78.锚喷支护结构设计

LOGO锚喷支护结构设计锚喷支护结构的设计§1锚喷支护的概况§1锚喷支护的概况1.锚喷支护（ShotcreteandBolting)是采用喷射混凝土、钢筋网喷射混凝土、锚杆喷射混凝土或锚杆钢筋网喷射混凝土等在毛洞开挖后及时的对对地层进行加固的结构。可以根据围岩的稳定状况，采用锚喷支护的一种或几种结构的组合。2.喷射混凝土(Shotcrete)：利用高压气，将掺有速凝剂的混凝土混合料通过混凝土喷射机与高压水混合，喷射到岩面上，迅速凝结而成。§1锚喷支护的概况封闭性灵活性柔性深入性及时性密贴性锚喷支护的特点3.锚喷支护的特点§1锚喷支护的概况4.锚喷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●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。§1锚喷支护的概况5.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§1锚喷支护的概况6.新奥法1)产生背景（1）锚杆支护在20世纪初出现。（2）喷射混凝土机在1940年末研制成功。（3）岩体理论的发展为新奥法提供了科学的依据。2）新奥法的概念1963年，由奥地利学者L·腊布兹维奇教授命名为“新奥地利隧道施工法(NewAustriaTunnellingMethod)”，简称“新奥法(NATM)”正式出台。它是以控制爆破或机械开挖为主要掘进手段，以锚杆、喷射混凝土为主要支护方法，理论、量测和经验相结合的一种施工方法。同时又是一系列指导隧道设计和施工的原则。§1锚喷支护的概况3）要点：(一)因为围岩是隧道的主要承载单元，所以要在施工中充分保护和爱护围岩。(二)为了充分发挥围岩的结构作用，应容许围岩有可控制的变形。(三)变形的控制主要是通过支护阻力(即各种支护结构)的效应达到的。(四)在施工中，必须进行实地量测监控，及时提出可靠的、足够数量的量测信息，以指导施工和设计。这是“新奥法”的重要组成部分。§1锚喷支护的概况3）要点：(五)在选择支护手段时，一般应选择能大面积的、牢固的与围岩紧密接触的、能及时施设和应变能力强的支护手段。(六)要特别注意，隧道施工过程是围岩力学状态不断变化的过程。(七)在任何情况下，使隧道断面能在较短时间内闭合是极为重要的。。(八)在隧道施工过程中，必须建立设计—施工检验—地质预测—量测反馈—修正设计的一体化的施工管理系统，以不断地提高和完善隧道施工技术。上述隧道施工的基本原则可扼要地概括为：“少扰动、早喷锚、勤量测、紧封闭”。§1锚喷支护的概况控制爆破锚喷支护监控量测新奥法三大要素§1锚喷支护的概况开挖初期支护二次支护三项作业§1锚喷支护的概况4）新奥法设计程序§1锚喷支护的概况5）新奥法与锚喷支护新奥法不等同于锚喷支护，锚喷支护与新奥法既有密切的联系又有原则的区别。正是由于发展了利用锚喷支护的快速有效的支护施工手段，才有可能使新奥法的基本原则得以实现。若不按照新奥法的要求适时进行锚喷支护，不把围岩看成自承结构，不充分发挥围岩的自承作用，即使大量采用锚喷支护，也不能认为是应用了新奥法。§1锚喷支护的概况7.锚喷支护设计与施工的基本原则1.采取各种措施，确保围岩不出现有害松动2.调节控制围岩变形，在不进入有害的松动的条件下适度发展，以便最大程度的发挥围岩的自承能力。3.保证锚喷支护与围岩形成共同体。4.选择合理的支护类型与参数并充分发挥其功效。5.采取正确的施工方法。6.依据现场监测数据指导设计施工。锚喷支护结构的设计§2锚喷支护的设计§2.锚喷支护设计锚杆的作用和效果概念图①支承围岩锚杆能限制约束围岩变形，并向围岩施加压力，从而使处于二轴应力状态的洞室内表面附近的围岩保持三轴应力状态，因而能制止围岩强度恶化。