地下结构工程第四章新奥法与锚喷支护

1、，东南大学远程教育，地下结构工程，讲师：穆宝刚，第04章，前一章的要点，悬臂支护、单支护和单锚支护的设计过程，土锚、水泥挡土墙、土钉墙、法和反拱墙；理解逆向构造方法。第四章，新奥法与锚喷支护，4.1概述4.1.1新奥法简介是由奥地利学者拉布奇维奇于20世纪60年代提出的。新奥法被称为“新奥法”(NATM)。“欧洲隧道法”或“收敛约束法”。NATM:围岩本身具有自立能力。如果采用正确的设计和施工方法，充分发挥这种自支撑能力，经济效益可以最大化。要点：尽量不扰动围岩，开挖后及时支护一次，然后根据需要进行二次支护。支护灵活适应围岩变形。目前，预设计采用经验统计类比的方法，在施工过程中不断监测围岩的应

2、力和应变，并根据其发展规律调整支护措施。适用条件和要求、深埋、浅埋和中等埋深；勘测、设计、施工和控制之间的密切协调；尽可能充分发挥围岩的自撑作用，采用控制爆破(光面爆破和预裂爆破)。新奥法的优点是经济而快捷。如果面积A为100，设计衬砌量B和超挖量的面积C。可以看出，由于控制爆破和柔性薄衬砌，NATM的开挖量为老方法的73% (110/151)，衬砌量为老方法的20%。此外，可节省全部木模板和40%以上的混凝土，支护成本可降低30%以上。2)安全性和适应性强。表4-1旧方法与新奥法的比较，新奥法的主要原理，(1)围岩是洞室的主要承载结构，而不是简单的荷载，具有一定的自支撑能力。(2)尽可能保持

3、围岩的原有结构和强度；(3)尽可能及时提供支持。(4)支架本身应薄、软、靠近围岩、早期强度等。支护施工应及时、快速，使围岩尽快封闭，处于三维受力状态。(5)洞室应具有圆形断面或尽可能连接光滑曲线形成的断面，以避免应力集中。(6)良好的施工组织和施工人员的素质对洞室结构施工的安全和经济至关重要。4.1.2锚喷支护简介锚喷支护是在毛状孔开挖后，采用喷射混凝土、钢筋网喷射混凝土、锚喷或锚喷网喷射混凝土及时加固地层的结构。1)锚喷支护的优点，节约和加快施工进度；符合岩石力学原理的主动支护方法；柔韧性好，能与围岩变形相一致，从而与之形成一个工作承载系统；锚喷支护技术不再将围岩仅仅视为荷载(松散压力)，而

4、是作为承载结构的一个组成部分。锚喷支护结构的承载特性是围岩的变形压力。2)锚喷支护的适用条件和要求，结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，减少回弹量；减少爆破对围岩的松散破坏，保持围岩的强度和自支撑能力。4.1.3新奥法和锚喷支护不能等同于锚喷支护；既有密切的联系，也有原则性的分歧；通过快速有效的锚喷支护施工，有可能实现NATM的基本原则。如果围岩不被视为自支撑结构，并且围岩本身的作用没有得到充分发挥，即使大量的锚杆初始应力、平衡状态下的三维应力：隧道开挖前后的变化，隧道开挖后软硬岩石的应力重分布范围与地质条件有关，一般为隧道开挖跨度的0.52.5倍。在坚硬完整的岩体中

5、，由于其强度高、影响范围小，岩体能够承受其周围迅速增加的应力，从而保持隧道稳定，一般只有弹性变形不会被破坏；在松软破碎的岩体中，由于岩体不能承受增加的应力，在一定范围内的岩石会松动、破坏并坍塌进入隧道。围岩压力类型包括垂直压力、侧向压力和底部压力，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1m围岩压力的增减率。根据b=5.0m的围岩垂直均匀压力，当B60MPa V :为块状砌体结构的硬岩时，rb30mpa iv3360为块(石)镶嵌结构iii3360、稍压实或成岩粘性土、砂土II :湿一般碎卵石土、圆砾、角砾土和黄土I:类围岩新黄土采用14.7kN/m3的软塑性。表4-4围

