5.4 新奥法及喷锚支护

1、5.4 新奥法及喷锚支护,2,小浪底水电站,水电站为地下厂房,其长、宽、高尺寸分别为2515m、262m和61.44m.,3,广州抽水蓄能电站地下厂房,广州抽水蓄能电站(下称广蓄电站)位于广东省从化市吕田镇,总装机2400MW,是目前世界上最大的抽水蓄能电站。该工程分二期完成,每期工程均为4300MW。分别于1994年3月和2000年6月建成投产。 广蓄电站的土建工程主要是地下建筑,其中地下厂房深埋于地面以下450m,开挖尺寸:长146.5m,宽21m,高44.54m。地下厂房等洞室群中,凡不过水洞室均采用喷锚支护作为永久支护,过水隧洞的临时支护同样采用喷锚支护。,4,5,一、 新奥法 新奥法

2、（新奥地利隧道施工法）（New Austrian Tunnelling Method） ”（NATM）法，奥地利学者拉布西维兹教授于二十世纪50年代提出的 。 新奥法的主要原则： （1）充分保护围岩，减少对围岩的扰动。 （2）充分发挥围岩的自承能力。 （3）尽快使支护结构闭合。 （4）加强监测，根据监测数据指导施工。 可扼要地概括为“少扰动、早喷锚、快封闭、勤测量” 优点：较好利用岩体力学特性，充分发挥围岩的自身的承载能力，合理设计支护结构和施工顺序。,6, 支护-围岩共同作用原理,围岩既是生产支护荷载的主体，又是承受岩层荷载的结构，支护-围岩作为整体相互作用，共同承担围岩压力。摒弃了过去岩体

3、作为对支护结构的荷载采用厚衬砌的传统做法。 围岩压力是变形压力和松动压力的组合，大部分压力(特别是变形压力)由围岩自身承担，只有少部分转移到支护结构上；支护荷载既取决于围岩的性质，又取决于支护结构的刚度和支护时间；围岩的松动区和围岩内的二次应力状态又与支护结构的性质和支护时间有关。,7,支护,时间,刚度,早,晚,刚,柔,8, 柔性支护观点,支护刚度不必太大，当支护做完后，能与岩体一起产生一定的位移，释放部分变形能，但又能使支护足以保持平衡，保持围岩稳定。 柔性支护，尽早支护，既及时封闭围岩，防止风化，又能释放变形能，合理利用围岩与支护共同承担应力调整过程中的所有作用。 支护结构为闭合环，锚喷网

4、综合支护主要支护手段。,9, 设计、施工、监测一条龙作业方式,工程地质调查与相关实验,工程开挖与支护设计,施工与监测,是否稳定,返回,10,二、 压力拱理论计算围岩压力,（一）普氏平衡拱理论 1、自然平衡拱（压力拱）的概念,普洛托.季雅克诺夫,11,2、在松散体中形成压力拱的条件 坑道埋深Z(22.5)b,b为压力拱高度。,12,3、普氏理论假设条件,（1）将岩体视为松散体。,式中： 为岩体似内摩擦角。,（2）洞顶岩体能够形成压力拱。 （3）沿拱切线方向只作用有压应力，而不能承受拉应力。自然平衡拱以上的岩体重量通过拱传递到两帮，对拱内岩体不产生任何影响。即作用在支架上的顶压仅为拱内岩体重量，与

5、拱外岩体和坑道埋深无关。,式中c 为岩石单轴抗压强度，MPa. 也可按上式计算岩体似内摩擦角k ：,4. 采用坚固性系数f（普氏系数 ）来表征岩体的强度,5、自然平衡拱的力学模型及相应的计算方法,模型1：假定坑道两帮岩体稳定（ f2），而坑道顶部岩体不稳定，会发生冒落而形成自然平衡拱。,模型2：假定坑道两帮岩体也不稳定（ f2），发生剪切破坏，导致平衡拱的跨度扩大。,15,（1）模型1 及相应的计算方法,A、平衡拱形状 平衡拱形状如图所示，为一条抛物线，其方程为：,B、平衡拱跨度 平衡拱跨度等于坑道跨度，即2a。 C、平衡拱高度b:,16,E、单位长度平衡拱内岩体重量W：,F、单位长度坑道上作

