喷锚支护结构设计与施工

第一节喷喷锚支支护的概概况1、喷锚支支护：喷喷射混凝凝土、锚锚杆、钢钢筋网喷喷射混凝凝土等结结构组合合起来的的支护形形式。可可以根据据不同围围岩的稳稳定状况况，采用用喷锚支支护中的的一种或或几种结结构的组组合。加加固隧道道围岩，，提高围围岩的自自撑能力力2、喷射混混凝土：：利用高高压气，，将掺有有速凝剂剂的混凝凝土混合合料通过过混凝土土喷射机机与高压压水混合合，喷射射到岩面面上，迅迅速凝结结而成。。第一节喷喷锚支支护的概概况3、喷锚支支护的特特点1）较传统统的现浇浇混凝土土衬砌优优越。及及时支护护、有效效控制围围岩变形形，防止止岩块坠坠落和坍坍塌的产产生，充充分发挥挥围岩的的自撑能能力2）能节省省大量的的混凝土土、木料料、劳动动力、加加快施工工进度，，工程造造价课降降低40～50％，并有有利于施施工机械械化和改改善劳动动条件3）是一种种符合岩岩体力学学原理的的积极支支护方法法，具有有良好的的物理力力学性能能。及时时支护和和加固围围岩，第一节喷喷锚支支护的概概况与围岩密密贴，封封闭岩体体的张性性裂隙和和节理，，加固围围岩结构构面，有有效地发发挥和利利用岩块块间的镶镶嵌、咬咬合和自自锁作用用，从而而提高岩岩体自身身的强度度、自撑撑能力和和整体性性。4）柔性好好，能同同围岩共共同变形形，构成成一个共共同工作作的承载载体系。。在变形形过程中中，它能能调整围围岩应力力，抑制制围岩变变形的发发展，避避免岩体体坍塌的的产生，，防止过过大的松松散压力力出现。。喷锚支支护不再再把围岩岩仅仅视视作荷载载（松散散地压）），同时时还把它它视为承承载结构构的组成成部分。。形变压压力第一节喷喷锚支支护的概概况4、新奥法法1）从岩体体力学观观点出发发，进行行支护设设计和施施工时，，把坑道道周围岩岩体和各各种支护护结构作作为一个个完整支支护体系系的新的的支护理理论和方方法2）要点：：A、围岩体和和支护视视作统一一的承载载结构体体系，岩岩体是主主要的承承载单元元；B、允许围岩岩产生局局部应力力松弛，，也允许许作为承承载环的的支护结结构有限限制的变变形；第一节喷喷锚支支护的概概况C、通过试验验、量测测决定围围岩体和和支护结结构的承承载－变变形－时时间特性性；D、按“预计计的”围围岩局部部应力松松弛选择择开挖方方法和支支护结构构；E、在施工中中，通过过对支护护的量测测、监视视、修改改设计，，决定支支护措施施或第二二次衬砌砌。5、控制爆爆破技术术：第一节喷喷锚支支护的概概况6、喷锚支护的适适用条件件围岩的自自立能力力差、有有涌水及及大面积积淋水处处、地层层松软处处就很难难成型第二节喷喷锚支支护受力力分析与与结构计计算1、锚杆支支护结构构2、喷混凝凝土支护护结构3、新奥法法中锚喷喷联合支支护的应应用锚喷支护护的设计计步骤分析围岩岩稳定条条件围岩分类类，选择择支护类类型和设设计参数数，对喷喷锚支护护进行受受力分析析和结构构计算，，并提出出施工注注意事项项动态施工工：根据据地质情情况，及及时修改改设计参参数，变变更施工工工序施工完成成后的隧隧道稳定定性评价价，必要要时包括括施工阶阶段的监监测总结经验验，改进进设计和和施工。。掌握岩岩体变形形、坍塌塌的规律律之后，，在恰当当的时间间，采用用适当的的办法，，把支护护做好。。