地下建筑結(jié)構(gòu)9

會計學1地下建筑結(jié)構(gòu)9要點：盡可能不擾動周邊圍巖，開挖之后及時進行一次支護，然后視需要進行二次支護。支護都是柔性的，以適應圍巖的變形。目前采用經(jīng)驗統(tǒng)計類比的方法做預設計，再在施工過程中不斷監(jiān)測圍巖的應力、應變狀況，按其發(fā)展規(guī)律來調(diào)整支護措施。9.1概述第2頁/共76頁第1頁/共76頁適用條件及要求深埋、淺埋、中等埋深均可；勘測、設計、施工、控制各環(huán)節(jié)密切配合；盡可能地發(fā)揮圍巖的自承作用，采用控制爆破（光面爆破、預裂爆破）。9.1概述第3頁/共76頁第2頁/共76頁新奧法的優(yōu)點（1）經(jīng)濟、快速。若以面積A為100，設計襯砌量B和超挖量的面積C?？梢钥闯?，由于采用控制爆破、柔性薄襯砌，新奧法的開挖量為老方法的73％（110/151），襯砌量為老方法的20％。此外，還可省去全部木模和40％以上的混凝土，降低支護成本30％以上2）安全、適應性強第4頁/共76頁第3頁/共76頁

表8-1老方法與新奧法工程量對比老方法新奧法有效使用面積A100100混凝土襯砌面積B367超挖面積C153B+C51109.1概述第5頁/共76頁第4頁/共76頁新奧法的主要原則（1）圍巖是洞室的主要承載結(jié)構(gòu)，而不是單純的荷載，它具有一定的自承能力。（2）盡量保持圍巖原有的結(jié)構(gòu)和強度；（3）盡可能作到適時支護。（4）支護本身應具有薄、柔、與圍巖密貼和早強等特性，支護施工應及時快速，使圍巖盡快封閉而處于三向受力狀態(tài)。（5）洞室盡可能為圓形斷面，或由光滑曲線連接而形成的斷面，以避免應力集中。（6）良好的施工組織和施工人員的良好素質(zhì)對洞室結(jié)構(gòu)施工的安全、經(jīng)濟非常重要。第6頁/共76頁第5頁/共76頁錨噴支護錨噴支護（ShotcreteandBolting）是采用噴射混凝土、鋼筋網(wǎng)噴射混凝土、錨桿噴射混凝土或錨桿鋼筋網(wǎng)噴射混凝土等在毛洞開挖后及時地對地層進行加固的結(jié)構(gòu)。9.1概述第7頁/共76頁第6頁/共76頁錨噴支護的優(yōu)點節(jié)省、加快施工進度；符合巖體力學原理的積極支護方法；柔性好，它能與圍巖變形一致，從而與之構(gòu)成一個共同工作的承載體系；錨噴支護技術(shù)不再把圍巖僅僅視作荷載（松散壓力），同時還把它視為承載結(jié)構(gòu)的組成部分。錨噴支護結(jié)構(gòu)承受荷載的性質(zhì)為圍巖的形變壓力。第8頁/共76頁第7頁/共76頁錨噴支護的適用條件及要求配合光面爆破等控制爆破技術(shù)，使開挖斷面輪廓平整、準確，便于錨噴成型，并減少回彈量；減輕爆破對圍巖的松動破壞，維持圍巖強度和自承能力。第9頁/共76頁第8頁/共76頁新奧法與錨噴支護不能將新奧法等同于錨噴支護；

