隧道0錨噴支護結構的設計與施工

隧道工程第7章隧道的錨噴支護本章學習的目的：〔1〕深化了解新奧法施工的理念；〔2〕掌握錨噴結合支護及圍巖與支護共同作用的力學原理；〔3〕掌握錨噴支護施工原那么及要點。第7章錨噴支護構造的設計與施工原那么7.1概述7.2錨噴支護構造的受力與計算7.3錨噴支護構造的施工原那么7.1概述1、支護構造實際的開展2、現(xiàn)代支護實際與設計要點3、錨噴支護與傳統(tǒng)支護的區(qū)別4、錨噴支護的特點1、支護構造實際的開展1、支護構造實際的開展⑴1920年以前的古典壓力實際階段●特點：作用在支護構造上的壓力是其上覆巖層的分量●代表：Haim、Rankine和金尼克實際隨著開挖深度的添加，人們發(fā)現(xiàn)，古典壓力實際不符合實踐情況。⑵1920～1960年代的松散體實際階段●特點：當埋深較大時，作用在支護構造上的壓力，不是上覆巖層的分量，而只是圍巖坍落拱內的松散巖體的分量。⑵1920～1960年代的松散體實際階段●代表：太沙基(K.Terzaghi)和普氏實際⑶60年代后開展期來的現(xiàn)代支護構造●特點：圍巖和支護構造共同組成了承載的支護體系，其中圍巖是承載主體，而支護構造是輔助性的，但也不可短少?！翊恚盒聤W法實際是其典型代表。7.1概述1、支護構造實際的開展2、現(xiàn)代支護實際與設計要點3、錨噴支護與傳統(tǒng)支護的區(qū)別4、錨噴支護的特點2、現(xiàn)代支護實際與設計要點⑴現(xiàn)代支護實際①一切方法、手段和措施都圍繞圍巖穩(wěn)定為目的；②支護與圍巖視作一致的復合體，支護和圍巖共同作用；③在復合體中，圍巖是承載主體，最大限制的發(fā)揚圍巖的自承才干，同時也要發(fā)揚支護構造的承載才干；④憑仗現(xiàn)場實驗和監(jiān)測手段，劃定圍巖級別，獲得力學參數(shù)，指點施工；⑤對不同的地質條件，力學特征的圍巖，靈敏采用不同支護方式和相應的力學計算模型。⑵根本要求①支護必需與周圍巖體大面積的結實接觸，即保證支護-圍巖作為一個一致的支護體系而共同任務；②注重初期支護的作用，并使初期支護與二次支護相互配合，協(xié)調一致的任務；

使初期支護與二次支護相互配合，協(xié)調一致的任務③要允許圍巖及支護構造產(chǎn)生有限的變形，以發(fā)揚圍巖承載作用而減少支護構造的受力。④必需保證支護構造及時施作。如支護施作過晚，會使圍巖暴露時間過長，產(chǎn)生過渡的位移而瀕臨破壞；

⑤支護構造要根據(jù)隧道圍巖的實踐動態(tài)，及時進展調整和修正，以順應不斷變化的圍巖形狀；7.1概述1、支護構造實際的開展2、現(xiàn)代支護實際與設計要點3、錨噴支護與傳統(tǒng)支護的區(qū)別4、錨噴支護的特點3、錨噴支護與傳統(tǒng)支護的區(qū)別⑴對圍巖和圍巖壓力的認識上●傳統(tǒng)支護實際：圍巖壓力由洞室塌落的圍巖“松散壓力〞呵斥的;●現(xiàn)代支護實際：圍巖具有自承才干，圍巖作用于支護的壓力不是松散壓力，是阻止圍巖變形的形變壓力。⑵在圍巖和支護間的相互關系上：●傳統(tǒng)支護實際：將圍巖與支護分開思索，視為“荷載-構造〞體系●錨噴支護實際：將圍巖和支護視為一致體，二者組成“圍巖-支護〞體系共同參與任務。⑶在支護功能和作用原理上：●傳統(tǒng)支護實際：支護只是為了接受荷載；●錨噴支護實際：支護是為了及時穩(wěn)定和加固圍巖。