隧道0锚喷支护结构的设计与施工

本章学习的目的：（1）深入理解新奥法施工的理念；（2）掌握锚喷联合支护及围岩与支护共同作用的力学原理；（3）掌握锚喷支护施工原则及要点。第7章锚喷支护结构的设计与施工原则7.1概述7.2锚喷支护结构的受力与计算7.3锚喷支护结构的施工原则7.1概述1、支护结构理论的发展2、现代支护理论与设计要点3、锚喷支护与传统支护的区别4、锚喷支护的特点1、支护结构理论的发展1、支护结构理论的发展⑴1920年以前的古典压力理论阶段H●特点：作用在支护结构上的压力是其上覆岩层的重量●代表：Haim、Rankine和金尼克理论随着开挖深度的增加，人们发现，古典压力理论不符合实际情况。⑵1920～1960年代的松散体理论阶段●特点：当埋深较大时，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。⑵1920～1960年代的松散体理论阶段●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结构●特点：围岩和支护结构共同组成了承载的支护体系，其中围岩是承载主体，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。7.1概述1、支护结构理论的发展2、现代支护理论与设计要点3、锚喷支护与传统支护的区别4、锚喷支护的特点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，支护和围岩共同作用；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和相应的力学计算模型。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；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，以发挥围岩承载作用而减少支护结构的受力。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；⑤支护结构要根据隧道围岩的实际动态，及时进行调整和修改，以适应不断变化的围岩状态；7.1概述1、支护结构理论的发展2、现代支护理论与设计要点3、锚喷支护与传统支护的区别4、锚喷支护的特点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;●现代支护理论：围岩具有自承能力，围岩作用于支护的压力不是松散压力，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；荷载－结构模型岩体力学模型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。7.1概述1、支护结构理论的发展2、现代支护理论与设计要点3、锚喷支护与传统支护的区别4、锚喷支护的特点4、锚喷支护的特点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；4、锚喷支护的特点粘结有三种作用：①连锁作用；②复合作用；③增强作用(填充凹隙)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；4、锚喷支护的特点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。4、锚喷支护的特点目前我国所有山岭隧道和一些城市地下工程都先采用锚喷的柔性支护结构，是为了能做到：（1）容许围岩发生有限变形（2）发挥围岩的自承能力（3）节省工程造价7.2锚喷支护结构的受力与计算1、锚杆支护结构2、喷混凝土支护结构3、锚喷联合支护结构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⑵锚杆的力学作用⑶锚杆的设计与计算⑷支护块状围岩⑸加固裂隙围岩锚杆的制作过程⑴锚杆类型①全长粘结型⑴锚杆类型②端头锚固型⑴锚杆类型②端头锚固型⑴锚杆类型③摩察型⑴锚杆类型③摩察型隧道锚杆隧道超前注浆锚杆⑵锚杆的力学作用①悬吊作用②减跨作用③组合梁作用④整体加固作用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：在隧道顶板岩层中打入锚杆，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：在岩层中打入锚杆，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。④整体加固作用：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锚固力作用下构成承载环。⑶锚杆的设计与计算①锚杆承载力计算②锚杆锚固长度确定③锚杆直径的确定④锚杆间距的确定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。①锚杆承载力计算GGφ1锚杆φ1ξ1φξ-1φN裂隙面锚杆锚杆裂隙面如图所示，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锚固长度确定●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；22~161LkDRdLg421锚杆长总度L：321LLLL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）；③锚杆直径的确定以抗拉为例，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。锚杆间距giRdbLkP422222LkRdbg④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L12b；k安全系数2～3。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。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。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PT1、锚杆支护结构2、喷混凝土支护结构3、锚喷联合支护结构7.2锚喷支护结构的受力与计算2、喷混凝土支护结构喷射砼是将水泥、砂子、石子、速凝剂按一定的比例均匀的搅拌后送入喷射机，以高速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。喷混凝土的过程干喷湿喷喷混凝土初期支护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。充填裂隙加固围岩封闭围岩表面防止风化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满足：uRkWdL为喷射混凝土抗拉强度；u为危石底面周长，k是安全系数3～5。LR②抗撕裂计算uRkWdLu其中：是喷层和岩石之间的粘结强度。LuR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：sxesPqsxcos243476.04KEdbKEIsLuRKEdPsPq43max63.22313463.3EKuRGdLu⑶整体稳定原理⑶整体稳定原理喷混凝土层与围岩表面紧密粘结、咬合使岩体密贴，组成“组合结构”或“整体结构物”共同工作。1、锚杆支护结构2、喷混凝土支护结构3、锚喷联合支护结构7.2锚喷支护结构的受力与计算3、锚喷联合支护结构⑴锚喷联合支护修建隧道的基本概念⑵支护与围岩共同作用的力学原理⑶锚喷支护结构承载力计算(4)隧道围岩位移量的容许值⑸二次衬砌支护时间选择原则3、锚喷联合支护结构3、锚喷联合支护结构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；喷砼是表层及局部加固围岩；●围岩是隧道稳定的基本部分，尽量维护围岩的强度特性●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Zr0rAXCHHC圆形隧道解析解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:cot2sincrr④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，peprer,σrσrσθ12σRθστrθσrσθσr塑性区弹性区⑦塑性区半径与支护抗力的关系σrσrσθ12σRθστrθσrσθσr塑性区弹性区cot))(sin1)(cot()sin1(cotcotsin1sin200sin2sin100cRrcppcpcprRii⑧由洞周位移计算围岩压力220220)()(rRprRpReRer)1(12eerrrrEru●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：2021)(2rpGRruRr)(2)(20202RRRRpGRrdrpGRu●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：cos)sin1(0cpRRaaRurRuuruRrR])()[()(202202sinsin1000]cot)cot)(sin1([2)cossin(cpcpGcprurRuiRa●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aucot2)cossin()cot)(sin1(sin1sin000cGucprcppai洞周位移与围岩压力洞周位移与围岩压力⑨围岩支护特性曲线umaxuruEBPuⅣKcEDPu=f(P1