地下结构工程第四章新奥法与锚喷支护

东南大学远程教育地下结构工程主讲教师：穆保岗第04章上一章要点悬臂支护、单撑单锚支护、土层锚杆、水泥挡土墙、土钉墙、SMW方法、逆作拱墙的设计过程；了解逆作法施工。第4章新奥法与锚喷支护4.1概述4.1.1新奥法简介奥地利学者二十世纪60年代出提出了“新奥地利隧道施工法”。NewAustrianTunnellingMethod简称为“新奥法”（NATM）。“欧洲隧道掘进法”或“收敛约束法”（ConvergenceConfinementMethod）。新奥法：围岩本身具有“自承”能力，若采用正确的设计施工方法，最大限度地发挥这种自承能力，即可以使得经济效果达到最佳。要点尽可能不扰动周边围岩，开挖之后及时进行一次支护，然后视需要进行二次支护。支护都是柔性的，以适应围岩的变形。目前采用经验统计类比的方法做预设计，再在施工过程中不断监测围岩的应力、应变状况，按其发展规律来调整支护措施。适用条件及要求深埋、浅埋、中等埋深均可；勘测、设计、施工、控制各环节密切配合；尽可能地发挥围岩的自承作用，采用控制爆破（光面爆破、预裂爆破）。新奥法的优点（1）经济、快速。若以面积A为100，设计衬砌量B和超挖量的面积C。可以看出，由于采用控制爆破、柔性薄衬砌，新奥法的开挖量为老方法的73％（110/151），衬砌量为老方法的20％。此外，还可省去全部木模和40％以上的混凝土，降低支护成本30％以上2）安全、适应性强表4-1老方法与新奥法

工程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新奥法的主要原则（1）围岩是洞室的主要承载结构，而不是单纯的荷载，它具有一定的自承能力。（2）尽量保持围岩原有的结构和强度；（3）尽可能作到适时支护。（4）支护本身应具有薄、柔、与围岩密贴和早强等特性，支护施工应及时快速，使围岩尽快封闭而处于三向受力状态。（5）洞室尽可能为圆形断面，或由光滑曲线连接而形成的断面，以避免应力集中。（6）良好的施工组织和施工人员的良好素质对洞室结构施工的安全、经济非常重要。4.1.2锚喷支护简介锚喷支护（ShotcreteandBolting）是采用喷射混凝土、钢筋网喷射混凝土、锚杆喷射混凝土或锚杆钢筋网喷射混凝土等在毛洞开挖后及时地对地层进行加固的结构。1）锚喷支护的优点节省、加快施工进度；符合岩体力学原理的积极支护方法；柔性好，它能与围岩变形一致，从而与之构成一个共同工作的承载体系；锚喷支护技术不再把围岩仅仅视作荷载（松散压力），同时还把它视为承载结构的组成部分。锚喷支护结构承受荷载的性质为围岩的形变压力。2）锚喷支护的适用条件及要求配合光面爆破等控制爆破技术，使开挖断面轮廓平整、准确，便于锚喷成型，并减少回弹量；减轻爆破对围岩的松动破坏，维持围岩强度和自承能力。4.1.3新奥法与锚喷支护不能将新奥法等同于锚喷支护；

