《地下结构工程施工技术》第四章新奥法与锚喷支护培训PPT83

地下结构构工程程第04章上一章要点悬臂支护、单单撑单锚支护护、土层锚杆杆、水泥挡土墙、、土钉墙、SMW方法、逆作拱拱墙的设计过过程；了解逆作法施施工。第4章新奥法法与锚喷支护护4.1概述4.1.1新奥法简介奥地利学者L.V.Rabcewicz二十世纪60年代出提出了了“新奥地利利隧道施工法法”。NewAustrianTunnellingMethod简称为“新奥奥法”（NATM）。“欧洲隧道掘掘进法”或““收敛约束法法”（ConvergenceConfinementMethod）。新奥法：围围岩本身具有有“自承”能力，若采用用正确的设计计施工方法，，最大限度地地发挥这种自自承能力，即即可以使得经经济效果达到到最佳。要点尽可能不扰动动周边围岩，，开挖之后及及时进行一次支护，然后视需要要进行二次支护。支护都是柔性的，以适应围围岩的变形。。目前采用经验统计类比比的方法做预设计，再再在施工过程程中不断监测测围岩的应力力、应变状况况，按其发展展规律来调整支护措施施。适用条件及要要求深埋、浅埋、、中等埋深均均可；勘测、设计、、施工、控制制各环节密切切配合；尽可能地发挥挥围岩的自承承作用，采采用控制爆破破（光面爆破破、预裂爆破破）。新奥法的优点点（1）经济、快速速。若以面积A为100，设计衬砌量量B和超挖量的面面积C。可以看出，，由于采用控控制爆破、柔柔性薄衬砌，新奥奥法的开挖量量为老方法的的73％（110/151），衬砌量为为老方法的20％。此外，还还可省去全部部木模和40％以上的混凝凝土，降低支支护成本30％以上2）安全、适应应性强表4-1老方法与新奥奥法

工程量量对比老方法新奥法有效使用面积A100100混凝土衬砌面积B367超挖面积C153B+C5110新奥法的主要要原则（1）围岩是洞室室的主要承载载结构，而不不是单纯的荷荷载，它具有有一定的自承承能力。（2）尽量保持围围岩原有的结结构和强度；；（3）尽可能作到到适时支护。。（4）支护本身应应具有薄、柔柔、与围岩密密贴和早强等等特性，支护护施工应及时时快速，使围围岩尽快封闭闭而处于三向向受力状态。。（5）洞室尽可能能为圆形断面面，或由光滑滑曲线连接而而形成的断面面，以避免应应力集中。（6）良好的施工工组织和施工工人员的良好好素质对洞室室结构施工的的安全、经济济非常重要。。4.1.2锚喷支护简介介锚喷支护（ShotcreteandBolting）是采用喷射混凝土、、钢筋网喷射射混凝土、锚杆喷射混凝凝土或锚杆钢筋网喷喷射混凝土等在毛洞开挖挖后及时地对对地层进行加加固的结构。。1）锚喷支护的的优点节省、加快施施工进度；符合岩体力学学原理的积极支护方法；柔性好，它能能与围岩变形一致，从而与之构构成一个共同工作的承载体系；；锚喷支护技术术不再把围岩岩仅仅视作荷荷载（松散压压力），同时时还把它视为为承载结构的组成部分。。锚喷支护结结构承受荷载载的性质为围围岩的形变压力。2）锚喷支护的的适用条件及及要求配合光面爆破等控控制爆破技术，使开挖挖断面轮廓平平整、准确，，便于锚喷成成型，并减少回弹量；减轻爆破对围围岩的松动破破坏，维持围岩强度和自承能力。4.1.3新奥法与锚喷喷支护不能将新奥法法等同于锚喷喷支护；既有密切联系又有原则区别；锚喷支护的快快速有效的支支护施工手段，才有可能使使新奥法的基基本原则得以以实现。不把围岩看成成自承结构，，不充分发挥挥围岩本身的的作用，即使使大量采用锚锚喷支护，也也不能认为是是应用了新奥奥法。4.2隧道围岩压力力的确定4.2.1围岩压力开挖隧道使围围岩原有的平平衡状态破坏坏了，对隧道道周围一定范范围内的围岩岩产生了不同同程度的扰动动。支护结构要阻阻止围岩的移移动、变形，，支护结构就就必然要受到到围岩所施加加的力，即围岩压力。