第8章 噴錨支護

第8章噴錨支護結構概述圍巖分級工程類比法解析法施工信息反饋圍巖穩(wěn)定性的分析8.1概述概念：噴錨支護為由噴混凝土、錨桿、鋼筋網(wǎng)組成的噴錨聯(lián)合支護或噴錨網(wǎng)聯(lián)合支護特點：施工及時、與圍巖密貼和共同變形噴錨結構的設計方法噴錨結構的施工主要是運用新奧法施工原理8.2圍巖分級圍巖分級方法1.單因素巖石力學指標分級法2.因素綜合指標分級法3.定性與定量多因素指標相結合分級法4.組合指標函數(shù)法巖石強度或者彈性模量彈性波速度應用最廣今后發(fā)展的方向本教材圍巖分級《GB50086—2001錨桿噴射混凝土支護技術規(guī)范》圍巖分級依據(jù)（1）巖體基本質(zhì)量應由巖石堅硬程度和巖體完整程度兩個因素確定（2）巖石堅硬程度和巖體完整程度應采用定性劃分和定量指標兩種方法確定依據(jù)：《工程巖體分級標準》（GB50218-94）基本質(zhì)量級別巖體基本質(zhì)量的定性特征巖體基本質(zhì)量指標Ⅰ堅硬巖，巖體完整＞550Ⅱ堅硬巖，巖體較完整；較堅硬巖，巖體完整550~451Ⅲ堅硬巖，巖體較破碎；較堅硬巖或軟硬巖互層，巖體較完整；較軟巖，巖體完整450~351Ⅳ堅硬巖，巖體破碎；較堅硬巖，巖體較破碎~破碎；較軟巖或軟硬巖互層；且以軟巖為主，巖體較完整~較破碎；軟巖，巖體完整~較完整350~251Ⅴ較軟巖，巖體破碎；軟巖，巖體較破碎~破碎；全部極軟巖及全部極破碎巖＜250最終巖體基本質(zhì)量分級應根據(jù)巖體基本質(zhì)量的定性特征和巖體基本質(zhì)量指標（BQ）兩者相結合《錨桿噴射混凝土支護技術規(guī)范》（GB50086-2001）的圍巖分級吸取了《工程巖體分級標準》（GB50218）有關圍巖分級的內(nèi)容，在圍巖分級中主要考慮下述幾個分級指標：1.巖體的結構特征及其完整性2.巖體的物理力學性質(zhì)4.原巖應力的影響3.地下水的影響5.綜合指標巖體完整性指標用巖體完整性系數(shù)Kv表示，Kv可按下式計算：——隧洞巖體實測的縱波速度（km/s）；

——隧洞巖石實測的縱波速度（km/s）Jv與Kv對照表Jv（條/m3）<33~88~2020~25>25Kv>0.750.75~0.550.55~0.350.35~0.15<0.15當無條件進行聲波實測時，也可用巖體體積節(jié)理數(shù)Jv，按下表確定Kv值圍巖分級表8.3工程類比法概念：工程類比法是建立在研究大量工程的實踐經(jīng)驗、統(tǒng)計數(shù)字和觀測成果基礎上的，結合具體工程的地質(zhì)條件，在類比、分析、判斷的基礎上進行新的工程設計已建工程擬建工程設計步驟初步設計階段按噴錨規(guī)范的規(guī)定初步確定圍巖級別，初步選擇隧洞、斜井或豎井的錨噴支護類型和設計參數(shù)實測圍巖分級定量指標按附表Ⅰ的規(guī)定，詳細劃分圍巖級別，并修正初步設計施工設計階段隧洞和斜井的錨噴支護類型和設計參數(shù)表表中的支護類型和參數(shù)，是指隧洞和傾角小于30°的斜井的永久支護，包括初期支護與后期支護的類型和參數(shù)。