隧道支护与衬砌课件

隧道支护与衬砌概述：隧道施工在地层中开挖出导坑后，出现了岩壁临空面，改变了围岩的应力状态，产生了趋向隧道内的变形位移。同时，由于开挖扰动以及随时间推移的变形量的增长，又降低了围岩的强度。当围岩应力超过围岩强度时，围岩的变形发展过大，从而造成失稳；其表现通常为围岩向洞内的挤入、张裂、沿结构面滑动，甚至最后发生坍塌。围岩的变形是个动态过程。对于坚硬稳固的围岩，开挖成洞后其强度足以承受重分布后的应力，因而不致失稳。但对于破碎、软弱围岩，开挖后随着暴露时间的增加，变形随着发展，就会造成失稳。尤其是在隧道拱部、洞口、交叉洞以及围岩呈大面积平板状且结构面发达的部位，更易失稳。

隧道支护与衬砌为了有效地约束和控制围岩的变形，增强围岩的稳定性，防止塌方，保证施工和运营作业的安全，必须及时、可靠地进行人工支护，人工支护通常又分为一次支护（初期支护）和二次支护（衬砌）两大类。按使用目的和时间又分为临时支护和永久支护，临时支撑的功能是作为辅助开挖结构，或作为过渡结构，特别是用于控制局部塌落等，当临时支撑的任务完成后常被拆除。永久支护一般是指混凝土衬砌。有时仅仅采用喷混凝土、锚杆及钢支撑等一般人工支护方法不能保证坑道的稳定时，还需要采取辅助的支护措施，如小导管注浆、管棚、锁脚锚杆、围岩注浆等支护方式。这是提高围岩自支护能力的重要措施。一般说，这种人工支护的措施，多数是在地质条件差的情况时采取的。

隧道支护与衬砌支护的合理选用与围岩的稳固程度有关。一般说来，Ⅰ级围岩不需临时支护；Ⅱ级围岩采用锚杆支护；Ⅲ～IV级围岩采用喷射混凝土支护、锚杆喷混凝土联合支护、锚杆钢筋网喷混凝土联合支护；Ⅴ级围岩采用喷射混凝土钢支撑联合支护或其他支撑支护；Ⅵ级围岩采用木、钢、钢木混合支撑或钢筋混凝土支撑。对于Ⅰ～Ⅱ级围岩，可以先挖后支，支护距开挖面距离一般不宜大于5～10m；Ⅳ～Ⅴ级围岩随挖随支，支护需紧跟工作面；Ⅴ～Ⅵ围岩先支后挖。施工过程中如条件合适，应尽量将临时支护与永久支护结合采用。

隧道支护与衬砌一、锚喷支护锚喷支护：是一种组合支护，它是将喷射混凝土、锚杆、钢筋网喷射混凝土、钢纤维、钢拱架组合起来的支护形式。可以根据不同围岩的稳定状况，采用锚喷支护中的一种或几种结构的组合。锚喷支护是目前通常采用的一种围岩支护手段。采用锚喷支护可以充分发挥围岩的自承能力，并有效地利用洞内的净空，既提高了作业的安全性，又提高了作业效率；它能适应软弱岩层和膨胀性岩层中隧道的开挖；它能用于整治坍方和隧道衬砌的裂损。隧道支护与衬砌一、锚喷支护锚喷支护包括：喷射混凝土支护、锚杆支护、喷射混凝土锚杆联合支护、喷射混凝土钢筋网联合支护、喷射混凝土与锚杆及钢筋网联合支护、喷钢纤维混凝土支护、喷钢纤维混凝土锚杆联合支护，以及上述几种类型加设型钢（或钢拱架）而成的联合支护。前五种为常用的基本类型，后两类较少使用。隧道支护与衬砌锚喷支护优越性：能及时支护和有效地控制围岩的变形，防止岩块坠落和坍塌的产生，充分发挥围岩的自承能力；能大量节省混凝土、木材和劳动力，加快施工进度，工程造价可大幅度降低，并有利于施工机械化程度的改进和劳动条件的改善等。是一种符合岩体加固原理的积极支护方法，加固体具有良好的物理力学性能。