第5章地下工程支护结构类型及参数设计126页

地下工程主讲：骆建军本课程主要内容：第一章：绪论（1讲）第二章：地下工程环境及围岩分级（2讲）第三章：地下工程主体规划与结构设计（3讲）第四章：地下结构计算理论（2讲）第五章：地下工程支护参数设计（2讲）第六章：地下工程防排水设计（1讲）第七章：地下工程降水（1讲）第八章：地下工程施工方法（3讲）第九章：地下工程施工监控量测(1讲）第一节地下工程结构体系概述地下工程的结构体系是由围岩和支护结构共同组成的。其中围岩是主要的承载元素，支护结构是辅助性的，但通常也是必不可少的，在某些情况下，支护结构主要起承载作用。这就是按现代岩石力学原则设计支护结构的基本出发点。(一）概述第五章地下工程支护结构类型和参数设计地下工程（如隧道）开挖前岩体处于初始应力状态，谓之一次应力状态；开挖后引起了围岩应力的重分布，同时围岩将产生向地下工程内的位移，形成了新的应力场，称之为围岩的二次应力状态，这种状态受到开挖方式(爆破、非爆破)和方法(全断面开挖、分部开挖等)的强烈影响。如果隧道围岩不能保持长期稳定，就必须设置支护结构，从隧道内部对围岩施加约束，控制围岩变形，改善围岩的应力状态，促使其稳定，这就是三次应力状态。显然这种状态与支护结构类型、方法以及施设时间等有关。三次应力状态满足稳定要求后就会形成一个稳定的洞室结构，这样，这个力学过程才告结束。第五章地下工程支护结构类型和参数设计要进行支护结构设计，就必须充分认识和了解以下五方面的问题：围岩的初始应力状态，或称一次应力状态,这部分内容已在前面章节中作了介绍；开挖隧道后围岩的二次应力状态和位移场；判断围岩二次应力状态和位移场是否符合稳定性条件即围岩稳定性准则。一般可表示为：式中、是根据围岩的物理力学特性所确定的某些特定指标。022u0,0,2212RuFRf、1R2R第五章地下工程支护结构类型和参数设计设置支护结构后围岩的应力状态，亦称围岩的三次应力状态和位移场以及支护结构的内力和位移。判断支护结构安全度的准则，一般可写成：式中的、是支护结构材料的物理力学参数。33uM0,0,2211KFKMf1K2K第五章地下工程支护结构类型和参数设计（二）围岩的二次应力场和位移场（1）隧道开挖后的弹性二次应力状态及位移状态计算围岩的二次应力场和位移场，首先推算隧道开挖前围岩的初始应力状态，以及与之相适应的位移场。隧道开挖后，因其周边上的径向应力和剪应力都为零，故可向具有初始应力的围岩，在隧道周边上反方向施加与初始应力相等的释放应力。用弹性力学方法计算带有孔洞的无限平面在释放应力作用下的应力和位移。而真实的围岩二次应力场及位移场为：00un11u12102uu模拟隧道开挖所经历的力学过程可以用下图表示。第五章地下工程支护结构类型和参数设计AB00(a)BA0x0{},{u}00n11{},{u}112{}={}+{}201{u}={u}21r2(b)(c)(d)zn隧道开挖所经历的力学过程模拟第五章地下工程支护结构类型和参数设计对于自重应力场中的深埋隧道（不考虑构造应力场及其他应力场），常常将它的围岩初始应力场简化为常量场，也就是假定围岩的初始应力到处都是一样。并取其等于隧道中心点的自重应力，即式中为隧道中心点的埋深，以m计，是围岩的侧压力系数，无量纲。zxczHcH第五章地下工程支护结构类型和参数设计根据弹性力学原理，这个问题的求解还可以简化为不考虑体积力的形式，而用在有孔无限平面(无重的)无穷远边界上作用有垂直均布荷载和水平荷载的形式来代替，如左图所示。Zr0rAXCHHC力学模型由此而引起的计算误差在洞周上是不大的，并随着隧道埋深的增加而减少。当埋深超过10倍洞径时，其误差可以忽略不计。第五章地下工程支护结构类型和参数设计（2）隧道开挖后形成塑性区的二次应力状态及位移状态塑性应力区域是由于多数围岩具有塑性这一性质而造成的。