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1、 喷锚支护结构设计与施工 1 喷锚支护的概况2 喷锚支护的受力分析和结构计算3 喷锚支护的施工4 喷锚支护的主要物理力学性能和支护检测 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
2、大量的混凝土 木料 劳动力 加快施工进度 工程造价课降低40 50 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
3、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
4、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
5、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
6、设计与计算 锚杆承载力计算 锚杆锚固长度确定 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
7、 L3是外露长度 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L1 2b 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 一般规定 1 永久支护
8、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 局部不稳定的岩块宜设置局部锚杆 可采用全长粘结型锚杆 端头
9、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 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
10、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3 5 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
11、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150 300mm 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 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
12、强度等级不应低于C254 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
13、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
14、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
15、全系数 内拱承载力 K 1 5 2 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5 10毫米 浅埋山岭隧道容许位移量可以大些 一般小于30毫米 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
16、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 1 0 2mm d 或拱顶下沉速率小于0 07 0 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 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 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