既有密切聯(lián)系又有原則區(qū)別；錨噴支護的快速有效的支護施工手段，才有可能使新奧法的基本原則得以實現(xiàn)。不把圍巖看成自承結(jié)構(gòu)，不充分發(fā)揮圍巖本身的作用，即使大量采用錨噴支護，也不能認為是應用了新奧法。第10頁/共76頁第9頁/共76頁9.2隧道圍巖壓力的確定9.2.1圍巖壓力開挖隧道使圍巖原有的平衡狀態(tài)破壞了，對隧道周圍一定范圍內(nèi)的圍巖產(chǎn)生了不同程度的擾動。支護結(jié)構(gòu)要阻止圍巖的移動、變形，支護結(jié)構(gòu)就必然要受到圍巖所施加的力，即圍巖壓力。第11頁/共76頁第10頁/共76頁初始應力平衡狀態(tài)下的三向應力：第12頁/共76頁第11頁/共76頁隧道開挖前后的變化硬巖及軟巖在隧道開挖后應力重新分布范圍的大小與地質(zhì)條件有關(guān)，一般為隧道開挖跨度的0.5~2.5倍。第13頁/共76頁第12頁/共76頁在堅硬、完整巖體中，由于巖體強度高，影響范圍小，巖體能承受周邊急劇增大的應力，可使隧道保持穩(wěn)定，一般只有彈性變形而不會破壞；而在松軟、破碎巖體中，由于巖體不能承受增大的應力，在一定范圍內(nèi)的巖石就要松動、破壞并向隧道內(nèi)坍塌。圍巖壓力類型有垂直壓力、側(cè)壓力和底壓力，第14頁/共76頁第13頁/共76頁9.2.2隧道圍巖壓力的確定1）深埋隧道圍巖壓力的確定i——為每增減1m時的圍巖壓力增減率。以B＝5.0m的圍巖垂直均布壓力為準，當B<5.0m時，取i＝0.2；當B＝5.0—15.0m時，取i＝0.1。第15頁/共76頁第14頁/共76頁圍巖類別sVI:呈巨塊狀整體結(jié)構(gòu)硬質(zhì)巖石,Rb>60MPaV:呈大塊狀砌體結(jié)構(gòu)硬質(zhì)巖石,Rb>30MPaIV:呈塊（石）碎（石）狀鑲嵌結(jié)構(gòu)III:略具壓密或成巖作用的粘性土、砂性土II:濕的一般碎、卵石土，圓礫、角礫土及黃土I：軟塑狀粘性土及潮濕的粉細砂等第16頁/共76頁第15頁/共76頁表9-3各類圍巖的重度圍巖類別ⅥⅤⅣⅢⅡⅠ(kN/m3)25.5~27.424.5~26.522.5~24.518.6~21.616.7~19.614.7~16.7注：對Ⅲ類圍巖的老黃土采用16.7~17.6kN/m3；對Ⅱ類圍巖的新黃土采用14.7kN/m3。第17頁/共76頁第16頁/共76頁表9-4圍巖水平均布壓力e圍巖類別Ⅵ、ⅤⅣⅢⅡⅠe0<0.15q(0.15~0.3)q(0.3~0.5)q(0.5~1.0)q第18頁/共76頁第17頁/共76頁必須同時具備下列條件：（1）H/B<1.7，H為隧道開挖高度，B為隧道開挖寬度。（2）不產(chǎn)生膨脹力的圍巖及偏壓不顯著的隧道；（3）采用鉆爆法施工的隧道。第19頁/共76頁第18頁/共76頁2）淺埋隧道圍巖壓力的確定按荷載等效高度的判定式為：在新奧法施工的條件下，Ⅰ~Ⅲ類圍巖取，Ⅳ~Ⅵ類圍巖。第20頁/共76頁第19頁/共76頁（1）埋深H小于或等于荷載等效高度hq圍巖壓力完全由上覆巖（土）柱的重力產(chǎn)生，視為均布時，垂直壓力和水平壓力為：第21頁/共76頁第20頁/共76頁（2）埋深H大于hq、小于Hp在這種情況下，隧道上覆土體下滑時要考慮滑面阻力的影響，否則計算出的壓力值過大。第22頁/共76頁第21頁/共76頁（2）埋深H大于hq、小于HpEFHG巖（土）體下沉，帶動兩側(cè)三棱土體（如圖中FDB及ECA）下沉受到阻力T，整個土體ABDC下沉時，又要受到未擾動巖（土）體的阻力F；AC或BD表示假定的破裂面與水平成角；第23頁/共76頁第22頁/共76頁T未知三棱體ECA中，受到三個力：TFW運用正弦定理：第24頁/共76頁第23頁/共76頁極限狀態(tài)下可以求得

破裂面的夾角總垂直壓力：簡化為：

第25頁/共76頁第24頁/共76頁豎向均布荷載和水平側(cè)壓力第26頁/共76頁第25頁/共76頁9.3錨噴支護結(jié)構(gòu)9.3.1錨噴支護的設計步驟5個步驟進行：（1）調(diào)查地質(zhì)和水文地質(zhì)情況，分析圍巖的穩(wěn)定條件；（2）用工程類比方法選擇支護類型及設計參數(shù)，對錨噴支護進行受力分析和結(jié)構(gòu)計算，并提出施工注意事項；（3）支護施工中，嚴密監(jiān)測地質(zhì)情況的變化，及時修改設計參數(shù)，變更施工工序；（4）支護完成后，分析隧道的穩(wěn)定狀況，對其長期穩(wěn)定性作出評價。必要時，可對支護變形和應力進行量測，包括施工階段的監(jiān)測；（5）總結(jié)經(jīng)驗，改進設計與施工。掌握巖體變形、坍塌的規(guī)律之后，在恰當?shù)臅r間，采用適當?shù)霓k法進行支護。第27頁/共76頁第26頁/共76頁9.3.2錨噴支護的受力分析和結(jié)構(gòu)計算影響因素比較復雜,多種計算方法,尚處于半經(jīng)驗半理論階段.錨桿支護結(jié)構(gòu)；噴射混凝土支護；第28頁/共76頁第27頁/共76頁1）錨桿支護結(jié)構(gòu)①全長粘結(jié)型錨桿：普通水泥砂漿錨桿、早強水泥砂漿錨桿、樹脂卷錨桿和水泥卷錨桿；②端頭錨固型錨桿；機械錨固錨桿、樹脂錨固錨桿、快硬水泥卷錨固錨桿；