锚杆支护护结构锚杆类型型锚杆的力力学作用用锚杆的设设计与计计算支护块状状围岩加固裂隙隙围岩①全长粘结型锚杆类型主要有普通水水泥砂浆锚杆杆、树脂锚固固锚杆、早强强水泥砂浆锚锚杆、树脂锚锚杆、水泥卷卷锚杆、中空空注浆锚杆和和自钻式注浆浆锚杆等。②端头锚固型锚杆类型主要有机械锚锚固锚杆、树树脂锚固锚杆杆、快硬水泥泥卷端头锚杆杆等。②端头锚固型锚杆类型②端头锚固型锚杆类型③摩察型锚杆类型主要有缝管锚锚杆、楔管锚锚杆和水胀锚锚杆等③摩察型锚杆类型①悬吊作用②组合梁作用③整体加固作用用锚杆的力学作作用①悬吊作用：将不稳定岩层层悬吊在坚固固岩层上，阻阻止围岩移动动滑落。②组合梁作用：：在岩层中打入入锚杆，将若若干薄弱岩层层锚固在一起起，类似将叠叠合的板梁变变成组合梁，，提高岩层的的承载力。③整体加固作用用：锚杆群锚入围围岩后，其两两端附近岩体体形成圆锥形形压缩区，按按照一定间距距排列的锚杆杆在锚固力作作用下构成一一个均匀的压压缩带，即承承载环。⑶锚杆的设计与与计算①锚杆承载力计计算②锚杆锚固长度度确定③锚杆直径的确确定④锚杆间距的确确定①锚杆承载力计计算当块体危石坠坠落时，除使使锚杆受拉外外，还对锚杆杆产生剪切作作用。①锚杆承载力计计算如图所示，根根据静力平衡衡及正弦定理理有：式中：N是锚杆所受拉拉力；Q是锚杆所受剪剪力；G是危石重量或或一根锚杆承承担的岩石重重量；是锚杆杆与地质结构构面的夹角；；是锚杆与垂垂直线夹角。。②锚固长度确定定●锚固深度L1：根据锚杆抗拉拉强度与砂浆浆粘结力相等等的等强度原原则，可确定定锚杆的锚固固深度L1：其中：d是锚杆直径，，螺螺纹钢钢筋；D是钻孔直径；；k安全系数，3-5；是砂浆与与岩孔之间的的抗剪强度。。实践中要求求大于于30厘米；锚杆长总度L：式中：L1是锚固深度；；L2为不稳定岩层层厚度；L3是外露长度（（约小于喷射射混凝土厚度度）；③锚杆直径的确确定以抗拉为例，，锚杆直径可可用下式计算算式中：K是安全系数，，可取2；Rg是锚杆抗拉强强度；N是锚杆所受拉拉力；d是锚杆直径。。④锚杆间距的确确定若等间距布置置，每根锚杆杆所负担的岩体重量即为为所受荷载。。其中，γ是岩体容重；；b锚杆间距，一一般L1>2b；k安全系数2-3。⑷支护块状围岩岩围岩塌落总是是从危石开始始，可能形成成连锁反应应。砂浆锚杆的承承载力：⑸加固裂隙围岩岩若在隧道顶部部出现裂隙，，为防止进一一步扩展危及及顶部岩体稳稳定，可采用用预应力锚杆杆加固。假设裂隙受到到预加力T和水平方向压压力P，则裂隙法向向力和抗滑力力分别为：是裂隙面内摩摩察角，沿裂裂隙面的下滑滑力必须满足足的条件：一般规定1、永久支护的的锚杆应为全全长粘结型锚锚杆或预应力力注浆锚杆。。其他类型的的锚杆不能作作为永久支护护，当需作永永久支护时，，锚孔内必须须注满砂浆或或树脂。2、自稳时间短短的围岩，宜宜采用全长粘粘结式锚杆或或早强水泥砂砂浆锚杆。3、在Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ级围岩条件下下，锚杆应按按系统锚杆设设计，并符合合下列规定：：（1）锚杆一般应应沿隧道周边边径向布置，，当结构面或或岩层层面明明显时，锚杆杆应与岩体主主结构面或岩岩层层面呈大大角度布置。。一般规定定（2）锚杆应应按矩形形排列或或梅花形形排列（3）锚杆间间距不得得大于1.5m。间距较较小时，，可采用用长短锚锚杆交错错布置。。（4）两车道道隧道系系统锚杆杆长度一一般不小小于2.0m，三车道道隧道系系统锚杆杆一般不不小于2.5m。