第8章 喷锚支护

第8章喷锚支护结构概述围岩分级工程类比法解析法施工信息反馈围岩稳定性的分析8.1概述概念：喷锚支护为由喷混凝土、锚杆、钢筋网组成的喷锚联合支护或喷锚网联合支护特点：施工及时、与围岩密贴和共同变形喷锚结构的设计方法喷锚结构的施工主要是运用新奥法施工原理8.2围岩分级围岩分级方法1.单因素岩石力学指标分级法2.因素综合指标分级法3.定性与定量多因素指标相结合分级法4.组合指标函数法岩石强度或者弹性模量弹性波速度应用最广今后发展的方向本教材围岩分级《GB50086—2001锚杆喷射混凝土支护技术规范》围岩分级依据（1）岩体基本质量应由岩石坚硬程度和岩体完整程度两个因素确定（2）岩石坚硬程度和岩体完整程度应采用定性划分和定量指标两种方法确定依据：《工程岩体分级标准》（GB50218-94）基本质量级别岩体基本质量的定性特征岩体基本质量指标Ⅰ坚硬岩，岩体完整＞550Ⅱ坚硬岩，岩体较完整；较坚硬岩，岩体完整550~451Ⅲ坚硬岩，岩体较破碎；较坚硬岩或软硬岩互层，岩体较完整；较软岩，岩体完整450~351Ⅳ坚硬岩，岩体破碎；较坚硬岩，岩体较破碎~破碎；较软岩或软硬岩互层；且以软岩为主，岩体较完整~较破碎；软岩，岩体完整~较完整350~251Ⅴ较软岩，岩体破碎；软岩，岩体较破碎~破碎；全部极软岩及全部极破碎岩＜250最终岩体基本质量分级应根据岩体基本质量的定性特征和岩体基本质量指标（BQ）两者相结合《锚杆喷射混凝土支护技术规范》（GB50086-2001）的围岩分级吸取了《工程岩体分级标准》（GB50218）有关围岩分级的内容，在围岩分级中主要考虑下述几个分级指标：1.岩体的结构特征及其完整性2.岩体的物理力学性质4.原岩应力的影响3.地下水的影响5.综合指标岩体完整性指标用岩体完整性系数Kv表示，Kv可按下式计算：——隧洞岩体实测的纵波速度（km/s）；

——隧洞岩石实测的纵波速度（km/s）Jv与Kv对照表Jv（条/m3）<33~88~2020~25>25Kv>0.750.75~0.550.55~0.350.35~0.15<0.15当无条件进行声波实测时，也可用岩体体积节理数Jv，按下表确定Kv值围岩分级表8.3工程类比法概念：工程类比法是建立在研究大量工程的实践经验、统计数字和观测成果基础上的，结合具体工程的地质条件，在类比、分析、判断的基础上进行新的工程设计已建工程拟建工程设计步骤初步设计阶段按喷锚规范的规定初步确定围岩级别，初步选择隧洞、斜井或竖井的锚喷支护类型和设计参数实测围岩分级定量指标按附表Ⅰ的规定，详细划分围岩级别，并修正初步设计施工设计阶段隧洞和斜井的锚喷支护类型和设计参数表表中的支护类型和参数，是指隧洞和倾角小于30°的斜井的永久支护，包括初期支护与后期支护的类型和参数。对高度大于15.0m的侧边墙应进行稳定性验算。并根据验算结果，确定锚喷支护参数8.4理论分析方法锚杆加固拱顶危岩的计算用锚杆加固拱顶局部危岩，一般按悬吊原理来确定锚杆参数。锚杆加固拱顶危岩Q—危岩沿裂隙AB对锚杆的剪力。N—由于危岩滑移在锚杆中产生的拉力。锚杆加固拱顶危岩的计算用锚杆加固拱顶局部危岩，一般按悬吊原理来确定锚杆参数。锚杆加固拱顶危岩Q—危岩沿裂隙AB对锚杆的剪力。N—由于危岩滑移在锚杆中产生的拉力。锚杆所需的截面积Ag—所需锚杆钢筋的截面积；Rg—钢筋抗拉设计强度；τg—钢筋抗拉强度；K—安全系数，一般1.5~2.0。锚杆长度l—锚杆长度；l1—锚固长度；hy—加固长度；l2—外露长度。锚杆加固侧壁危岩的计算锚杆加固侧壁危岩沿滑裂面下滑力：抗滑力：考虑安全系数后，锚杆钢筋所需截面积：锚杆整体加固设计原理和计算方法按悬吊设计原理的计算方法锚杆按悬吊原理的计算锚杆长度l锚杆的锚固长度l1按经验选取时，一般楔缝式砂浆锚杆可取30cm，螺纹钢筋砂浆锚杆可取其直径的20~30倍。