喷锚支护结构设计与施工（117页）

1、,第一节 喷锚支护的概况,1、喷锚支护：喷射混凝土、锚杆、钢筋网喷射混凝土等结构组合起来的支护形式。可以根据不同围岩的稳定状况，采用喷锚支护中的一种或几种结构的组合。加固隧道围岩，提高围岩的自撑能力 2、喷射混凝土：利用高压气，将掺有速凝剂的混凝土混合料通过混凝土喷射机与高压水混合，喷射到岩面上，迅速凝结而成。,第一节 喷锚支护的概况,3、喷锚支护的特点 1）较传统的现浇混凝土衬砌优越。及时支护、有效控制围岩变形，防止岩块坠落和坍塌的产生，充分发挥围岩的自撑能力 2）能节省大量的混凝土、木料、劳动力、加快施工进度，工程造价课降低4050，并有利于施工机械化和改善劳动条件 3）是一种符合岩体力学

2、原理的积极支护方法，具有良好的物理力学性能。及时支护和加固围岩，,第一节 喷锚支护的概况,与围岩密贴，封闭岩体的张性裂隙和节理，加固围岩结构面，有效地发挥和利用岩块间的镶嵌、咬合和自锁作用，从而提高岩体自身的强度、自撑能力和整体性。 4）柔性好，能同围岩共同变形，构成一个共同工作的承载体系。在变形过程中，它能调整围岩应力，抑制围岩变形的发展，避免岩体坍塌的产生，防止过大的松散压力出现。喷锚支护不再把围岩仅仅视作荷载（松散地压），同时还把它视为承载结构的组成部分。形变压力,第一节 喷锚支护的概况,4、新奥法 1）从岩体力学观点出发，进行支护设计和施工时，把坑道周围岩体和各种支护结构作为一个完整支

3、护体系的新的支护理论和方法 2）要点： A、围岩体和支护视作统一的承载结构体系，岩体是主要的承载单元； B、允许围岩产生局部应力松弛，也允许作为承载环的支护结构有限制的变形；,第一节 喷锚支护的概况,C、通过试验、量测决定围岩体和支护结构的承载变形时间特性； D、按“预计的”围岩局部应力松弛选择开挖方法和支护结构； E、在施工中，通过对支护的量测、监视、修改设计，决定支护措施或第二次衬砌。 5、控制爆破技术：,第一节 喷锚支护的概况,6、喷锚支护的适用条件 围岩的自立能力差、有涌水及大面积淋水处、地层松软处就很难成型,第二节 喷锚支护受力分析与结构计算,1、锚杆支护结构 2、喷混凝土支护结构

4、3、新奥法中锚喷联合支护的应用,锚喷支护的设计步骤,分析围岩稳定条件 围岩分类，选择支护类型和设计参数，对喷锚支护进行受力分析和结构计算，并提出施工注意事项 动态施工：根据地质情况，及时修改设计参数，变更施工工序 施工完成后的隧道稳定性评价，必要时包括施工阶段的监测 总结经验，改进设计和施工。掌握岩体变形、坍塌的规律之后，在恰当的时间，采用适当的办法，把支护做好。,锚杆支护结构,锚杆类型 锚杆的力学作用 锚杆的设计与计算 支护块状围岩 加固裂隙围岩, 全长粘结型,锚杆类型,主要有普通水泥砂浆锚杆、树脂锚固锚杆、早强水泥砂浆锚杆、树脂锚杆、水泥卷锚杆、中空注浆锚杆和自钻式注浆锚杆等。, 端头锚固

5、型,锚杆类型,主要有机械锚固锚杆、树脂锚固锚杆、快硬水泥卷端头锚杆等。, 端头锚固型,锚杆类型, 端头锚固型,锚杆类型, 摩察型,锚杆类型,主要有缝管锚杆、楔管锚杆和水胀锚杆等, 摩察型,锚杆类型, 悬吊作用 组合梁作用 整体加固作用,锚杆的力学作用,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。, 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。, 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。, 锚杆的设计与计算 锚杆承载力计算 锚杆锚固长