4、局部不不稳定的的岩块宜宜设置局局部锚杆杆，可采采用全长长粘结型型锚杆、、端头锚锚固型锚锚杆、预预应力锚锚杆，锚锚固端应应置于稳稳定岩体体内，锚锚杆参数数应通过过计算确确定。一般规定定5、软岩、、收敛变变形较大大的围岩岩地段，，可采用用预应力力锚杆，，预应力力锚杆的的预应力力应不小小于100kPa。预应力力锚杆的的锚固端端必须锚锚固在稳稳定岩层层内。6、岩体破破碎、成成孔困难难的围岩岩，宜采采用自进进式锚杆杆。1、锚杆支支护结构构2、喷混凝凝土支护护结构3、锚喷联联合支护护结构2、喷混凝凝土支护护结构喷射砼是将水泥泥、砂子子、石子子、速凝凝剂按一一定的比比例均匀匀的搅拌拌后送入入喷射机机，借助助压缩空空气将干干混合料料通过管管道压送送到喷头头与高压压水混合合，以高高速喷射射到岩壁壁表面凝凝结而成成的砼。。它是通通过局部稳定定围岩和和整体稳稳定围岩岩起支护作作用。⑴喷射砼的的作用①充填裂隙隙加固围围岩；②找平，封封闭围岩岩表面防防止风化化；③喷砼与围围岩组成成共同承承载结构构。⑵局部稳定定原理危石除用用锚杆支支护外，，也可用用喷射混混凝土层层支护。。在危石石重力作作用下混混凝土喷喷层可能能出现冲切破坏坏和撕裂裂破坏。。①抗冲切计计算喷层厚度度必须满满足：其中：为为喷喷射混凝凝土抗拉拉强度；；u为危石底底面周长长，k是安全系系数3～5。②抗撕裂计计算其中：是是喷层层和岩石石之间的的粘结强强度。为此，需需求出危危石自重重作用下下在喷层层与岩石石之间的的拉应力力q的大小，，利用弹弹性半地地基上的的半无限限长梁公公式：；；其其中；；K岩体弹性性系数；；E是混凝土土弹性模模量。当当x=0端点时，，有最大大值：⑶整体稳定定原理⑶整体稳定定原理喷混凝土土层与围围岩体表表面紧密密粘结、、咬合、、使洞室室表面岩岩体形成成较平顺顺的整体体，依靠靠结合面面处的抗抗拉、抗抗压、抗抗剪能力力，与岩岩体密贴贴组成““组合结结构”或或“整体体结构物物”共同同工作。。一般规定定1、喷射混凝凝土厚度度不应小小于50mm，不宜大大于300mm。2、钢筋网网喷射混混凝土设设计应符符合下列列规定（1）钢筋网网网格应应按矩形形布置，，钢筋间间距宜为为150～300mm。（2）钢筋网网钢筋的的搭接长长度应不不小于30d（d为钢筋直直径）（3）钢筋网网喷射混混凝土保保护层厚厚度应不不小于20mm，当采用用双层钢钢筋网时时，两层层钢筋网网之间的的间隔距距离应不不小于60mm。（4）单层钢钢筋网喷喷射混凝凝土厚度度不得小小于80mm，双层钢钢筋网喷喷射混凝凝土厚度度不得小小于150mm。（5）钢筋网网应配合合锚杆一一起使用用一般规定定3、钢纤维维喷射混混凝土设设计应符符合下列列规定：：（1）钢纤维维掺量宜宜为干混混合料质质量的1.5%～4%（2）钢纤维维喷射混混凝土的的设计强强度等级级不应低低于C254、为提高高喷射混混凝土的的抗裂性性能，可可采用合合成纤维维喷射混混凝土，，合成纤纤维喷射射混凝土土的设计计强度等等级不应应低于C20，合成纤纤维喷射射混凝土土应根据据实验确确定其掺掺量。当防水要要求较高高时，可可采用强强度等级级大于C30的高性能能喷射混混凝土。。