散岩体的重量。●代表：太沙基(K.Terzaghi)和普氏理论 ⑶60年代后发展期来的现代支护理论阶段：●特点：围岩和支护结构共同组成了承载的支护体系，其中围岩是主要的承载结构，而支护结构是辅助性的，但也不可缺少。●代表：新奥法理论是其典型代表。2、现代支护理论与设计要点⑴现代支护理论①一切方法、手段和措施都围绕围岩稳定为目的；②支护与围岩视作统一的复合体，支护合围岩共同作用；③在复合体中，围岩是承载主体，最大限度的发挥围岩的自承能力，同时也要发挥支护结构的承载能力；④凭借现场试验和监测手段，划定围岩级别，获得力学参数，指导设计施工； ⑤对不同的地质条件，力学特征的围岩，灵活采用不同支护方式，力学计算模型。如荷载-结构模型、经验类比模型等；⑵基本要求①支护必须与周围岩体大面积的牢固接触，即保证支护-围岩作为一个统一的支护体系而共同工作；②重视初期支护的作用，并使初期支护与二次支护相互配合，协调一致的工作；③要允许围岩及支护结构产生有限的变形，以允许发挥围岩的承载作用而减少支护结构的受力。为此要求对支护结构的刚度、构造给予充分的注意；④必须保证支护结构及时施作。如支护施作过晚，会使围岩暴露时间过长，产生过渡的位移而濒临破坏，所以应在坑道围岩达到极限平衡之前发挥其承载作用； ⑤支护结构要根据坑道围岩的实际动态，及时进行调整和修改，以适应不断变化的围岩状态；3、锚喷支护与传统支护的区别⑴对围岩和围岩压力的认识上：●传统支护理论：围岩压力由洞室塌落的围岩“松散压力”造成的;●锚喷支护理论：围岩具有自承能力，围岩作用在支护上的压力不是松散压力，而是阻止围岩变形的形变压力。⑵在围岩和支护间的相互关系上：●传统支护理论：将围岩与支护分开考虑，视为“荷载-结构”体系●锚喷支护理论：将围岩和支护视为统一体，二者组成“围岩-支护”体系共同参与工作。 ⑶在支护功能和作用原理上：●传统支护理论：支护只是为了承受荷载；●锚喷支护理论：支护是为了及时稳定和加固围岩。⑷在设计计算方法上：●传统支护理论：主要是确定作用在支护上的荷载；●锚喷支护理论：设计的作用荷载是岩体的地应力，围岩和支护共同承载；⑸在支护形式和工艺上●传统支护理论：模注混凝土；●锚喷支护理论：施工方法简单，灵活，不需模板，无需回填，在围岩松动之前能及时加固围岩。 4、锚喷支护的特点(主要在机理和工艺上)⑴及时性：喷射砼，如早强，能迅速给围岩提供支护抗力⑵粘贴性：喷射砼与围岩能全面密贴粘结，粘结力一般可达70kg/cm3；粘结有三种作用：①连锁作用；②复合作用；③增强作用(填充凹隙穴)⑶柔性：容易调节围岩变形，可控制围岩塑性变形适度发展，发挥自承能力；⑷深入性：锚杆可深入围岩一定深度加固围岩，形成承载圈⑸灵活性：支护类型、参数、数量可灵活调整。⑹封闭性：可阻止水对围岩的侵蚀而引起风化等。 7.2锚喷支护结构的受力与计算1、锚杆支护结构⑴锚杆类型①全长粘结型②端头锚固型全长粘结型端头锚固型 ③摩察型④预应力型⑵锚杆的力学作用锚杆是利用围岩自身强度来支护围岩，属于内部支护，其对围岩的力学效应主要有以下作用：①悬吊作用：将不稳定岩层悬吊在坚固岩层上，阻止围岩移动滑落。 ②减跨作用：在隧道顶板岩层中大入锚杆，相当于在顶板上增加了支点，使隧道跨度减小，从而使顶板岩体应力减小。