第5讲隧道支护施工技术

§5隧道支护施工技术§5.1概述在洞室施工中，支护工作量占有很大比重，其工作进度直接影响着地下工程的施工速度，施工质量直接决定着地下工程的稳定。因此，洞室支护是继洞室开挖之后地下建筑施工中的另一项主导工程。按照现代岩石力学观点，传统的岩石工程支护可分为两大类，即岩石支护和岩石加固技术。岩石支护是以人工结构物承受围岩变形压力、岩体不连续面切割的岩块或破碎带岩石自重荷载的岩层控制方法。它可以采用支撑方式，也可以采用吊挂方式。例如，常见的混凝土衬砌、各种金属支架、金属与木支柱等都属于前者；而无预应力的锚杆、锚索以及无预张拉的锚杆桁架、锚杆钢带等，当它们是以悬吊破碎岩石重量为主要目的时，则是后者的应用实例。由于支护系统要等岩石变形甚至支护构件与岩石接触后才起支护作用，所以也称之为被动支护。岩石加固是通过人工手段调动和利用岩石自支撑的岩层控制方法，最常用的办法是安装预应力锚杆和锚索，由于在安装的同时对岩体施加了作用力，又称这种加固方式为主动支护。在岩体发生显著变形和风化之前，在地下工程围岩表面喷射一层水泥砂浆，喷层会在短期内达到很高强度，使地下工程边界附近的高应力直接传递给喷层，因此，也可以认为是一种岩体加固方法。与此相近的方法是通过钻孔等对岩体高压注浆，以阻止地下水渗流并增加岩体的强度。锚喷支护方法是将岩体作为结构材料，通过调动和增加岩体自身强度实现岩体自身支撑，是一种符合现代岩石力学理论的岩层控制方法。为了区别于依靠人工材料和构件支撑岩块重量的传统支护方法，国际岩石力学界常称之为岩石加固技术。在不与前述“岩石支护”混淆的情况下，有时也将岩石支护和岩石加固统称为岩石工程支护，简称“支护”。锚喷支护是锚杆与喷射混凝土联合支护的简称，锚杆与喷射混凝土都可以独立使用。洞室混凝土衬砌一般作为永久性支护，在NATM法中属二次支护，并与初期锚喷支护构成复合式支护。因衬砌的成形和表面光滑度优于锚喷支护，故衬砌的作用既有支护功能，又有装饰功能，这是衬砌工艺得到广泛应用的重要原因。但由于混凝土衬砌的厚度远超过喷射混凝土厚度，故其支护柔性不及喷射混凝土，在设计中初期支护一般不使用衬砌。目前，隧道支护形式主要有锚喷衬砌、整体式衬砌和复合式衬砌三种。锚喷衬砌一般由锚杆、喷射混凝土、钢筋网等组成；整体式衬砌由临时支撑(施工支护)和永久衬砌组成；复合式衬砌由初期支护和二次衬砌组成。临时支撑（施工支护）和初期支护一般由锚杆、钢筋网，钢支撑、喷射混凝土等组成。永久衬砌和二次衬砌一般为模注混凝土。当隧道开挖施工过程中，如围岩不能自稳时，常采用预加固工法。5.2锚杆支护施工技术1锚杆支护参数确定方法锚杆是用金属或其他具有高抗拉性能材料制作的一种杆状构件。经使用某些机械装置或黏结介质，通过一定的施工操作，将其安设在地下工程围岩或其他工程体中，形成承受荷载、阻止变形的围岩拱结构或其他复合结构物的锚杆支护。锚杆的作用在岩石力学有关文献中已有详细论述，通常认为，锚杆具有悬吊作用、减跨作用、组合作用、加固作用、改善围岩周边应力状态作用等。锚杆支护参数的选择，主要是确定锚杆支护的间距、长度及直径。由于地下工程地质条件的复杂性，以及科学水平所限，目前在选择锚杆支护合理的参数问题上，往往是根据理论公式进行估算或用工程类比法来确定的。通常意义上的理论方法包括解析法和数值法，它们在锚喷支护设计中已取得了一批有用成果，并逐渐成为锚喷加固设计的重要组成部分。这两种方法应该密切结合，互为补充，并在工程中推广使用监控设计和反分析设计，通过实践不断修正。1.1锚杆支护间距的确定在一般情况下，锚杆支护都布置成正方形，即锚杆的间距等于锚杆排距。根据锚杆悬吊作用理论，计算锚杆间距公式如下：maG2固QkGkmQa固拉24dkGkmda拉887.0式中：k——安全系数；γ——岩体容重；a——锚杆间距；m——锚固岩层厚度；d——锚杆直径；G——锚固的岩石重量；Q固——锚杆的锚固力；σ拉——杆体材料的设计抗拉强度。二、锚杆长度确定假设锚杆安设在顶板岩层中，被锚固的岩层厚度不大，且在它上面有坚固岩层时，则锚杆的长度只要使其锚固部分固定在坚硬岩层内，大于或等于0.2~0.3m即可。按单体锚杆悬吊作用理论计算锚杆长度为：12lmll（1）l2的确定①按经验取l2＞0.2~0.3m；②根据杆体材料设计抗拉强度等于锚固端部的黏结力，求l2的计算公式如下：黏拉224dld黏拉42dl式中：d——锚杆直径；拉——杆体设计抗拉强度；黏——锚杆与砂浆的黏结强度，圆钢取2.5MPa，螺纹钢取5.0MPa。（2）m的确定①如果能调查清楚易碎直接顶时，则m须大于等于易碎直接顶厚度。②按冒落拱的高度1.3~1.5倍为基础，锚固岩层厚度的计算公式如下：kbm式中：k——安全系数，取1.3~1.5；b——自然冒落高度，fBb2；B——巷道掘进跨度；f——岩石坚固性系数。0pRRm③取m为洞室围岩破碎带厚度。对圆形洞室：式中：Rp——破碎带半径；R0——洞室半径。2不同类型锚杆施工要点隧道工程开挖后，应尽快安设锚杆，一般宜先喷射混凝土，再钻孔安设锚杆。锚杆的孔位、孔径、孔深及布置形式应符合设计要求，锚杆杆体露出岩面长度，不应大于喷层的厚度，应确保隧道工程辅助稳定措施中的锚杆施工质量符合设计要求。不同类型的锚杆其施工要点也不相同，最常见锚杆基本分类方法是按锚杆与被支护结构（岩体）的锚固方式划分为五种类型。