對高度大于15.0m的側(cè)邊墻應進行穩(wěn)定性驗算。并根據(jù)驗算結果，確定錨噴支護參數(shù)8.4理論分析方法錨桿加固拱頂危巖的計算用錨桿加固拱頂局部危巖，一般按懸吊原理來確定錨桿參數(shù)。錨桿加固拱頂危巖Q—危巖沿裂隙AB對錨桿的剪力。N—由于危巖滑移在錨桿中產(chǎn)生的拉力。錨桿加固拱頂危巖的計算用錨桿加固拱頂局部危巖，一般按懸吊原理來確定錨桿參數(shù)。錨桿加固拱頂危巖Q—危巖沿裂隙AB對錨桿的剪力。N—由于危巖滑移在錨桿中產(chǎn)生的拉力。錨桿所需的截面積Ag—所需錨桿鋼筋的截面積；Rg—鋼筋抗拉設計強度；τg—鋼筋抗拉強度；K—安全系數(shù)，一般1.5~2.0。錨桿長度l—錨桿長度；l1—錨固長度；hy—加固長度；l2—外露長度。錨桿加固側(cè)壁危巖的計算錨桿加固側(cè)壁危巖沿滑裂面下滑力：抗滑力：考慮安全系數(shù)后，錨桿鋼筋所需截面積：錨桿整體加固設計原理和計算方法按懸吊設計原理的計算方法錨桿按懸吊原理的計算錨桿長度l錨桿的錨固長度l1按經(jīng)驗選取時，一般楔縫式砂漿錨桿可取30cm，螺紋鋼筋砂漿錨桿可取其直徑的20~30倍。根據(jù)砂漿與鋼筋的粘結力，使鋼筋發(fā)揮最大能力時，τm—砂漿與錨桿鋼筋的粘結力；dm—錨桿鋼筋直徑。砂漿錨桿有可能由于砂漿與孔壁巖石的粘結力不足而破壞，故錨固長度為：τm—砂漿與鉆孔壁巖石的粘結力；dm—砂漿錨桿鉆孔直徑。砂漿與巖石的粘結力參考值（砂漿標號為200~300時）巖石名稱粘結力（公斤/厘米2）巖石名稱粘結力（公斤/厘米2）大理巖赤鐵礦磁鐵礦花崗巖粘土質(zhì)頁巖3027252418輝綠巖石灰?guī)r凝灰?guī)r鋁礬土13252012錨桿的加固長度hy可按圍巖的荷載高度或用聲波等測試技術量測松動圈的辦法確定。按荷載高度取值時，hy=N0KL。錨桿的外露長度l2考慮設置墊板和鋼筋網(wǎng)等必須的，一般可取5~20cm，不應超過噴混凝土厚度。錨桿長度按上式計算后，還可考慮因洞室開挖輪廓線不平整而增加附加長度，一般為20cm。對大洞室的拱腳等處，錨桿應適當加長，可取拱頂錨桿的1.2倍。錨桿直徑、間距和布置錨桿的直徑與受力要求有關外，還與鉆孔直徑有密切關系。因鉆孔與錨桿鋼筋之間需留有一定的間隙，以使砂漿灌實，一般規(guī)定錨桿鋼筋直徑應比鉆孔直徑小16~20mm為宜，取18~25mm。錨桿的間距γ—圍巖容重；K—安全系數(shù)，取1.5~2.0。要求l/a≥2。錨桿的布置整體布置的錨桿在洞室表面上可布置成方格形或梅花形。方格形布置對綁扎鋼筋網(wǎng)較有利。梅花形布置時同一環(huán)或同一列的錨桿間距應為1.4a。錨桿在洞室橫剖面上的布置與洞室輪廓線形狀和巖層傾角有關。一般應垂直或接近垂直于洞室輪廓線或?qū)永砻妫襄^桿受力的有力方向。按組合拱設計原理的計算方法組合拱原理的計算錨桿長度應超過組合拱高度：K—安全系數(shù)，取1.2；hz—組合拱高度。組合拱跨度近似?。篖—毛洞跨度。組合拱假定為二端固定的等截面割圓拱，荷載按自重形式均布于拱軸上。