6、岩水平均布压力e必须同时满足以下条件：(1)H/B1.7，其中H为隧道开挖高度，B为隧道开挖宽度。(2)无膨胀力的围岩和无明显偏压的隧道；(3)钻爆法施工隧道。2)浅埋隧道围岩压力的确定，根据荷载等效高度的判断公式为：在NATM施工条件下，采用类围岩，类围岩。(1)埋深h小于或等于荷载等效高度hq，围岩压力完全由上覆岩(土)柱的重力产生。当视为均匀分布时，垂直压力和水平压力为：(2)埋深h大于hq，小于Hp。在这种情况下，应考虑上覆土体下滑时滑动面阻力的影响，否则计算的压力值过大。本次讲座的要点，了解NATM与喷锚支护的本质和关系；掌握深浅隧道围岩压力的计算。(2)当埋深H大于hq小于Hp时，

7、EFHG岩(土)下沉，带动两侧的三角形土(图中FDB和ECA)下沉并受到阻力T，而整个土ABDC下沉，也受到原状岩(土)的阻力F；交流电或直流电表示假定的断裂面与水平面成一定角度；在未知三棱柱的应力集中系数中有三种力：利用正弦定理得出的应力集中系数：极限状态下可以得到断裂面的夹角，总的垂直压力简化为：垂直均布荷载和水平侧向压力、4.3锚喷支护结构、4.3.1锚喷支护。(2)采用工程类比法选择支护类型和设计参数，进行锚喷支护的应力分析和结构计算，提出施工注意事项；(3)在支护施工过程中，密切监测地质条件的变化，及时修改设计参数和变更施工程序；(4)支护完成后，对隧道进行稳定性分析和长期稳定性评价

8、。必要时，可测量支架的变形和应力，包括施工阶段的监测；(5)总结经验，改进设计和施工。掌握了岩体的变形和坍塌规律后，适时采取适当的支护方法。4.3.2锚喷支护的受力分析和结构计算复杂，各种计算方法仍处于半经验半理论阶段。螺栓支撑结构；喷射混凝土支撑；1)锚杆支护结构，全长粘结锚杆：普通水泥砂浆锚杆、早强水泥砂浆锚杆、树脂滚锚杆和水泥滚锚杆；(2)端部锚固螺栓；机械锚栓、树脂锚栓和快硬水泥辊锚栓；摩擦锚杆；缝管螺栓、楔形管螺栓和吸水膨胀螺栓；预应力锚杆；自驱动(1)锚杆设计计算，锚杆轴向拉力标准值和设计值、锚杆钢筋截面积、锚杆拉力工况系数，永久锚杆取0.69，临时锚杆取0.92；(3)锚杆与地层

9、之间的锚固长度，(4)锚杆钢筋与锚固砂浆之间的锚固长度，以及钢筋与锚固砂浆之间的粘结强度设计值(千帕)应通过试验确定，无试验数据时可按表4-9取值；钢筋与砂浆粘结强度的工况系数，永久锚为0.60，临时锚为0.72。锚杆支护可以根据不同围岩的姿态和稳定性灵活进行。其作用原理主要包括连接、组合和整体加固。(2)锚杆的连接作用，是将锚杆与锚杆结合起来，将锚杆尽可能深入稳定的岩层，考虑到锚杆承受所有不稳定岩块的重量。锚杆承载力计算，建筑边坡工程技术规范 (GB 503302002)规定，用锚杆加固局部不稳定块体时，锚杆抗力应满足以下要求：a .加固受拉破坏的不稳定危岩块体时，锚杆抗拉承载力应满足以下要

10、求：B .加固受剪破坏的不稳定危岩块体时，锚杆抗剪承载力应满足以下要求：锚杆长度。预应力锚杆自由段长度不小于5m，并应超过潜在滑动面。锚杆锚固段长度按公式(4-22)和(4-23)计算，取较大值。结构、土锚长度不应小于4m，且不应大于10m；锚杆锚固长度不应小于3m，不应大于45D(D为锚体直径)和6.5m，或55D和8m(预应力锚索)；(3)锚杆的联合作用，即通过锚杆将几层薄岩层组合在一起，形成组合拱或组合梁，以提高岩层的整体抗剪和抗弯能力。锚杆提供的抗剪和抗拉能力以及锚杆的锚固力使岩块滑动稳定，防止层间相互错位。锚杆应设置在垂直于岩层水平的方向上。如果对锚杆施加预应力，可以提高支护效果。(

11、4)锚杆通过一系列规则排列的锚杆连接相邻岩体，锚杆的整体加固作用可以防止不稳定岩石的滑动，促进岩石间空隙面的压实，使隧道周围一定范围内的围岩形成承载圈。由于锚杆的支撑力，压缩区获得径向支撑力，使压缩区内的岩体受到三维压缩。砂浆锚杆的加固效果和砂浆锚杆的承载力可由以下公式表示。当围岩发生位移时，Ps/L1的合力和锚杆的单位长度承载力阻止了围岩位移的发展，产生支撑力，使锚杆之间的围岩压缩成拱，提高了围岩的强度，减小了围岩的承载跨度(等于锚杆之间的距离)，从而达到稳定和加固围岩的目的。本次讲座的要点，掌握围岩压力的计算方法；理解喷锚支护的概念；掌握锚杆支护的作用和计算方法；2)喷射混凝土支护结构在两