1、锚杆支支护结构构2、喷混凝凝土支护护结构3、锚喷联联合支护护结构3、锚喷联联合支护护结构⑴锚喷联合合支护修修建隧道道的基本概念念⑵支护与围围岩共同同作用的的力学原理理⑶锚喷支护护结构承承载力计计算(4)隧道围岩岩位移量量的容许许值⑸二次衬砌砌支护时时间选择择原则⑴喷联合合支护修修建隧道道的基本本概念锚杆是深深层加固固围岩，，喷射混混凝土是是表层及及局部加加固围岩岩●围岩是隧隧道稳定定的基本本部分，，尽量维维护围岩岩体的强强度特性性●支护结构构要薄而而具有柔柔性，并并与围岩岩密贴，，使因产产生弯矩矩而破坏坏的可能能性达到到最小，，当需要要增加支支护衬砌砌强度时时，宜采采用锚杆杆、钢筋筋网以及及钢支撑撑等加固固，而不不宜大幅幅度增加加喷层或或衬砌厚厚度。●设计施工工中要正正确估计计围岩特特性及其其随时间间的变化化，以便便采取最最合适的的支护措措施和支支护时间间。⑵支护与围围岩共同同作用的力学原原理①锚喷支护护结构设设计的力力学原理理：采用的是是围岩体体和柔性性支护共共同变形形的弹塑塑性理论论。②弹塑性理理论的基基本概念念：基于材料料试验弹弹塑性曲曲线③对于圆形形隧道，，作如下下假定：：●围岩为均均质、各各向同性性的连续续弹塑性性体；●初始应力力为自重重应力场场；●隧道视为为无限体体中的孔孔洞问题题；●采用莫尔尔-库仑(Mohr-Coulomb)准则为塑塑性屈服服判据:④均质围岩岩中圆形形隧道的的弹性解解⑤均质围岩岩中圆形形隧道的的塑性解解●基本方程程：●边界条件件：●塑性解：：⑥弹性区与与塑性区区边界上上的连续续条件当r=R时，⑦塑性区半半径与支支护抗力力的关系系⑧由洞周位位移计算算围岩压压力●弹性区引引起的应应力增量量：●围岩引起起的径向向应变：：●由以上关关系得：：●弹塑性边边界上的的径向位位移：●据弹性区区应力和和摩尔库库仑关系系得：●变形过程程中假设设塑性区区体积不不变：●用洞周位位移表表达的围围岩压力力⑨围岩支护护特性曲曲线⑶锚喷支护护结构承承载力计计算①初期支护护（外拱拱）设计计与计算算●初选喷喷层厚厚度t，按照照经验验公式式：t=0.017r0，r0是隧道道半径径●确定锚锚杆直直径、、长度度和间间距●喷层支支护抗抗力：：●承载环环内岩岩体的的抗力力：●锚杆的的抗力力：●其它支支护提提供的的抗力力：●总支护护抗力力：②二次支支护（（内拱拱）设设计与与计算算●内拱的的承载载力常常是一一种安安全储储备，，安全全系数数●内拱承承载力力：K=1.5~2.0●内拱厚厚度：：(4)隧道围围岩位位移量量的容容许值值①影响隧隧道周周边最最终位位移量量的因因素●岩体的的物理理力学学性质质●原始地地应力力大小小●开挖方方式（（全断断面开开挖小小）●掘进速速度（（速度度越快快位移移越小小）●支护时时机及及支支护方方式②隧道周周边容容许位位移量量的确确定原原则●城市地地下隧隧道的的下沉沉量尽尽量小小，一一般不不能超超过5~10毫米；；●浅埋山山岭隧隧道容容许位位移量量可以以大些些，一一般小小于30毫米；；●深埋隧隧道洞洞周的的位移移不致致引起起有害害松动动为原原则，，一般般不超超过30毫米；；③一些容容许位位移量量控制制标准准埋深围岩<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相对位移值指实测位移值与两测点距离之比；脆性围岩取小值，塑性围岩取大值；I、II、VI级围岩可按工程类比选定容许值范围；表中数据可在施工中做调整；●我国《公路隧隧道施施工技技术规规范》JTJ042-94规定容容许相相对位