初始应力平衡状态下的的三向应力：：隧道开挖前后后的变化硬岩及软岩在在隧道开挖后后应力重新分分布范围的大小与与地质条件有有关，一般为为隧道开挖跨跨度的0.5~2.5倍。在坚硬、完整整岩体中，由由于岩体强度度高，影响范范围小，岩体能承受周边急剧增大大的应力，可可使隧道保持持稳定，一般般只有弹性变形形而不会破坏；；而在松软、破破碎岩体中，，由于岩体不能承受受增大的应力力，在一定范围围内的岩石就就要松动、破破坏并向隧道道内坍塌。围岩压力类型型有垂直压力、侧侧压力和底压压力，4.2.2隧道围岩压力力的确定1）深埋隧道围岩压力力的确定i———为每每增增减减1m时的的围围岩岩压压力力增增减减率率。。以以B＝5.0m的围围岩岩垂垂直直均均布布压压力力为为准准，，当当B<5.0m时，，取取i＝0.2；当当B＝5.0—15.0m时，，取取i＝0.1。围岩岩类类别别sVI:呈巨巨块块状状整整体体结结构构硬硬质质岩岩石石,Rb>60MPaV:呈大大块块状状砌砌体体结结构构硬硬质质岩岩石石,Rb>30MPaIV:呈块块（（石石））碎碎（（石石））状状镶镶嵌嵌结结构构III:略具具压压密密或或成成岩岩作作用用的的粘粘性性土土、、砂砂性性土土II:湿的的一一般般碎碎、、卵卵石石土土，，圆圆砾砾、、角角砾砾土土及及黄黄土土I：软软塑塑状状粘粘性性土土及及潮潮湿湿的的粉粉细细砂砂等等表4-3各类类围围岩岩的的重重度度围岩类别ⅥⅤⅣⅢⅡⅠ(kN/m3)25.5~27.424.5~26.522.5~24.518.6~21.616.7~19.614.7~16.7注：：对对Ⅲ类围围岩岩的的老老黄黄土土采采用用16.7~17.6kN/m3；对Ⅱ类围围岩岩的的新新黄黄土土采采用用14.7kN/m3。表4-4围岩岩水水平平均均布布压压力力e围岩类别Ⅵ、ⅤⅣⅢⅡⅠe0<0.15q(0.15~0.3)q(0.3~0.5)q(0.5~1.0)q必须须同同时时具具备备下下列列条条件件：：（1）H/B<1.7，H为隧隧道道开开挖挖高高度度，，B为隧隧道道开开挖挖宽宽度度。。（2）不不产产生生膨膨胀胀力力的的围围岩岩及及偏偏压压不不显显著著的的隧隧道道；；（3）采采用用钻钻爆爆法法施施工工的的隧隧道道。。2）浅浅埋埋隧隧道道围围岩岩压压力力的的确确定定按荷载载等等效效高高度度的判判定定式式为为：：在新新奥奥法法施施工工的的条条件件下下，，Ⅰ~ⅢⅢ类围围岩岩取取，，Ⅳ~ⅥⅥ类围围岩岩。。（1）埋埋深深H小于于或或等等于于荷荷载载等等效效高高度度hq围岩岩压压力力完完全全由由上上覆覆岩岩（（土土））柱柱的的重重力力产产生生，，视视为为均均布布时时，，垂垂直直压压力力和和水水平平压压力力为为：：（2）埋埋深深H大于于hq、小小于于Hp在这这种种情情况况下下，，隧隧道道上上覆覆土土体体下下滑滑时时要要考考虑虑滑滑面面阻阻力力的的影影响响，，否否则则计计算算出出的的压压力力值值过过大大。。本讲讲要要点点理解解新新奥奥法法和和喷喷锚锚支支护护的的实实质质与与联联系系；；掌握握深深埋埋和和浅浅埋埋隧隧道道围围岩岩压压力力的的计计算算。。（2）埋埋深深H大于于hq、小小于于HpEFHG岩（（土土））体体下下沉沉，，带带动动两两侧侧三三棱棱土土体体（（如如图图中中FDB及ECA）下下沉沉受受到到阻阻力力T，整个个土土体体ABDC下沉沉时时，，又又要要受受到到未未扰扰动动岩岩（（土土））体体的的阻阻力力F；AC或BD表示示假假定定的的破破裂裂面面与与水水平平成成角角；；T未知知三棱棱体体ECA中，，受受到到三三个个力力：：TFW运用用正正弦弦定定理理：：极限限状状态态下下可可以以求求得得破破裂裂面面的的夹夹角角总垂垂直直压压力力：：简化化为为：：竖向向均均布布荷荷载载和和水水平平侧侧压压力力4.3锚喷喷支支护护结结构