地下工程施工：隧道支护技术

隧道支护技术支护体系基本构成锚杆喷混凝土二次衬砌岩体围岩松弛区隧道支护技术隧道支护技术概述坑道支护体系是由岩体和支护结构两部分组成的，通常情况下，岩体是主要的承载单元，而支护结构是辅助性的，但也是不可缺少的。在某些特殊情况下，支护结构也是主要的承载单元，支护结构的基本作用：保持坑道断面的使用净空；防止岩体质量的进一步恶化；承受可能出现的各种荷载；使坑道支护体系有足够的安全度。隧道支护技术第一节概述1、能与周围岩体大面积地牢固接触即支护—围岩体系作为一个的整体工作。接触状态的好坏，不仅改变了荷载的分布图形，也改变了两者之间相互作用的性质。由于施工方法、支护类型的不同，两者的接触状态也是不同的。接触状态可作如下分类：一个理想的支护结构应满足的基本要求：隧道支护技术第一节概述分为A、B、C、D四类。接触状态的不同，对围岩应力分布、支护结构的受力状态等都有着重要的影响。围岩－支护结构的接触状态模注砼、木支撑喷砼、泵送砼衬砌A任意的面接触点接触土质隧道有回填B确定的C松散的D牢固的钢支撑隧道支护技术第一节概述四类接触状态的力学状态大致如图所示。现代支护理论的研究多数是以全面接触为出发点的。因此在施工作业时必须尽量实现这一点。隧道支护技术第一节概述2重视初期支护，使之与永久支护相配合，协调一致地工作初期支护：是为了暂时地、迅速地控制坑道围岩的力学过程，为永久支护创造有利条件。永久支护：作为隧道安全的基本承载支护结构。早期一般忽视初期支护的作用。随着支护技术的发展，逐步把初期支护与永久支护合并考虑，初期支护亦作为永久支护的一个重要部分。如：喷射混凝土—锚杆支护、薄板混凝土支护、钢纤维喷混凝土等。隧道支护技术第一节概述3、允许坑道—支护体系产生有限制的变形，充分协调发挥两者的共同作用。要求：支护结构刚度小，构造具有一定柔性或可缩件。允许支护结构产生一定的变形，充分发挥围岩的承载作用，柔性结构能产生一定的变形，使支护—围岩中的应力重新调整，使两者协调工作。目前的支护结构，其刚度相对地降低很多，即以采用柔性支护结构为主。与过去的刚性支护结构—现灌混凝土衬砌相比，厚度有了大幅度减小。隧道支护技术第一节概述4、保证支护结构架设及时支护过晚会使围岩暴露时间长，产生过度的位移而濒临破坏（极限平衡），因此，支护构架应在围岩达到极限平衡之前发挥作用。坑道开挖后要及时地、尽快地加以支护，其目的在于控制围岩的初始位移，这一点在埋深小、围岩差的情况下，尤其重要。隧道支护技术第一节概述5、支护结构要根据围岩的动态（位移、应力…），及时地进行调整和修改参数适应不断变化的围岩状态。这一点在传统的木支撑条件下，也是较难实的，而用现代支护技术，则可采取分次喷射，增设锚杆或调整其参数（间距、锚杆直径和长度）等方法来实现。支护结构要完全满足上述技术要求是很困难的，这就要求我们对各种类型的支护结构有一正确的评价，以便根据变化的地质条件进行合理的选择。隧道支护技术第二节隧道支护结构分类及基本参数一、根据其使用目的分类防护型支护支护中最轻型者，不能阻止和承受岩体压力，仅用以封闭岩面，防止坑道围岩进一步恶化。通常是喷浆、喷混凝土或单独锚杆来完成的。构造型支护用于长时间坑道基本稳定的岩体。此时力学行为是弹性的，支护参数只满足施工要求，如砼最小厚度、锚杆最小直径及长度等。支护参数不由计算决定，由施工决定。承载型支护坑道支护的主要类型。视坑道围岩的力学动态，分为轻、中、重型。视压力大小，采用顶部支护和完全支护。隧道支护技术第二节隧道支护结构分类及基本参数二、根据采用的材料分类1、木支撑2、钢支撑3、锚杆和金属网支护4、模注混凝土和喷混凝土支护（1）混凝土支护、包括混凝土预制块支护（2）喷混凝土支护5、组合支护（1）钢支撑加背板（2）喷混凝土与锚杆（3）喷混凝土、钢支撑和锚杆……等隧道支护技术第二节隧道支护结构分类及基本参数三、各类支护结构的技术特征及其存在的问题木支撑：采用立柱或支架形式，目前部分工程还在采用，逐渐在减少。