位移值值（％％）●法国工工业部部规定定地下下工程程拱顶顶处围围岩最最大容容许位位移量量隧道埋深/m硬质岩/cm塑性地层/cm10~501~22~550~5002~610~20>5006~1220~40●国外隧隧道工工程师师根据据现场场量测测数据据大小小制定定的危危险警警戒标标准等级标准措施三级警戒任一点位移大于10mm报告管理人员二级警戒两相邻测点位移均大于15mm或任一测点位移速度超过15mm/月口头报告，召开会议，写书面报告及建议一级警戒位移大于15mm，且多处测点位移均在加速主管工程师立即现场调查，召开现场会议，研究应急措施⑸二次衬衬砌支支护时时间选选择原原则●各测试试项目目的位位移速速率明明显收收敛，，围岩岩基本本稳定定；●已产生生的各各项位位移已已达预预计总总位移移量的的80%~90%；●周边位位移速速率小小于0.1~0.2mm/d，或拱拱顶下下沉速速率小小于0.07~0.15mm/d9.3锚喷支支护的的施工工实施锚锚喷支支护施施工原原则，，是为为了达达到以以下的的目的的：（1）技术术上可可靠（2）经济济上合合理1、采取取各种种措施施，确确保围围岩不不出现现有害害松动动⑴洞形及及侧压压系数数的选选择问问题，，即在在洞室室的布布置和和造型型上应应适应应原岩岩应力力状态态和岩岩体的的地质质、力力学特特征，，尽量量争取取一个个较好好的受受力条条件。。⑵采用控控制爆爆破技技术：：减少少对围围岩的的扰动动强度度⑶减少对对围岩岩的扰扰动次次数：：尽可可能采采用全全断面面一次次开挖挖⑷初期支支护及及时快快速：：及时时是抑抑制围围岩变变形的的有害害发展展⑸合理利利用开开挖面面空间间效应应抑制制围岩岩变形形开挖面面的““空间间效应应”，，是指指洞室室在掘掘进过过程中中，由由于受受到开开挖面面的约约束，，使开开挖面面附近近的围围岩不不能立立即释释放其其全部部位移移，这这种现现象称称为开开挖面面的““空间间效应应”⑹尽量减减少其其他外外界因因素（（水、、潮））对围围岩的的影响响：对对有地地下水水的裂裂隙岩岩体，，要防防止大大的渗渗透压压力2、使围围岩变变形适适度发发展，，合理理利用用围岩岩自承承能力力⑴初期支支护采采用分分次施施作的的方法法●初期支支护必必须保保证围围岩达达到稳稳定状状态，，其作作用主主要是是在有有控制制的条条件下下实现现“卸卸压””。●二次支支护主主要是是提高高支护护的安安全度度，其其作用用主要要是限限制变变形过过量，，使围围岩进进入稳稳定。。⑵调节支支护封封底时时间，，控制制围岩岩变形形⑶适当延延迟支支护时时间，，控制制围岩岩变形形原则上上，可可以通通过延延迟支支护时时间来来控制制围岩岩变形形，不不过这这个时时机很很难掌掌握，，因此此，常常常不不宜采采取这这种方方法。。第7章章锚锚喷支支护结结构设设计与与施工工原则则3、保证证锚喷喷支护护与围围岩形形成共共同体体⑴施工方方法和和施工工措施施上保保证⑵列入施施工质质量检检测项项目(喷层与与岩石石的粘粘结力力、锚锚杆的的锚固固力)4、选择择合理理支护护类型型和参参数，，并充充分发发挥其其功效效⑴综合考考虑各各种因因素确确定支支护类类型(围岩地地质特特点、、工程程断面面大小小和使使用条条件要要求等等)●一般情情况下下，应应优先先考虑虑选用用喷混混凝土土支护护或锚锚喷联联合支支护●坚硬裂裂隙岩岩体中中的大大断面面隧道道：通通常在在长锚锚杆之之间还还要加加设短短锚杆杆以支支承其其间的的岩体体●破碎软软弱岩岩体：：通通常要要早支支护、、早封封闭，，设仰仰拱、、加强强支护护。