锚喷支护结构的设计与施工

隧道工程第七章锚喷支护结构的设计与施工第七章锚喷支护结构的设计与施工7.1概述7.2锚喷支护结构的受力与计算

7.3锚喷支护施工原则

7.1概述1、支护结构理论的发展⑴1920年以前的古典压力理论阶段：

●

特点：作用在支护结构上的压力是其上覆岩层的重量

●

代表：海姆(A.Haim)、朗肯()和金尼克等理论随着开挖深度的增加，人们越来越多的发现，古典压力理论不符合实际情况，于是出现了散体压力理论。⑵1920～1960年代的松散体理论阶段：●

特点：当地下工程埋深较大时，作用在支护结构上的压力，不是上覆岩层的重量，而只是围岩坍落拱内的松散岩体的重量。●

代表：太沙基(K.Terzaghi)和普氏理论⑶60年代后发展期来的现代支护理论阶段：●特点：围岩和支护结构共同组成了承载的支护体系，其中围岩是主要的承载结构，而支护结构是辅助性的，但也不可缺少。●代表：新奥法理论是其典型代表。2、现代支护理论与设计要点⑴现代支护理论

①一切方法、手段和措施都围绕围岩稳定为目的；②支护与围岩视作统一的复合体，支护合围岩共同作用；③在复合体中，围岩是承载主体，最大限度的发挥围岩的自承能力，同时也要发挥支护结构的承载能力；④凭借现场试验和监测手段，划定围岩级别，获得力学参数，指导设计施工；

⑤对不同的地质条件，力学特征的围岩，灵活采用不同支护方式，力学计算模型。如荷载-结构模型、经验类比模型等；⑵基本要求①支护必须与周围岩体大面积的牢固接触，即保证支护-围岩作为一个统一的支护体系而共同工作；②重视初期支护的作用，并使初期支护与二次支护相互配合，协调一致的工作；③要允许围岩及支护结构产生有限的变形，以允许发挥围岩的承载作用而减少支护结构的受力。为此要求对支护结构的刚度、构造给予充分的注意；④必须保证支护结构及时施作。如支护施作过晚，会使围岩暴露时间过长，产生过渡的位移而濒临破坏，所以应在坑道围岩达到极限平衡之前发挥其承载作用；

⑤支护结构要根据坑道围岩的实际动态，及时进行调整和修改，以适应不断变化的围岩状态；3、锚喷支护与传统支护的区别⑴对围岩和围岩压力的认识上：●传统支护理论：围岩压力由洞室塌落的围岩“松散压力”造成的;●锚喷支护理论：围岩具有自承能力，围岩作用在支护上的压力不是松散压力，而是阻止围岩变形的形变压力。⑵在围岩和支护间的相互关系上：●传统支护理论：将围岩与支护分开考虑，视为“荷载-结构”体系●锚喷支护理论：将围岩和支护视为统一体，二者组成“围岩-支护”体系共同参与工作。⑶在支护功能和作用原理上：●传统支护理论：支护只是为了承受荷载；●锚喷支护理论：支护是为了及时稳定和加固围岩。⑷在设计计算方法上：●传统支护理论：主要是确定作用在支护上的荷载；●锚喷支护理论：设计的作用荷载是岩体的地应力，围岩和支护共同承载；⑸在支护形式和工艺上●传统支护理论：模注混凝土；●锚喷支护理论：施工方法简单，灵活，不需模板，无需回填，在围岩松动之前能及时加固围岩。4、锚喷支护的特点(主要在机理和工艺上)⑴及时性：喷射砼，如早强，能迅速给围岩提供支护抗力⑵粘贴性：喷射砼与围岩能全面密贴粘结，粘结力一般可达70kg/cm3；粘结有三种作用：

①连锁作用；②复合作用；③增强作用(填充凹隙穴)

⑶柔性：容易调节围岩变形，可控制围岩塑性变形适度发展，发挥自承能力；⑷深入性：锚杆可深入围岩一定深度加固围岩，形成承载圈⑸灵活性：支护类型、参数、数量可灵活调整。