6、用在坑道支架上的顶压pv:,D、平衡拱面积：,18,（2）模型2 及相应的计算方法,当安全系数2时，坑道两帮岩体会发生剪切破坏，导致平衡拱的跨度扩大。,A、平衡拱形状 平衡拱形状如图所示，为一条抛物线，其方程为：,B、平衡拱跨度 两帮岩体发生剪切破坏，其破裂面与水平面的夹角为450/2，此时平衡拱跨度将增大至2a1。,C、平衡拱高度b:,D、单位长度坑道上作用在坑道支架上的顶压pv:,支架受到的顶压近似等于DCCD部分岩体的重量，即,可按滑动土体上有均布荷载q= b 作用的挡土墙上主动土压力公式计算，即,式中k为岩体换算内摩擦角，karctgf 。,E、支架受到的总的侧压力Qh:,实际上，自然

7、平衡拱有各种形状，在岩层倾斜的情况下，还会产生歪斜的平衡拱，如图所示。,23,普氏平衡拱理论适用于深埋洞室。,可见：松脱压力是有一定限度的，不是无限增大；采用传统支护方法时，要尽量使支护与围岩紧密接触，使支护更好地发挥作用，有效控制围岩破坏。,24,（二）太沙基理论计算围岩压力,对于软弱破碎岩体或土体，在巷道浅埋的情况下，可以采用太沙基理论计算围岩压力。 1、太沙基理论的基本假设 （1）仍视岩体为具有一定粘结力的松散体，其强度服从莫尔库伦强度理论，即,（2）假设坑道开挖后，顶板岩体逐渐下沉 ，引起应力传递而作用在支架上，形成坑道压力。,25,2、太沙基围岩压力公式,一般分坑道两帮岩体稳定或不稳

8、定两种情况考虑。,1、坑道两帮岩体稳定,坑道两帮岩体稳定，下沉仅限于顶板上部岩体，如图，AD和BC为滑动面，并延伸至地表。 两侧岩体的剪力dF:,式中：h，v为在深度Z处的水平应力和垂直应力，为侧压力系数， h/v,若地表作用有均布荷载 p，则薄层dz在垂直方向的平衡方程为：,整理得：,于是得：,根据地表边界条件求A: 当z=0时，v p，代入上式得：,则垂直应力的计算公式为：,解微分方程得：,则垂直应力的计算公式：,当z=H时，v就是 作用在坑道顶压qv 。,若H ，c0, p=0时，坑道顶压：,单位长度坑道上的顶压为：,2、坑道两帮岩体不稳定,坑道两帮岩体发生剪切破坏，形成直达地表的破裂面

9、OC和OC并引起岩柱体ABBA下沉，产生垂直破裂面AB和A B。 A、坑道顶部下沉的跨度为：,B、坑道顶压 坑道顶压计算方法同上，只需将以上各式中的a以a1代替即可。,若H ，c0, p=0时，坑道顶压：,C、 单位长度坑道上的顶压为：,D、支架受到的总的侧压力Qh: 可按滑动土体上有均布荷载q作用的挡土墙上主动土压力公式计算，即,例题,某矩形巷道，宽度为 4 m, 高度为3m，布置在泥质页岩中，岩石的换算内摩擦角k710，, 岩石重度20 kN/m3，按普氏地压理论试求： （1）拱的跨度和高度 ； （2）自然平衡拱的方程式； （3）支架所受的顶压等于多少？,解：2a = 4 m , f =