6、度确定 锚杆直径的确定 锚杆间距的确定, 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。, 锚杆承载力计算,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。, 锚固长度确定, 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；,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

7、露长度（约小于喷射混凝土厚度）；, 锚杆直径的确定 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。, 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，是岩体容重；b锚杆间距，一般L12b；k安全系数2-3。, 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。,砂浆锚杆的承载力：, 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。,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

8、：,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、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。,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

9、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。,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。,1、锚杆支护结构 2、喷混凝土支护结构 3、锚喷联合支护结构,2、喷混凝土支护结构 喷射砼是将水泥、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，以高速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

10、。, 喷射砼的作用 充填裂隙加固围岩； 找平，封闭围岩表面防止风化； 喷砼与围岩组成共同承载结构。, 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。, 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；u为危石底面周长，k是安全系数35。, 抗撕裂计算,其中： 是喷层和岩石之间的粘结强度。,为此，需求出危石自重作用下在喷层与岩石之间的拉应力q的大小，利用弹性半地基上的半无限长梁公式： ； 其中 ；K岩体弹性系数；E是混凝土弹性模量。当x=0端点时，有最大值：, 整体稳定原理, 整体稳定原理,喷混凝土层与围岩体表面紧密

11、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。,一般规定,1、喷射混凝土厚度不应小于50mm，不宜大于300mm。 2、钢筋网喷射混凝土设计应符合下列规定 （1）钢筋网网格应按矩形布置，钢筋间距宜为150300mm。 （2）钢筋网钢筋的搭接长度应不小于30d（d为钢筋直径） （3）钢筋网喷射混凝土保护层厚度应不小于20mm，当采用双层钢筋网时，两层钢筋网之间的间隔距离应不小于60mm。 （4）单层钢筋网喷射混凝土厚度不得小于80mm，双层钢筋网喷射混凝土厚度不得小于150mm。 （5）钢筋网应配合锚杆一起使用

12、,一般规定,3、钢纤维喷射混凝土设计应符合下列规定： （1）钢纤维掺量宜为干混合料质量的1.5%4% （2）钢纤维喷射混凝土的设计强度等级不应低于C25 4、为提高喷射混凝土的抗裂性能，可采用合成纤维喷射混凝土，合成纤维喷射混凝土的设计强度等级不应低于C20，合成纤维喷射混凝土应根据实验确定其掺量。 当防水要求较高时，可采用强度等级大于C30的高性能喷射混凝土。,1、锚杆支护结构 2、喷混凝土支护结构 3、锚喷联合支护结构,3、锚喷联合支护结构 锚喷联合支护修建隧道的基本概念 支护与围岩共同作用的力学原理 锚喷支护结构承载力计算 (4) 隧道围岩位移量的容许值 二次衬砌支护时间选择原则,喷联合

13、支护修建隧道的基本概念 锚杆是深层加固围岩，喷射混凝土是表层及局部加固围岩, 围岩是隧道稳定的基本部分，尽量维护围岩体的强度特性, 支护结构要薄而具有柔性，并与围岩密贴，使因产生弯矩而破坏的可能性达到最小，当需要增加支护衬砌强度时，宜采用锚杆、钢筋网以及钢支撑等加固，而不宜大幅度增加喷层或衬砌厚度。, 设计施工中要正确估计围岩特性及其随时间的变化，以便采取最合适的支护措施和支护时间。, 支护与围岩共同作用 的力学原理, 锚喷支护结构设计的力学原理： 采用的是围岩体和柔性支护共同变形的弹塑性理论。, 弹塑性理论的基本概念： 基于材料试验弹塑性曲线, 对于圆形隧道，作如下假定： 围岩为均质、各向同