⑹封闭性：可阻止水对围岩的侵蚀而引起风化等。7.2锚喷支护结构的受力与计算

1、锚杆支护结构

⑴锚杆类型

①全长粘结型

②端头锚固型

全长粘结型端头锚固型

③摩察型

④预应力型

⑵锚杆的力学作用

锚杆是利用围岩自身强度来支护围岩，属于内部支护，其对围岩的力学效应主要有以下作用：

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。

②减跨作用：在隧道顶板岩层中大入锚杆，相当于在顶板上增加了支点，使隧道跨度减小，从而使顶板岩体应力减小。

③组合梁作用：在岩层中大入锚杆，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。

减跨作用组合梁作用

④挤压加固作用（整体加固作用）：预应力锚杆群锚入围岩后，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预应力作用下构成一个均匀的压缩带，即承载环。压缩带中的岩体处于三向应力状态，显著提高围岩强度。

整体加固作用⑶锚杆的设计与计算①锚杆承载力计算

当块体危石坠落时，除使锚杆受拉外，还对锚杆产生剪切作用，如图所示，根据静力平衡及正弦定理有：

式中：N是锚杆所受拉力；Q是锚杆所受剪力；G是危石重量或一根锚杆承担的岩石重量；是锚杆与地质结构面的夹角；是锚杆与垂直线夹角。

②砂浆锚杆所需锚固长度

●

锚杆直径d：以抗拉为例，锚杆直径可用下式计算：

式中：K是安全系数，可取2；Rg是锚杆抗拉强度；N是锚杆所受拉力；d是锚杆直径。

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锚固深度L1：根据锚杆抗拉强度与砂浆粘结力相等的等强度原则，可确定锚杆的锚固深度L1：

其中：d是锚杆直径，螺纹钢筋；D是钻孔直径；k安全系数，3-5；是砂浆与岩孔之间的抗剪强度。实践中要求大于30厘米；

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锚杆长总度L：

式中：L1是锚固深度；L2为不稳定岩层厚度；L3是外露长度（约小于喷射混凝土厚度）；

⑶锚杆间距的确定：若等间距布置，每根锚杆所负担的岩体重量即为所受荷载。

其中，γ是岩体容重；b锚杆间距，一般L1>2b；k安全系数2-3。砂浆锚杆的承载力：

⑸加固裂隙围岩：若在隧道顶部出现裂隙，为防止进一步扩展危及顶部岩体稳定，可采用预应力锚杆加固。⑷支护块状围岩：围岩塌落总是从危石开始，可能形成连锁反应。

假设裂隙受到预加力T和水平方向压力P，则裂隙法向力和抗滑力分别为：是裂隙面内摩察角，沿裂隙面的下滑力必须满足的条件：2、喷混凝土支护结构

喷射砼(干喷)是将水泥、砂子、石子、速凝剂按一定的比例均匀的搅拌后送入喷射机，借助压缩空气将干混合料通过管道压送到喷头与高压水混合，以很高的速度喷射到岩壁表面凝结而成的砼。它是通过局部稳定围岩和整体稳定围岩起支护作用。

⑴喷射砼的作用

①充填裂隙加固围岩；②找平，封闭围岩表面防止风化；③喷砼与围岩组成共同承载结构。⑵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。

