浅谈新奥法初期支护—喷锚支护在软弱围岩的应用

更多资料请访问：豆丁教育百科浅谈新奥法初期支护—喷锚支护在软弱围岩的应用福铁建设集团公司泉州分公司李小勇[摘要]本文结合赣龙铁路考塘隧道中的Ⅲ类围岩地段初期支护中的锚杆数量与喷层厚度控制，介绍新奥法初期支护的作用原理以及此类支护在软弱围岩中的应用。[关键词]喷锚支护作用原理应用一、前言新奥法初期支护是喷锚联合支护使用较成熟的施工方法，它并不是一般的喷射混凝土和锚杆的联合支护，而是“设计、施工、监测”相结合的科学的隧道建造方法。“喷射混凝土、锚杆和现场监控量测”是新奥法的三大支柱，它的工作原理在工程实践中不断地被充实与提高，从而获得了极为迅速的发展，特别是在控制围岩的高挤压变形方面，显示了很大的优越性。下面首先介绍喷锚支护的工作原理，然后结合考塘隧道中的三级围岩地段的实施情况，阐述喷锚支护设计参数在实际中的应用。二、工程概况考塘隧道为赣龙铁路的一座单线隧道，隧道埋深＜50m，地质情况处于丘陵缓坡地带，表层为第四纪残积层棕黄色砂粘土，下伏γ52灰白色花岗岩，粗粒结构。隧道全长550米，其中Ⅲ类围岩地段295米，里程为DK270+064~DK270+359，岩质为风化颇严重的粉砂岩，呈破碎状，初期支护设计采用喷射8cm的混凝土及每延米打入2.0m的普通砂浆锚杆3根的方案进行支护。更多资料请访问：豆丁教育百科三、喷锚支护的作用原理新奥法初期支护的具体作法是随隧道掘进及时喷射一层混凝土，封闭围岩暴露面，形成初期柔性支护，随后按设计要求布置系统锚杆加固深部围岩。锚杆、喷层和围岩共同组成承载环，支承围岩压力，形成了新奥法初期支护结构(称为外拱)，在施工过程中，通过监测了解外拱围岩的变形情况，待支护抗力与围岩压力适应时进行封底，使变形收敛，隧道围岩趋于稳定，随后进行二次衬砌(称为内拱)，内拱为储备强度。新奥法的施工必须严格控制二次衬砌时间，以便支护性能呈现先柔后刚的特性。喷射混凝土是将一定比例的水泥、河砂、碎石均匀搅拌后，装入混凝土喷射机，借助压缩空气作为动力，使混合料连续地沿管路压送至喷头处与水混合后，以较高压力及速度（30~100m/s）喷射在岩面上凝结硬化而成。由于混合料以高速喷射，使砂、石骨料和水泥颗粒经重复碰撞冲击，相当于得到连续的冲实和压密，而喷射工艺又可使用较小的水灰比，这就保证了喷射混凝土具有较高的物理力学性能。锚杆是一种锚固在岩体内部的杆状支架，锚杆支护是通过锚入岩体内部的锚杆，达到改善围岩的受力状态，实现加固围岩、维护隧道的目的。当加固拱顶崩落的不稳定块体时，锚杆起悬吊作用；当加固层状岩体时，锚杆起组合作用；另外拱顶锚杆还有减跨和挤压加固作用。如下图所示：更多资料请访问：豆丁教育百科悬吊作用组合作用45°锚杆承载拱挤压加固作用在支护作用原理上，喷锚支护能充分发挥围岩自承能力，从而使围岩压力降低，支护厚度减薄；在施工工艺上，喷射混凝土支护，实现了混凝土的运输、浇注和捣固的联合作业，且机械化程度高，施工简单，因而有利于减轻劳动强度和提高工效。锚杆与喷射混凝土的施工工艺要求，在隧道施工规范与一些相关的工程资料上均有详细的介绍和具体的要求，在此本文不做赘述。四、施工情况：在考塘隧道三类围岩地段洞身开挖施工过程中，我们于拱脚及拱顶布设了多方位的监测，其中对DK270+130~DK270+155段的拱顶下沉及净空收敛连续观测过程中，发现该段拱顶下沉大于2.0mm/d，净空收敛值大于1.0mm/d，均大于规范允许值，通过数据的回归分析，结果是围岩周边收敛值达到规范允许值的上限0.5%，有些地段甚至超过该更多资料请访问：豆丁教育百科上限，(该段的收敛数据及回归分析附后)经过与业主、设计单位的会诊达成了共识：认为在这种围岩条件下设计所采用的初期支护不能满足稳定要求，因此有必要采取加强措施，重新进行锚杆的设计与喷射混凝土厚度的计算，确定初期支护的参数，现以此为例说明其主要参数的确定。五、锚杆的计算及喷射混凝土厚度的确定（一）锚杆的计算：从量测数据及现场情况来看，发生变形较大的部位主要位于拱部，说明了拱部的支护条件不足，锚杆与喷射混凝土承受能力小于变形体压力，因此，计算锚杆时以拱部为考虑。锚杆类型仍依设计采用粘结式注浆锚杆。a)锚杆长度的确定根据锚杆在受力状态下，钢筋抗拉能力与水泥浆粘结力相等的等强原则，可求出锚杆插入稳定岩层中的长度L1（即锚固长度）由：[σt]=42dπdL1[C]可得L1≥d[σt]/4[C]=22×360/3×4=660mm1.2×L1=792mm取800mm[C]——砂浆与锚杆间的粘结力；此取3.0MPa[σt]—-锚杆钢材的抗拉强度；取360MPad—-锚杆直径（另：工程实践中常要求L1≥300mm）从锚杆的组合和悬吊作用出发，锚杆总长度按下式进行计算：L=L1+hn+L2=800+1000+100=1900mm更多资料请访问：豆丁教育百科式中L2—锚杆外露长度，取100mmhn—-锚杆的有效长度，一般取顶板岩层变形厚度，在此取1000mm。