既有密切联系又有原则区别；锚喷支护的快速有效的支护施工手段，才有可能使新奥法的基本原则得以实现。不把围岩看成自承结构，不充分发挥围岩本身的作用，即使大量采用锚喷支护，也不能认为是应用了新奥法。4.2隧道围岩压力的确定4.2.1围岩压力开挖隧道使围岩原有的平衡状态破坏了，对隧道周围一定范围内的围岩产生了不同程度的扰动。支护结构要阻止围岩的移动、变形，支护结构就必然要受到围岩所施加的力，即围岩压力。初始应力平衡状态下的三向应力：隧道开挖前后的变化硬岩及软岩在隧道开挖后应力重新分布范围的大小与地质条件有关，一般为隧道开挖跨度的0.5~2.5倍。在坚硬、完整岩体中，由于岩体强度高，影响范围小，岩体能承受周边急剧增大的应力，可使隧道保持稳定，一般只有弹性变形而不会破坏；而在松软、破碎岩体中，由于岩体不能承受增大的应力，在一定范围内的岩石就要松动、破坏并向隧道内坍塌。围岩压力类型有垂直压力、侧压力和底压力，4.2.2隧道围岩压力的确定1）深埋隧道围岩压力的确定i——为每增减1m时的围岩压力增减率。以B＝5.0m的围岩垂直均布压力为准，当B<5.0m时，取i＝0.2；当B＝5.0—15.0m时，取i＝0.1。围岩类别sVI:呈巨块状整体结构硬质岩石,Rb>60MPaV:呈大块状砌体结构硬质岩石,Rb>30MPaIV:呈块（石）碎（石）状镶嵌结构III:略具压密或成岩作用的粘性土、砂性土II:湿的一般碎、卵石土，圆砾、角砾土及黄土I：软塑状粘性土及潮湿的粉细砂等表4-3各类围岩的重度围岩类别ⅥⅤⅣⅢⅡⅠ(kN/m3)25.5~27.424.5~26.522.5~24.518.6~21.616.7~19.614.7~16.7注：对Ⅲ类围岩的老黄土采用16.7~17.6kN/m3；对Ⅱ类围岩的新黄土采用14.7kN/m3。表4-4围岩水平均布压力e围岩类别Ⅵ、ⅤⅣⅢⅡⅠe0<0.15q(0.15~0.3)q(0.3~0.5)q(0.5~1.0)q必须问同时萍具备目下列蜻条件智：（1）H/B<1.秘7，H为隧道殿开挖高劫度，B为隧帜道开王挖宽刚度。（2）你不产生颠膨胀力珠的围岩存及偏压渡不显著递的隧道川；（3工）采述用钻茎爆法筝施工括的隧勺道。2）浅壮埋隧道疤围岩压汪力的确访定按荷载等瞧效高度的判桂定式龙为：在新奥粪法施工形的条件纵下，Ⅰ挽~Ⅲ类况围岩取格，Ⅳ昂~Ⅵ类把围岩炼。（1勿）埋魔深H小于扔或等昼于荷顺载等黑效高版度hq围岩压超力完全酿由上覆朵岩（土测）柱的敬重力产覆生，视跃为均布傅时，垂棋直压力伤和水平农压力为衰：（2舌）埋漫深H大于hq、小左于Hp在这种喜情况下祥，隧道蕉上覆土佣体下滑吹时要考窝虑滑面赠阻力的济影响，孕否则计掀算出的纹压力值僻过大。本讲摄要点理解摄新奥楚法和切喷锚抱支护桥的实归质与吩联系砖；掌握深书埋和浅素埋隧道猾围岩压种力的计医算。（2）候埋深H大于hq、小倦于HpEF变HG岩（尤土）茅体下雹沉，待带动裤两侧袜三棱唐土体班（如叮图中FD冠B及ECA）下沉啄受到阻轨力T，整个浮土体ABD初C下沉招时，匠又要泡受到愤未扰物动岩桨（土怨）体谷的阻烟力F帅；AC或BD表示假革定的破出裂面身与水平潜成扮角；T未仔知三棱体盛ECA灵中，受伶到三个财力：T线F豆W晚运用正逼弦定理地：极限状塑态下可勒以求得驰破裂映面的夹帐角总垂直忧压力艰：简化侍为：竖向赛均布炎荷载暮和水最平侧押压力4.3誓锚淹喷支护府结构4.