14、性的连续弹塑性体； 初始应力为自重应力场； 隧道视为无限体中的孔洞问题； 采用莫尔-库仑(Mohr-Coulomb)准则为塑性屈服判据:, 均质围岩中圆形隧道的弹性解, 均质围岩中圆形隧道的塑性解 基本方程： 边界条件： 塑性解：, 弹性区与塑性区边界上的连续条件 当r=R时，, 塑性区半径与支护抗力的关系, 由洞周位移计算围岩压力 弹性区引起的应力增量： 围岩引起的径向应变：, 由以上关系得： 弹塑性边界上的径向位移：, 据弹性区应力和摩尔库仑关系得： 变形过程中假设塑性区体积不变：, 用洞周位移 表达的围岩压力, 围岩支护特性曲线, 锚喷支护结构承载力计算 初期支护（外拱）设计与计算 初选

15、喷层厚度t，按照经验公式：t=0.017r0， r0是隧道半径 确定锚杆直径、长度和间距 喷层支护抗力： 承载环内岩体的抗力： 锚杆的抗力： 其它支护提供的抗力： 总支护抗力：, 二次支护（内拱）设计与计算 内拱的承载力常是一种安全储备，安全系数 内拱承载力： K=1.52.0 内拱厚度：,(4) 隧道围岩位移量的容许值 影响隧道周边最终位移量的因素 岩体的物理力学性质 原始地应力大小 开挖方式（全断面开挖小） 掘进速度（速度越快位移越小） 支护时机 及支护方式, 隧道周边容许位移量的确定原则 城市地下隧道的下沉量尽量小，一般不能超过510毫米； 浅埋山岭隧道容许位移量可以大些，一般小于30毫

16、米； 深埋隧道洞周的位移不致引起有害松动为原则，一般不超过30毫米； 一些容许位移量控制标准, 我国公路隧道施工技术规范JTJ042-94规定容许相对位移值（）, 法国工业部规定地下工程拱顶处围岩最大容许位移量, 国外隧道工程师根据现场量测数据大小制定的危险警戒标准, 二次衬砌支护时间选择原则 各测试项目的位移速率明显收敛，围岩基本稳定； 已产生的各项位移已达预计总位移量的80%90%； 周边位移速率小于0.10.2mm/d，或拱顶下沉速率小于 0.070.15mm/d,9.3 锚喷支护的施工 实施锚喷支护施工原则，是为了达到以下的目的： （1）技术上可靠 （2）经济上合理,1、采取各种措施，

17、确保围岩不出现有害松动, 洞形及侧压系数的选择问题，即在洞室的布置和造型上应适应原岩应力状态和岩体的地质、力学特征，尽量争取一个较好的受力条件。, 采用控制爆破技术：减少对围岩的扰动强度, 减少对围岩的扰动次数：尽可能采用全断面一次开挖, 初期支护及时快速：及时是抑制围岩变形的有害发展, 合理利用开挖面空间效应抑制围岩变形 开挖面的“空间效应”，是指洞室在掘进过程中，由于受到开挖面的约束，使开挖面附近的围岩不能立即释放其全部位移，这种现象称为开挖面的“空间效应”, 尽量减少其他外界因素（水、潮）对围岩的影响：对有地下水的裂隙岩体，要防止大的渗透压力,2、使围岩变形适度发展，合理利用围岩自承能力

18、, 初期支护采用分次施作的方法 初期支护必须保证围岩达到稳定状态，其作用主要是在有控制的条件下实现“卸压”。 二次支护主要是提高支护的安全度，其作用主要是限制变形过量，使围岩进入稳定。, 调节支护封底时间，控制围岩变形, 适当延迟支护时间，控制围岩变形 原则上，可以通过延迟支护时间来控制围岩变形，不过这个时机很难掌握，因此，常常不宜采取这种方法。,第7章 锚喷支护结构设计与施工原则,3、保证锚喷支护与围岩形成共同体, 施工方法和施工措施上保证 列入施工质量检测项目(喷层与岩石的粘结力、锚杆的锚固力),4、选择合理支护类型和参数，并充分发挥其功效, 综合考虑各种因素确定支护类型(围岩地质特点、工