10、tg71=2.9, 20 kN/m3 (1) 压力拱跨度 2 a = 4(m) 压力拱高度 b =a/f =2/2.9=0.69 (m) (2) 压力拱方程式： y x2 b/a2 = 0.172 x2 (3) 总顶压力,35,三、 坑道支护,岩体作为支护结构的组成部分，与支护结构组成共同存载体，它们之间互相依存，互相制约，协调变形，共同承担全部围岩压力。,（一 ）离壁式支护的力学作用,特点：离壁式支护结构如木支架、钢支架、混凝土砌碹以及钢筋混凝土支架等与围岩部分点接触和部分面接触。 1、被动承受围岩压力。,2、支护及时时，围岩变形还未达到极限的情况下，在点接触或面接触处承受围岩所产生的压力（

11、变形压力）。 3、在完全不接触的情况下，或支护不及时时，围岩已发生松脱，则只承受松脱压力。,37,（二）喷锚支护,喷锚支护【shotcrete-bolt support】指的是借高压喷射水泥混凝土和打入岩层中的金属锚杆的联合作用(根据地质情况也可分别单独采用)加固岩层，分为临时性支护结构和永久性支护结构。 喷混凝土是利用喷浆设备向地下洞室开挖面喷一定厚度的混凝土层，借以支护围岩。由于混凝土喷层密贴围岩，并具柔软性等特点，所以能承受较大荷载，并能控制围岩变形，充填胶结岩体表层裂隙，保护和发挥岩体的潜力。喷混凝土可以作为洞室围岩的初期支护，也可以作为永久性支护。喷锚支护是使锚杆、混凝土喷层和围岩形

12、成共同作用的体系，防止岩体松动、分离。把一定厚度的围岩转变成自承拱，有效地稳定围岩。当岩体比较破碎时，还可以利用丝网拉挡锚杆之间的小岩块，增强混凝土喷层，辅助喷锚支护。,38,39,喷锚支护在洞室开挖后， 支护及时，与围岩密贴，柔性好，有良好的物理力学性能。它能侵入围岩裂隙，封闭节理，加固结构面和层面，提高围岩的整体性和自承能力，抑制变形的发展。在支护与围岩的共同工作中，有效地控制和调整围岩应力的重分布，避免围岩松动和坍塌，加强围岩的稳定性。它不象传统的模筑混凝土衬砌那样，只是在洞室开挖后被动地承受围岩压力，而是主动地加固围岩。目前，对喷锚支护作用原理的研究还不完善，有待进一步探索和改进。,4

13、0,1、喷射混凝土的力学作用,（1）加固围岩。 （2）改善围岩的应力状 态。,2、锚杆支护的力学作用,2、锚杆支护的力学作用,2、锚杆支护的力学作用,2、锚杆支护的力学作用,2、锚杆支护的力学作用,端部锚固式锚杆,锚杆的受力状态如图所示。 设锚杆预拉力为Q，岩体变形所产生的拉力为Q，则锚杆的拉应力为：,式中：d为锚杆的直径。,Q为锚杆所需的最小锚固力，由拉拔试验确定。,全长锚固式锚杆,锚杆的受力状态如图所示。 锚杆设计必须满足下式：,式中：d锚杆的直径； t锚杆材料抗拉强度； Q锚杆变形或移动所产生的最大拉力即最小锚固力，由拉拔试验确定； 粘结材料与锚杆和孔壁之间的粘结强度。,（2）锚杆群的力学作用,C、挤压加固作用,A、悬吊作用,B、组合作用,2、锚杆支护的力学作用,3、喷锚联合支护的力学作用,（1）开挖后，在坑道周边形成松动圈和塑性变形区。喷射混凝土支护，一方面水泥砂浆的胶结作用提高了松动圈的整体稳定性，另一方面喷射混凝土层的柔性，允许围岩发生较大的位移而不发生松脱，能充分发挥围岩的自支承能力。 （2）锚杆的挤压加固与围岩变形的