單位長度上荷載為：h—荷載高度，h=N0KL；b—組合拱縱向?qū)挾?。f/l00.10.20.30.40.5乘數(shù)HnMnM0Q2.48480.001900.5141.20650.00580.00200.5520.77360.01380.00440.6140.54390.02200.00840.6920.40150.0380.01330.785QQl0Ql0ql0自重作用下二端固定等截面割圓拱內(nèi)力Q值為半個拱上的總荷載

f—矢高

l0—計算跨度。拱腳處徑向截面內(nèi)力：彎矩Mn直接由表查得。任意徑向截面之內(nèi)力為：當錨桿徑向布置時作裂縫強度校核徑向縫的強度校核設組合拱有一條徑向縫，與垂直線成φ角。假設剪力全由巖石承受，則應滿足：斜向縫的強度校核斜向縫計算設在組合拱某處有一條與該處共軸線成α角的斜向縫AB，該縫在拱軸處徑向截面上的剪力和軸力求法同前，合力為：合力與拱軸線夾角為：斜向縫AB上的剪力：斜向縫AB上的正壓力：斜向縫AB上巖石的抗剪力：斜向縫AB上錨桿的抗剪力：當斜向縫與合力在拱軸線的同一側(cè)時，上各式中用（α-β），否則用（α+β），因此斜向縫上強度：切向縫的強度校核Qφ—與垂直線成夾角φ截面處的剪力；b—組合拱縱向?qū)挾?；I—組合拱全部斷面的慣性矩；S—切向縫上組合拱的截面積對組合拱中和軸的靜力矩，當組合拱為矩形斷面時：噴混凝土結構的設計原理和計算方法局部加固原理和計算方法被節(jié)理裂隙切割形成的塊狀圍巖中，圍巖軟弱結構面的組合，對圍巖的變形和破壞起控制作用。常因一塊危巖的旋轉(zhuǎn)、錯動或掉落，而引起圍巖的失穩(wěn)。因此，用噴混凝土加固圍巖，這種觀點稱為局部加固原理或危巖原理。按抗沖切破壞計算噴混凝土厚度沖切破壞計算d0—按沖切破壞驗算的噴混凝土厚度；G—可能塌落的危巖重量；K—沖切強度設計安全系數(shù)，K=3；u—危巖與噴混凝土接觸面周長；Rl—噴混凝土的抗剪強度。按抗粘結破壞計算噴混凝土厚度粘結破壞計算把混凝土層作為彈性地基梁考慮，圍巖視作彈性地基，粘結力相當于彈性地基上的反力。由p引起的噴混凝土與巖面間的拉應力σ=ky，y為彈性地基上長梁在p作用下的變位：最大拉應力發(fā)生在x=0處，這時，M0=0，Q0=P，φ6=1，則：其中：最大拉應力公式為：為便于計算，簡化為：計算后采用的噴混凝土厚度不得小于5cm。組合拱設計原理和計算方法噴混凝土組合拱計算荷載以自重形式作用于該組合拱的拱軸線上：組合拱高度及計算跨度：徑向縫強度校核抗彎強度校核組合拱在任意徑向截面的偏心距及壓應力應滿足：當組合拱下邊緣出現(xiàn)拉應力時，還需校核噴混凝土的抗拉強度：[σa]y—巖石容許抗壓強度；[σa]h—噴混凝土容許抗壓強度；[σl]y—噴混凝土容許抗拉強度?？辜魪姸刃：私M合拱在任意徑向截面的抗剪強度應滿足：斜向縫強度校核斜向縫AB上的抗剪強度校核斜向縫AB上的抗拉強度校核式中：噴錨結構設計原理和計算方法錨桿噴混凝土聯(lián)合加固結構是將巖石、錨桿和噴混凝土三者視為一整體的組合結構，其設計原理和計算方法主要有三種。組合拱壓剪破壞懸吊錨噴結構可用受力分配的方法計算錨桿參數(shù)和噴混凝土厚度。