用特征线设计锚喷支护的理论与方法

用特征线设计锚喷支护的理论与方法第一页，共52页。局部不稳定分析的原理与步骤二、本章所研究的不稳定块体的含义

本章所研究的不稳定块体是指由软弱结构面、临空面以及新形成的切割面所组成的较大规模的的不稳定块体。一般，围岩中被几组节理所切割成的小块岩体，由设计中用作整体加固的锚喷支护就足以承受，不需另行局部加固。第二页，共52页。局部不稳定分析的原理与步骤三、不稳定块体的计算与加固的步骤1、不稳定块体的几何分析确定结构面面积、结构体体积和重量等，这些都是稳定性分析中的必要数据。不稳定块体的几何分析是以地质勘察工作所获得的地质结构面产状和测点坐标，以及工程设计开挖的几何参数为前提的，有了这些参数就可以通过解析法或图算法来确定不稳定块体的几何参数。2、失稳方式的运动学分析运动学分析的主要任务是判断不稳定块体的位移运动趋势和失稳方式。运动学分析是在上述几何分析的基础上，再考虑载荷矢量的作用。荷载一般包括重力、地应力及动态力（地震力、爆破松动力等）。不过这里只研究重力，动态力和地应力不予考虑。第三页，共52页。局部不稳定分析的原理与步骤由于不稳定块体边界切割面的情况不同，初始位移趋势可能有多种发展结果，即可能有多种失稳方式：（1）由于受到边界切割面的限制，结构体不能向临空面位移，而在某一结构面上压紧，或者所有结构面不能脱开，则结构体是稳定的。（2）由于切割面的影响，产生结构面或结构面交线滑动，位移方向指向临空面，这是形成滑动失稳。（3）当合力矢量作用于边界面以外，或是结构体受力位移后形成一定的力矩时，若指向临空面，则可能产生转动或倾倒。（4）不受切割面影响，结构体的初始位移即造成所有的结构面上的拉开，这是形成崩落或抛出。常见的失稳运动方式是崩落和滑动。失稳方式不同，其稳定的评价和分析也不同。运动学分析是进一步稳定分析的基础。第四页，共52页。局部不稳定分析的原理与步骤3、稳定系数的计算分析稳定分析是根据岩石结构体受力运动和阻滑力的对比关系，确定相对于极限状态时的稳定程度，做出稳定性评价。当运动学解析指出有可能滑动时，应根据滑动面的构成，采用抗剪强度进行滑动稳定分析，求取滑动安全系数。对于崩落或抛出的不稳定块体，则可直接求出其崩落力或抛出力。4、不稳定块体的加固计算和锚喷支护强度计算锚喷支护是当前加固不稳定块体的主要支护方式。尤其是采用锚杆或锚索支护，其加固效果远优于其他支护型式。对可能失稳的不稳定块体需进行局部加固计算和锚喷支护的强度计算，以确定喷层厚度、锚杆根数和参数以及锚杆的布置方案。一般情况下，喷层厚度按整体加固要求确定，局部加固主要是计算锚杆的根数和参数。常用的不稳定块体的稳定性分析方法有图解法和数解法。第五页，共52页。赤平极射投影与实体比例投影一、赤平极射投影基本概念赤平极射投影，是利用一个球体作为投影工具，通过球心作一平面ESWN（赤平面）作为投影平面。极射就是从球体的一个端点F发出射线，如FP，F称为极点，P为球体上的一个质点。由极点F向P发出的射线必然交于赤平面于M点，M就是P点在赤平面上的投影。实际上，赤平极射投影是把点、线、面的位置投影到球面上，然后再把它们投影到赤平面上，化立体为平面。目前，我国在工程地质实际应用中，习惯上采用上半球做球面投影，从下半球球极（F）发出射线的方法，投影上半球的物体。如图所示，AC表示该平面走向，MO表示该平面倾向；平面越陡，弧AMC越靠近圆心，两个极端的情况，垂直时为直线AC，水平时为基圆（WM表示倾角）。第六页，共52页。