[PPT]公路隧道工程

1、第五章 结构体系一、隧道结构体系概述二、支护结构选用的原则三、锚喷支护四、隧道结构体系设计方法一、隧道结构体系概述 隧道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。 隧道开挖前岩体处于初始应力状态，谓之一次应力状态；开挖隧道后引起了围岩应力的重分布，同时围岩将产生向隧道内的位移，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

2、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。二 支护结构选用的原则 支护结构的基本作用在于：与围岩一起组成一个有足够安全度的隧道结构体系，能承受可能出现的各种荷载；保持隧道断面的使用净空；防止围岩质量的进一步恶化；提供空气流通的光滑表面。因此，任何一种类型的支护结构都应具有与上述作用相适应的构造、力学特性和施工的可能性。（一）支护结构的基本要求1. 必须能与围岩大面积地牢固接触，即保证支护结构与围岩作为一个整

3、体进行工作。重视早期支护的作用，并使早期支护与永久支护相互配合，协调一致地工作。要允许隧道围岩能产生有限制的变形，以充分发挥围岩的承载能力而减少对支护结构的不利作用，使两者更加协调的工作。4. 必须保证施作支护结构的及时性。5. 作为支护结构要能根据隧道围岩的动态(位移、应力等)，及时地进行调整和修改，以适应不断变化的围岩状态。（二）支护结构类型 根据其使用目的，支护结构可分为： 防护型支护 构造型支护 承载型支护 根据其施作的时间先后顺序，支护结构可分为： 超前预支护 初期支护 二次衬砌 （一）喷锚支护的基本概念 1) 喷锚支护是 喷混凝土支护、 喷混凝土+锚杆支护、 喷混凝土+锚杆+钢筋网

4、支护、 喷混凝土+锚杆+钢筋网+钢架支护 的统称，三、锚喷支护 2射混凝土衬砌是利用泵或高压风作动力，把混凝土混合料通过喷射机、输料管及喷头直接喷射到隧道围岩壁上的支护方法。 3锚杆是一种锚固在岩体内部的杆状体，锚杆支护是通过锚入岩体内部的钢筋，与岩体融为一体，达到提高围岩的力学性能、改善围岩的受力状态，实现加固围岩、维护围岩稳定的目的。 （一）喷锚支护的基本概念 4是一种支护及时，加固围岩，控制围岩变形，能充分利用和发挥围岩自承能力的支护衬砌形式， 具有柔性、紧贴围岩、与围岩共同变形等特点（一）喷锚支护的基本概念（二） 喷混凝土衬砌作用机理1粘接作用 增加了围岩切向方向的约束力，使围岩与喷层

5、共同作用。（二）喷混凝土衬砌作用机理2 弯曲压缩作用 由于向内产生径向变位受到弯曲压缩，对围岩施加了径向约束力。（二）喷混凝土衬砌作用机理3抗剪切作用 抵抗围岩局部松动岩块向洞内滑移（二）喷混凝土衬砌作用机理4楔效应，嵌入岩缝。5减少局部集中应力。6防止发生风化。（三） 喷混凝土衬砌施工基本要求 第一. 隧道开挖后及时施作 ; 第二. 与围岩紧密粘结、不留空隙，与围岩共同工作。 第三. 分多层喷射，达到设计厚度。（四）锚杆的作用机理1悬吊作用 把围岩局部松动可能向洞内滑移的岩块锚固定起来（四）锚杆的作用机理2 组合梁作用 把水平层状岩体叠合组成组合梁（锚杆群） （四）锚杆的作用机理3缝缀作用

6、增加整体性（即增加裂缝之间的摩擦力） （四）锚杆的作用机理4内压作用 向围岩施加经向的约束压应力 （五）永久锚杆的技术上要求 第一要确保锚杆全长注浆饱满，与岩体连成整体； 第二要求锚杆达到使用耐久，避免松驰、锈蚀、腐蚀损坏。锚杆种类如下：1 全长粘结型锚杆;2 端头锚固型锚杆;3 摩擦型锚杆;4 预应力锚杆。在、级围岩条件下，锚杆应按系统锚杆设计，并符合下列规定：1 锚杆一般应沿隧道周边径向布置，当结构面或岩层层面明显时，锚杆应与岩体主结构面或岩层层面成大角度布置。2 锚杆应按矩形排列或梅花形排列。3 锚杆间距不得大于1.5m。间距较小时，可采用长短锚杆交错布置。4 两车道隧道系统锚杆长度一般

7、不小于2.0m，三车道隧道系统锚杆长度一般不小于2.5m。系统锚杆布置方式有梅花形排列和矩形排列 梅花形排列 矩形排列 在围岩条件较差地段、或地面沉降有严格限制时，应在初期支护内增设钢架。常用的钢架有：钢筋格栅钢架、工字钢钢架、 U型钢钢架和H钢钢架。钢架支护宜优先选用格栅钢架支护。四 隧道结构体系设计方法（一）结构力学方法1.荷载结构模型的建立图5-24 荷载结构模型2.作用(荷载)组成 采用荷载结构模型分析支护结构内力时，其中最重要的是确定围岩的松动压力，支护结构自重可按预先拟定的结构尺寸和材料容重计算确定。 （二）岩体力学方法 在隧道结构体系中，一方面围岩本身由于支护结构提供了一定的支护