塑性就是指围岩在应力超过一定值后产生塑性变形的性质。此时，应力即使不增加，变形仍继续。当围岩内应力超过围岩的抗压强度后，围岩发生塑性变形并迫使塑性变形的围岩向隧道内滑移。塑性区的围岩因变得松弛，其物理力学性质也发生变化。第五章地下工程支护结构类型和参数设计（3）无支护地下工程围岩稳定性及其破坏地下工程围岩稳定性是指地下工程（如隧道）围岩在开挖过程中，在不设任何支护情况下所具有的稳定程度。无支护地下工程围岩的失稳破坏有三种形式：▲由于破碎围岩的自重作用，超过了它们脱离岩体的阻力而多在顶部、较少在侧壁处造成局部崩塌；第五章地下工程支护结构类型和参数设计▲由围岩应力重分布所造成的应力集中区域内的围岩强度破坏而形成的崩塌。一般发生在脆性岩体中，且在多数情况下，岩体破坏从坑道侧壁开始，同时岩体的破坏和位移也可能发生在顶部和底部；▲在塑性围岩中，稳定的丧失是由于塑性变形的结果，岩体产生了过度的位移，但无明显的破坏迹象。第五章地下工程支护结构类型和参数设计三、地下工程围岩与支护结构的共同作用（1）收敛和约束的概念开挖地下工程时，由于临空面的形成，围岩开始向洞内产生位移，这种位移我们称之为收敛。若围岩强度高，整体性好、断面形状有利，围岩的变形到一定程度，就将自行停止，围岩是稳定的。反之，岩体的变形将自由地发展下去，最终导致地下工程围岩整体失稳而破坏。在这种情况下，应在开挖后适时地沿地下工程周边设置支护结构，对岩体的移动产生阻力，形成约束。第五章地下工程支护结构类型和参数设计（1）收敛和约束的概念相应地支护结构也将承受围岩所给予的反力，并产生变形。如果支护结构有一定的强度和刚度，这种隧道围岩和支护结构的相互作用会一直延续到支护所提供的阻力与围岩应力之间达到平衡为止，从而形成一个力学上稳定的隧道结构体系。这时的隧道围岩应力状态称为三次应力状态。（2）地下工程围岩支护后的围岩应力状态及位移状态隧道开挖后，围岩应力状态出现两种情况：第五章地下工程支护结构类型和参数设计一种是开挖后的二次应力状态仍然是弹性的，隧道围岩除因爆破、地质状态、施工方法等原因可能引起稍许松弛掉块外，是稳定的，在这种情况下，坑道是稳定的，原则上无需支护，即使支护也是防护性的，支护方法一般可采用喷浆或者喷射混凝土；另一种是开挖后隧道围岩产生一定范围的塑性区，此时应采用承载型的支护结构，以维护坑道的稳定。地下工程围岩支护后，相当于在围岩周边施加了一个阻止隧道围岩变形的支护阻力(抗力)，从而也改变了围岩的二次应力状态。支护阻力的大小和方向对围岩的应力状态有着很大的影响。第五章地下工程支护结构类型和参数设计（3）围岩特性曲线（支护需求曲线）支护阻力与隧道洞壁位移的关系曲线如下图所示。aPau这条曲线形象的表达了支护结构与隧道围岩之间的相互作用：在极限位移范围内，围岩允许的位移大了，所需的支护阻力就小，而应力重分布所引起的后果大部分由围岩所承担；围岩允许的位移小了，所需的支护阻力就大，围岩的承载能力就得不到充分的发挥。第五章地下工程支护结构类型和参数设计形变压力松散压力a弹塑性分界PPa,maxulimuaa,minPa,maxu围岩特性曲线第五章地下工程支护结构类型和参数设计由围岩的支护需求曲线可知，只要在洞周达到极限位移之前，围岩与支护结构可以形成稳定的支护体系，这时支护上承受的是变形压力。如果洞周已经达到极限位移，围岩已经松弛坍塌，这时再支护的话，就承担的是松动压力。松动Pr=Pr（u）P0底板(b)边墙拱顶Ps=Ps（u）u0P1P032(a)塑性弹性Pu（t）围岩特征线Pr=Pr（u）=Prt（t）支护特征线Ps=Ps（u）=Pst（t）u（t）地层特征线与支护特征线（4）支护特性曲线(支护补给曲线)以圆形隧道为研究对象，并假定围岩给支护结构的反力也是径向匀布的。因此，这还是一个轴对称问题。