工程类比法设计的原则与方法第七页，共52页。赤平极射投影与实体比例投影二、基本作图法1、两种投影网吴氏网与斯氏网，每种投影网都包括两种投影图，即经纬网与极坐标网。2、吴氏网的特点3、基本作图第八页，共52页。工程类比法设计的原则与方法第九页，共52页。工程类比法设计的原则与方法锚喷支护工程类比设计程序应用工程类比法确定支护参数的设计程序，一般分为初步设计阶段和施工设计阶段。1、设计设计阶段：2、施工设计阶段：第十页，共52页。用工程类比法设计锚喷支护参数第十一页，共52页。赤平极射投影与实体比例投影三、实体比例投影的概念（一）实体比例投影的概念赤平极射投影只能反映平面和直线的方位以及它们相互的角距关系，不能反映平面大小，线段长短以及它们的具体位置。因此必须将赤平极射投影与实体比例的垂直投影结合起来，相互配合，才能确定出露洞室临空面上的块体的空间位置和形状。实体比例投影是研究直线、平面，以及由平面围成的块体在一定比例尺的平面图上构成影像的规律的一种图解方法。它应用正投影（垂直投影）的原理和方法，并与赤平投影图相配合，根据实测的结构面产状和分布位置，通过作图，求出结构面的组合交线、组合的平面，以及由组合的平面和直线围成的结构体的几何形状和规模、分布位置和方向，而且完全变立体表示为平面表示。第十二页，共52页。赤平极射投影与实体比例投影（二）实体比例投影与正投影的区别和联系1、正投影：主要应用于机械制图学，它根据机械零件的几何形状做出它在各投影面上的投影。投影图要求严格反映机械零件的面、线的尺寸大小，但不严格要求反映面和线的实际空间方向。2、实体比例投影：有尺寸大小的概念，又有方向的概念。主要根据结构面在水平投影面上的投影求出其组合的实体（结构体）。投影图除了要求反映结构体的面和线的尺寸大小之外，还要求严格反映结构体的面和线的实际空间方向，包括面的走向、倾向、倾角和线的倾向、倾角。由于实体比例投影具有方向概念，所以它的作图和表示方法与普通正投影有所不同。实体比例投影需配合结构面的赤平极射投影来表示结构体各个面的走向、倾向和倾角，以及结构体的各个棱线的倾向和倾角。第十三页，共52页。赤平极射投影与实体比例投影四、投影原理与作图方法做空间上点、线、面的实体比例投影平面一般为水平面。在实际作图时，它常是通过结构面实测点高程的一个水平面，或直接代表工程岩体的水平临空面，如地下洞室的洞顶面。采用水平面作为实体比例投影平面，好处在于它与赤平投影的投影平面一致，因而在做实体比例投影图时，只要选取其方位表示与赤平投影图的方位表示一致，通过实体比例投影图上的已知点（如结构面上实测点），作赤平投影图上与之相应的直线的平行线即可，作图的过程非常简单。1、直线的投影空间任意直线的实际长度等于实体比例投影长度与倾角的余弦之比。第十四页，共52页。赤平极射投影与实体比例投影2、平面的投影实体三角平面ABC的面积等于其水平面上的投影（即实体比例投影）三角形的面积和倾角的余弦之比。推广到任意形状的平面的面积与其实体比例投影的面积的关系中去，即其中，S已知空间任意形状平面的实际面积；S1已知平面的实体比例投影的面积；α已知平面的倾角。在岩体结构分析和岩体稳定性分析中，根据结构面的产状和它们的组合切割关系，按照实际出露位置做出实体比例投影后，就可以根据投影图求出结构体各个面的实际面积，求出结构体的体积重量，进行稳定性的分析计算。第十五页，共52页。赤平极射投影与实体比例投影3、结构体的投影在岩体结构和岩体稳定分析中，经常是对由结构面和临空面组合切割成的具体结构体的稳定性进行分析计算。