嚷3.阶1蚕锚火喷支末护的诞设计疼步骤5个寻步骤狼进行狠：（1）弱调查地姿质和水税文地质内情况，略分析围第岩的稳置定条件堂；（2）质用工程境类比方蜻法选择毛支护类凯型及设晨计参数灵，对锚隙喷支护赶进行受瞧力分析刃和结构概计算，蝴并提出维施工注功意事项争；（3）舟支护施牧工中，浙严密监耽测地质也情况的树变化，稻及时修词改设计脱参数，挥变更施膨工工序西；（4）单支护完但成后，敞分析隧牛道的稳兰定状况挡，对其姻长期稳亮定性作侨出评价萌。必要卷时，可妙对支护萄变形和支应力进孩行量测面，包括险施工阶膨段的监冻测；（5乖）总往结经搬验，躲改进辨设计意与施犹工。踏掌握贸岩体疗变形煎、坍替塌的虫规律貌之后系，在俱恰当缺的时神间，盼采用匹适当石的办宜法进上行支覆护。4.3旷.2择锚喷椒支护的肉受力分胞析和结铜构计算影响役因素饭比较野复杂最,多吗种计嘱算方坑法,挽尚处春于半衬经验次半理判论阶治段纤.锚杆猾支护碗结构逝；喷射呀混凝市土支浆护；1）词锚杆砌支护铺结构①全志长粘逗结型家锚杆傲：普通水蓄泥砂浆心锚杆、阳早强水捏泥砂浆蛋锚杆、博树脂卷梯锚杆和敢水泥卷狗锚杆；②端舌头锚晚固型库锚杆攻；机械辈锚固讲锚杆置、树改脂锚颤固锚木杆、劲快硬扭水泥惭卷锚响固锚严杆；③摩究擦型潜锚杆党；缝管义锚杆即、楔灰管锚贯杆、株水胀称锚杆仅；④预慈应力抖锚杆研；⑤自钻谊式锚杆命。（1屋）锚晨杆的述设计释计算①锚杆脂的轴向和拉力标长准值、窗设计值②锚删杆钢全筋截必面面娘积锚杆抗付拉工作归条件系争数，永铅久性锚尚杆取0笔.69作，临时辽性锚防杆取部0.弹92千；③锚融杆锚廉固体携与地谦层的堂锚固督长度④锚航杆钢沃筋与筛锚固参砂浆拴之间夹的锚敌固长付度——钢择筋与锚茂固砂浆病之间的爱粘结强何度设计乓值（k党Pa）受，应由请试验确甜定，当商缺乏试每验资料厘时可按升表4-乓9取值禽；——同钢筋斑与砂床浆粘颜结强邮度工马作条城件系也数，煌对永扯久性鼠锚杆乞取0旋.6泪0，孕对临挺时性胳锚杆像取0缘瑞.7仇2。锚杆支板护可以喜根据不旺同围岩追的岩层藏产状和旋稳定状货况灵活泽进行。其作狸用原踩理主汁要有联结作故用、组梅合作用币和整体蕉加固作鸟用。（2）卡锚杆的愧联结作铃用用锚杆虾将它们凭联合起燥来，并筑将锚杆骨尽可能锯深入到估稳定的颜岩层中沉，考虑数锚杆承借担全部销不稳定色岩块的拣重量。①锚浴杆承潜载力怕计算《建亚筑边钱坡工陡程技券术规猫范》槐（G进B瘦50咬33前0—汇20电02箱）规匠定：用锚递杆加仆固局砖部不隶稳定逐块体维时，膜锚杆筑抗力洞应满拥足下哑列要大求：a.加我固受拉破崭坏的不稳鼻定危岩集块体，荷锚杆抗爷拉承载翼力应满旬足：b.专加固受剪破糖坏的不进稳定另危岩肿块体性，锚巡寿杆抗坏剪承企载力饮应满撇足：②锚租杆长炊度锚杆笋总长皱度应仆为锚质固段朋、自夜由段愿和外况锚段恩的长翻度之但和，鹅并应璃满足描下列朝要求撞：a.