即它能及时地支护和加固围岩，与围岩密贴并封闭岩体的张性裂隙和节理，加固围岩结构面，有效地发挥和利用岩块问的镶嵌咬合和自锁作用，从而提高岩体自身的强度、自承能力和整体性。隧道支护与与衬砌锚喷支护优优越性：支护结构柔柔性好，它它能同围岩岩共同变形形，构成一一个共同工工作的承载载体系。在在变形过程程中，它能能调整围岩岩应力，抑抑制围岩变变形的发展展，避免岩岩体坍塌的的产生，防防止过大的的松散压力力出现。锚锚喷支护结结构不再把把围岩仅仅仅视作荷载载(松散压力)，同时还把把它视为承承载结构的的组成部分分。隧道支护与与衬砌（一）喷射射混凝土支支护喷射混凝土土的作用与与效果：隧道支护与与衬砌喷射混凝土土的作用与与效果：隧道支护与与衬砌（一）喷射射混凝土支支护喷射混凝土土的工艺与与流程：有干喷、潮潮喷、湿喷喷和混合喷喷四种。它它们之间的的主要区别别是：各工工艺流程的的投料程序序不同，尤尤其是加水水和速凝剂剂的时机不不同。隧道支护与与衬砌（一）喷射射混凝土支支护人工喷射混混凝土的场场景隧道支护与与衬砌（一）喷射射混凝土支支护喷射混凝土土原料及配配合比：喷射混凝土土的原材料料包括:水泥、碎石石或卵石(砾石)、砂、水和和外加剂(速凝剂)等。优先选用425号以上的普普通硅酸盐盐水泥，其其次是矿渣渣硅酸盐水水泥和火山山灰质硅酸酸盐水泥；；在地质条条件复杂的的隧道中应应用早强水水泥；使用用前均应做做强度鉴定定试验。为防止喷射射混凝土过过程中的堵堵塞管道，，减少回弹弹量及保证证混凝土支支护结构的的强度，应应采用坚固固耐久的碎碎石或卵石石，粒径不不宜大于15mm(细卵石好)。隧道支护与与衬砌（一）喷射射混凝土支支护喷射混凝土土原料及配配合比：为保证喷射射混凝土的的强度和减减少施工作作业时的粉粉尘，以及及减少混凝凝土硬化时时的收缩裂裂纹，应采采用坚硬耐耐久的中、、粗砂，细细度模数一一般宜大于于2.5，含水率宜宜控制在5%～7%，若超过7%，喷射时易易造成堵管管。为保证喷射射混凝土正正常凝结和和硬化，保保证强度和和稳定性，，饮用水可可作喷射用用水，不得得使用污水水以及PH值小于4的酸性水和和含硫酸盐盐量(SO4计算)超过水量1%的水，也不不得使用含含有影响水水泥正常凝凝结与硬化化的有害物物质的水。。隧道支护与与衬砌（一）喷射射混凝土支支护喷射混凝土土原料及配配合比：外加剂主要要是速凝剂剂，应采用用符合质量量要求，并并对人体危危害性很小小的外加剂剂。掺外加加剂之前，，应做与水水泥的相溶溶性试验及及水泥净浆浆速凝效果果试验，初初凝不应大大于5min，终凝不应应大于10min，注意速凝凝剂平时保保持干燥勿勿受潮变质质。在喷射射混凝土中中添加速凝凝剂的目的的是使喷射射混凝土速速凝，以减减少回弹量量及早强。。因此，掺掺外加剂后后的喷射混混凝土性能能必须满足足设计要求求。一般速速凝剂最佳佳掺量约为为水泥重量量的2%～4%，实际使用用时拱部可可用2%～4%，边部可用用2%，过多的掺掺量对喷射射混凝土反反而不利。。隧道支护与与衬砌（一）喷射射混凝土支支护喷射混凝土土原料及配配合比：隧道支护与与衬砌（一）喷射射混凝土支支护喷射混凝土土的施工要要点喷射混凝土土前要做相相应的检查查和准备工工作。喷射作业施施工准备工工作做好后后，严格掌掌握规定的的速凝剂掺掺量，并添添加均匀。。