⑷在設計計算方法上：●傳統(tǒng)支護實際：主要是確定作用在支護上的荷載；●錨噴支護實際：設計的作用荷載是巖體的地應力，圍巖和支護共同承載；荷載－構造模型巖膂力學模型⑸在支護方式和工藝上●傳統(tǒng)支護實際：模注混凝土；●錨噴支護實際：施工方法簡單，靈敏，不需模板，無需回填，在圍巖松動之前能及時加固圍巖。7.1概述1、支護構造實際的開展2、現(xiàn)代支護實際與設計要點3、錨噴支護與傳統(tǒng)支護的區(qū)別4、錨噴支護的特點4、錨噴支護的特點⑴及時性：放射砼，如早強，能迅速給圍巖提供支護抗力；⑵粘貼性：放射砼與圍巖能全面密貼粘結，粘結力普通可達70kg/cm3；4、錨噴支護的特點粘結有三種作用：①連鎖作用；②復協(xié)作用；③加強作用(填充凹隙)⑶柔性：容易調理圍巖變形，可控制圍巖塑性變形適度開展，發(fā)揚自承才干；⑷深化性：錨桿可深化圍巖一定深度加固圍巖，構成承載圈；4、錨噴支護的特點⑸靈敏性：支護類型、參數(shù)、數(shù)量可靈敏調整。⑹封鎖性：可阻止水對圍巖的侵蝕而引起風化等。4、錨噴支護的特點目前我國一切山嶺隧道和一些城市地下工程都先采用錨噴的柔性支護構造，是為了能做到：〔1〕允許圍巖發(fā)生有限變形〔2〕發(fā)揚圍巖的自承才干〔3〕節(jié)省工程造價7.2錨噴支護構造的受力與計算1、錨桿支護構造2、噴混凝土支護構造3、錨噴結合支護構造7.2錨噴支護構造的受力與計算1、錨桿支護構造⑴錨桿類型⑵錨桿的力學作用⑶錨桿的設計與計算⑷支護塊狀圍巖⑸加固裂隙圍巖錨桿的制造過程⑴錨桿類型①全長粘結型⑴錨桿類型②端頭錨固型⑴錨桿類型②端頭錨固型⑴錨桿類型③摩察型⑴錨桿類型③摩察型隧道錨桿隧道超前注漿錨桿⑵錨桿的力學作用①懸吊作用②減跨作用③組合梁作用④整體加固作用①懸吊作用：將不穩(wěn)定巖層懸吊在鞏固巖層上，阻止圍巖挪動滑落。②減跨作用：在隧道頂板巖層中打入錨桿，相當于在頂板上添加了支點，使隧道跨度減小，從而使頂板巖體應力減小。③組合梁作用：在巖層中打入錨桿，將假設干薄弱巖層錨固在一同，類似將疊合的板梁變成組合梁，提高巖層的承載力。④整體加固作用：錨桿群錨入圍巖后，其兩端附近巖體構成圓錐形緊縮區(qū)，按照一定間距陳列的錨桿在錨固力作用下構成承載環(huán)。⑶錨桿的設計與計算①錨桿承載力計算②錨桿錨固長度確定③錨桿直徑確實定④錨桿間距確實定①錨桿承載力計算當塊體危石墜落時，除使錨桿受拉外，還對錨桿產(chǎn)生剪切作用。①錨桿承載力計算如下圖，根據(jù)靜力平衡及正弦定理有：式中：N是錨桿所受拉力；Q是錨桿所受剪力；G是危石分量或一根錨桿承當?shù)膸r石分量；是錨桿與地質構造面的夾角；是錨桿與垂直線夾角。②錨固長度確定●錨固深度L1：根據(jù)錨桿抗拉強度與砂漿粘結力相等的等強度原那么，可確定錨桿的錨固深度L1：其中：d是錨桿直徑，螺紋鋼筋；D是鉆孔直徑；k平安系數(shù)，3-5；是砂漿與巖孔之間的抗剪強度。實際中要求大于30厘米；錨桿長總度L：式中：L1是錨固深度；L2為不穩(wěn)定巖層厚度；L3是外露長度〔約小于放射混凝土厚度〕；③錨桿直徑確實定以抗拉為例，錨桿直徑可用下式計算式中：K是平安系數(shù)，可取2；Rg是錨桿抗拉強度；N是錨桿所受拉力；d是錨桿直徑。