在各种不同几何形状的结构体中，由三个已知结构面和一个临空面或两个已知结构面和两个临空面组成的四面体（或四面锥体）比较常见。并且这种几何形状的结构比较容易用赤平投影和实体比例投影方法做出图解。地下洞室的临空面通常有两种产状情况，其一是洞顶面，在作图分析时常近似地视为水平临空面，其二是洞壁边墙和直立临空面。临空面的产状不同，结构体的实体比例投影的作图方法也略有不同。（1）临空面为水平产状的实体比例投影地下洞室的临空面为水平时，即以临空面作为实体比例投影的投影平面。将洞室拱顶上的结构体位于投影平面之上。第十六页，共52页。赤平极射投影与实体比例投影分析过程如图11-25所示。如视三角形A1B1C1为结构体的底面积，则结构体为O1为顶点的一个正锥体。它的体积为：△A1B1C1为锥体底面积。由于洞顶临空面与投影平面一致，在实体比例投影上根据比例尺直接从图上量出的三角形A1B1C1的面积即为其实际面积。h为锥体以O1为顶点的高度，它可以由垂直投影关系求出：h=A1O1tanαA，h=B1O1tanαB，h=C1O1tanαC，αA，αB，αC分别为结构面组合交线AO、BO、CO的倾角，可在赤平投影图上读出。A1O1，B1O1，C1O1的长度可在实体比例投影图上根据作图比例尺直接量出。第十七页，共52页。赤平极射投影与实体比例投影（2）临空面为直立产状的实体比例投影地下洞室的临空面为直立时，在实际作图时，往往是将临空面以其走向线为旋转轴，转至水平位置（所以结构面亦随之绕同一旋转轴转900），得出以临空面为投影平面的结构面赤平投影图。然后可再按上述作图方法做出结构体在临空面上的实际比例投影。第十八页，共52页。隧道围岩不稳定块体稳定性分析手工图算法一、洞顶四面不稳定块体的稳定性分析1.洞顶四面不稳定块体的几何解析取一水平面作为投影面，而把结构面与投影面的交线称为结构面的走向线。已知三组结构面I、J、K的走向、倾向、倾角及走向线上的某点位置Fi，Fj，Fk，求在拱顶形成的切割块体的大小和形状。作图步骤见教材P274页赤平投影图→实体比例投影（增加垂直隧道轴线直线投影）→做出切割块体正投影第十九页，共52页。隧道围岩不稳定块体稳定性分析手工图算法2.洞顶四面不稳定块体的滑移类型分析假设基圆的圆心落在三结构面所围成的曲边三角形内部，则该四面体称为直四面体，直四面体的滑塌形式是直接塌落。反之，如果点O落在曲边三角形外部，称为斜四面体。它的滑移类型进行如下分析：在赤平投影图上，通过锥体的顶点O（即圆心），作通过锥体并与洞轴线方向（TT）垂直的铅直剖面（MNO）。如果在近圆心侧，铅直剖面（MNO）只与某一组结构面相交，则这个锥体为单滑面锥体，并且近圆心侧的那组结构面即为滑动面。如果在近圆心侧，铅直剖面可以分别与某两组结构面相交，则这个锥体为双滑面锥体，近圆心侧的那两组结构面将同时作为滑动面。第二十页，共52页。隧道围岩不稳定块体稳定性分析手工图算法二、洞壁四面不稳定块体的稳定性分析1.洞壁四面不稳定块体的几何解析设在洞壁面上，测得三组结构面S0，F1，F2的出露位置MSO、MF1，MF2及其产状，如图所示。求开挖后，该三组结构面在边墙所形成的切割体位置和大小。2.洞壁四面不稳定块体滑移类型分析第二十一页，共52页。不稳定块体的锚喷支护计算方法一、锚喷支护的承载作用1.锚杆的承载作用承拉作用、承剪作用。加固位于拱顶的不稳定块体，锚杆主要起悬吊作用，即承拉作用，此时宜垂直布置，这样能有效发挥锚杆效用。加固拱顶不稳定块体，也有些锚杆起抗剪作用。