喷射时，，喷射手应应严格控制制水灰比，，使喷层表表面平整光光滑，无干干斑或滑移移流淌现象象。在未上混凝凝土拌和料料之前，先先开高压风风及高压水水，对喷喷射机械进进行调试。。喷射应应分段、分分部、分块块，按先墙墙后拱、自自下而上地地进行喷射射。喷嘴需需对受喷岩岩面作均匀匀的顺时针针方向的螺螺旋转动，，一圈压半半圈的横向向移动，螺螺旋直径约约为20～30cm，以使混凝凝土喷射密密实。隧道支护与与衬砌（一）喷射射混凝土支支护喷射混凝土土的施工要要点为保证喷射射混凝土质质量，减少少回弹量和和降低粉尘尘，作业时时还应注意意以下事项项：①喷射射时应分段段长度不超超过6m，分部为先先下后上，，分块大小小为2m×2m，并严格按按先墙后拱拱，先下后后上的顺序序进行喷射射，以减少少混凝土因因重力作用用而引起滑滑动或脱落落现象的发发生；②掌掌握好喷嘴嘴与受喷岩岩面的距离离和角度，，喷嘴至岩岩面的距离离为0.8m～1.2m，过大或过过小都会增增加回弹量量。喷嘴与与受喷面垂垂直，并稍稍微偏向刚刚喷射的部部位(倾斜角不宜宜大于100)，则回弹量量最小、喷喷射效果和和质量最佳佳。对于岩岩面凹陷处处应先喷和和多喷，而而凸出处应应后喷和少少喷。回弹弹混凝土不不得再次利利用。隧道支护与与衬砌（一）喷射射混凝土支支护喷射混凝土土的施工要要点风压与喷射射质量有密密切的关系系，过大的的风压会造造成喷射速速度太高而而加大回弹弹量，损失失水泥，风风压过小会会使喷射力力减弱，则则混凝土密密实性差。。因此，根根据喷射情情况应适当当调整风压压、输料管管长度进行行调节风压压。喷射作业应应分层进行行。一次喷喷射厚度不不得太厚或或太薄，它它主要与喷喷射混凝土土层与受喷喷面之间的的粘结力和和受喷部位位等有关，，并且应根根据掺与不不掺速凝剂剂、喷射效效率，回弹弹损失率等等因素而定定。隧道支护与与衬砌（一）喷射射混凝土支支护喷射混凝土土的施工要要点根据工程经经验，通常常喷层支护护的最小厚厚度一般不不能小于5cm，而在有较较大围岩压压力的破碎碎软弱岩体体中，喷层层厚度以不不小于8～10cm为宜，喷层层总厚度不不宜大于25cm，只有三车车道以上大大断面隧道道才允许适适当增大喷喷射厚度，，但不宜大大于30cm。一般规定定按照表2-7-4确定喷射厚厚度。隧道支护与与衬砌（一）喷射射混凝土支支护喷射混凝土土的施工要要点一次喷射太太厚，在自自重作用下下，喷层会会出现错裂裂而引起大大片坍落。。一次喷射射太薄，大大部分粗骨骨料会回弹弹，使受喷喷面上仅留留下一层薄薄薄的混凝凝土或砂浆浆，势必影影响效果及及工程质量量。分层喷喷射厚度，，一般为粗粗骨料最大大粒径的两两倍，如一一次喷射厚厚度小于5cm时，使用石石子的最大大粒径也要要求相应减减小。分层喷射，，一般分2～3层喷射。分分层喷射合合理的间隔隔时间应根根据水泥品品种、速凝凝剂种类及及掺量、施施工温度(最低不宜低低于5℃)和水灰比大大小等因素素，并视喷喷射的混凝凝土终凝情情况而定。。隧道支护与与衬砌（一）喷射射混凝土支支护喷射混凝土土的施工要要点分层喷射间间隔时间不不得太短，，一般要求求在初喷混混凝土终结结以后，再再进行复喷喷。当间隔隔时间较长长时，复喷喷前应将初初喷混凝土土表面清洗洗干净，且且复喷时应应将凹陷处处进一步找找平。