19、程断面大小和使用条件要求等), 一般情况下，应优先考虑选用喷混凝土支护或锚喷联合支护 坚硬裂隙岩体中的大断面隧道：通常在长锚杆之间还要加设短锚杆以支承其间的岩体, 破碎软弱岩体 ：通常要早支护、早封闭，设仰拱、加强支护。一般采用锚喷网联合支护 塑性流变岩体 ：支护施作宜“先柔后刚”，设置仰拱，形成全封闭环, 选择合理的锚杆类型与参数，在围岩中有效形成承载圈 锚杆支护设计主要根据围岩地质、工程断面和使用条件等选定锚杆类型，确定锚杆直径、长度、数量、间距和布置方式。, 锚杆间距的选定：除考虑岩体稳定条件外，一般应能充分发挥喷层作用和施工方便，即通过锚杆数量的变化使喷层始终具有有利厚度 锚杆长度的选

20、取：应当以能充分发挥锚杆的功能作用，并获得经济合理的锚固效果为原则, 锚杆的布置：应当采用重点（局部）布置与整体（系统）布置相结合 锚杆的方向：应与岩体主结构面成较大角度，这样则能穿过更多的结构面，有利于提高结构面上的抗剪强度，使锚杆间的岩块相互咬合, 合理选择喷层厚度，充分发挥喷层与围岩自身承载力, 合理喷层厚度（刚度）：既能使围岩稳定又容许围岩有一定的塑性位移，实现卸压；经验表明合理初始喷层厚度在515厘米间； 喷层太厚和太薄都是不合理的, 合理选择和配置钢筋网和钢支撑, 在下列情况下可考虑配置钢筋网 在土砂等条件下，喷射混凝土从围岩表面可能剥落时 在破碎软弱流变岩体和膨胀性岩体条件下，喷

21、层可能破坏剥落时，或需要提高喷混凝土抗剪强度时 地震区或有震动影响的隧道, 在下列场合应考虑使用钢支撑 喷射混凝土或锚杆发挥支护作用前，需要使隧道岩面稳定时 用钢管（棚架）、钢板桩进行超前支护需要支点时 为抑制地表下沉，或由于压力大，需要提高初期支护的强度或刚性时,5、 合理安排施工程序,施工方法的正确性和合理性对锚喷支护的成败和效果有重大影响，特别是开挖程序、掘进进尺、支护和闭合时机等至关重要, 开挖台阶数 围岩较好：应尽量采用全断面开挖法，减少对围岩的扰动次数； 破碎围岩：分部开挖，减少对围岩扰动的强度 支护次数,6、依据现场监测数据指导施工,由于锚喷支护理论目前还不成熟，故需依靠现场监控

22、量测来掌握围岩动态、修正设计，指导施工以及对支护效果作出正确评价。,现场量测内容： 隧道内目测观察 隧道收敛量测 地表下沉量测 位移反分析，指导施工, 隧道内目测观察 隧道目测观察的目的 预测开挖面前方的地质条件 为判断围岩稳定性提供地质依据 根据喷层表面状态及锚杆工作状态分析支护结构可靠度, 隧道目测观察的主要内容 了解开挖工作面的工程地质，包括地质种类及分布状态，岩石颜色、成分、结构等，节理状况，断层特征等 水文地质条件：地下水类型，涌水量大小，涌水位置，涌水压力，水的化学成分等, 绘制开挖工作面的素描剖面图 开挖支护后的观察：初期支护的裂缝状况，锚杆端头情况，钢拱架是否被压曲，是否有底鼓现象, 隧道目测观察中围岩破坏形态分析 危险性不大的破坏：构筑仰拱后在拱肩部出现