根据砂浆与钢筋的粘结力，使钢筋发挥最大能力时，τm—砂浆与锚杆钢筋的粘结力；dm—锚杆钢筋直径。砂浆锚杆有可能由于砂浆与孔壁岩石的粘结力不足而破坏，故锚固长度为：τm—砂浆与钻孔壁岩石的粘结力；dm—砂浆锚杆钻孔直径。砂浆与岩石的粘结力参考值（砂浆标号为200~300时）岩石名称粘结力（公斤/厘米2）岩石名称粘结力（公斤/厘米2）大理岩赤铁矿磁铁矿花岗岩粘土质页岩3027252418辉绿岩石灰岩凝灰岩铝矾土13252012锚杆的加固长度hy可按围岩的荷载高度或用声波等测试技术量测松动圈的办法确定。按荷载高度取值时，hy=N0KL。锚杆的外露长度l2考虑设置垫板和钢筋网等必须的，一般可取5~20cm，不应超过喷混凝土厚度。锚杆长度按上式计算后，还可考虑因洞室开挖轮廓线不平整而增加附加长度，一般为20cm。对大洞室的拱脚等处，锚杆应适当加长，可取拱顶锚杆的1.2倍。锚杆直径、间距和布置锚杆的直径与受力要求有关外，还与钻孔直径有密切关系。因钻孔与锚杆钢筋之间需留有一定的间隙，以使砂浆灌实，一般规定锚杆钢筋直径应比钻孔直径小16~20mm为宜，取18~25mm。锚杆的间距γ—围岩容重；K—安全系数，取1.5~2.0。要求l/a≥2。锚杆的布置整体布置的锚杆在洞室表面上可布置成方格形或梅花形。方格形布置对绑扎钢筋网较有利。梅花形布置时同一环或同一列的锚杆间距应为1.4a。锚杆在洞室横剖面上的布置与洞室轮廓线形状和岩层倾角有关。一般应垂直或接近垂直于洞室轮廓线或层理面，并应符合锚杆受力的有力方向。按组合拱设计原理的计算方法组合拱原理的计算锚杆长度应超过组合拱高度：K—安全系数，取1.2；hz—组合拱高度。组合拱跨度近似取：L—毛洞跨度。组合拱假定为二端固定的等截面割圆拱，荷载按自重形式均布于拱轴上。单位长度上荷载为：h—荷载高度，h=N0KL；b—组合拱纵向宽度。f/l00.10.20.30.40.5乘数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圆拱内力Q值为半个拱上的总荷载

f—矢高

l0—计算跨度。拱脚处径向截面内力：弯矩Mn直接由表查得。任意径向截面之内力为：当锚杆径向布置时作裂缝强度校核径向缝的强度校核设组合拱有一条径向缝，与垂直线成φ角。假设剪力全由岩石承受，则应满足：斜向缝的强度校核斜向缝计算设在组合拱某处有一条与该处共轴线成α角的斜向缝AB，该缝在拱轴处径向截面上的剪力和轴力求法同前，合力为：合力与拱轴线夹角为：斜向缝AB上的剪力：斜向缝AB上的正压力：斜向缝AB上岩石的抗剪力：斜向缝AB上锚杆的抗剪力：当斜向缝与合力在拱轴线的同一侧时，上各式中用（α-β），否则用（α+β），因此斜向缝上强度：切向缝的强度校核Qφ—与垂直线成夹角φ截面处的剪力；b—组合拱纵向宽度；I—组合拱全部断面的惯性矩；S—切向缝上组合拱的截面积对组合拱中和轴的静力矩，当组合拱为矩形断面时：喷混凝土结构的设计原理和计算方法局部加固原理和计算方法被节理裂隙切割形成的块状围岩中，围岩软弱结构面的组合，对围岩的变形和破坏起控制作用。常因一块危岩的旋转、错动或掉落，而引起围岩的失稳。因此，用喷混凝土加固围岩，这种观点称为局部加固原理或危岩原理。按抗冲切破坏计算喷混凝土厚度冲切破坏计算d0—按冲切破坏验算的喷混凝土厚度；G—可能塌落的危岩重量；K—冲切强度设计安全系数，K=3；u—危岩与喷混凝土接触面周长；Rl—喷混凝土的抗剪强度。按抗粘结破坏计算喷混凝土厚度粘结破坏计算把混凝土层作为弹性地基梁考虑，围岩视作弹性地基，粘结力相当于弹性地基上的反力。