8、抗力，而引起它的应力调整，从而达到新的稳定；另一方面由于支护结构阻止围岩变形，也必然要受到围岩给予的反作用力而发生变形。这种反作用力和围岩的松动压力极不相同，它是支护结构和围岩共同变形过程中对支护施加的压力，故可称为“形变压力”。 目前对于这种模型求解方法有解析法、数值法、特征曲线法三种。1、解析法 该方法根据所给定的边界条件，对问题的平衡方程、几何方程和物理方程直接求解。 2、数值方法 对于几何形状和围岩初始应力状态都比较复杂的隧道，一般需要采取数值方法，尤其是需要考虑围岩的各种非线性特性时。该方法主要是指有限单元法，它是把围岩和支护结构都划分为单元，然后根据能量原理建立起整个系统的虚功方程

9、，也称刚度方程，从而求出系统上各节点的位移以及单元的应力。3、特征曲线法 特征曲线法也称为“收敛约束”法，是用围岩的支护需求曲线和支护结构的补给曲线以求得达到稳定状态时支护结构的内力。 特征曲线法的基本原理是：隧道开挖后，如无支护，围岩必然产生向隧道内的变形(收敛)。施加支护以后，支护结构约束了围岩的变形(约束)，此时围岩与支护结构一起共同承受围岩挤向隧道的变形压力。（三）以围岩分级为基础的经验设计方法 在大多数情况下，隧道支护体系还是依赖“经验设计”的，并在实施过程中，依据量测信息加以修改和验证。 我们大致上可以发现在进行支护结构经验设计时，需要注意的几点的原则是： 首先对隧道围岩要有一个正

10、确的分级 在各级岩体中，支护结构参数大体是按下述原则选用的： 在施工中应尽量少损害围岩，使其尽量保持原有岩体的强度，因此，应采用控制爆破技术。 预计有大变形和松弛的情况下，开挖面要全面防护(包括正面)，使之有充分的约束效应，在分台阶开挖时，上半断面进深不宜过长，以免影响整个断面的闭合时间。 二次衬砌通常是模筑的，在修二次衬砌之前要设防水层，形成具有防水性能的组合衬砌。 允许甚至希望岩石出现一定的变形，以减少为完成支护作用所需的防护措施。 制定详细周密的量测计划。通过量测，确定所建立的支护阻力是否和围岩类型相适应以及还需要什么样的加强措施等。 支护结构的施工顺序与正确地掌握岩体的时间效应很有关系

11、。（四）监控设计方法 由于地下结构的受力特点极其复杂，自50年代以来，国际上就开始通过对铁路隧道的量测来监视围岩和支护结构的状态，并应用现场监测结果修改设计、指导施工。 监控设计通常包括两个阶段：施工前预设计阶段和修正设计阶段。 监控设计的主要环节包括：现场监测、数据处理、信息反馈三个方面。现场监测包括：制定监测方案、确定测试内容、选择测试手段、实施监测计划。数据处理包括：原始数据的整理、明确数据处理的目的、选择处理方法、提出处理结果。信息反馈包括：反馈方法(理论反馈与经验反馈)和反馈的作用(修改设计与指导施工)。第六章 防排水一、隧道防排水基本原则二、隧道防排水系统组成三、防排水材料四、防水

12、板无钉铺设技术 隧道防排水应当遵循“防、排、堵、截结合，因地制宜，综合治理”的原则，保证隧道结构物和运营设备的正常使用和行车安全。隧道建成后，应满足拱部、边墙、路面、设备箱洞不渗水，隧道衬砌背后不积水，排水沟不冻结，车行横通道、人行横通道拱部不滴水，边墙不淌水。一、隧道防排水基本原则二、隧道防排水系统组成 防水工程包括衬砌柔性防水工程及衬砌漏水防水工程。二次衬砌与喷射砼之间设置防水板作为柔性防水设施。衬砌结构自身要求密实。沉降缝、伸缩缝采用背贴式止水带加中埋式橡胶止水带防水，施工缝采用背贴式止水带防水加带注浆管的遇水膨胀橡胶止水条防水。 排水工程包括衬砌背面排水工程、路缘排水工程以及洞顶截水工程。三、防排水材料 防水层采用双层结构。用PE泡沫塑料垫衬做缓冲层效果同无纺布，但施工方便，造价低廉；选用EVA及LDPE膜（厚0.8mm）做防水膜（片材）完全能满足防水要求，材料立足国内，价格适中。北京地铁复八线工程复合式衬砌结构采用上述几种材料作防水层。 LDPE或EVA等具有良好的不透水性和良好的电器绝缘性能，可保护