构4.3.1锚喷喷支支护护的的设设计计步步骤骤5个步步骤骤进进行行：：（1）调调查查地地质质和和水水文文地地质质情情况况，，分分析析围围岩岩的的稳稳定定条条件件；；（2）用用工工程程类类比比方方法法选选择择支支护护类类型型及及设设计计参参数数，，对对锚锚喷喷支支护护进进行行受受力力分分析析和和结结构构计计算算，，并并提提出出施施工工注注意意事事项项；；（3）支支护护施施工工中中，，严严密密监监测测地地质质情情况况的的变变化化，，及及时时修修改改设设计计参参数数，，变变更更施施工工工工序序；；（4）支支护护完完成成后后，，分分析析隧隧道道的的稳稳定定状状况况，，对对其其长长期期稳稳定定性性作作出出评评价价。。必必要要时时，，可可对对支支护护变变形形和和应应力力进进行行量量测测，，包包括括施施工工阶阶段段的的监监测测；；（5）总总结结经经验验，，改改进进设设计计与与施施工工。。掌掌握握岩岩体体变变形形、、坍坍塌塌的的规规律律之之后后，，在在恰恰当当的的时时间间，，采采用用适适当当的的办办法法进进行行支支护护。。4.3.2锚喷喷支支护护的的受受力力分分析析和和结结构构计计算算影响响因因素素比比较较复复杂杂,多种种计计算算方方法法,尚处处于于半半经经验验半半理理论论阶阶段段.锚杆支支护结结构；；喷射混混凝土土支护护；1）锚杆杆支护护结构构①全长粘粘结型型锚杆杆：普通水水泥砂砂浆锚锚杆、、早强强水泥泥砂浆浆锚杆杆、树树脂卷卷锚杆杆和水水泥卷卷锚杆杆；②端头锚锚固型型锚杆杆；机械锚锚固锚锚杆、、树脂脂锚固固锚杆杆、快快硬水水泥卷卷锚固固锚杆杆；③摩擦型型锚杆杆；；缝管锚锚杆、、楔管管锚杆杆、水水胀锚锚杆；；④预应力力锚杆杆；⑤自钻式式锚杆杆。（1）锚杆杆的设设计计计算①锚杆的的轴向向拉力力标准准值、、设计计值②锚杆钢钢筋截截面面面积锚杆抗抗拉工工作条条件系系数，，永久久性锚锚杆取取0.69，临时性性锚杆杆取0.92；③锚杆锚锚固体体与地地层的的锚固固长度度④锚杆钢钢筋与与锚固固砂浆浆之间间的锚锚固长长度——钢筋与与锚固固砂浆浆之间间的粘粘结强强度设设计值值（kPa），应应由试试验确确定，，当缺缺乏试试验资资料时时可按按表4-9取值；；——钢筋与与砂浆浆粘结结强度度工作作条件件系数数，对对永久久性锚锚杆取取0.60，对临临时性性锚杆杆取0.72。锚杆支支护可可以根根据不不同围围岩的的岩层层产状状和稳稳定状状况灵灵活进进行。。其作用用原理理主要要有联结作作用、、组合合作用用和整整体加加固作作用。。（2）锚杆杆的联联结作作用用锚杆杆将它它们联联合起起来，，并将将锚杆杆尽可可能深深入到到稳定定的岩岩层中中，考考虑锚锚杆承承担全全部不不稳定定岩块块的重重量。。①锚杆承承载力力计算算《建筑边边坡工工程技技术规规范》（GB50330—2002）规定定：用锚杆杆加固固局部部不稳稳定块块体时时，锚锚杆抗抗力应应满足足下列列要求求：a.加固受拉破破坏的不稳稳定危危岩块块体，，锚杆杆抗拉拉承载载力应应满足足：b.加固受剪破破坏的不稳稳定危危岩块块体，，锚杆杆抗剪剪承载载力应应满足足：②锚杆长长度锚杆总总长度度应为为锚固固段、、自由由段和和外锚锚段的的长度度之和和，并并应满满足下下列要要求：：a.锚杆自自由段段长度度按外外锚头头到潜潜在滑滑裂面面的长长度计计算；；预应应力锚锚杆自自由段段长度度应不不小于于5m，且应应超过过潜在在滑裂裂面；；b.锚杆锚锚固段段长度度应按按式（（4-22）、（（4-23）进行行计算算，并并取其其中大大值。。构造土层锚锚杆的锚固固段长长度不不应小小于4m，且不不宜大大于10m；岩石锚锚杆的锚固固段长长度不不应小小于3m，且不不宜大大于45D（D为锚固固体直直径））和6.5m，或55D和8m（对预预应力力锚索索）；；（3）锚杆杆的组组合作作用锚杆的的组合合作用用是依依靠锚锚杆将将数层层薄层层的岩岩层组组合在在一起起，形形成组组合拱拱或组组合梁梁，以以提高高岩层层整体体的抗抗剪、、抗弯弯的能能力。。