①抗冲切计算喷层厚度必须满足：其中：为喷射混凝土抗拉强度（理论上应是抗剪强度，因抗剪强度较大，计算不安全）；u为危石底面周长，k是安全系数3～5。

②份抗撕雁裂计堤算其中：拜是画喷层和毙岩石之胸间的计课算粘结事强度。为此菠，需曾求出戏危石米自重括作用递下在课喷层浩与岩绵石之牙间的比拉应醒力q菌的大帅小，拳利用竖弹性崇半地扫基上阅的半委无限洋长梁肤公式莲：些；初其中奏；浪K岩密体弹我性系递数；叙E是械混凝乒土弹掌性模掌量。并当x蜓=0渴端点罚时，恼有最霞大值任：⑶整党体稳定勤原理喷混凝祥土层与危围岩体胸表面紧遇密粘结拉、咬合芬、使洞沫室表面曾岩体形理成较平弦顺的整仇体，依胀靠结合挎面处的价抗拉、访抗压、全抗剪能斩力，与些岩体密鉴贴组成急“组合唐结构”映或“整驰体结构袋物”共映同工作狡。3、三锚喷侨联合绒支护⑴、锅锚喷迟联合痒支护投修建姐隧道搁的基匠本概陡念锚杆是凯深层加彻固围岩散，喷射次混凝土联是表层更及局部雪加固围扭岩锚喷支泰护不单收纯是一赔种施工爷方法，夫而且是射一种指唉导原则加和思路●围岩挺是隧棉道稳墓定的落基本果部分魔，尽休量维抱护围悼岩体白的强洁度特斑性●支护结蛛构要薄钟而具有伸柔性，剥并与围议岩密贴陆，使因昆产生弯循矩而破五坏的可壁能性达怨到最小屈，当需蒜要增加貌支护衬帖砌强度亏时，宜编采用锚覆杆、钢躁筋网以忍及钢支英撑等加寄固，而棵不宜大如幅度增夕加喷层羽或衬砌差厚度。●设计爽施工候中要搂正确狼估计存围岩久特性顽及其遣随时许间的踢变化气，以届便采丢取最培合适辨的支圈护措挡施和会支护剖时间所。⑵健支护次与围暑岩共谊同作阶用的章力学尤原理①锚圈喷支护笨结构设快计的力齿学原理抖：采用的国是围岩与体和柔情性支护惨共同变婚形的弹扰塑性理予论。②裕弹塑橡性理路论的岸基本戒概念熄：基于盐材料潜试验前弹塑避性曲舒线③对迫于圆形省隧道，凯作如下颗假定：●围岩为肌均质、晶各向同使性的连捡续弹塑含性体；●初始愚应力胡为自还重应日力场爆；●隧道耐视为雪无限惠体中码的孔眨洞问汉题；●采用让莫尔置-库构仑(死Mo恢hr浑-C拢ou爽lo修mb验)准避则为索塑性庄屈服辛判据晨。④均沿质围岩睬中圆形愁隧道的写弹性解⑤牙均质令围岩朝中圆胆形隧括道的济塑性农解●基本禁方程展：●边界条叼件：●塑性来解：⑥脚弹性胖区与巡寿塑性凳区边皮界上闸的连叨续条湿件当r=乖R时，⑦塑第性区半颜径与支恼护抗力勒的关系⑧由慎洞周位属移计算棍围岩压扩力●弹性处区引沙起的白应力息增量侍：●围岩恶引起震的径皱向应深变：●由以上含关系得办：●弹塑铺性边妻界上妇的径泪向位帅移：●据弹可性区劈燕应力具和摩拾尔库固仑关摘系得笑：●变形过疗程中假拾设塑性掩区体积由不变：●用洞剑周位吉移害表瞒达的尝围岩沸压力⑨滴围岩躬支护繁特性割曲线⑶锚蚊喷支护呢结构承守载力计仿算①初剂期支护素（外拱研）设计骨与计算●初选浸喷层衔厚度列t，牢可按舒照经烧验公希式：t=0辟.01港7r0，r0是隧道朽半径●确定模锚杆专直径伯、长响度和势间距●喷层旬支护口抗力米：●承载庸环内码岩体窗的抗较力：●锚杆的菌抗力：●其它支胜护提供吗的抗力丢：●总支未护抗有力：②切二次逮支护欠（内叉拱）效设计秀与计妥算●内拱嫌的承瞒载力地常是板一种呜安全丢储备突，安序全系墙数●内拱承胶载力：K=1.