通常要求锚杆与节理面成较大角度，且逆着不稳定块体的滑落方向布设。位于边墙的不稳定块体，主要是沿着某一个或某两个节理面产生滑移塌落，这是锚杆起抗剪作用。2.锚杆的作用机理3.喷射混凝土的承载作用：在不稳定块体作用下，喷层破坏一般有两种形式：冲切破坏和黏结破坏。当喷层厚度不大时，喷层的承载力应按喷层冲切破坏确定，而当喷层厚度较大时或喷层与岩面黏结力很差时应按喷层黏结破坏确定。4.喷射混凝土的作用机理第二十二页，共52页。①悬吊作用②组合梁作用③整体加固作用锚杆的力学作用第二十三页，共52页。

①悬吊作用：将不稳定岩层悬吊在坚固岩层上，阻止围岩移动滑落。第二十四页，共52页。②组合梁作用：在岩层中打入锚杆，将若干薄弱岩层锚固在一起，类似将叠合的板梁变成组合梁，提高岩层的承载力。

第二十五页，共52页。③整体加固作用：锚杆群锚入围岩后，其两端附近岩体形成圆锥形压缩区，按照一定间距排列的锚杆在锚固力作用下构成一个均匀的压缩带，即承载环。第二十六页，共52页。局部稳定原理危石除用锚杆支护外，也可用喷射混凝土层支护。在危石重力作用下混凝土喷层可能出现冲切破坏和撕裂破坏。第二十七页，共52页。（2）整体稳定原理第二十八页，共52页。（2）整体稳定原理

喷混凝土层与围岩体表面紧密粘结、咬合、使洞室表面岩体形成较平顺的整体，依靠结合面处的抗拉、抗压、抗剪能力，与岩体密贴组成“组合结构”或“整体结构物”共同工作。第二十九页，共52页。不稳定块体的锚喷支护计算方法二、不稳定块体作用下锚喷支护的计算1.锚喷支护的计算原则（1）锚杆的计算原则：当加固拱顶崩落的不稳定块体时，锚杆起悬吊作用，即受拉作用；当加固边墙滑动的不稳定块体时，起销钉作用，即抗剪作用。对于可能很快失稳的围岩或危石，以及用于加固有加大规模的边墙不稳定块体时可采用预应力锚杆。当具有更大规模的不稳定块体时，还可以采用预应力锚索。悬吊锚杆可以采用砂浆锚杆和内锚头锚杆。悬吊锚杆一般应采用垂直布置的方式。加固边墙不稳定块体的锚杆可垂直于滑动面布设，或者逆着滑动方向布置，以使锚杆所提供的切向分力有助于维持滑落体的稳定。（2）喷层的计算原则在不稳定块体作用下喷层破坏有两种形式：冲切破坏和撕裂，所以应按冲切破坏和黏结破坏两类公式验算。然而，至今没有合适的按黏结破坏校核喷层承载力的公式。目前，我国国家标准（GB50086-2001）只按照冲切破坏校第三十页，共52页。不稳定块体的锚喷支护计算方法校核喷层厚度。当喷层厚度小于10cm时，按冲切破坏公式验算，而当喷层厚度大于10cm时，仍按10cm厚度的冲切承载力计算。同时，对喷射混凝土的粘结力提出一定要求，如规定I、II类围岩中，喷射混凝土粘结力不低于0.8MPa，III级围岩中不低于0.5MPa。2.锚杆的计算（1）拱顶锚杆的计算位于拱顶的锚杆，用来承受不稳定岩块的自重，因此可按悬吊理论计算。（2）边墙锚杆计算边墙锚杆主要通过锚杆的抗剪能力，以阻止不稳定块体的下滑，但预应力锚杆中还要计及预加荷载所产生的抗滑能力。（3）位于边墙与拱顶之间不稳定块体的锚杆加固计算第三十一页，共52页。不稳定块体的锚喷支护计算方法3.喷层的计算喷层具有承受不稳定块体的能力，但这种承载能力是很有限的，所以，对于一些巨大的不稳定块体主要由锚杆或预应力锚杆来承受，单纯喷层只能承受不大的不稳定块体。第三十二页，共52页。隧道及边坡工程中常用锚杆水泥砂浆锚杆1、构造：由水泥砂浆、杆体、垫板和螺母组成；杆体可采用带肋钢筋或高强度玻纤树脂实心或空心管。垫板可用金属材料，也可以用工程塑料。