锚杆提提供的的抗剪剪力、、抗拉拉力，，以及及锚杆杆的锚锚固力力使将将要滑滑动的的岩块块得以以稳定定，阻阻止层层面的的互相相错动动。锚杆应应按与与岩层层层面垂垂直的的方向向设置。。如对对锚杆杆施加加预应应力，，可提提高其其支护护效果果。（4）锚杆杆的整整体加加固作作用通过有有规律律布置置的一一系列列锚杆杆，将将邻近近的岩岩体联联结在在一起起，能能阻止止不稳稳定岩岩石的的滑移移，促促使岩岩石之之间的的间隙隙面压压紧，，同时时使隧隧道四四周一一定范范围内内的围围岩组组成一一个承载环环。由于锚锚杆支支护力力的作作用，，压缩缩带获得径径向支支护力力，使压压缩带带中的的岩体处处在三三向受受压状状态。。砂浆锚锚杆的的加固固作用用砂浆锚锚杆的的承载载力可可用下下式表表示当围岩岩产生生位移移时，，锚杆杆单位位长度度上的的承载载力Ps/L1与的的合合力阻阻止围围岩位位移的的发展展，产产生支支护力力，并并使在在锚杆杆间的的围岩岩产生生压缩缩和成成拱作作用，，提高高了围围岩强强度并并缩小小了围围岩的的承载载跨度度（等等于锚锚杆间间距）），从从而达达到稳稳定和和加固固围岩岩的目目的。。本讲要要点掌握围围岩压压力的的计算算方法法；理解喷喷锚支支护的的概念念；掌握锚锚杆支支护的的作用用与计计算方方法；；2）喷射射混凝凝土支支护结结构两个方方面起起支护护作用用：：（1）局部部稳定定原理理（2）整体体稳定定原理理喷射混混凝土土的设设计强强度等等级不不应低低于C20；喷射射混凝凝土1d龄期的的抗压压强度度不应应低于于5MPa。（1）局部部稳定定原理理喷射混混凝土土支护护结构构及时封封闭岩层表表面的的节理理、裂裂隙，，填平平或缓缓和表表面的的凹凸凸不平平，使使隧道道内的的轮廓较较为平平顺，从而而提高高围岩岩节理理、裂裂隙间间的粘粘结力力、摩摩阻力力和抗抗剪强强度，，并减少应应力集集中现象。。喷射混混凝土土关键是是控制制冠石石，此时时，喷喷射混混凝土土需能能承受冠冠石的的重量量。喷层对对局部部不稳稳定危危岩块块体的的抗拉拉承载载力应应按下下式验验算（（冲切切）——喷层工工作条条件系系数，，取0.6；ft——喷射混混凝土土抗拉拉强度度设计计值（kPa）；h——喷层厚厚度ur——不稳定定危岩岩块体体出露露面的的周边边长度度a）按冲冲切破破坏计计算；；b）按撕撕开破破坏计计算整体稳稳定原原理喷射混混凝土土与围围岩表表面紧紧密贴贴合，，形成成组合合结构构共同同工作作。一方面面在与与围岩岩共同同承载载和变变形过过程中中对围岩岩提供供支护护力，使围围岩变变形得得到控控制，，应力力得以以调整整；另一方方面承受来自围围岩变变形引引起的的形变压压力，从而而使围围岩保保持稳稳定。。3）新奥奥法中中锚喷喷联合合支护护的应应用（1）新奥奥法与与锚喷喷支护护较好的的围岩岩（如Ⅳ类以上上围岩岩），，可以以喷射混混凝土土为主主，锚杆杆加固固以辅辅；较差的的围岩岩，则以锚杆杆，尤尤其是是预应应力锚锚杆作作为主主要的的岩体体加固固手段段，并与喷射混凝凝土、钢钢筋网喷喷射混凝凝土或加加钢拱的的钢筋网网喷射混混凝土配合使用用。施工步骤骤新奥法以以及时的的锚喷作作为临时时支护，，称为第第一次衬衬砌。第一次衬衬砌可以起到到稳定围围岩，控控制围岩岩应力和和变形，，防止围围岩松驰驰、坍塌塌等作用用。待其基本本稳定后后，再加加做模注注混凝土土二次衬砌砌。原来的临临时支护护（锚喷喷支护））成为永久衬砌砌的一个组组成部分分。二次衬砌砌基本上上不承受受荷载或承受很很小的荷荷载，主主要是为为了满足足隧道结结构物的的安全、、耐久、、防水和和饰面等等的需要要。