因此锚杆长度确定为2000mmb)锚杆间距：采用拱部等距离布置方式，锚杆所负担的岩体重量即为其所承受的荷载值：Pi=krhni2i—-锚杆间距r—-岩体的容重，取24KN/m3k—安全系数，在此取2.0锚杆受拉破坏时，其所承受的荷载应小于锚杆的允许抗拉能力，即krhni2≤42id可得：i≤hkблd/][2(=)4242/()360000022.0022.014.3(=1.68m取i=1.6m（二）喷射混凝土厚度的计算喷射混凝土的厚度应符合力学要求，由于危岩的重量由混凝土喷层与锚杆支承，喷层太薄会产生剪切破坏，喷层与岩面间的粘结力过小会出现坍落破坏，因此混凝土喷层厚度的确定至关重要。从有关的研究试验与实际观测中可以得出，喷射混凝土的破坏主要是剪切破坏，因此在进行验算时以剪切破坏进行考虑。根据莫尔强度理论，破坏面与最大主应力σ1的夹角α1=45°-γ/2，有关试验表明，喷层表面破裂点至隧道截面纵坐标轴间的夹角α1更多资料请访问：豆丁教育百科由下图可知：α1Pασ1σ3WLα1σ1σ1剪切破坏示意图h/2若喷层剪切面长度L=t/（sinα1）则喷层抗剪力为：τ=t.τB/（sinα1）喷层所受围岩压力：P=H.h=22×3.5×4.5=0.346MPa则由P.h/2≤τ可得t≥BhPi21sin=68.325.04500346.0=105.8mm式中t---喷层厚度P---作用在喷层上的变形围岩压力；h---锥形剪切体的底宽，可按下式计算：h=2acosα1=2×2600×cos30°=4500mm；a——隧道半径τB---喷层材料的抗剪强度，此取其抗压强度的20%为3.68MPa更多资料请访问：豆丁教育百科α1---喷层材料的剪切角α1=45°-γ1/2，其中γ1为喷层材料的内摩擦角，此取30°结果：根据设计指南当计算喷层厚度大于100mm时混凝土喷层厚度按100mm计。六、计算结果在实施后的效果检验根据力学原理计算出的结果及DK270+140处监控量测的回归分析结果与设计方案进行了比较，认为设计采用的数量偏小，因此必须修正参数，我们将计算结果付诸实施，在DK270+155~+180段改用喷射混凝土10cm厚和环向间隔1.6m打入长度为2.0m的锚杆进行初期的支护，并增加监控量测的频数，通过一段时间的连续观测，其结果是每天的拱顶下沉及净空收敛值均小于规范允许值，我们对DK270+160处的量测数据也进行了回归分析，围岩的最终收敛变形和拱顶下沉小于规范允许范围，在开挖完成后一定的时间内围岩趋于稳定，(该段的收敛数据及回归分析附后)用此法取得了明显的效果，说明计算所采用的参数是正确的、符合围岩的力学性质的，据此做出了节约投资的施工方案，很好地指导隧道施工作业人员的安全、使下一步的洞身开挖施工作业有序地进行，同时也使人、机、料等诸多生产要素达到了最佳的组合。在该隧道的施工中，随着开挖的不断深入，对于Ⅲ级围岩的岩体质的变化情况的准确掌握及合理地运用科学的计算方法进行验算，是能否在该部位安全地进行下一道工序的关键，通过对洞内不同时刻、不同部位的监测、分析，可以确定采用的锚喷支护参数，进而使各项工作的衔接时间处于最佳，尽量缩短工序间隔时间，为工程的顺利、快速完成奠更多资料请访问：豆丁教育百科定了基础。七、结束语Ⅲ级围岩是隧道施工中常遇到的岩体类型，并且岩体情况是不尽相同的，如何合理地运用岩体的自身力学特点是新奥法施工的重要组成部分，采用喷锚进行初期支护是建立在现代支护原理基础上的一种科学施工方法，由国内外隧道工程实践中积累出来的大量经验，为我们进行新的探索提供了充分的依据，随着我国铁路及公路隧道里程的不断增长，建设在各条战线上的同仁们已经总结出了一整套较为完善和先进的施工方法，且提出了喷锚支护的设计原理和原则。应当指出的是，到目前为止，喷锚支护技术仍在不断发展和完善中，无论是作用原理的探讨，还是设计与施工方法的研究，均有待工程技术人员的努力，在实践中完善设计中的不足，以缩短理论与实践的差距。在此本人只作了一些肤浅之谈，希望在不久的将来有一套更为完善和先进的施工方法供我们参考。参考文献：1、隧道施工技术手册2、铁路隧道设计规范（TB10003-2001）3、铁路隧道喷锚构筑法技术规范（TB10108-2002）4、锚杆喷射混凝土支护技术规范（GB50086-2001）5、地下工程锚喷支护设计指南郑颖人主编中国铁道出版社更多资料请访问：豆丁教育百科6、铁路隧道新奥法指南中国铁道出版社