一般在常温温下(15℃～20℃)，采用红星星一型速凝凝剂时，可可在5min～10min后，进行下下一次喷射射；而采用用碳酸钠速速凝剂时，，最少要在在30min后，才能进进行复喷。。为使水泥充充分水化，，使喷混凝凝土的强度度均匀增长长，减少或或防止混凝凝土的收缩缩开裂，确确保喷混凝凝土质量。。因此，喷喷射后特别别需要有良良好的养护护，应在其其终凝1h～2h后进行洒水水养护，养养护时间应应不少于7天。隧道支护与与衬砌（一）喷射射混凝土支支护钢筋网喷射射混凝土施施工要点如如下：①钢筋使用用前，应清清除污锈。。钢筋网宜宜在施工现现场预制点点焊成网片片，也可就就地绑扎相相结合。②钢筋网通通常应环向向和纵向布布置。环向向筋一般为为受力筋，，由设计计计算确定，，钢筋直径径Φ12mm左右；纵向向筋一般为为构造筋，，直径一般般为Φ6～Φ10；网格尺寸寸一般为20×20cm，20×25cm，25×25cm，25×30cm，30×30cm，围岩松散散破碎较严严重时，或或土质和砂砂质隧道，，可采用直直径小于Φ6mm，网格尺寸寸一般为10×10cm，10×15cm，15×15cm。15×20cm，20×20cm。钢筋网安安设时，其其搭接长度度不小于30d（d为钢筋直径径），并不不小于一个个网格长边边尺寸；采采用双层钢钢筋网时，，第二层钢钢筋网应在在第一层钢钢筋网被混混凝土覆盖盖后铺设。。隧道支护与与衬砌（一）喷射射混凝土支支护钢筋网喷射射混凝土施施工要点如如下：③钢筋网应应据根被支支护围岩面面上的实际际起伏形状状铺设，应应在初喷一一层混凝土土后再挂设设在岩面上上的，然后后再喷混凝凝土。钢筋筋网与受喷喷面的最大大间隙应不不宜大于30mm。④为便于挂挂网安装，，常将钢筋筋网先加工工成网片，，长宽尺寸寸可以为100cm～200cm。⑤钢筋网应应与钢拱架架、锚杆或或锚钉头连连结牢固，，并应尽可可能多点连连接，以减减少喷混凝凝土的使网网筋发生““弦振”现现象。锚钉钉的锚固深深度不得小小于20cm，以确保连连接牢固、、安全、可可靠。隧道支护与与衬砌（一）喷射射混凝土支支护钢筋网喷射射混凝土施施工要点如如下：⑥在开始时时，应适当当缩短喷头头至受喷面面的距离，，并适当调调整喷射角角度，使钢钢筋网背面面混凝土达达到密实。。对于干燥燥土质隧道道，第一次次喷射一定定不能太厚厚，否则会会鼓起及剥剥落等。⑦在砂层地地段，应注注意要紧贴贴砂层铺挂挂细钢筋网网，并用Φ12mm环向钢筋压压紧，再喷喷射混凝土土。在正式式喷射前先先喷一层加加大速凝剂剂掺量的砂砂浆，适当当减少喷射射机的工作作风压。⑧在有水地地段，应改改变配合比比，增加水水泥用量；；先喷干混混合料，待待其与涌水水融合后，，再逐渐加加水喷射。。喷射时由由远而近，，逐渐向涌涌水点逼近近，然后在在涌水点安安设导管将将水引出，，再在导管管附近喷射射。隧道支护与与衬砌（一）喷射射混凝土支支护钢筋网喷射射混凝土施施工要点如如下：当涌水范围围较大时，，可设树枝枝状排水盲盲沟再喷射射；当涌水水严重时，，可设置泄泄水孔，边边排水边喷喷射；当涌涌水点不多多时，可用用开缝摩擦擦锚杆进行行导水处理理后再喷射射。当有钢架时时，钢架与与围岩之间间的间隙必必须用喷射射混凝土充充填密实，，喷射混凝凝土应将钢钢架覆盖，，避免钢架架锈蚀，并并应由两侧侧拱脚向拱拱顶方向喷喷射。