③摩擦型錨桿；縫管錨桿、楔管錨桿、水脹錨桿；④預應力錨桿；⑤自鉆式錨桿。第29頁/共76頁第28頁/共76頁（1）錨桿的設計計算①錨桿的軸向拉力標準值、設計值第30頁/共76頁第29頁/共76頁②錨桿鋼筋截面面積錨桿抗拉工作條件系數(shù)，永久性錨桿取0.69，臨時性錨桿取0.92；③錨桿錨固體與地層的錨固長度第31頁/共76頁第30頁/共76頁④錨桿鋼筋與錨固砂漿之間的錨固長度

——鋼筋與錨固砂漿之間的粘結(jié)強度設計值（kPa），應由試驗確定，當缺乏試驗資料時可按表4-9取值；

——鋼筋與砂漿粘結(jié)強度工作條件系數(shù)，對永久性錨桿取0.60，對臨時性錨桿取0.72。第32頁/共76頁第31頁/共76頁錨桿支護可以根據(jù)不同圍巖的巖層產(chǎn)狀和穩(wěn)定狀況靈活進行。其作用原理主要有聯(lián)結(jié)作用、組合作用和整體加固作用。

第33頁/共76頁第32頁/共76頁（2）錨桿的聯(lián)結(jié)作用用錨桿將它們聯(lián)合起來，并將錨桿盡可能深入到穩(wěn)定的巖層中，考慮錨桿承擔全部不穩(wěn)定巖塊的重量。①錨桿承載力計算第34頁/共76頁第33頁/共76頁《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》（GB50330—2002）規(guī)定：用錨桿加固局部不穩(wěn)定塊體時，錨桿抗力應滿足下列要求：a.加固受拉破壞的不穩(wěn)定危巖塊體，錨桿抗拉承載力應滿足：b.加固受剪破壞的不穩(wěn)定危巖塊體，錨桿抗剪承載力應滿足：第35頁/共76頁第34頁/共76頁②構(gòu)造土層錨桿的錨固段長度不應小于4m，且不宜大于10m；巖石錨桿的錨固段長度不應小于3m，且不宜大于45D（D為錨固體直徑）和6.5m，或55D和8m（對預應力錨索）；第36頁/共76頁第35頁/共76頁（3）錨桿的組合作用錨桿的組合作用是依靠錨桿將數(shù)層薄層的巖層組合在一起，形成組合拱或組合梁，以提高巖層整體的抗剪、抗彎的能力。第37頁/共76頁第36頁/共76頁錨桿提供的抗剪力、抗拉力，以及錨桿的錨固力使將要滑動的巖塊得以穩(wěn)定，阻止層面的互相錯動。錨桿應按與巖層層面垂直的方向設置。如對錨桿施加預應力，可提高其支護效果。第38頁/共76頁第37頁/共76頁（4）錨桿的整體加固作用通過有規(guī)律布置的一系列錨桿，將鄰近的巖體聯(lián)結(jié)在一起，能阻止不穩(wěn)定巖石的滑移，促使巖石之間的間隙面壓緊，同時使隧道四周一定范圍內(nèi)的圍巖組成一個承載環(huán)。由于錨桿支護力的作用，壓縮帶獲得徑向支護力，使壓縮帶中的巖體處在三向受壓狀態(tài)。第39頁/共76頁第38頁/共76頁