相对于围岩的力学特性而言，混凝土或钢支护结构的力学特性可以认为是线弹性的，也就是说作用在支护结构上的径向均布压力是和它的径向位移成线性关系，即式中的定义为支护结构的刚度。aP0uua0uuKPasasK第五章地下工程支护结构类型和参数设计aPua锚喷联合支护喷混凝土支护锚杆支护支护特性曲线对于几种支护结构型式，其支护特性曲线如下图所示。第五章地下工程支护结构类型和参数设计（5）围岩与支护结构准静力平衡状态的建立（三次应力场）如果支护结构有足够的强度和刚度，则围岩的支护需求曲线和支护结构的支护补给曲线会相交一点，而达到平衡，这个交点都应在或之前。随着时间的推移，地下水位逐渐恢复，围岩物性指标恶化，锚杆锈蚀等等，这个平衡状态还将调整。limumaxu第五章地下工程支护结构类型和参数设计a弹塑性分界Pua围岩和支护结构的相互作用1.不同刚度的支护结构与围岩达成平衡时的和是不同的。2.同样刚度的支护结构，由于架设的时间不同，最后达成平衡的状态也是不同的。aPau第五章地下工程支护结构类型和参数设计三、支护结构补给曲线（支护特性曲线）作用在支护结构上的径向匀布压力Pa是和它的径向位移us成线性关系，即：0ruKPssa支护刚度：不同的支护结构有不同的支护刚度。（1）混凝土或喷射混凝土当喷层厚度ds较小时（ds=0.04r0），采用薄壁圆筒计算公式：可提供的最大支护阻力为：Ec、fc—混凝土的弹性模量和抗压强度。当喷层厚度ds0.04r0），采用厚壁圆筒计算公式：)1(20csccrdEK0maxrdfPsca])21)[(1()(212002120rrrrrEKcceaBssssrldEK024锚杆支护：组合式支护结构：喷射混凝土和钢锚杆联合支护时，组合支护刚度为：（2）灌浆锚杆灌浆锚杆对围岩变形的支护抗力是通过锚杆与胶结材料之间的剪应力传递的，约束能力与灌浆的质量有关。一般通过锚杆的拉拔试验得到的荷载与位移的关系来确定。pamax—最大轴力，可由下列情况中最小值决定。lpAEuabcormaxmax210量测表明：锚杆的粘结力沿其长度是非均匀分布的。轴力最大值分布在锚杆长度的1/2处左右，假定为三角形分布。锚杆的最大位移可表达为：灌浆锚杆轴力、剪应力及位移分布概念：支护所受的压力及变形，来自于围岩在自身平衡过程中的变形对支护结构的作用。因此，围岩性态及其变化状态对支护的作用有重要影响。另一方面，支护以自己的刚度和强度抑制岩体变形和破裂的进一步发展，而这一过程同样也影响支护自身的受力。于是，围岩与支护形成一种共同体；共同体两方面的耦合作用和互为影响的情况称为围岩-支护共同作用。四、围岩与支护结构的相互作用(1)不同刚度的支护结构与围岩达成平衡时的Pa和us是不同的。刚度大的支护结构承受较大的围岩压力，反之，柔性支护结构承受较小的围岩压力。(2)同样刚度的支护结构，架设的时间不同，最后达成平衡的状态也是不同的。支护结构架设越早，承受的压力就越大，但不能说架设越迟越好。①——锚杆支护曲线②、④——混凝土支护曲线③——组合结构支护曲线1、隧道结构体系对支护结构的基本要求（1）必须能与围岩大面积地牢固接触，使支护结构与围岩作为一个整体进行工作；（2）要允许地下结构体系能产生有限制的变形，以充分发挥围岩的承载能力而减少支护结构的作用，使两者更加协调地工作；（3）要能分期施工，并使早期支护和后期支护相互配合，“主动”控制围岩的变形；（4）作为支护结构还是要满足易于架设，构件可以互换，断面类型单一等施工技术上的要求。第二节支护结构的设计原则初始应力状态的围岩围岩的二次应力状态和位移场f≥0?,F≥0?支护结构的内力和位移f1≥0?,F1≥0?稳定的隧道结构体系开挖支护否是否是初始应力状态的围岩围岩的二次应力状态和位移场f≥0?,F≥0?支护结构的内力和位移f1≥0?,F1≥0?稳定的隧道结构体系开挖支护否是否是初步地质调查和室内岩石力学试验预设计支护结构和施工决策施工监测分析监测数据