钢支撑：可迅速架设并有足够的阻力，能变换支撑刚度，与围岩接触条件比木支撑好。在部分工程中，是不拆除的，作为永久衬砌的一部分。锚杆支护：是支护技术的一大进展，从内部提高岩体的承载能力。预应力的锚杆更易形成主动的支护力，阻止岩体强度降低。一般说锚杆的支护阻力是不充分的，但可随时给以加强。隧道支护技术第二节隧道支护结构分类及基本参数模筑混凝土支护：能起到有效地支护暴露岩体这样的目的。但模筑混凝土的厚度几乎不会小于0.30～0.40m，由此会使开挖成本增加。喷浆：是一种喷射3cm厚的水泥砂浆的方法，在50年代初代替了顶部防护木支撑，现在用来防止暴露岩面的风化，它的进一步发展是喷混凝土。喷混凝土：是一种较好的支护方法，在围岩紧密结合和迅速施喷方面；在岩体条件和坑道形状的适应性上，喷混凝土支护方法也是突出的，它的支护能力很高，并可随时进行加强。隧道支护技术第二节隧道支护结构分类及基本参数四、隧道支护类型的选择隧道支护类型的选择主要根据下述条件决定：（1）对预计的主要岩体类型的评价；（2）对岩体类别变化的适应性；（3）对很大的或特殊地压的适应性；（4）对地下水性质的适应性；（5）经济性；（6）作业时间消耗。隧道支护技术第二节隧道支护结构分类及基本参数支护类型要求木支撑钢支撑锚杆加金属网混凝土支护混合支护防护砼喷浆喷砼钢支撑喷砼钢支撑短锚杆喷砼钢支撑钢背板紧密接触1203-3132全面接触1103-3132迅速施设0130-3122支护阻力小1213-2233预加应力的可能性1120-0121以后加强的可能性2231-3232顶替造成的危害1-33-21--对岩体性质的适应性2211-3233对坑道形状的适应性0131-3132排水条件3132-33310不可用1可用2合适3很好隧道支护技术第二节隧道支护结构分类及基本参数支护方法地质数据木支撑钢支撑锚杆网防护砼喷浆喷砼钢支撑喷砼钢支撑短锚杆喷砼钢支撑钢背板岩石强度高123032210岩石强度中等121202232粘性土120201233松散土020000113高岩压或较小岩石强度22-301-2002-33-42裂隙间距小120213132裂隙间距大213112121很小分离度213233230很高分离度121203120张开裂隙111202130粘土充填裂隙121203133隧道支护技术第三节锚喷支护的力学作用及锚固机理答：是把锚杆安设在坑道的围岩中，使层状的、软质的岩体得到不同形态的得加固，和围岩共同形成完整的支护结构，提供一定的支护抗力，共同抵抗围岩的位移和变形。隧道支护技术第三节锚喷支护的力学作用及锚固机理钢筋或钢丝绳砂浆锚杆：以水泥砂桨作为锚杆与围岩倒楔式金属锚杆：曾经是使用最广泛的锚杆形式之一。加工简单，安装方便，具有一定的锚固力，因此在一定范围内至今还在使用。管缝式锚杆：是一种全长摩擦锚固式锚杆。这种锚杆具有安装简单、锚固可靠、初锚力大、长时锚固力树脂锚杆：用树脂作为锚杆的粘结剂，成本较高。自进式中空注浆锚杆：具有边钻进边加长的特性，不需套管护壁、预注浆等特殊手法加固围岩锚杆种类隧道支护技术第三节锚喷支护的力学作用及锚固机理钢质涨壳体锚杆中空注浆锚杆中空自钻锚杆全螺纹等强锚杆隧道支护技术第三节锚喷支护的力学作用及锚固机理答：利用喷射设施将一定配比的混凝土喷射到隧道开挖毛洞的表面，形成具有一定厚度和支护强度的薄壁结构，达到封闭暴露的岩体和加固岩体的目的。隧道支护技术第三节锚喷支护的力学作用及锚固机理根据工艺不同分干喷、潮喷、湿喷三种。主要区别是投料程序不同。干喷：是将骨料、水泥和速凝剂按一定比例干拌均匀，装入喷射机，用压缩空气使干集料在软管内压送到喷枪，在喷嘴处与高压水混合，以较高速度喷射到岩面上。优点机械结构较简单，清洗和故障易处理。缺点是粉尘较大，回弹量大，水灰比控制较难。潮喷：将骨料预加少量水，呈潮湿状，再加水泥拌和，降低上料和喷射时的粉尘。大量的水仍是在喷头处加入的，其工艺和干喷工艺相同。现场使用较多。