砂漿錨桿的加固作用砂漿錨桿的承載力可用下式表示第40頁/共76頁第39頁/共76頁當圍巖產(chǎn)生位移時，錨桿單位長度上的承載力Ps/L1與的合力阻止圍巖位移的發(fā)展，產(chǎn)生支護力，并使在錨桿間的圍巖產(chǎn)生壓縮和成拱作用，提高了圍巖強度并縮小了圍巖的承載跨度（等于錨桿間距），從而達到穩(wěn)定和加固圍巖的目的。第41頁/共76頁第40頁/共76頁2）噴射混凝土支護結(jié)構(gòu)兩個方面起支護作用：（1）局部穩(wěn)定原理（2）整體穩(wěn)定原理噴射混凝土的設計強度等級不應低于C20；噴射混凝土1d齡期的抗壓強度不應低于5MPa。第42頁/共76頁第41頁/共76頁（1）局部穩(wěn)定原理噴射混凝土支護結(jié)構(gòu)及時封閉巖層表面的節(jié)理、裂隙，填平或緩和表面的凹凸不平，使隧道內(nèi)的輪廓較為平順，從而提高圍巖節(jié)理、裂隙間的粘結(jié)力、摩阻力和抗剪強度，并減少應力集中現(xiàn)象。噴射混凝土關(guān)鍵是控制冠石，此時，噴射混凝土需能承受冠石的重量。第43頁/共76頁第42頁/共76頁噴層對局部不穩(wěn)定危巖塊體的抗拉承載力應按下式驗算（沖切）

——噴層工作條件系數(shù)，取0.6；

ft——噴射混凝土抗拉強度設計值（kPa）；h——噴層厚度ur——不穩(wěn)定危巖塊體出露面的周邊長度a）按沖切破壞計算；b）按撕開破壞計算第44頁/共76頁第43頁/共76頁整體穩(wěn)定原理噴射混凝土與圍巖表面緊密貼合，形成組合結(jié)構(gòu)共同工作。一方面在與圍巖共同承載和變形過程中對圍巖提供支護力，使圍巖變形得到控制，應力得以調(diào)整；另一方面承受來自圍巖變形引起的形變壓力，從而使圍巖保持穩(wěn)定。第45頁/共76頁第44頁/共76頁3）新奧法中錨噴聯(lián)合支護的應用

（1）新奧法與錨噴支護

較好的圍巖（如Ⅳ類以上圍巖），可以噴射混凝土為主，錨桿加固以輔；較差的圍巖，則以錨桿，尤其是預應力錨桿作為主要的巖體加固手段，并與噴射混凝土、鋼筋網(wǎng)噴射混凝土或加鋼拱的鋼筋網(wǎng)噴射混凝土配合使用。第46頁/共76頁第45頁/共76頁施工步驟新奧法以及時的錨噴作為臨時支護，稱為第一次襯砌。第一次襯砌可以起到穩(wěn)定圍巖，控制圍巖應力和變形，防止圍巖松馳、坍塌等作用。待其基本穩(wěn)定后，再加做模注混凝土二次襯砌。原來的臨時支護（錨噴支護）成為永久襯砌的一個組成部分。二次襯砌基本上不承受荷載或承受很小的荷載，主要是為了滿足隧道結(jié)構(gòu)物的安全、耐久、防水和飾面等的需要。第47頁/共76頁第46頁/共76頁（2）新奧法中支護與圍巖共同作用的力學原理支護結(jié)構(gòu)的設計原理是圍巖和柔性支護共同變形、破壞的彈塑性理論。①圍巖為均質(zhì)、各向同性的連續(xù)彈塑性體，巖體在塑性變形、剪切破壞后仍有殘余強度；②隧道初始應力場為自重應力場，側(cè)壓力系數(shù)1；③隧道斷面形狀為圓形；④在一定的埋深條件下，將隧道看作無限體中的孔洞問題。第48頁/共76頁第47頁/共76頁“莫爾-庫倫”準則作為“塑性判據(jù)”

第49頁/共76頁第48頁/共76頁

圍巖的彈塑性狀態(tài)1—彈塑性狀態(tài)應力分布曲線；2—彈性狀態(tài)應力分布曲線第50頁/共76頁第49頁/共76頁彈性區(qū)中任一點的應力為

——彈性區(qū)中任一點的徑向應力；

——彈性區(qū)中任一點的切向應力；

r——彈性區(qū)中任一點到隧道中心的徑向距離。P0－－原巖應力第51頁/共76頁第50頁/共76頁塑性區(qū)中任一點的應力公式為

塑性區(qū)中靠近隧道內(nèi)緣的應力，因滿足塑性條件而相對減小，成為“應力降低區(qū)”，而最大的應力發(fā)生在圍巖中塑性區(qū)與彈性區(qū)的交界面上。第52頁/共76頁第51頁/共76頁在彈性區(qū)與塑性區(qū)的交界面上（r=R處）令兩式分別相等，整理后可得：支護力pi越小，則圍巖中出現(xiàn)的塑性區(qū)半徑R越大；圍巖中出現(xiàn)的塑性區(qū)半徑R越大，則圍巖對支護的形變壓力pa（與支護力pi相平衡）越小。