12、个方面起着支撑作用：(1)局部稳定原则(2)整体稳定原则，喷射混凝土的设计强度等级不应低于C20；喷射混凝土1d龄期的抗压强度不得低于5MPa。(1)局部稳定原则，喷射混凝土支护结构能及时封堵岩石表面的节理和裂缝，填充或缓解表面的不平整，使隧道内的轮廓更加光滑，从而提高围岩节理和裂缝之间的粘结、摩擦和抗剪强度，减少应力集中现象。喷射混凝土的关键是控制冠石。这时，喷射混凝土应该能够承受冠石的重量。，喷射混凝土对局部不稳定危岩块的抗拉承载力应按下式(冲孔)验算，喷射混凝土的工况系数为，取0.6；Ft喷射混凝土抗拉强度设计值(kpa)；H喷层厚度ur不稳定危岩块暴露面的周边长度，a)根据冲孔破坏计算

13、；b)根据撕裂破坏计算和整体稳定原则，喷射混凝土与围岩表面紧密贴合，形成组合结构共同工作。一方面，它与围岩一起在承载变形过程中为围岩提供支撑力，从而控制围岩变形，调节应力；另一方面，它承受围岩变形引起的变形压力，从而保持围岩稳定。3)锚喷联合支护在NATM的应用(1) NATM锚喷联合支护，对于较好的围岩(如四级以上围岩)，可以以喷射混凝土为主支护，辅以锚杆加固；对于不良围岩，锚杆尤其是预应力锚杆是岩体加固的主要手段，与喷射混凝土、钢筋网喷射混凝土或钢拱喷射混凝土结合使用。施工步骤，及时采用NATM锚喷作为临时支护，称为第一次衬砌。初期支护可以稳定围岩，控制围岩应力和变形，防止围岩松弛和坍塌。

14、待其基本稳定后，将添加注射成型混凝土的二次衬砌。原有的临时支护(锚喷支护)成为永久衬砌的组成部分。二次衬砌基本上不承受荷载或承受很小的荷载，主要是为了满足隧道结构的安全性、耐久性、防水性和饰面性的要求。(2)NATM支护与围岩相互作用的力学原理，支护结构的设计原则是围岩和柔性支护变形破坏的弹塑性理论。(1)围岩为均匀各向同性的连续弹塑性体，在塑性变形和剪切破坏后，岩体仍具有残余强度；隧道初始应力场为自重应力场，侧压力系数为1；隧道断面为圆形；在一定埋深下，隧道被视为无限体中的孔洞问题。“摩尔-库仑”准则为“塑性准则”，围岩弹塑性状态，弹塑性状态的1-应力分布曲线；2弹性状态下的应力分布曲线，弹

15、性区任意点的应力为弹性区任意点的径向应力；弹性区任何点的切向应力；R从弹性区的任何一点到隧道中心的径向距离。P0-原岩应力，塑性区内任意点的应力公式是，塑性区内隧道内边缘附近的应力因塑性条件而相对减小，成为“应力减小区”，最大应力出现在塑性区与围岩弹性区的交界处。在弹性区和塑性区的界面上(r=R)，使两个公式分别相等。整理后可以得出结论：支护力pi越小，围岩塑性区半径r越大；围岩塑性区半径r越大，围岩对支护的变形压力pa(与支护力pi平衡)越小。岩体初始应力p0越大，塑性半径R越大。P0反映了围岩强度特性的两个指标，即内聚力C和内摩擦角越小，岩体强度越低，塑性半径R越大.新奥法柔性支护理论的出发点是，在设计和施工中采取支护措施时，应积极加以利用，使支护能够承受尽可能小的变形压力。隧道周围的径向位移u主要取决于支撑力pi。圆周率降低时，u增加。相反，u减少。围岩位移曲线、围岩位移曲线、支护特性曲线，隧道开挖后，如果支护速度很快，支护刚度很大，隧道周围围岩不变形围岩松动坍塌，围岩对支护的压力为松动压力，按照传统施工方法只能作为现浇混凝土衬砌使用。更好的支撑工作点应该在图中点D、e的左侧附近。此时，围岩会产生较