锚第杆自由录段长度喷按外锚歪头到潜磨在滑裂衫面的长绵度计算史；预应立力锚杆柱自由段融长度应恐不小于劳5m，树且应超伏过潜在宽滑裂面面；b.锚悔杆锚固场段长度课应按式山（4-叛22）抢、（4懂-23钟）进行关计算，电并取其病中大值邪。构造土层绘锚杆的锚固劫段长度注不应小子于4m司，且不助宜大于您10m吹；岩石稠锚杆的锚固裹段长度忆不应小峡于3m融，且不古宜大于具45D（D为锚固林体直径足）和6撤.5m汁，或5荷5D和8m里（对预桨应力锚鞠索）；（3）迈锚杆的陷组合作扛用锚杆辞的组烛合作桥用是例依靠杠锚杆荐将数致层薄贩层的猫岩层非组合帅在一叹起，它形成括组合粘拱或弱组合洞梁，里以提循高岩顶层整迈体的麻抗剪圣、抗窗弯的清能力头。锚杆胜提供滚的抗垫剪力辣、抗谊拉力耻，以欢及锚嚷杆的铸锚固土力使震将要片滑动禽的岩奖块得列以稳葡定，灭阻止习层面苍的互毅相错托动。锚杆应赠按与岩层层幸面垂直零的方向设置。皆如对锚水杆施加寸预应力锅，可提纳高其支眉护效果论。（4剂）锚雁杆的严整体意加固芬作用通过有炒规律布输置的一破系列锚蜜杆，将浅邻近的鸦岩体联辽结在一掉起，能怪阻止不灭稳定岩袜石的滑墓移，促田使岩石方之间的稼间隙面杰压紧，撞同时使芹隧道四促周一定克范围内途的围岩贩组成一伯个承载锅环。由于芹锚杆趴支护衬力的摄作用夹，压三缩带获得浩径向妈支护花力，使压供缩带中晋的岩体处淹在三向无受压状取态。砂浆锚辞杆的加市固作用砂浆呈锚杆心的承绞载力冲可用舌下式鞠表示当围介岩产陷生位暂移时落，锚申杆单妖位长术度上杜的承诵载力Ps/L1与奇的嫂合力阻腿止围岩宽位移的岸发展，北产生支街护力，网并使在门锚杆间练的围岩睁产生压作缩和成先拱作用认，提高蛛了围岩裕强度并仪缩小了坚围岩的擦承载跨闻度（等番于锚杆秤间距）蚁，从而代达到稳卡定和加崭固围岩峡的目的就。本讲双要点掌握围堤岩压力庭的计算扩方法；理解稠喷锚种支护念的概抱念；掌握锚戚杆支护甲的作用昂与计算殿方法；2）丈喷射票混凝衔土支略护结勺构两个杂方面擦起支骗护作吧用抵：（1）点局部稳颂定原理（2异）整糠体稳陈定原统理喷射名混凝价土的简设计踪蝶强度裂等级毁不应凡低于处C2腿0；咸喷射帮混凝贞土1电d龄丛期的沃抗压拐强度牧不应损低于丑5M协Pa墙。（1）梨局部稳丝式定原理喷射乒混凝亮土支挽护结惨构及时艺封闭岩层臂表面喝的节傅理、农裂隙怨，填罗平或滤缓和例表面雕的凹奸凸不岛平，袭使隧亏道内姑的轮廓丹较为营平顺，从而邀提高围吉岩节理冈、裂隙巧间的粘援结力、规摩阻力誉和抗剪柳强度，滋并减少应击力集中现象。喷射骡混凝悠土关键设是控岸制冠插石，此喊时，司喷射版混凝让土需蚀能承受冠类石的重练量。喷层对择局部不游稳定危蛙岩块体奴的抗拉潮承载力辞应按下后式验算附（冲切膊）——喷躁层工作目条件系俊数，取耕0.6痒；ft——奔喷射谢混凝攀土抗耻拉强恭度设财计值（k木Pa站）；h——喷梅层厚度ur——不伪稳定危递岩块体蒙出露面嚷的周边妄长度a）按座冲切破役坏计算鱼；b）顺按撕开廊破坏计急算整体挎稳定促原理喷射混邀凝土与蛾围岩表域面紧密握贴合，狠形成组王合结构际共同工构作。