③组合梁作用：在岩层中大入锚杆，将若干薄弱岩层锚固在一起，类似将叠合的板梁变成组合梁，提高岩层的承载力。减跨作用组合梁作用 ④挤压加固作用（整体加固作用）：预应力锚杆群锚入围岩后，其两端附近岩体形成圆锥形压缩区，按照一定间距排列的锚杆在预应力作用下构成一个均匀的压缩带，即承载环。压缩带中的岩体处于三向应力状态，显著提高围岩强度。整体加固作用 ⑶锚杆的设计与计算①锚杆承载力计算当块体危石坠落时，除使锚杆受拉外，还对锚杆产生剪切作用，如图所示，根据静力平衡及正弦定理有：式中：N是锚杆所受拉力；Q是锚杆所受剪力；G是危石重量或一根锚杆承担的岩石重量；是锚杆与地质结构面的夹角；是锚杆与垂直线夹角。 ②砂浆锚杆所需锚固长度●锚杆直径d：以抗拉为例，锚杆直径可用下式计算：式中：K是安全系数，可取2；Rg是锚杆抗拉强度；N是锚杆所受拉力；d是锚杆直径。●锚固深度L1：根据锚杆抗拉强度与砂浆粘结力相等的等强度原则，可确定锚杆的锚固深度L1： 其中：d是锚杆直径，螺纹钢筋；D是钻孔直径；k安全系数，3-5；是砂浆与岩孔之间的抗剪强度。实践中要求大于30厘米；●锚杆长总度L：式中：L1是锚固深度；L2为不稳定岩层厚度；L3是外露长度（约小于喷射混凝土厚度）；⑶锚杆间距的确定：若等间距布置，每根锚杆所负担的岩体重量即为所受荷载。其中，γ是岩体容重；b锚杆间距，一般L1>2b；k安全系数2-3。 砂浆锚杆的承载力：⑸加固裂隙围岩：若在隧道顶部出现裂隙，为防止进一步扩展危及顶部岩体稳定，可采用预应力锚杆加固。⑷支护块状围岩：围岩塌落总是从危石开始，可能形成连锁反应。 假设裂隙受到预加力T和水平方向压力P，则裂隙法向力和抗滑力分别为：是裂隙面内摩察角，沿裂隙面的下滑力必须满足的条件： 2、喷混凝土支护结构喷射砼(干喷)是将水泥、砂子、石子、速凝剂按一定的比例均匀的搅拌后送入喷射机，借助压缩空气将干混合料通过管道压送到喷头与高压水混合，以很高的速度喷射到岩壁表面凝结而成的砼。它是通过局部稳定围岩和整体稳定围岩起支护作用。⑴喷射砼的作用①充填裂隙加固围岩；②找平，封闭围岩表面防止风化；③喷砼与围岩组成共同承载结构。 ⑵局部稳定原理危石除用锚杆支护外，也可用喷射混凝土层支护。在危石重力作用下混凝土喷层可能出现冲切破坏和撕裂破坏。①抗冲切计算喷层厚度必须满足：其中：为喷射混凝土抗拉强度（理论上应是抗剪强度，因抗剪强度较大，计算不安全）；u为危石底面周长，k是安全系数3～5。 ②抗撕裂计算其中：是喷层和岩石之间的计算粘结强度。为此，需求出危石自重作用下在喷层与岩石之间的拉应力q的大小，利用弹性半地基上的半无限长梁公式：；其中；K岩体弹性系数；E是混凝土弹性模量。当x=0端点时，有最大值： ⑶整体稳定原理喷混凝土层与围岩体表面紧密粘结、咬合、使洞室表面岩体形成较平顺的整体，依靠结合面处的抗拉、抗压、抗剪能力，与岩体密贴组成“组合结构”或“整体结构物”共同工作。 3、锚喷联合支护⑴、锚喷联合支护修建隧道的基本概念锚杆是深层加固围岩，喷射混凝土是表层及局部加固围岩锚喷支护不单纯是一种施工方法，而且是一种指导原则和思路●围岩是隧道稳定的基本部分，尽量维护围岩体的强度特性●支护结构要薄而具有柔性，并与围岩密贴，使因产生弯矩而破坏的可能性达到最小，当需要增加支护衬砌强度时，宜采用锚杆、钢筋网以及钢支撑等加固，而不宜大幅度增加喷层或衬砌厚度。