錨桿間距④錨桿間距確實定假設等間距布置，每根錨桿所負擔的巖體分量即為所受荷載。其中，γ是巖體容重；b錨桿間距，普通L1>2b；k平安系數(shù)2～3。⑷支護塊狀圍巖圍巖塌落總是從危石開場，能夠構成連鎖反響。砂漿錨桿的承載力：⑸加固裂隙圍巖假設在隧道頂部出現(xiàn)裂隙，為防止進一步擴展危及頂部巖體穩(wěn)定，可采用預應力錨桿加固。假設裂隙遭到預加力T和程度方向壓力P，那么裂隙法向力和抗滑力分別為：是裂隙面內摩察角，沿裂隙面的下滑力必需滿足的條件：1、錨桿支護構造2、噴混凝土支護構造3、錨噴結合支護構造7.2錨噴支護構造的受力與計算2、噴混凝土支護構造放射砼是將水泥、砂子、石子、速凝劑按一定的比例均勻的攪拌后送入放射機，以高速放射到巖壁外表凝結而成的砼。它是經(jīng)過部分穩(wěn)定圍巖和整體穩(wěn)定圍巖起支護作用。噴混凝土的過程干噴濕噴噴混凝土初期支護⑴放射砼的作用①充填裂隙加固圍巖；②找平，封鎖圍巖外表防止風化；③噴砼與圍巖組成共同承載構造。充填裂隙加固圍巖封鎖圍巖外表防止風化噴砼與圍巖組成共同承載構造⑵部分穩(wěn)定原理危石除用錨桿支護外，也可用放射混凝土層支護。在危石重力作用下混凝土噴層能夠出現(xiàn)沖切破壞和撕裂破壞。①抗沖切計算噴層厚度滿足：為放射混凝土抗拉強度；u為危石底面周長，k是平安系數(shù)3～5。②抗撕裂計算其中：是噴層和巖石之間的粘結強度。為此，需求出危石自重作用下在噴層與巖石之間的拉應力q的大小，利用彈性半地基上的半無限長梁公式：；其中；K巖體彈性系數(shù)；E是混凝土彈性模量。當x=0端點時，有最大值：⑶整體穩(wěn)定原理⑶整體穩(wěn)定原理噴混凝土層與圍巖外表嚴密粘結、咬合使巖體密貼，組成“組合構造〞或“整體構造物〞共同任務。1、錨桿支護構造2、噴混凝土支護構造3、錨噴結合支護構造7.2錨噴支護構造的受力與計算3、錨噴結合支護構造⑴錨噴結合支護建筑隧道的根本概念⑵支護與圍巖共同作用的力學原理⑶錨噴支護構造承載力計算(4)隧道圍巖位移量的允許值⑸二次襯砌支護時間選擇原那么3、錨噴結合支護構造3、錨噴結合支護構造⑴、錨噴結合支護建筑隧道的根本概念錨桿是深層加固圍巖；噴砼是表層及部分加固圍巖；●圍巖是隧道穩(wěn)定的根本部分，盡量維護圍巖的強度特性●支護構造要薄而具有柔性，并與圍巖密貼；使因產(chǎn)生彎矩而破壞的能夠性到達最?。划斝枨筇砑又ёo襯砌強度時，宜采用錨桿、鋼筋網(wǎng)等加固，而不宜大幅度添加噴層或襯砌厚度。●設計施工中要正確估計圍巖特性及其隨時間的變化，以便采取最適宜的支護措施和支護時間。⑵支護與圍巖共同作用的力學原理圓形隧道解析解①錨噴支護構造設計的力學原理采用的是圍巖體和柔性支護共同變形的彈塑性實際。②彈塑性實際的根本概念：基于資料實驗彈塑性曲線基于資料實驗彈塑性曲線③對于圓形隧道，作如下假定：●圍巖為均質、各向同性的延續(xù)彈塑性體；●初始應力為自重應力場；●隧道視為無限體中的孔洞問題；●采用莫爾-庫侖(Mohr-Coulomb)準那么為塑性屈服判據(jù):④均質圍巖中圓形隧道的彈性解⑤均質圍巖中圓形隧道的塑性解●根本方程：●邊境條件：●塑性解：⑥彈性區(qū)與塑性區(qū)邊境上的延續(xù)條件當r=R時，⑦塑性區(qū)半徑與支護抗力的關系⑧由洞周位移計算圍巖壓力●彈性區(qū)引起的應力增量：●圍巖引起的徑向應變：●由以上關系得：●彈塑性邊境上的徑向位移：●據(jù)彈性區(qū)應力和摩爾庫侖關系得：●變形過程中假設塑性區(qū)體積不變：●用洞周位移表達的圍巖壓力洞周位移與圍巖壓力洞周位移與圍巖壓力⑨圍巖支護特性曲線⑶錨噴支護構造承載力計算⑶錨噴支護構造承載力計算①初期支護〔外拱〕設計與計算●初選噴層厚度t，按照閱歷公式：t=0.017r0，r0是隧道半徑●確定錨桿直徑、長度和間距●噴層支護抗力：①初期支護〔外拱〕設計與計算●承載環(huán)內巖體的抗力：●錨桿的抗力：●其它支護提供的抗力：●總支護抗力：②二次支護〔內拱〕設計與計算●內拱的承載力常是一種平安貯藏，平安系數(