一一般采采用锚锚喷网网联合合支护护●塑性流流变岩岩体：：支支护施施作宜宜“先先柔后后刚””，设设置仰仰拱，，形成成全封封闭环环⑵选择合合理的的锚杆杆类型型与参参数，，在围围岩中中有效效形成成承载载圈锚杆支支护设设计主主要根根据围围岩地地质、、工程程断面面和使使用条条件等等选定定锚杆杆类型型，确确定锚锚杆直直径、、长度度、数数量、、间距距和布布置方方式。。●锚杆间间距的的选定定：除除考虑虑岩体体稳定定条件件外，，一般般应能能充分分发挥挥喷层层作用用和施施工方方便，，即通通过锚锚杆数数量的的变化化使喷喷层始始终具具有有有利厚厚度●锚杆长长度的的选取取：应应当以以能充充分发发挥锚锚杆的的功能能作用用，并并获得得经济济合理理的锚锚固效效果为为原则则●锚杆的的布置置：应应当采采用重重点（（局部部）布布置与与整体体（系系统））布置置相结结合●锚杆的的方向向：应应与岩岩体主主结构构面成成较大大角度度，这这样则则能穿穿过更更多的的结构构面，，有利利于提提高结结构面面上的的抗剪剪强度度，使使锚杆杆间的的岩块块相互互咬合合⑶合理选选择喷喷层厚厚度，，充分分发挥挥喷层层与围围岩自自身承承载力力●合理喷喷层厚厚度（（刚度度）：：既能能使围围岩稳稳定又又容许许围岩岩有一一定的的塑性性位移移，实实现卸卸压；；经验验表明明合理理初始始喷层层厚度度在5~15厘米间间；●喷层太太厚和和太薄薄都是是不合合理的的⑷合理选选择和和配置置钢筋筋网和和钢支支撑①在下列列情况况下可可考虑虑配置置钢筋筋网●在土砂等条条件下，喷喷射混凝土土从围岩表表面可能剥剥落时●在破碎软弱弱流变岩体体和膨胀性性岩体条件件下，喷层层可能破坏坏剥落时，，或需要提提高喷混凝凝土抗剪强强度时●地震区或有有震动影响响的隧道②在下列场合合应考虑使使用钢支撑撑●喷射混凝土土或锚杆发发挥支护作作用前，需需要使隧道道岩面稳定定时●用钢管（棚棚架）、钢钢板桩进行行超前支护护需要支点点时●为抑制地表表下沉，或或由于压力力大，需要要提高初期期支护的强强度或刚性性时5、合理安安排施工程程序施工方法的的正确性和和合理性对对锚喷支护护的成败和和效果有重重大影响，，特别是开开挖程序、、掘进进尺尺、支护和和闭合时机机等至关重重要⑴开挖台阶数数●围岩较好：：应尽量采采用全断面面开挖法，，减少对围围岩的扰动动次数；●破碎围岩：：分部开挖挖，减少对对围岩扰动动的强度⑵支护次数6、依据现场场监测数据据指导施工工由于锚喷支支护理论目目前还不成成熟，故需需依靠现场场监控量测测来掌握围围岩动态、、修正设计计，指导施施工以及对对支护效果果作出正确确评价。现场量测内内容：⑴隧道内目测测观察⑵隧道收敛量量测⑶地表下沉量量测⑷位移反分析析，指导施施工⑴隧道内目测测观察①隧道目测观观察的目的的●预测开挖面面前方的地地质条件●为判断围岩岩稳定性提提供地质依依据●根据喷层表表面状态及及锚杆工作作状态分析析支护结构构可靠度②隧道目测观观察的主要要内容●了解开挖工工作面的工工程地质，，包括地质质种类及分分布状态，，岩石颜色色、成分、、结构等，，节理状况况，断层特特征等●水文地质条条件：地下下水类型，，涌水量大大小，涌水水位置，涌涌水压力，，水的化学学成分等●绘制开挖工工作面的素素描剖面图图●开挖支护