新奥法隧道结构设计隧道工程(5)新奥法锚喷结构设计

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H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GGφ1锚杆φ1ξ1φξ-1φN裂隙面锚杆锚杆裂隙面当块体危石坠落时，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：sinsin1GQsin)sin(1GN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。1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：gRkNd2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：kDRdLg421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。22~161L321LLLLgiRdbLkP422222LkRdbg其中，γ是岩体容重；b锚杆间距，一般L12b；k安全系数2-3。砂浆锚杆的承载力：)tan(1stsscDLP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：sinPTNtan)sin(PTF是裂隙面内摩察角，沿裂隙面的下滑力必须满足的条件：tan)sin(cosPTP)sintan(sinPT2、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：uRkGdL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。LR②抗撕裂计算uRkGdLu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：LuRsxesPqsxcos243476.04KEdbKEIsLuRKEdPsPq43max63.22313463.3EKuRGdLu⑶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。331sin1sin2sin1cos2c④均质围岩中圆形隧道的弹性解22220)1(rRrRpRr22220)1(rRrRpR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：0rdrdrrcot2sincrrirprr,0cot)sin1sin1())(cot(cot))(cot(sin1sin20sin1sin20crrcpcrrcpiir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peprer,cot))(sin1)(cot()sin1(cotcotsin1sin200sin2sin100cRrcppcpcprRii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：220220)()(rRprRpReRer)1(12eerrrrEruσrσrσθ12σRθστrθσrσθσr塑性区弹性区●由以上关系得：●弹塑性边界上的径向位移：2021)(2rpGRruRr)(2)(20202RRRRpGRrdrpGRu●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：cos)sin1(0cpRRaaRurRuuruRrR])()[()(202202sinsin1000]cot)cot)(sin1([2)cossin(cpcpGcprurRuiRa●用洞周位移表达的围岩压力aucot2)cossin()cot)(sin1(sin1sin000cGucprcppai⑨围岩支护特性曲线umaxuruEBPuⅣKcEDPu=f(P1)AσmaxPmaxP0PKP1u0PcPEPminP0Ⅰ原岩压力线刚性支护形变压力区松散压力区Ⅲ柔性支护IV-模注支护0PcPP0PE锚Ⅱ喷初喷Ⅲ锚二次喷P1Ⅰ锚喷支护模注衬砌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：sssibdpsin2bSbSpRnRisin2cos2cos)cos(cos0AiAiqpststststibFpsin2抗力阻止剪切体滑移的最小minpppppiAistisii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121/)(pppK12)1(pKpBbpKt2sin)1(12●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