2、特点（1）结构简单，加工安装方便，价格便宜，对围岩适用性强，具有一定的锚固力。（2）安装后有一个养护过程不能承载（3）被动支护，提供的支护反力依赖围岩变形，如果安装过晚，锚杆抗力小，作用有限。（4）注浆不宜密实。3、垫板作用（1）增强并扩大锚杆对岩体的锚固范围，特别是能使表层围岩处于三向受力状态，极大增强了围岩稳定性。第三十三页，共52页。隧道及边坡工程中常用锚杆（2）垫板能显著提高锚杆的系统刚度，使锚杆在软岩中不至于太软而无法与围岩特征线相交，丧失承载围岩压力的条件。（3）通过垫板将喷网与锚杆连成整体，从而形成喷锚网与围岩的联合体，共同承担地层压力的作用，这里垫板的传递起着重要的作用。（4）垫板能改变锚杆的受力分布，使锚杆的轴力分布比较均匀，提高锚杆效果。第三十四页，共52页。隧道及边坡工程中常用锚杆早强水泥砂浆锚杆与水泥砂浆锚杆的唯一区别就是注浆材料（粘结剂）不同。一般在2~4h就具有50KN左右的锚固力，弥补了普通水泥砂浆早期不能承载和强度增长缓慢的特点，因而在软弱、破碎、自稳时间短的围岩中显示出一定的优越性。快硬水泥卷内锚头锚杆构造：快硬水泥卷（锚固剂）、杆体、垫板、螺母、排气管组成杆体内端要求设计成左旋麻花状结构，其上端焊有挡圈，挡圈至麻花状顶部的长度即为锚头长度，挡圈具有防止搅碎的水泥从孔内滑出的作用。快硬水泥卷内锚头锚杆具有早强水泥砂浆锚杆能早起承载的特点，但是存在以下缺点，设计中要主要控制使用，一般不能用于永久性工程，特别是重要工程。缺点：（1）锚固质量受操作工艺影响，波动较大；（2）包装皮搅碎后混入锚固剂，严重影响内锚头的防腐耐久性；（3）注浆和排气系统的结构不完善，难以保证注浆饱满，尤其是向上安装的锚杆。第三十五页，共52页。隧道及边坡工程中常用锚杆早强水泥砂浆内锚头锚杆适用于在有严重化学腐蚀地层的抢修工程。中空注浆锚杆采用冷轧左旋螺纹杆体，为空心管。注浆可分为无压注浆和有压注浆两种，注浆时采用封堵技术的为压力注浆，否则为无压注浆。中空注浆锚杆的最大特点是利用杆体中中空管道进行注浆，浆液直达孔底，能保证注浆饱满。如果是向上安装的锚杆还设有排气管，孔底的塑料锚固头是用来悬挂杆体的重量，以免向上安装时杆体下滑。凡永久性锚杆均要求压力注浆。在我国沿海地区得到了普遍使用。自钻式注浆锚杆这种锚杆将钻孔、注浆及锚固等功能一体化，适于钻孔过程易塌孔，而且必须采用套管跟进的复杂地层。第三十六页，共52页。隧道及边坡工程中常用锚杆楔管式锚杆由开口异径管，上、下楔，定位销，挡环和垫板组成。优点为：效应快，安装后即能发挥锚固作用；对围岩能主动提供轴向和环向压应力，锚固效果比被动式锚杆要好；适应岩层范围较大，地下水对它的锚固效果影响很小；操作方便，作业安全，劳动强度低，安装一根约4分钟。极限锚固力约为120KN，适于中、小断面工程的临时支护和抢险工程。第三十七页，共52页。一般规定1、永久支护的锚杆应为全长粘结型锚杆或预应力注浆锚杆。其他类型的锚杆不能作为永久支护，当需作永久支护时，锚孔内必须注满砂浆或树脂。2、自稳时间短的围岩，宜采用全长粘结式锚杆或早强水泥砂浆锚杆。3、在Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ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呈大角度布置。第三十八页，共52页。一般规定（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不小于2.0m，三车道隧道系统锚杆一般不小于2.5m。