②加固围岩由于系统锚杆的加固作用，使围岩中，尤其是松动区中的节理裂隙、破裂面等得以联结，因为增大了锚固区围岩的强度（即c、φ值）；锚杆对加固节理发育的岩体和围岩松动区十分有效，有助于裂隙岩体和松动区形成整体，成为“加固带”。1.锚杆的作用和效果§2.锚喷支护设计锚杆的作用和效果概念图③提高层间阻力，形成“组合梁”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，从结构力学观点看就是形成“组合梁”④“悬吊”作用所谓“悬吊”作用是指为防止个别危岩的掉落或滑落，用锚杆将其同稳定的围岩联结起来，这种作用主要表现在加固局部失稳的岩体。1.锚杆的作用和效果§2.锚喷支护设计2.锚杆类型①全长粘结型主要有普通水泥砂浆锚杆、树脂锚固锚杆、早强水泥砂浆锚杆、树脂锚杆、水泥卷锚杆、中空注浆锚杆和自钻式注浆锚杆等。§2.锚喷支护设计2.锚杆类型②端头锚固型主要有机械锚固锚杆、树脂锚固锚杆、快硬水泥卷端头锚杆等。§2.锚喷支护设计2.锚杆类型②端头锚固型主要有机械锚固锚杆、树脂锚固锚杆、快硬水泥卷端头锚杆等。§2.锚喷支护设计②端头锚固型§2.锚喷支护设计②端头锚固型§2.锚喷支护设计②摩擦型主要有缝管锚杆、楔管锚杆和水胀锚杆等§2.锚喷支护设计②摩擦型§2.锚喷支护设计3.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§2.锚喷支护设计3.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。§2.锚喷支护设计3.锚杆的设计与计算①锚杆承载力计算如图所示，根据静力平衡及正弦定理有：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；ξ是锚杆与地质结构面的夹角；φ1是锚杆与垂直线夹角。GGφ1锚杆φ1ξ1φξ-1φN裂隙面锚杆锚杆裂隙面sinsin1GQsin)sin(1GN§2.锚喷支护设计3.锚杆的设计与计算②锚杆锚固长度确定◆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，φ16~22螺纹钢筋；D是钻孔直径；k安全系数，3-5；τ是砂浆与岩孔之间的抗剪强度。实践中要求L1大于30厘米；§2.锚喷支护设计3.锚杆的设计与计算②锚杆锚固长度确定锚杆长总度L：L=L1+L2+L3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）.§2.锚喷支护设计3.锚杆的设计与计算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。§2.锚喷支护设计3.锚杆的设计与计算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。giRdbLkP422222LkRdbg其中：γ是岩体容重；b锚杆间距，一般L22b；k安全系数2-3。§2.锚喷支护设计喷射混凝土的作用和效果概念图①支承围岩由于喷层能与围岩密贴，并给围岩表面以抗力和剪力，从而使围岩处于三向受力的有利状态，防止围岩强度恶化；喷层本身的抗冲切能力阻止不稳定块体的滑塌②“卸载”作用由于喷层属柔性，能有控制地使围岩在不出现有害变形的前提下，进行一定程度的变形，从而使围岩“卸载”，同时喷层忠的弯曲应力减小，有利于混凝土承载力的发挥4.喷射混凝土的作用和效果§2.锚喷支护设计喷射混凝土的作用和效果概念图③填平补强围岩喷射混凝土可射入围岩张开的裂缝，填充表面凹穴，使裂隙分割的岩层面粘联在一起，保护岩块之间的咬合、镶嵌作用，提高其间的粘结力，摩阻力，有利于防止围岩松动，并避免或缓和围岩应力集中④覆盖围岩表面喷层直接粘贴岩面，形成风化和止水的防护层，并阻止节理裂隙中填充物流失4.