溜5~2旗.0●内拱樱厚度拉：(4企)梅隧厅道围瓣岩位留移量洋的容据许值①影晴响隧道妈周边最件终位移怠量的因赌素●岩体爬的物寨理力讽学性怨质●原始梁地应交力大走小●开挖扶方式叉（全械断面缓开挖纺小）●掘进蜻速度励（速残度越释快位姓移越页小）●支护帮时机●支护方茫式②课隧道脖周边严容许振位移族量的较确定蒜原则●城市孟地下挑隧道睬的下咱沉量够尽量秒小，脑一般雅不能蹦超过顽5~畅10锻毫米柏；●浅埋廊山岭宇隧道挖容许焦位移露量可根以大跌些，蚂一般凶小于莫30狮毫米峰；●深埋隧秩道洞周乌的位移剂不致引膊起有害赖松动为勉原则，宿一般3惑0毫米拘左右；埋深围岩<50m50~300m>300mIV0.10~0.300.2~0.500.40~1.20III0.15~0.500.40~1.200.80~2.0II0.20~0.800.60~1.601.0~3.0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、V、VI类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；③一女些容许偿位移量部控制标推准●我国宏《公味路隧滋道施婚工技仇术规瓜范》它JT皆J0家42域-9携4规贷定容章许位贫移；●法国胜工业伍部规训定地受下工馋程拱消顶处五围岩县最大圾容许役位移奶量隧道埋深/m硬质岩/cm塑性地层/cm10~501~22~550~5002~610~20>5006~1220~40●国外隧纳道工程政师根据梳现场量朴测数据利大小制喉定的危埋险警戒篮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滨二柿次衬下砌支不护时酿间选钳择原狮则●蛮各测斯试项纤目的殖位移就速率敏明显歇收敛咽，围衔岩基御本稳兼定；●已育产生的且各项位躁移已达啊预计总撞位移量颗的80才%~90%厨；●周飘边位移止速率小康于0.适1~0.2继mm/曾d，或榴拱顶下刻沉速率向小于接0.既07~0.马15茶mm蚊/d7.趁3外锚喷足支护忍施工狼原则实施锚租喷支护辜施工原雹则，是古为了达帜到技术败上可靠宴和经济更上合理泽的目的1、骆采取贴各种闭措施推，确街保围草岩不盟出现败有害若松动⑴火洞形及津侧压系悄数的选钻择问题梳，即在寄洞室的睛布置和向造型上佛应适应见原岩应装力状态祥和岩体杏的地质钓、力学详特征，鞋尽量争仍取一个库较好的燥受力条聪件。⑵采岭用控制召爆破技浴术：减酒少对围崇岩的扰匀动强度⑶减失少对围扰岩的扰油动次数滨：尽可族能采用骗全断面忙一次开紫挖⑷立初期筛支护驶及时找快速愿：及中时是夫抑制需围岩趴变形枣的有农害发交展⑸里合理鸟利用睡开挖姓面空问间效标应抑蠢制围行岩变雹形●斯开挖牲面的词“空炸间效围应”牌，是手指洞血室在麻掘进掘过程袄中，叼由于寺受到评开挖镇面的滚约束竟，使史开挖沙面附症近的联围岩身不能溉立即费释放辩其全低部位抵移，挪这种愿现象百称为眉开挖围面的竟“空缺间效驶应”⑹奇尽量汁减少图其他汇外界牌因素塔（水挪、潮姑）对慰围岩华的影丈响：解对有阶地下孝水的虚裂隙烂岩体管，要斯防止敢大的版渗透汁压力2、慢使围摊岩变康形适仿度发镇展，互合理汪利用鸦围岩漆自承跨能力⑴饱初期支涂护采用汇分次施凉作的方记法●初期马支护京必须廊保证愤围岩雨达到姐稳定老状态勒，其摊作用态主要串是在刃有控讽制的啦条件际下实钩现“片卸压群”。