为防防止喷射混混凝土开裂裂，当采用用钢纤维喷喷射混凝土土时，钢纤纤维在混合合料中应分分布均匀，，不得结成成团。隧道支护护与衬砌砌（二）钢钢纤维喷喷射混凝凝土支护护钢纤维喷喷混凝土土主要在在通过韧韧性发挥挥其作用用，在隧隧道洞口口段和断断层破碎碎带或膨膨胀性围围岩等围围岩恶劣劣的场合合、大土土压作用用的地点点和隧道道交叉段段、扩大大段等构构造上产产生很大大应力的的地点等等使用。。混入纤纤维后与与金属网网一样可可起到防防止剥落落的效果果。一般采用用的钢纤纤维，其其长度在在40mm以下，纤纤维直径径为0.3～0.6mm,长径比为为40～60左右，混混入率在在0.5%～1.0%左右。隧道支护护与衬砌砌（二）钢钢纤维喷喷射混凝凝土支护护其他纤维维有聚丙丙烯纤维维、尼龙龙纤维、、碳纤维维等,这些纤维维的力学学性能有有的是钢钢纤维不不具备的的。在实实践中聚聚丙烯纤纤维采用用较多，，与钢纤纤维比较较其密度度为0.91kg/cm3，比较轻轻，材料料运送、、混入比比较容易易。纤维喷混混凝土有有钢纤维维、玻璃璃纤维、、尼龙纤纤维等。。钢纤维维喷混凝凝土是纤纤维喷混混凝土的的应用最最多的一一种。隧道支护护与衬砌砌（二）钢钢纤维喷喷射混凝凝土支护护纤维喷混混凝土与与普通喷喷混凝土土的最大大区别为为:(1)弯曲拉伸伸及抗剪剪强度大大；(2)最大强度度后的残残留强度度大；(3)峰值强度度后的变变形能力力及韧性性大，开开裂发生生后也能能传递拉拉力；(4)耐冲击、、抗冻融融性好。。隧道支护护与衬砌砌（三）锚锚杆支护护1．锚杆作作用机理理隧道支护护与衬砌砌（三）锚锚杆支护护1．锚杆作作用机理理隧道支护护与衬砌砌（三）锚锚杆支护护2．锚杆类类型锚杆类型型按照作作用原理理可划分分为全长长粘结型型、端头头锚固型型、摩擦擦型和预预应力型型四种。。全长粘结结型锚杆杆可分为为普通水水泥砂浆浆锚杆、、树脂锚锚杆、水水泥卷锚锚杆、早早强水泥泥砂浆锚锚杆、中中空注浆浆锚杆、、自钻式式注浆锚锚杆等。。端头锚固固型锚杆杆按结构构又可分分为：①机械式式内锚头头：楔缝缝式锚杆杆、倒楔楔式锚杆杆、胀壳壳式锚杆杆。②粘结式式内锚头头：如水水泥砂浆浆内锚头头，快硬硬水泥卷卷内锚头头，树脂脂锚固锚锚杆。隧道支护护与衬砌砌（三）锚锚杆支护护2．锚杆类类型摩擦型锚锚杆可分分为缝管管式锚杆杆、楔管管式锚杆杆、水胀胀锚杆。。预应力锚锚杆按内内锚头的的结构型型式有机机械式内内锚头和和胶结式式内锚头头；按锚锚固段的的应力分分布有集集中型和和分散型型；按岩岩层的受受力性质质有拉力力型、压压力型、、剪力型型和混合合型。目目前使用用最广的的是拉力力集中型型，但近近年压力力分散型型锚杆发发展很快快。隧道支护护与衬砌砌（三）锚锚杆支护护2．锚杆类类型隧道工程程的永久久支护必必须采用用全长粘粘结型锚锚杆和预预应力注注浆锚杆杆。自稳稳时间短短的围岩岩，宜采采用全粘粘结型树树脂锚杆杆或早强强水泥砂砂浆锚杆杆。局部部不稳定定的岩块块宜设置置局部锚锚杆，可可采用全全长粘结结型锚杆杆、端头头锚固型型锚杆、、预应力力锚杆，，锚固端端应置于于稳定岩岩体内，，锚杆参参数应通通过计算算确定。。