湿喷：是将骨料、水泥和水按设计比例拌和均匀，用湿式喷射机压送到喷头处，在喷头处添加速凝剂后喷出。优点混凝土质量容易控制，喷射中粉尘和回弹量少。缺点对喷射机械要求高，清洗和故障处理麻烦。由于喷射工艺的不同，喷射混凝土强度不同，干喷和潮喷混凝土强度较低，一般只能达到C20而湿喷则可达到C30~C35。喷混凝土种类隧道支护技术第三节锚喷支护的力学作用及锚固机理干喷机潮喷机湿喷机现场喷混凝土喷射完成的壁面隧道支护技术第三节锚喷支护的力学作用及锚固机理3喷锚支护与传统支护的区别（一）对围岩和围岩压力的认识传统支护设计是建立在围岩“松散压力”基础上。锚喷支护设计是建立在围岩变形而形成的形变压力上。（二）围岩与支护间相互关系上传统支护把围岩与支护分开去考虑，形成“荷载——结构”体系。锚喷支护把围岩与支护视作统一体，组成“围岩——支护”体系。（三）支护功能与作用原理上传统支护是产生的荷载而存在，是防止围岩崩塌，作用是被动消极的。锚喷支护是以围岩稳定为目的，立点是及时加固围岩。作用是主动积极。（四）设计计算方法上传统支护设计与一般结构物没有本质差异，不同处是荷载确定要分析复杂的围岩，考虑围岩“抗力”作用。锚喷支护是把围岩与支护视作共同作用的统一体。荷载是岩体地应力，围岩与支护共同受载。隧道支护技术第三节锚喷支护的力学作用及锚固机理4、锚喷支护的特点（一）及时性由于工艺本身的原因，能做到支护及时迅速，可在挖掘前超前支护，喷混凝土早强和全面密贴性能，保证支护及时和有效性。（二）粘贴性喷混凝土同围岩能密贴粘结。产生三种作用：1）“联锁”：将被裂隙分割的岩块粘联在一起，使岩块咬合镶嵌2）“复合”：围岩与支护结成一个复合体，保证二者径向和切向上都共同工作。３）“增强”：由于喷射混凝土充填围岩凹穴，提高了围岩的强度，同时减少了围岩应力集中。隧道支护技术第三节锚喷支护的力学作用及锚固机理（三）柔性锚喷支护属于柔性薄型支护。喷混凝土：是一种脆性材料，但其施工工艺上的特点，与岩体密贴粘结，使它有可能喷得很薄，所以呈现一定柔性，这种柔性可通过分次喷层的方法进一步发挥。锚杆：也属柔性支护，因其从岩体内部加固，可以允许岩体有较大的变形而不破坏，甚至对被加固的岩体作整体移动时，仍能保持相当大的支撑抗力。（四）深入性指锚杆能深入岩体内一定深度加固围岩的。按一定方式、间距布置的锚杆群，可以提高围岩锚固区的强度和整体性，改善围岩应力状态。隧道支护技术第三节锚喷支护的力学作用及锚固机理（五）灵活性是锚喷支护十分重要的工艺恃点，其主要如下方面：(1)类型和参数可根据各段不同的地质条件而随时调整。(2)施作工艺的可分性。(3)广泛的适用性（六）封闭性喷混凝土能及时施作，全面密贴，能及时阻止洞内水对围岩的侵蚀，并阻止地下水的渗流。5、锚喷支护各支护类型的功能（一）喷射混凝土隧道支护技术第三节锚喷支护的力学作用及锚固机理喷射混凝土的作用与效果概念图（1）支承围岩喷层与围岩密贴粘结，防止围岩强度恶化．阻止不稳定块体的塌滑。（2）“卸载”作用能有控制使围岩在不出现有害变的前提下，进入一定的塑性：从而使围岩“卸载”。(3)填平补强围岩填充表面凹穴，使裂隙分割的岩块层面粘联，保持岩块间的咬合、镶嵌作用。(4)复盖围岩表面喷层直接粘贴岩面，形成防风化和止水的防护层：并阻止节理裂隙中充填物流失。(5)阻止围岩松动紧跟掘进及时进行支护，早期强度较高，能及时向围岩提供抗力，阻止围岩松动．（6）分配外力通过喷层把外力传给锚杆、网架等，使支护结构受力均匀分担。隧道支护技术第三节锚喷支护的力学作用及锚固机理锚杆的作用效果概念图（1）支承围岩限制约束围岩变形，并向围岩施加压力，洞室内表面附近的围岩保持三轴应力状态，制止围岩强度的恶化。（2）加固围岩系统锚杆的加固，使围岩中松动区的节理裂隙、破裂面等得以联结，有助于裂隙岩体和松动区形成整体成为“加固带”。(3)提高层间摩阻力．形成“组合粱”对于水平或缓倾斜的层状围岩，用锚杆群能把数层岩层连在一起．增大层理间摩阻力，从结构力学观点来看，就是