●设计施工中要正确估计围岩特性及其随时间的变化，以便采取最合适的支护措施和支护时间。 ⑵支护与围岩共同作用的力学原理①锚喷支护结构设计的力学原理：采用的是围岩体和柔性支护共同变形的弹塑性理论。②弹塑性理论的基本概念：基于材料试验弹塑性曲线③对于圆形隧道，作如下假定：●围岩为均质、各向同性的连续弹塑性体；●初始应力为自重应力场；●隧道视为无限体中的孔洞问题；●采用莫尔-库仑(Mohr-Coulomb)准则为塑性屈服判据。 ④均质围岩中圆形隧道的弹性解⑤均质围岩中圆形隧道的塑性解●基本方程：●边界条件：●塑性解： ⑥弹性区与塑性区边界上的连续条件当r=R时，⑦塑性区半径与支护抗力的关系⑧由洞周位移计算围岩压力●弹性区引起的应力增量：●围岩引起的径向应变： ●由以上关系得：●弹塑性边界上的径向位移：●据弹性区应力和摩尔库仑关系得：●变形过程中假设塑性区体积不变：●用洞周位移表达的围岩压力 ⑨围岩支护特性曲线 ⑶锚喷支护结构承载力计算①初期支护（外拱）设计与计算●初选喷层厚度t，可按照经验公式：t=0.017r0，r0是隧道半径●确定锚杆直径、长度和间距●喷层支护抗力：●承载环内岩体的抗力：●锚杆的抗力：●其它支护提供的抗力：●总支护抗力： ②二次支护（内拱）设计与计算●内拱的承载力常是一种安全储备，安全系数●内拱承载力：K=1.5~2.0●内拱厚度：(4)隧道围岩位移量的容许值①影响隧道周边最终位移量的因素●岩体的物理力学性质●原始地应力大小●开挖方式（全断面开挖小）●掘进速度（速度越快位移越小）●支护时机 ●支护方式②隧道周边容许位移量的确定原则●城市地下隧道的下沉量尽量小，一般不能超过5~10毫米；●浅埋山岭隧道容许位移量可以大些，一般小于30毫米；●深埋隧道洞周的位移不致引起有害松动为原则，一般30毫米左右； 埋深围岩<50m50~300m>300mIV0.10~0.300.2~0.500.40~1.20III0.15~0.500.40~1.200.80~2.0II0.20~0.800.60~1.601.0~3.0相对位移值指实测位移值与两测点距离之比；脆性围岩取小值，塑性围岩取大值；I、V、VI类围岩可按工程类比选定容许值范围；表中数据可在施工中做调整；③一些容许位移量控制标准●我国《公路隧道施工技术规范》JTJ042-94规定容许位移； ●法国工业部规定地下工程拱顶处围岩最大容许位移量隧道埋深/m硬质岩/cm塑性地层/cm10~501~22~550~5002~610~20>5006~1220~40●国外隧道工程师根据现场量测数据大小制定的危险警戒标准等级标准措施三级警戒任一点位移大于10mm报告管理人员二级警戒两相邻测点位移均大于15mm或任一测点位移速度超过15mm/月口头报告，召开会议，写书面报告及建议一级警戒位移大于15mm，且多处测点位移均在加速主管工程师立即现场调查，召开现场会议，研究应急措施 ⑸二次衬砌支护时间选择原则●各测试项目的位移速率明显收敛，围岩基本稳定；●已产生的各项位移已达预计总位移量的80%~90%；●周边位移速率小于0.1~0.2mm/d，或拱顶下沉速率小于0.07~0.15mm/d 7.3锚喷支护施工原则实施锚喷支护施工原则，是为了达到技术上可靠和经济上合理的目的1、采取各种措施，确保围岩不出现有害松动⑴洞形及侧压系数的选择问题，即在洞室的布置和造型上应适应原岩应力状态和岩体的地质、力学特征，尽量争取一个较好的受力条件。