●二次支瘦护主要民是提高柳支护的跑安全度脚，其作锯用主要爹是限制店变形过链量，使杠围岩进蕉入稳定赵。⑵袋调节支询护封底队时间，敲控制围燥岩变形⑶趁适当延脆迟支护逆时间，气控制围晕岩变形原则码上，闹我们节可以丧通过昌延迟书支护刮时间汪来控颈制围肯岩变页形，灵不过框这个摇时机三很难鹿掌握蒜，因叼此，方常常跌不宜倍采取央这种勤方法融。3、伏保证兰锚喷苦支护慎与围余岩形暴成共摇同体⑴利施工方迎法和施兄工措施款上保证⑵勇列绸入施弟工质五量检增测项祸目(申喷层孟与岩传石的传粘结蚊力、士锚杆撒的锚脖固力溜)4、朽选择摸合理琴支护糖类型许和参钞数，过并充巴分发烤挥其脱功效⑴辉综毒合考捷虑各菠种因译素确凶定支质护类巡寿型(沫围岩归地质写特点琴、工骆程断缎面大附小和通使用蹄条件董要求挨等)●一般情舌况下，嚷应优先岔考虑选早用喷混氏凝土支议护或锚书喷联合国支护●坚硬然裂隙赏岩体您中的搞大断齿面隧槐道：枕通常用在长挥锚杆课之间社还要侵加设应短锚号杆以完支承替其间泉的岩归体●破碎软崭弱岩体叹：通司常要早亿支护、揭早封闭旱，设仰鼓拱、加匪强支护填。一般原采用锚饥喷网联赵合支护●塑性耻流变错岩体愁：银支护童施作摧宜“然先柔鉴后刚凯”，翅设置伤仰拱周，形妨成全换封闭胡环⑵送选择陡合理雅的锚肆杆类抽型与寨参数尺，在倾围岩剖中有离效形袋成承舱载圈锚杆塔支护军设计蜂主要农根据碌围岩合地质误、工士程断训面和败使用渣条件永等选籍定锚过杆类宜型，险确定窄锚杆玻直径搭、长疗度、倍数量缘瑞、间岭距和习布置碑方式你。●明锚杆间距的选纪定：牌除考布虑岩料体稳祖定条缩慧件外抗，一笼般应餐能充东分发闲挥喷锣层作社用和侍施工纽奉方便恼，即控通过屯锚杆晋数量疑的变饱化使酷喷层芽始终骗具有功有利外厚度●滨锚杆长度的选饶取：斜应当方以能株充分血发挥沿锚杆皂的功卖能作幸用，欺并获丙得经准济合撞理的敲锚固病效果抬为原渡则●锚诸杆的布置：应当扮采用重粗点（局姐部）布知置与整刷体（系糖统）布数置相结遭合●锚怎杆的方向托：应与剂岩体捆主结尺构面沾成较既大角咸度，个这样顾则能管穿过泛更多昏的结救构面膊，有虎利于够提高玻结构左面上别的抗威剪强疏度，丛使锚诞杆间附的岩阴块相烟互咬畏合⑶合贩理选择瞒喷层厚冈度，充颗分发挥奏喷层与宰围岩自千身承载模力●成合理拾喷层指厚度请（刚球度）撇：既轨能使例围岩冶稳定匀又容扑许围朋岩有椅一定汉的塑盖性位院移，抵实现针卸压甲；经兄验表昂明合姻理初恭始喷有层厚形度在苹5~春15封厘米纱间；●喷神层太灭厚和烤太薄口都是串不合峰理的⑷合皂理选择甘和配置兴钢筋网维和钢支死撑①在修下列情讨况下可静考虑配愤置钢筋罪网●母在土纤砂等誓条件住下，施喷射陷混凝紫土从军围岩乏表面氧可能元剥落跪时●在咸破碎席软弱着塑性牛流变竖岩体创和膨蛛胀性波岩体凑条件剂下，才喷层哭可能春破坏娘剥落铁时，锁或需评要提宇高喷防混凝刺土抗仗剪强脑度时●地机震区或牵有震动许影响的仇隧道②在度下列场宝合必须烤考虑研躲究使用邀钢支撑●排喷射铅混凝撕土或蛋锚杆骑发挥液支护限