由p引起的喷混凝土与岩面间的拉应力σ=ky，y为弹性地基上长梁在p作用下的变位：最大拉应力发生在x=0处，这时，M0=0，Q0=P，φ6=1，则：其中：最大拉应力公式为：为便于计算，简化为：计算后采用的喷混凝土厚度不得小于5cm。组合拱设计原理和计算方法喷混凝土组合拱计算荷载以自重形式作用于该组合拱的拱轴线上：组合拱高度及计算跨度：径向缝强度校核抗弯强度校核组合拱在任意径向截面的偏心距及压应力应满足：当组合拱下边缘出现拉应力时，还需校核喷混凝土的抗拉强度：[σa]y—岩石容许抗压强度；[σa]h—喷混凝土容许抗压强度；[σl]y—喷混凝土容许抗拉强度。抗剪强度校核组合拱在任意径向截面的抗剪强度应满足：斜向缝强度校核斜向缝AB上的抗剪强度校核斜向缝AB上的抗拉强度校核式中：喷锚结构设计原理和计算方法锚杆喷混凝土联合加固结构是将岩石、锚杆和喷混凝土三者视为一整体的组合结构，其设计原理和计算方法主要有三种。组合拱压剪破坏悬吊锚喷结构可用受力分配的方法计算锚杆参数和喷混凝土厚度。即不稳定大块岩石或松动围岩，主要由锚杆承受，锚杆间不稳定岩石则由喷混凝土支撑。一、按悬吊设计原理的计算方法锚杆参数的计算主要采用钢筋砂浆锚杆，参数仍按锚杆整体加固时的悬吊原理计算喷混凝土厚度的计算喷混凝土承受的最大重量取决于锚杆间距与围岩性质。当洞室为拱形时，则构成锚杆、喷混凝土、和岩石组合拱。二、按组合拱设计原理的计算方法锚杆长度的计算式中——安全系数，取1.2。——组合拱中岩石高度计算时假定组合拱切向缝的抗剪强度由锚杆提供，斜向缝的抗剪强度由岩石和喷混凝土提供径向缝强度校核其荷载、高度、跨度和抗剪强度以及抗弯强度的计算方法与上一节喷混凝土结构计算方法一致。斜向缝抗剪强度校核当洞腰由于剪切而分割出楔形岩块，并向着洞室内部移动的破坏形式称为压剪破坏。按压剪破坏原理的计算方法岩体在压力作用下，当某一点的最大主应力与最小主应力之差的应力圆与摩尔滑动包络线相切时，产生剪切滑动。假定岩体摩尔包络线为直线，其内摩擦角为，则不管多大，剪切角均为一定值：剪切滑动线上任意点的半径为：剪切范围高度为：喷混凝土的容许承载力：附加钢材的容许承载力：设锚杆的间距为和，则锚杆挤压岩体的平均压力为：锚杆的容许承载力：其中为剪切滑动面长度在洞室表面的投影长度对于岩体本身承载力假设：则岩体的容许承载力，与剪切滑动面上的和的水平分力总和相平衡喷锚结构总的容许承载力为：喷锚结构承载力必须大于所需要的最小抗力：算例一地下洞室，开挖宽8m，高12m，顶部为割圆拱。围岩为石英砂岩，属稳定性较差的Ⅴ级围岩，重度为。采用16锰的螺纹钢筋砂浆锚杆，。喷混凝土为C20，抗力设计强度为0.84MPa。钻孔直径38mm，砂浆与钢筋的粘结力为3MPa，与钻孔岩石粘结力2MPa。设计该洞室的喷锚结构。【解】锚杆参数的计算锚杆长度：锚固长度：取：取：则：采用2.5m。锚杆间距：取：喷混凝土厚度计算如取单位宽度为1.0m计算，则均布荷载为：弯矩：应力：所以：取：以上按悬吊设计原理计算时，喷锚结构参数为：锚杆直径20cm，长2.5m，间距1.2m，喷混凝土厚度12cm。8.5施工信息的反馈施工开挖前就能准确的确定各项支护参数以及最优开挖支护方案，并非易事。施工信息反馈，即所谓的信息化设计是一种新的围岩稳定性评价方法和地下工程设计方法。基于施工信息反馈的信息化设计要求在施工过程中布置监测系统，从现场围岩的开挖及支护过程中获得围岩稳定性及支护设施的工作状态信息。反馈分析根据部分测点的位移、应力反求材料参数及初始地应力，同时对洞室稳定性进行判断。反馈分析方法：正演法、逆演法。正演法利用力学计算应力分析的基本格式，对反馈分析所需的参数进行数学上的近似，并不断优化。可用各种优化方法使目标函数J趋于最小，此方法适应性广。逆演法需要建立一套与常规应力分析格式相反的计算公式。在线弹性情况下，可用迭加原理建立逆演法的计算