shù)●內拱承載力：K=1.5~2.0●內拱厚度：(4)隧道圍巖位移量的允許值①影響隧道周邊最終位移量的要素●巖體的物理力學性質●原始地應力大小●開挖方式〔全斷面開挖小〕●掘進速度〔速度越快位移越小〕●支護時機及支護方式②隧道周邊允許位移量確實定原那么●城市地下隧道的下沉量盡量小，普通不能超越5~10毫米；●淺埋山嶺隧道允許位移量可以大些，普通小于30毫米；●深埋隧道洞周的位移不致引起有害松動為原那么，普通不超越30毫米；③一些允許位移量控制規(guī)范〔國內外的一些規(guī)范〕

埋深圍巖<50m50~300m>300mIII0.10~0.300.2~0.500.40~1.20IV0.15~0.500.40~1.200.80~2.0V0.20~0.800.60~1.601.0~3.0相對位移值指實測位移值與兩測點距離之比；脆性圍巖取小值，塑性圍巖取大值；I、II、VI級圍巖可按工程類比選定容許值范圍；表中數(shù)據(jù)可在施工中做調整；●我國<公路隧道施工技術規(guī)范>JTJ042-94規(guī)定允許相對位移值〔％〕●法國工業(yè)部規(guī)定地下工程拱頂處圍巖最大允許位移量隧道埋深/m硬質巖/cm塑性地層/cm10~501~22~550~5002~610~20>5006~1220~40●國外隧道工程師根據(jù)現(xiàn)場量測數(shù)據(jù)大小制定的危險警戒規(guī)范等級標準措施三級警戒任一點位移大于10mm報告管理人員二級警戒兩相鄰測點位移均大于15mm或任一測點位移速度超過15mm/月口頭報告，召開會議，寫書面報告及建議一級警戒位移大于15mm，且多處測點位移均在加速主管工程師立即現(xiàn)場調查，召開現(xiàn)場會議，研究應急措施⑸二次襯砌支護時間選擇原那么●各測試工程的位移速率明顯收斂，圍巖根本穩(wěn)定；●已產(chǎn)生的各項位移已達估計總位移量的80%~90%；●周邊位移速率小于0.1~0.2mm/d，或拱頂下沉速率小于0.07~0.15mm/d以上原那么適宜于圍巖條件較好情況。1、錨桿支護構造2、噴混凝土支護構造3、錨噴結合支護構造7.2錨噴支護構造的受力與計算7.3錨噴支護施工原那么實施錨噴支護施工原那么，是為了到達以下的目的： 〔1〕技術上可靠 〔2〕經(jīng)濟上合理1、采取各種措施，確保圍巖不出現(xiàn)有害松動⑴洞形及側壓系數(shù)的選擇問題，即在洞室的布置和外型上應順應原巖應力形狀和巖體的地質、力學特征，盡量爭取一個較好的受力條件。⑵采用控制爆破技術：減少對圍巖的擾動強度⑶減少對圍巖的擾動次數(shù)：盡能夠采用全斷面一次開挖⑷初期支護及時快速：及時是抑制圍巖變形的有害開展⑸合理利用開挖面空間效應抑制圍巖變形開挖面的“空間效應〞，是指洞室在掘進過程中，由于遭到開挖面的約束，使開挖面附近的圍巖不能立刻釋放其全部位移，這種景象稱為開挖面的“空間效應〞⑹盡量減少其他外界要素〔水、潮〕對圍巖的影響：對有地下水的裂隙巖體，要防止大的浸透壓力2、使圍巖變形適度開展，合理利用圍巖自承才干⑴初期支護分次施作●初期支護必需保證圍巖到達穩(wěn)定形狀，主要是在有控制的條件下實現(xiàn)“卸壓〞?！穸沃ёo主要是提高支護的平安度，其作用主要是限制變形過量，使圍巖進入穩(wěn)定。⑶在穩(wěn)定情況下適當延遲支護時間原那么上，可以經(jīng)過延遲支護時間來控制圍巖變形，不過這個時機很難掌握，因此，經(jīng)常不宜采取這種方法。