一方面恢在与围改岩共同骑承载和言变形过陪程中对围僻岩提蝇供支剃护力，使围内岩变形稀得到控跃制，应桥力得以逼调整；另一韵方面承受来自艳围岩羽变形恶引起厦的形变压通力，从而兄使围岩珍保持稳护定。3）新抬奥法中联锚喷联郊合支护敏的应用（1圾）新持奥法数与锚蹦喷支龟护较好的耽围岩（如Ⅳ援类以上耍围岩）荷，可以喷射混戏凝土为趁主，锚辈杆加吊固以勒辅；较差腰的围贩岩，则以锚乒杆，或尤其决是预木应力岗锚杆忘作为经主要灿的岩娇体加自固手站段，并与喷射屿混凝贩土、循钢筋稿网喷允射混淋凝土乐或加衫钢拱红的钢普筋网候喷射盖混凝颈土配合使获用。施工步卵骤新奥奥法以堆及时危的锚屯喷作饭为临师时支迫护，埋称为击第一劣次衬双砌。第一浸次衬悦砌可以架起到掩稳定围围岩多，控晃制围王岩应鼠力和愿变形杯，防露止围奔岩松刚驰、计坍塌蠢等作诱用。待其炎基本龟稳定匙后，蔑再加建做模家注混蜻凝土二次衬隙砌。原来的陵临时支知护（锚亩喷支护零）成为永久抢衬砌的一盼个组贤成部女分。二次衬眯砌基本斜上不承悦受荷载或承章受很政小的括荷载邮，主岸要是给为了共满足当隧道删结构驴物的黑安全则、耐欲久、步防水线和饰却面等问的需壤要。（2）饶新奥法殿中支护垂与围岩菊共同作碍用的力学原惊理支护结杯构的设萝计原理别是围岩欣和柔性反支护共衡同变形剃、破坏蚂的弹塑性那理论。①围道岩为菊均质尼、各放向同秒性的连续弹罩塑性体袋，岩体贡在塑记性变楼形、版剪切鹅破坏鸟后仍嘱有残问余强俯度；挂②隧套道初匪始应周力场妖为自唉重应晕力场千，侧剩压力凝系数让1；系③隧道断吐面形状为证圆形；番④在一课定的埋肯深条件宜下，将亮隧道看言作无限体跟中的孔刷洞问题。“莫昂尔-肃库伦放”准挡则作喜为“顾塑性先判据切”围岩射的弹诵塑性眉状态1—痰弹塑怒性状耻态应腐力分铺布曲煤线；解2—呢弹性益状态原应力森分布面曲线弹性区永中任一夕点的应汤力为——弹誓性区中吴任一点兰的径向抬应力；——弹预性区中遇任一点肠的切向锁应力；r——弹驻性区中迁任一点柜到隧道织中心的测径向距月离。P0－－原油岩应力塑性杰区中幅任一盒点的喉应力腥公式越为塑性鹿区中俊靠近弄隧道爷内缘认的应侨力，群因满点足塑冒性条来件而页相对贵减小只，成故为“应力呈降低区手”，而最大估的应力训发生在食围岩中达塑性区宵与弹性奇区的交怀界面上原。在弹悠性区县与塑戚性区忍的交雀界面纸上（r=R处）令两式象分别相拾等，整陵理后可汁得：支护力pi越小店，则捞围岩夜中出尿现的太塑性脾区半民径R越大；围岩旁中出柳现的动塑性午区半穴径R越大，胡则围岩冈对支护进的形变橡压力pa（与支瞒护力pi相平衡配）越小污。岩体舱的原座岩应串力p0越大，碌则塑性脾半径R就越融大。p0反映薄围岩号强度熔性质倒的两洗个指补标，译即粘顾聚力c和内意摩擦晓角越呼小，亚岩体律强度贡越低胜，则辨塑性属半径R就越昂大。新奥法挺柔性支疾护理论工的出发纯点，是暂设计、狱施工中议采取支津护措施者时要积且极利用炕的，以潮便使支享护受到端尽可能魄小的形透变压力稳。隧道周习边的径闭向位移u隧道贷周边声径向多位移u的大焦小，闸主要菠取决抛于支雄护力pi。当pi减小时悲，u增大；疤反之，u减小嚷。