喷射混凝土的作用和效果§2.锚喷支护设计喷射混凝土的作用和效果概念图⑤阻止围岩松动喷层能紧跟掘进进程后及时进行支护，早期强度较高，因而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、钢拱架等，使支护结构受力均匀分担4.喷射混凝土的作用和效果§2.锚喷支护设计5.钢筋网及钢纤维的作用及效果概念图①减少裂缝数量和限制裂缝宽度②提高支护抗震能力③使喷层应力得到均匀分布，改善变形性能，增强锚喷支护的整体性④增强喷层的柔性⑤提高喷层承载力6.钢拱架的作用及效果概念图①加强限制围岩变形因钢拱架刚度较大，它对围岩松弛变形的限制更强硬②作为超前支护的后支点③承载部分松弛荷载因钢拱架的强度较大，它可以承受已发生的松弛荷载，保证坑道稳定和安全按§2.锚喷支护设计7.锚喷支护的设计简介1.工程类比法工程类比法主要是在编制围岩分级表的基础上，结合拟建工程的围岩等级与工程尺寸等条件，比照已建类似工程经验，直接确定锚喷支护参数与施工方法。①确定支护参数围岩分五类：稳定、基本稳定、稳定性差、不稳定、极不稳定。国内：喷锚厚度5—20cm§2.锚喷支护设计7.锚喷支护的设计简介1.工程类比法①确定支护参数锚杆：直径：16—25mm长度：2—4m间距：不大于锚杆长度的二分之一（不良围岩不大于1.25m）锚杆：一般与周边垂直，能找到主结构面应尽量与之垂直。8S喷混凝土力学指标：（0.5MPa）2/cmkg2/cmkg标号≥C20抗拉强度≥15抗渗指标≥黏结强度≥5（1.5MPa）§2.锚喷支护设计②选定适宜的支护时间T（时间）rr径向位移KA3232iPiAP4#5#ArAroroTKT支护抗力最小点围岩变形大则作用在支护上的压力愈小3—3线表明比2—2线支护结构的刚度大，则稳定平衡时传到支护上的压力也越大。稳定围岩所要的支护抗力适宜支护时间围岩与支护共同作用下的变形曲线§2.锚喷支护设计7.锚喷支护的设计简介2.理论计算法理论计算设计法是在测得岩体和支护参数的前提下，根据围岩力学特征建立力学模型，通过计算确定支护参数的方法。力学关系为：在支护阻力PI作用下，保证围岩不致于失稳的允许周边位移[u]与支护的变形相等，即寻求一个最佳共同工作点，及最佳共同工作状态下的支护阻力P和相应的支护参数。数学表达式为：[u]=F（PE）=f（PE）§2.锚喷支护设计σAσrPIP0λP0PIσrσA围岩—支护共同作用力学模型§2.锚喷支护设计3.现场监控法现场监控法又称信息设计法，是新近发展起来的一种以现场量测为手段，以量测信息为设计依据，来确定支护参数、支护时机、施工方法的设计方法。它一边进行各种量测，一边把量测结果反馈到设计施工中，使得支护的设计和施工更符合或接近现场实际，也能够适应多变的地质条件和各种施工条件，因而比工程类比法和理论设计法更实用可靠。但这种方法经验性很强，受量测地段的选择、数据的处理、量测技术水平、施工条件等多因素的影响，使得其推广受到一些阻碍。§2.锚喷支护设计下沉量拱顶挂钩钢尺精密水准仪基准点因瓦水准尺AA'P'B'BP拱顶下沉量测§2.锚喷支护设计§2.锚喷支护设计位置10-2210-2210-2210-2210-2210-2310-2310-2310-2310-2310-2410-2410-2410-2410-2411-1011-1011-1011-1011-1011-1411-1411-1411-1411-1411-1511-1511-1511-1511-1511-1611-1611-1611-1611-1611-1711-1711-1711-1711-1711-1811-1811-1811-1811-1811-1911-1911-1911-1911-1911-2311-2311-2