4、局部不稳定的岩块宜设置局部锚杆，可采用全长粘结型锚杆、端头锚固型锚杆、预应力锚杆，锚固端应置于稳定岩体内，锚杆参数应通过计算确定。第三十九页，共52页。一般规定5、软岩、收敛变形较大的围岩地段，可采用预应力锚杆，预应力锚杆的预应力应不小于100kPa。预应力锚杆的锚固端必须锚固在稳定岩层内。6、岩体破碎、成孔困难的围岩，宜采用自进式锚杆。第四十页，共52页。预应力锚杆（索）一、预应力锚杆（索）组成由外锚头、锚杆体和内锚固段组成，统称预应力锚固体系。外锚头视锚杆张拉吨位的不同，繁简差异很大，实现张拉和锁定的装置。锚杆体（锚索体）也称自由段或张拉段，是形成预应力的主要构件。锚固段又称为内锚头或内锚固段，是预应力锚杆孔内锁定端，现场也称为锚根。二、外锚头的结构类型结构型式有锥筒垫板式结构外锚头和锚板式结构外锚头，前者用于螺纹钢筋锚固体系，后者用于镦头锚固体系和夹片式锚固体系。三、内锚头的结构类型内锚头是预应力锚杆得以实现预应力张拉的重要部件，并且对预应力的长期保存有重要意义。第四十一页，共52页。预应力锚杆（索）内锚头按其结构形式分：机械式内锚头与胶结式内锚头；按内锚固段围岩受力状态分：拉力型、压力型、剪力型以及荷载集中型与荷载分散型。1、机械式内锚头：由工程塑料或金属材料制成。2、胶结式内锚头：依靠胶结材料，如水泥砂浆或树脂将锚杆体（钢丝或钢绞线）和孔壁岩体粘成一个整体的内锚头型式。（1）按胶结材料同钢丝或钢绞线粘结力决定内锚固段长度其中，Td锚索的设计张拉荷载(KN)；d单根钢筋或钢绞线的直径(mm)；n钢绞线或钢筋根数；K-安全系数；qs水泥结石与钢绞线的设计粘结强度（KPa），取0.8倍标准值；ξ采用两根及以上钢筋或钢绞线时，界面粘结降低系数，取0.65~0.85。试验证明握裹力在钢筋上的分布是不均匀的，呈枣形分布。第四十二页，共52页。预应力锚杆（索）（2）按胶结材料同岩石孔壁的粘结力决定内锚固段长度其中，D锚固体直径（mm）；qr水泥结石体与岩石孔壁间的粘结强度设计值（KPa），取0.8倍标准值。内锚头锚固力并非随锚固长度成比例增加，实验证明当锚固长度超过8~10m时，锚固力增加很少。因此粘结式内锚头的最大长度不要超过10m，如果不够可采取以下措施：对破碎软弱岩层进行固结灌浆；扩大内锚固段孔径；采用分散型内锚头。第四十三页，共52页。预应力锚杆（索）3、分散型内锚头：将锚固段分散。在同一钻孔中安装几个单元锚杆，每个单元锚杆都有自己的杆体、自己的锚固长度，而且张拉荷载也是分别施加的。由于这种组合锚杆的各单元锚杆锚固长度小，所承受的荷载也小，内锚固段上的轴力和粘结应力分布比较均匀，不会产生逐步脱胶现象，从而能最大限度地调动地层强度。从理论上讲，这类分散型锚杆的锚固长度不受限制，故特别适于软岩和土体工程。根据起受力特征，又可分为拉力分散型、压力分散型、剪力分散型和拉压分散型。第四十四页，共52页。预应力锚杆（索）四、预应力锚杆力学特征和应用领域1、预应力锚杆力学特征（1）支护受力特征方面：预应力锚杆的初始锚固力来源于张拉荷载属于主动支护；砂浆锚杆的锚固力依赖于围岩的松弛变形，是以损失被锚固体位移为代价的，属于被动支护。（2）支护所承担的荷载方面：预应力锚杆承担的荷载为：预应力张拉荷载PR与变形荷载PW两部分。砂浆锚杆只承担变形荷载PW（3）支护刚度方面：拉力型预应力锚杆的支护刚度由杆体刚度KM和由张拉荷载所产生的支护刚度两部分组成。普通砂浆锚杆属于柔性