围岩党位移肚曲线围岩位电移、支点护特性素曲线①隧励道开解挖后翼，若荡支护筛非常蚁快，布且支朱护刚蚁度又忠很大艺，隧惧道周趋边围笨岩没涝有变另形或男变形需很小帜，图肥中A点取领得平桂衡，笨支护教需提言供很独大支纸护力pma架x；围岩碍仅负担坝产生弹铃性变形u0的压弱力稼；假如缠平衡致位置羞由A点移统至C点、E点，扯则形诊变压已力由pmax减至弄、。②若毒隧道剩开挖均后不味加支霜护，艳或支秒护很宁不及倍时，扒即允胀许围默岩自蔽由变鸡形。袖表现哨为曲塑线DB。这狗时，幼隧道呢周边趁位移舰达到窝最大粱值umax，形变威压力pa很小详或接浓近于海零。围岩已经出限现松驰、努坍塌糠，围岩菜对支护惭的压力万就是松傲散压力净，只摸能按传顺统施工繁方法施丘作模注刊混凝土滥衬砌。③较佳的仰支护工长作点应当在D点以左疑附近，如金图中E点。鸭在该碌点上莲，围副岩既边可产股生较财大的松变形劣，以核较多录地分博担岩猾体压数力（否）路，而胡由支惰护分渡担的枯形变听压力便较小澡（忠）；最重要练的便是容如何掌千握好施作衫时间（以动围岩衫的变幻玉形来滴判断炭）和支护刚员度k（支护趟特性曲雪线的斜眠率）。两次绢支护刚：首先品在隧死道开肢挖后惑，及肚时地胸进行初期支批护和封闭；通过对肝围岩变逢形的监座测，掌税握隧道涉周边围嚼岩和支聪护的变士形情况背，待变艺形基本简趋于安稳定时，即驱达到图从中i点附蝇近时，再进岛行第二因次支护晚。如作内丢层二次渐衬砌洞，所辱承受党的形崭变压泪力就缝更小今，或没为零。通过上灵述两次谱支护的慈手段，闭便可以勿达到支样护衬砌六结构的根合理、婆经济、拼安全的妄目的。本讲要稼点理解喷敬射混凝早土的两旗种作用听；掌握新县奥法与指锚喷支抚护结合谅的原理积：难点是隔理解位黄移支护链曲线。（3竹）新绍奥法占锚喷渔支护即的结经构计识算和潜支护少监控新奥纪法支保护设腾计的链主要杜方法洗有：a.际以工笼程类骗比为拦基础喷的经验创法；b.以磁现场测邪量为基与础的监控法；c.以教理论分肉析为基族础的计算磨法；d.么以上咱3种够方法宿相结东合的综合法。新奥法继锚喷柔驰性支护惕中，支舟护和围户岩紧密哄贴合，向共同工季作，支墓护和围澡岩发生食的破坏酒主要为剪切坑破坏。其稳助定的点丧失档常常呆是由胜围岩杆中产未生塑性岁剪切哈滑移翁楔体开始誉的。阁而锚喷支盼护则和其守加固的岩体闪承载卧环三者卡的联合作斯用所提窑供的伙支护保力pi来阻止阳围岩中赴剪切楔重体沿滑翠动面向才隧道位笔移。剪切润滑动借面裹曲线湾方程新奥法盖中锚喷阶支护的亡结构计奇算是按仓锚喷支促护对隧泼道围岩段的加固作令用和支护坛作用进行刮计算滨。隧道侧幼壁岩体订的滑移论面,以旱极坐龄标表姓示，厌该曲海线的秩方程披为莫尔央应力址圆与胖莫尔照滑动第包络贝线锚杆响、喷站层和韵岩体卖的联殃合作息用支护力广的构成①沿雪喷层A处剪莲切面安的抗简剪阻帝力，插即喷籍层给姨剪切耐体的艇水平域推力②喷栽层内脾如设丘有钢棍筋网湾（或掏钢拱桑支撑简），匹喷层暴将增锁加抗嗽剪支委护力③锚杆仰所提供拣的支护熟力计算④支护阔结构所刑提供的圾支护力⑤岩蓬体沿槽滑面S