作用廊前，归需要脊使隧先道岩应面稳餐定时●用仰钢管（猾棚架）咱、钢板骨桩进行末超前支段护需要负支点时●为了狱抑制地山表下沉难，或者摔由于压脖力大，券需要提衔高初期降支护的跟强度或吧刚性时5、着合理安梨排施工旧程序施工方哄法的正宣确性和玩合理性炕对锚喷野支护的赵成败和袍效果有黑重大影班响，特勺别是开永挖程序仰、掘进狗进尺、秩支护和皂闭合时钞机等至准关重要⑴开充挖台阶爆数●围岩较联好：尽际量采用禽全断面极开挖法锁，减少述对围岩优的扰动销次数●破碎围杆岩：分碗部开挖孝，减少疗对围岩饭扰动的顽强度⑵支注护次数6、依盘据现场秘监测数摸据指导喊施工由于锚叶喷支护洲理论目招前还不钢成熟，惯故需依莫靠现场寨监控量骨测来掌愤握围岩贝动态、托修正设线计，指袄导施工好和支护伶效果作扰出正确白地评价绝。⑴隧毙道内目铲测观察①控隧我道目竿测观告察的材目的●苍预测渔开挖委面前他方的凯地质卧条件●桑为判导断围良岩稳太定性怨提供霞地质凡依据●根兄据喷层新表面状匆态及锚堂杆工作凉状态分马析支护苗结构可湾靠度②隧胜道目测受观察的举主要内伞容●四了解巨开挖饲工作武面的店工程拜地质勿，包怎括地喂质种冈类及浅分布评状态课，岩辰石颜鸽色、容成分晒、结奋构等剂，节耕理状筐况，快断层旁特征扣等●水陶文地质洲条件：铲地下水筒类型，怨涌水量联大小，瞧涌水位施置，涌爱水压力鸡，水的团化学成缺分等●往绘制长开挖甜工作愧面的赖素描郑剖面加图●开赴挖支护寄后的观财察：初左期支护云的裂缝痒状况，草锚杆端唤头情况捐，钢拱梢架是否万被压曲裙，是否御有底鼓擦现象③隧欢道目测哲观察中六围岩破冈坏形态抢分析●场危险雕性不轰大的煤破坏谎：构头筑仰眯拱后牌在拱础肩部迟出现厅的剪苏切破推坏一户般进就展缓塞慢，梁危险阀性不挽大●叉危险马性较亦大的肝破坏梳：在带未构丈筑仰区拱前娱拱顶嘴混凝押土因声受弯辜曲压棍缩而哗产生见的裂链隙常傍常进糠展急弦剧，楼伴随扑有碎浅片飞什散，捷危险幼性较洋大●塌柄方征兆始的破坏国：拱顶趁喷层出旺现对称的冶向下滑颗落的剪婚切破坏现象，药或侧墙弦发生向内盆侧滑云动的布剪切罩破坏并伴随役有底鼓恰现象，早都会引跑起塌方捧事故的单破坏形伪态⑵聚隧道花收敛裕量测●留净空喇相对灰位移串测试年（收堡敛测耍试）碌：洞帮壁上牙两点保两次兵测量灶的位越移差●桶测试息频率讨：根凡据位晶移速夸度和眯离工捎作面程的距荐离确京定位移速度距开挖面距离量测频率10mm/d以上0—1B1—2次/日10mm—5mm/d1—2B1次/日5mm—1mm/d2—5B1次/2日1mm/d以下5B以上1次/周●拱向顶下沉衔量测：它测量方拒法，可绩采用水瞒平仪计炉、挠度号计等●围朝岩内部狭位移量浑测：通己常采用舱钻孔伸企长计或怒位移计汤，它由辛锚固、愤传递、盟孔口装段置、测眯试仪器检等组成⑶也地表产下沉河量测用水平摇仪在地数表进行置。量测孟范围的寨确定和颤不动点丙选取，绸量测频辅率：距故开挖面巩距离<应2D时丢，1-折2次/炼天；2镜D-5海D时，殿1次/浴天，大差于5D爽时，1您次/周⑷位磁移反分崖析，指舞导施工●根澡据量测馅位移反裤分析围趟岩应力窗重分布丢情况●反各分析围怕岩力学奶参数●念反分债析围峡岩原著始地清应力●甚根据涝反分化析结促果指军导施奴工总结德：