⑵采用控制爆破技术：减少对围岩的扰动强度⑶减少对围岩的扰动次数：尽可能采用全断面一次开挖⑷初期支护及时快速：及时是抑制围岩变形的有害发展⑸合理利用开挖面空间效应抑制围岩变形 ●开挖面的“空间效应”，是指洞室在掘进过程中，由于受到开挖面的约束，使开挖面附近的围岩不能立即释放其全部位移，这种现象称为开挖面的“空间效应”⑹尽量减少其他外界因素（水、潮）对围岩的影响：对有地下水的裂隙岩体，要防止大的渗透压力2、使围岩变形适度发展，合理利用围岩自承能力⑴初期支护采用分次施作的方法●初期支护必须保证围岩达到稳定状态，其作用主要是在有控制的条件下实现“卸压”。●二次支护主要是提高支护的安全度，其作用主要是限制变形过量，使围岩进入稳定。 ⑵调节支护封底时间，控制围岩变形⑶适当延迟支护时间，控制围岩变形原则上，我们可以通过延迟支护时间来控制围岩变形，不过这个时机很难掌握，因此，常常不宜采取这种方法。3、保证锚喷支护与围岩形成共同体⑴施工方法和施工措施上保证⑵列入施工质量检测项目(喷层与岩石的粘结力、锚杆的锚固力)4、选择合理支护类型和参数，并充分发挥其功效⑴综合考虑各种因素确定支护类型(围岩地质特点、工程断面大小和使用条件要求等)●一般情况下，应优先考虑选用喷混凝土支护或锚喷联合支护 ●坚硬裂隙岩体中的大断面隧道：通常在长锚杆之间还要加设短锚杆以支承其间的岩体●破碎软弱岩体：通常要早支护、早封闭，设仰拱、加强支护。一般采用锚喷网联合支护●塑性流变岩体：支护施作宜“先柔后刚”，设置仰拱，形成全封闭环⑵选择合理的锚杆类型与参数，在围岩中有效形成承载圈锚杆支护设计主要根据围岩地质、工程断面和使用条件等选定锚杆类型，确定锚杆直径、长度、数量、间距和布置方式。●锚杆间距的选定：除考虑岩体稳定条件外，一般应能充分发挥喷层作用和施工方便，即通过锚杆数量的变化使喷层始终具有有利厚度 ●锚杆长度的选取：应当以能充分发挥锚杆的功能作用，并获得经济合理的锚固效果为原则●锚杆的布置：应当采用重点（局部）布置与整体（系统）布置相结合●锚杆的方向：应与岩体主结构面成较大角度，这样则能穿过更多的结构面，有利于提高结构面上的抗剪强度，使锚杆间的岩块相互咬合⑶合理选择喷层厚度，充分发挥喷层与围岩自身承载力●合理喷层厚度（刚度）：既能使围岩稳定又容许围岩有一定的塑性位移，实现卸压；经验表明合理初始喷层厚度在5~15厘米间；●喷层太厚和太薄都是不合理的 ⑷合理选择和配置钢筋网和钢支撑①在下列情况下可考虑配置钢筋网●在土砂等条件下，喷射混凝土从围岩表面可能剥落时●在破碎软弱塑性流变岩体和膨胀性岩体条件下，喷层可能破坏剥落时，或需要提高喷混凝土抗剪强度时●地震区或有震动影响的隧道②在下列场合必须考虑研究使用钢支撑●喷射混凝土或锚杆发挥支护作用前，需要使隧道岩面稳定时●用钢管（棚架）、钢板桩进行超前支护需要支点时●为了抑制地表下沉，或者由于压力大，需要提高初期支护的强度或刚性时 5、合理安排施工程序施工方法的正确性和合理性对锚喷支护的成败和效果有重大影响，特别是开挖程序、掘进进尺、支护和闭合时机等至关重要⑴开挖台阶数●围岩较好：尽量采用全断面开挖法，减少对围岩的扰动次数●破碎围岩：分部开挖，减少对围岩扰动的强度⑵支护次数6、依据现场监测数据指导施工由于锚喷支护理论目前还不成熟，故需依靠现场监控量测来掌握围岩动态、修正设计，指导施工和支护效果作出正确地评价。 ⑴隧道内目测观察①隧道目测观察的目的●预测开挖面前方的地质条件●为判断围岩稳定性提供地质依据●根据喷层表面状态及锚杆工作状态分析支护结构可靠度②隧道目测观察的主要内容●了解开挖工作面的工程地质，包括地质种类及分布状态，岩石颜色、成分、结构等，节理状况，断层特征等●水文地质条件：地下水类型，涌水量大小，涌水位置，涌水压力，水的化学成分等●绘制开挖工作面的素描剖面图 ●开挖支护后的观察：初期支护的裂缝状况，锚杆端头情况，钢拱架是否被压曲，是否有底鼓现象③隧道目测观察中围岩破坏形态分析●危险性不大的破坏：构筑仰拱后在拱肩部出现的剪切破坏一般进展缓慢，危险性不大●危险性较大的破坏：在未构筑仰拱前拱顶混凝土因受弯曲压缩而产生的裂隙常常进展急剧，伴随有碎片飞散，危险性较大●塌方征兆的破坏：拱顶喷层出现对称的向下滑落的剪切破坏现象，或侧墙发生向内侧滑动的剪切破坏并伴随有底鼓现象，都会引起塌方事故的破坏形态⑵隧道收敛量测 ●净空相对位移测试（收敛测试）：洞壁上两点两次测量的位移差●测试频率：根据位移速度和离工作面的距离确定位移速度距开挖面距离量测频率10mm/d以上0—1B1—2次/日10mm—5mm/d1—2B1次/日5mm—1mm/d2—5B1次/2日1mm/d以下5B以上1次/周●拱顶下沉量测：测量方法，可采用水平仪计、挠度计等●围岩内部位移量测：通常采用钻孔伸长计或位移计，它由锚固、传递、孔口装置、测试仪器等组成 ⑶地表下沉量测用水平仪在地表进行。量测范围的确定和不动点选取，量测频率：距开挖面距离<2D时，1-2次/天；2D-5D时，1次/天，大于5D时，1次/周⑷位移反分析，指导施工●根据量测位移反分析围岩应力重分布情况●反分析围岩力学参数●反分析围岩原始地应力●根据反分析结果指导施工 总结：新奥法的原则核心为：保护围岩，调动和发展围岩的自承能力保护围岩及时封闭围岩及时支护围岩选择合理的断面形式选择合理的施工方法选择合理的支护形式光面爆破阻止围岩围岩裂化改变围岩的应力条件，限制围岩有害变形改善结构的应力状态，使受力均匀减少对围岩的扰动和破坏由围岩的物理力学性质决定减少集中及对围岩的扰动调动和发展围岩的自承能力选择合理的支护形式与围岩密贴，形成共同的承载体采用柔性支护适时支护允许围岩适度变形①分层喷射砼；②设置纵向变形缝；③先柔后刚；④选择合理的支护刚度①根据围岩性质，选择合理的预留变形缝；②依据现场监控量测数据，确定合理的支护时间；③调整支护结构的封底时间。 本章学习思考题1、什么是锚喷支护结构？2、锚喷支护的工艺和受力机理有何特点？3、什么是锚喷支护的联结作用、组合作用和整体加固作用？4、什么是喷射混凝土支护的局部稳定原理和整体稳定原理？5、锚杆的力学作用有哪些？6、如何确定锚杆长度和锚杆间距？7、支护块状危岩的锚杆轴力和剪力如何计算？8、锚喷支护结构设计的力学原理是什么？9、什么是隧道围岩支护特性曲线？它有何特点？10、绘出围岩支护特性曲线，并注明锚喷支护区和柔性支护区。11、影响隧道周边最终位移量的因素有哪些？12、二次衬砌支护时间选择的原则是什么？13、锚喷支护施工的原则有哪些？14、什么是隧道的开挖面空间效应？