即不穩(wěn)定大塊巖石或松動圍巖，主要由錨桿承受，錨桿間不穩(wěn)定巖石則由噴混凝土支撐。一、按懸吊設計原理的計算方法錨桿參數(shù)的計算主要采用鋼筋砂漿錨桿，參數(shù)仍按錨桿整體加固時的懸吊原理計算噴混凝土厚度的計算噴混凝土承受的最大重量取決于錨桿間距與圍巖性質(zhì)。當洞室為拱形時，則構成錨桿、噴混凝土、和巖石組合拱。二、按組合拱設計原理的計算方法錨桿長度的計算式中——安全系數(shù)，取1.2?！M合拱中巖石高度計算時假定組合拱切向縫的抗剪強度由錨桿提供，斜向縫的抗剪強度由巖石和噴混凝土提供徑向縫強度校核其荷載、高度、跨度和抗剪強度以及抗彎強度的計算方法與上一節(jié)噴混凝土結構計算方法一致。斜向縫抗剪強度校核當洞腰由于剪切而分割出楔形巖塊，并向著洞室內(nèi)部移動的破壞形式稱為壓剪破壞。按壓剪破壞原理的計算方法巖體在壓力作用下，當某一點的最大主應力與最小主應力之差的應力圓與摩爾滑動包絡線相切時，產(chǎn)生剪切滑動。假定巖體摩爾包絡線為直線，其內(nèi)摩擦角為，則不管多大，剪切角均為一定值：剪切滑動線上任意點的半徑為：剪切范圍高度為：噴混凝土的容許承載力：附加鋼材的容許承載力：設錨桿的間距為和，則錨桿擠壓巖體的平均壓力為：錨桿的容許承載力：其中為剪切滑動面長度在洞室表面的投影長度對于巖體本身承載力假設：則巖體的容許承載力，與剪切滑動面上的和的水平分力總和相平衡噴錨結構總的容許承載力為：噴錨結構承載力必須大于所需要的最小抗力：算例一地下洞室，開挖寬8m，高12m，頂部為割圓拱。圍巖為石英砂巖，屬穩(wěn)定性較差的Ⅴ級圍巖，重度為。采用16錳的螺紋鋼筋砂漿錨桿，。噴混凝土為C20，抗力設計強度為0.84MPa。鉆孔直徑38mm，砂漿與鋼筋的粘結力為3MPa，與鉆孔巖石粘結力2MPa。設計該洞室的噴錨結構?！窘狻垮^桿參數(shù)的計算錨桿長度：錨固長度：?。喝。簞t：采用2.5m。錨桿間距：?。簢娀炷梁穸扔嬎闳缛挝粚挾葹?.0m計算，則均布荷載為：彎矩：應力：所以：?。阂陨习磻业踉O計原理計算時，噴錨結構參數(shù)為：錨桿直徑20cm，長2.5m，間距1.2m，噴混凝土厚度12cm。8.5施工信息的反饋施工開挖前就能準確的確定各項支護參數(shù)以及最優(yōu)開挖支護方案，并非易事。施工信息反饋，即所謂的信息化設計是一種新的圍巖穩(wěn)定性評價方法和地下工程設計方法?；谑┕ば畔⒎答伒男畔⒒O計要求在施工過程中布置監(jiān)測系統(tǒng)，從現(xiàn)場圍巖的開挖及支護過程中獲得圍巖穩(wěn)定性及支護設施的工作狀態(tài)信息。反饋分析根據(jù)部分測點的位移、應力反求材料參數(shù)及初始地應力，同時對洞室穩(wěn)定性進行判斷。反饋分析方法：正演法、逆演法。正演法利用力學計算應力分析的基本格式，對反饋分析所需的參數(shù)進行數(shù)學上的近似，并不斷優(yōu)化?？捎酶鞣N優(yōu)化方法使目標函數(shù)J趨于最小，此方法適應性廣。逆演法需要建立一套與常規(guī)應力分析格式相反的計算公式。在線彈性情況下，可用迭加原理建立逆演法的計算