3、保證錨噴支護與圍巖構成共同體⑴施工方法和施工措施上保證⑵列入施工質量檢測工程(噴層與巖石的粘結力、錨桿的錨固力)4、選擇合理支護類型和參數(shù)，并充分發(fā)揚其效果⑴綜合思索各種要素確定支護類型(圍巖地質特點、工程斷面大小和運用條件要求等)●普通情況下，應優(yōu)先思索選用噴混凝土支護或錨噴結合支護●鞏固裂隙巖體中的大斷面隧道：通常在長錨桿之間還要加設短錨桿以支承其間的巖體●破碎脆弱巖體：通常要早支護、早封鎖，設仰拱、加強支護。普通采用錨噴網(wǎng)結合支護●塑性流變巖體：支護施作宜“先柔后剛〞，設置仰拱，構成全封鎖環(huán)⑵選擇合理的錨桿類型與參數(shù)，在圍巖中有效構成承載圈錨桿支護設計主要根據(jù)圍巖地質、工程斷面和運用條件等選定錨桿類型，確定錨桿直徑、長度、數(shù)量、間距和布置方式?！皴^桿間距的選定：除思索巖體穩(wěn)定條件外，普通應能充分發(fā)揚噴層作用和施工方便，即經(jīng)過錨桿數(shù)量的變化使噴層一直具有有利厚度●錨桿長度的選?。涸摦斠阅艹浞职l(fā)揚錨桿的功能作用，并獲得經(jīng)濟合理的錨固效果為原那么●錨桿的布置：該當采用重點〔部分〕布置與整體〔系統(tǒng)〕布置相結合●錨桿的方向：應與巖體主構造面成較大角度，這樣那么能穿過更多的構造面，有利于提高構造面上的抗剪強度，使錨桿間的巖塊相互咬合⑶合理選擇噴層厚度，充分發(fā)揚噴層與圍巖本身承載力●合理噴層厚度〔剛度〕：既能使圍巖穩(wěn)定又允許圍巖有一定的塑性位移，實現(xiàn)卸壓；閱歷闡明合理初始噴層厚度在5~15厘米間；●噴層太厚和太薄都是不合理的⑷合理選擇和配置鋼筋網(wǎng)和鋼支撐①在以下情況下可思索配置鋼筋網(wǎng)●在土砂等條件下，放射混凝土從圍巖外表能夠剝落時●在破碎脆弱流變巖體和膨脹性巖體條件下，噴層能夠破壞剝落時，或需求提高噴混凝土抗剪強度時●地震區(qū)或有震動影響的隧道②在以下場所應思索運用鋼支撐●放射混凝土或錨桿發(fā)揚支護作用前，需求使隧道巖面穩(wěn)定時●用鋼管〔棚架〕、鋼板樁進展超前支護需求支點時●為抑制地表下沉，或由于壓力大，需求提高初期支護的強度或剛性時5、合理安排施工程序施工方法的正確性和合理性對錨噴支護的成敗和效果有艱苦影響特別是開挖順序、掘進進尺、支護和閉合時機等至關重要⑴開挖臺階數(shù)●圍巖較好：應盡量采用全斷面開挖法，減少對圍巖的擾動次數(shù)；●破碎圍巖：分部開挖，減少對圍巖擾動的強度⑵支護次數(shù)6、根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)指點施工由于錨噴支護實際目前還不成熟，故需依托現(xiàn)場監(jiān)控量測來掌握圍巖動態(tài)、修正設計，指點施工以及對支護效果作出正確評價?，F(xiàn)場量測內容： ⑴隧道內目測察看 ⑵隧道收斂量測 ⑶地表下沉量測 ⑷位移反分析，指點施工⑴隧道內目測察看①隧道目測察看的目的●預測開挖面前方的地質條件●為判別圍巖穩(wěn)定性提供地質根據(jù)●根據(jù)噴層外表形狀及錨桿任務形狀分析支護構造可靠度②隧道目測察看的主要內容●了解開挖任務面的工程地質，包括地質種類及分布形狀，巖石顏色、成分、構造等，節(jié)理情況，斷層特征等●水文地質條件：地下水類型，涌水量大小，涌水位置，涌水壓力，水的化學成分等●繪制開挖任務面的素描剖面圖●開挖支護后的察看：初期支護的裂痕情況，錨桿端頭情況，鋼拱架能否被壓曲，能否有底鼓景象③隧道目測察看中圍巖破壞形狀分析●危險性不大的破壞：構筑仰拱后在拱肩部出現(xiàn)的剪切破壞普通進展緩慢，危險性不大●