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加应应力应小小于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。岩岩体破碎碎、成孔孔困难的的围岩，，宜采用用白进式式锚杆。。锚杆通通常只能能作为临临时支护护，只有有证明全全孔注浆浆饱满的的才能用用于永久久支护。。隧道支护护与衬砌砌（三）锚锚杆支护护2．锚杆类类型⑴锚杆类型型①全长长粘结型型⑴锚杆类型型②端头头锚固型型⑴锚杆类型型②端头头锚固型型⑴锚杆类型型②端头头锚固型型⑴锚杆类型型③摩察察型⑴锚杆类型型③摩察察型隧道支护护与衬砌砌（三）锚锚杆支护护2．锚杆类类型中空注浆浆锚杆图片片隧道支护护与衬砌砌（三）锚锚杆支护护2．锚杆类类型中空注浆浆锚杆图片片隧道支护护与衬砌砌（三）锚锚杆支护护2．锚杆类类型缝管锚杆,隧道支护护与衬砌砌（三）锚锚杆支护护2．锚杆类类型隧道支护护与衬砌砌（三）锚锚杆支护护2．锚杆类类型垫板隧道支护护与衬砌砌（三）锚锚杆支护护2．锚杆类类型要发挥锚锚杆的效效果，垫垫板的设设置是十十分重要要的。试试验表明明：设垫垫板比不不设垫板板，加载载应力提提高了2.5倍；垫板板面积越越大，头头部轴力力提高也也越多。。例如，，垫板面面积增加加1倍，头部部轴力可可提高1.25倍。其次次，有垫垫板时，，锚杆轴轴向应变变的最大大值的位位置，向向内部移移动。这这说明锚锚杆的三三维约束束效果得得以发挥挥。隧道支护护与衬砌砌（三）锚锚杆支护护隧道支护护与衬砌砌（三）锚锚杆支护护3．采用锚锚杆的条条件锚杆的锚锚固力受受到锚杆杆和锚固固材的附附着力和和锚固材材和围岩岩的附着着力两方方面的影影响：具具体地说说，就是是受到锚锚杆的材材质和表表面形状状、锚固固材的强强度、围围岩的强强度、孔孔壁的状状况及锚锚固材的的充填状状况等的的影响。。因此，为为获得较较好的围围岩锚固固效果，，要求锚锚杆和围围岩间要要有适当当的锚固固力；在在不连续续围岩中中锚杆要要横切（穿）不连续面面；在不不连续性性围岩中中，设置置锚杆的的范围内内，围岩岩位移差差要大。。隧道支护护与衬砌砌（三）锚锚杆支护护3．采用锚锚杆的条条件不满足这这些条件件的围岩岩，锚杆杆的作用用是比较较小的，，甚至没没有效果果。例如如：①在在含水的的粘性土土中，锚锚固材和和围岩间间产生滑滑动，锚锚固力有有时不充充分；②②松砂等等因围岩岩的强度度小，也也不能获获得锚固固力，但但如对围围岩进行行改良，，也有可可能产生生效果；；③在连连续性围围岩中，，变形小小，几乎乎也不产产生塑性性变形的的围岩。。但在这这种围岩岩中，因因主要是是不连续续面支配配围岩的的动态，，作为不不连续面面的对策策，也会会产生一一定的效效果；④④塑性区区域超过过锚杆设设置范围围以外的的场合，，但此时时可加长长锚杆长长度（图图10）。⑤围围岩破坏坏，在产产生的滑滑面内设设置锚杆杆的场合合（图11）；⑥锚锚杆产生生压力的的场合；；⑦在不不连续性性围岩中中，锚杆杆没有横横切不连连续面的的场合(图12)。隧道支护护与衬砌砌（三）锚锚杆支护护4．锚杆的的群锚作作用锚杆是属属于点状状支护的的类型。。除了随随机配置置的锚杆杆外，绝绝大多数数都应呈呈网状配配置，以以便发挥挥群锚的的作用，，这是非非常重要要的。因因此，锚锚杆的配配置参数数（长度