第53頁/共76頁第52頁/共76頁巖體的原巖應力p0越大，則塑性半徑R就越大。p0反映圍巖強度性質(zhì)的兩個指標，即粘聚力c和內(nèi)摩擦角越小，巖體強度越低，則塑性半徑R就越大。新奧法柔性支護理論的出發(fā)點，是設計、施工中采取支護措施時要積極利用的，以便使支護受到盡可能小的形變壓力。第54頁/共76頁第53頁/共76頁隧道周邊的徑向位移u

隧道周邊徑向位移u的大小，主要取決于支護力pi。當pi減小時，u增大；反之，u減小。圍巖位移曲線第55頁/共76頁第54頁/共76頁

圍巖位移、支護特性曲線第56頁/共76頁第55頁/共76頁①隧道開挖后，若支護非?？?，且支護剛度又很大，隧道周邊圍巖沒有變形或變形很小，圖中A點取得平衡，支護需提供很大支護力pmax；圍巖僅負擔產(chǎn)生彈性變形u0的壓力；假如平衡位置由A點移至C點、E點，則形變壓力由pmax減至、。第57頁/共76頁第56頁/共76頁②若隧道開挖后不加支護，或支護很不及時，即允許圍巖自由變形。表現(xiàn)為曲線DB。這時，隧道周邊位移達到最大值umax，形變壓力pa很小或接近于零。圍巖已經(jīng)出現(xiàn)松馳、坍塌，圍巖對支護的壓力就是松散壓力，只能按傳統(tǒng)施工方法施作模注混凝土襯砌。第58頁/共76頁第57頁/共76頁③較佳的支護工作點應當在D點以左附近，如圖中E點。在該點上，圍巖既可產(chǎn)生較大的變形，以較多地分擔巖體壓力（），而由支護分擔的形變壓力較?。ǎ坏?9頁/共76頁第58頁/共76頁最重要的便是如何掌握好施作時間（以圍巖的變形來判斷）和支護剛度k（支護特性曲線的斜率）。兩次支護：首先在隧道開挖后，及時地進行初期支護和封閉；通過對圍巖變形的監(jiān)測，掌握隧道周邊圍巖和支護的變形情況，待變形基本趨于穩(wěn)定時，即達到圖中i點附近時，再進行第二次支護。第60頁/共76頁第59頁/共76頁如作內(nèi)層二次襯砌，所承受的形變壓力就更小，或為零。通過上述兩次支護的手段，便可以達到支護襯砌結(jié)構(gòu)的合理、經(jīng)濟、安全的目的。第61頁/共76頁第60頁/共76頁（3）新奧法錨噴支護的結(jié)構(gòu)計算和支護監(jiān)控新奧法支護設計的主要方法有：a.以工程類比為基礎的經(jīng)驗法；b.以現(xiàn)場測量為基礎的監(jiān)控法；c.以理論分析為基礎的計算法；d.以上3種方法相結(jié)合的綜合法。第62頁/共76頁第61頁/共76頁新奧法錨噴柔性支護中，支護和圍巖緊密貼合，共同工作，支護和圍巖發(fā)生的破壞主要為剪切破壞。其穩(wěn)定的喪失常常是由圍巖中產(chǎn)生塑性剪切滑移楔體開始的。而錨噴支護則和其加固的巖體承載環(huán)三者的聯(lián)合作用所提供的支護力pi來阻止圍巖中剪切楔體沿滑動面向隧道位移。第63頁/共76頁第62頁/共76頁剪切滑動面曲線方程新奧法中錨噴支護的結(jié)構(gòu)計算是按錨噴支護對隧道圍巖的加固作用和支護作用進行計算。隧道側(cè)壁巖體的滑移面,以極坐標表示，該曲線的方程為第64頁/共76頁第63頁/共76頁莫爾應力圓與莫爾滑動包絡線第65頁/共76頁第64頁/共76頁

錨桿、噴層和巖體的聯(lián)合作用第66頁/共76頁第65頁/共76頁支護力的構(gòu)成①沿噴層A處剪切面的抗剪阻力，即噴層給剪切體的水平推力②噴層內(nèi)如設有鋼筋網(wǎng)（或鋼拱支撐），噴層將增加抗剪支護力③錨桿所提供的支護力計算④支護結(jié)構(gòu)所提供的支護力⑤巖體