（2）新奥法法中支护护与围岩岩共同作作用的力学原理理支护结构构的设计计原理是是围岩和和柔性支支护共同同变形、、破坏的的弹塑性理理论。①围岩为均均质、各各向同性性的连续弹塑塑性体，，岩体在塑塑性变形形、剪切切破坏后后仍有残残余强度度；②隧道初始始应力场场为自重重应力场场，侧压压力系数数1；③隧道断面面形状为圆圆形；④在一定的的埋深条条件下，，将隧道道看作无限体中中的孔洞洞问题。“莫尔-库伦”准准则作为为“塑性性判据””围岩的弹弹塑性状状态1—弹塑性状状态应力力分布曲曲线；2—弹性状态态应力分分布曲线线弹性区中中任一点点的应力力为——弹性区区中任任一点点的径径向应应力；；——弹性区区中任任一点点的切切向应应力；；r——弹性区区中任任一点点到隧隧道中中心的的径向向距离离。P0－－原原岩应应力塑性区区中任任一点点的应应力公公式为为塑性区区中靠靠近隧隧道内内缘的的应力力，因因满足足塑性性条件件而相相对减减小，，成为为“应力力降低低区””，而最大大的应应力发发生在在围岩岩中塑塑性区区与弹弹性区区的交交界面面上。。在弹性性区与与塑性性区的的交界界面上上（r=R处）令两式式分别别相等等，整整理后后可得得：支护力力pi越小，，则围围岩中中出现现的塑塑性区区半径径R越大；；围岩中中出现现的塑塑性区区半径径R越大，，则围围岩对对支护护的形形变压压力pa（与支支护力力pi相平衡衡）越越小。。岩体的原岩岩应力p0越大，则塑塑性半径R就越大。p0反映围岩强强度性质的的两个指标标，即粘聚聚力c和内摩擦角角越小，岩岩体强度越越低，则塑塑性半径R就越大。新奥法柔性性支护理论论的出发点点，是设计计、施工中中采取支护护措施时要要积极利用用的，以便便使支护受受到尽可能能小的形变变压力。隧道周边的的径向位移移u隧道周边径径向位移u的大小，主主要取决于于支护力pi。当pi减小时，u增大；反之之，u减小。围岩位移曲曲线围岩位移、、支护特性性曲线①隧道开挖后后，若支护护非常快，，且支护刚刚度又很大大，隧道周周边围岩没没有变形或或变形很小小，图中A点取得平衡衡，支护需需提供很大大支护力pmax；围岩仅负负担产生弹弹性变形u0的压力；；假如平衡位位置由A点移至C点、E点，则形变变压力由pmax减至、、。②若隧道开挖挖后不加支支护，或支支护很不及及时，即允允许围岩自自由变形。。表现为曲曲线DB。这时，隧隧道周边位位移达到最最大值umax，形变压力力pa很小或接近近于零。围岩已经出现松驰、坍塌塌，围岩岩对支护的的压力就是是松散压力力，只能能按传统施施工方法施施作模注混混凝土衬砌砌。③较佳的支护护工作点应当在D点以左附近近，如图中E点。在该点点上，围岩岩既可产生生较大的变变形，，以较较多地分担担岩体压力力（）），而由由支护分担担的形变压压力较小（（））；最重要的便便是如何掌掌握好施作时间（以围岩的的变形来判判断）和支护刚度k（支护特性性曲线的斜斜率）。两次支护：：首先在隧道道开挖后，，及时地进进行初期支护和封闭；通过对围岩岩变形的监监测，掌握握隧道周边边围岩和支支护的变形形情况，待待变形基本趋于稳稳定时，即达到到图中i点附近时，再进行第第二次支护护。如作内层二次衬砌，，所承受的的形变压力力就更小，，或为零。通过上述两两次支护的的手段，便便可以达到到支护衬砌砌结构的合合理、经济济、安全的的目的。本讲要点理解喷射混混凝土的两两种作用；；掌握新奥法法与锚喷支支护结合的的原理：难点是理解解位移支护护曲线。（3）新奥法锚锚喷支护的的结构计算算和支护监监控新奥法支护护设计的主主要方法有有：a.以工程类比比为基础的的经验法；b.以现场测量量为基础的的监控法；c.以理论分析析为基础的的计算法；d.以上3种方法相结结合的综合法。新奥法锚喷喷柔性支护护中，支护护和围岩紧紧密贴合，，共同工作作，支护和和围岩发生生的破坏主主要为剪切破坏。其稳定的丧丧失常