第五章 隧道支护结构

《第五章 隧道支护结构》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第五章 隧道支护结构（70页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、 第五章 隧道工程支护结构隧道开挖后，为了有效地约束和控制围岩的变形，加强围 岩的稳定性，保证施工安全，以及为了确保运营过程中的稳定 、耐久、减小通风阻力和整体美观，均需要施作必要的支护结 构。按照现代岩体力学原则设计隧道支护体系的基本出发点， 隧道结构体是由围岩和支护结构共同构成的，其中围岩是承载 结构的主体，支护结构起着辅助围岩承载的作用，但通常也是 必不可少的，在某些情况下，支护结构也是主要承载单元。因此，隧道一经开挖暴露宜及时施作初期喷锚支护以保护 和加强围岩的强度和自稳能力，当围岩与初期支护体系逐渐稳 定下来，则采取二次衬砌以保证隧道的永久稳定和安全。初期 支护和二次衬砌构成了隧道的

2、复合式支护。v 喷锚支护是指喷射混凝土和锚杆支护有机结合的一种支护形式，它并不是一般的喷射混凝土和锚杆的简单组合 ，而是近三十年来发展起来的一种全新概念的支护方法， 是新奥法的核心内容之一，其特点是将围岩看作是承载结 构的主要部分，而不是传统观念上的荷载体，通过喷锚支 护加固围岩，提高围岩的自撑能力，来达到维护地下洞室 稳定的目的。现在人们普遍认为，喷锚支护、现场监控量 测和光面爆破施工是新奥法的“三大支柱”。v 近二、三十年来，喷锚支护在工程实践中被广泛应用，并不断发展和完善，特别是在复杂地质条件下显示了很 大的优越性，同时也积累了大量工程实践经验，不仅总结 了一整套完善和先进的施工方法，而

3、且提出了喷锚支护的 设计原理和原则，为科学地建设隧道工程指明了方向。v 复合衬砌是用喷锚支护作初期支护，模筑混凝土做二次衬砌的一种组合衬砌结构，并一般在二层间设置有防水层。v 复合衬砌也是以新奥法理论作为指导思想进行设计和施工的一种现代支护结构，近年来在国内外的地下工程中得到普遍的采用。研究和实践表明，复合衬砌指导思想科学合理，技术先进，有利于发挥围岩的自撑能力，提高支护衬砌结构的承载性能，从而加快隧道工程的施工进度，提高经济效益。v5.1 喷锚支护的作用原理v 喷射混凝土是将一定比例的水泥、砂子和碎石均匀搅拌后，通过混 凝土喷射机与水混合后以较高速度（30-100m/s）喷射到围岩表面上 并

4、快速凝结硬化而形成的支护层。由于混凝土是在一定压力下喷射的， 使砂、石骨料和水泥颗粒重复碰撞冲击，相当于受到连续的冲实和压密 ，而且喷射工艺又可以使用较小的水灰比，这就保证了喷射混凝土具有 较高的物理力学性能。v 锚杆支护是通过插入岩体中的锚杆，达到改善围岩受力状态、实现加 固围岩的目的。v 在支护作用原理上，喷锚支护能充分发挥围岩的自承能力，从而使围 岩压力降低；在施工工艺上，实施机械化程度较高的联合作业，从而有 利于减轻劳动强度和提高工效；在经济效益上，喷锚支护比传统的支护 衬砌厚度薄，用量少，据有关统计，喷射混凝土支护与浇注混凝土支护 相比，支护厚度可减薄1/2-1/3，节省岩石开挖量1

5、0%-15%，加快支 护速度2-4倍，节省劳动力50%以上，降低支护成本30%以上。在工程 质量上，通过国内外大量工程实践表明是可靠的。在我国各类地下工程 中采用喷锚支护技术，解决了一大批用传统支护难以解决的技术难题， 显示出喷锚支护具有明显的优越性。v5.1.1 喷射混凝土的支护作用v 喷射混凝土的支护作用主要有两个方面：v1、加固围岩，提高围岩的强度v 隧道开挖后，立即喷射一定厚度的混凝土层，及时封闭围岩表面， 由于喷层与围岩密贴，故能有效地隔绝水和空气对岩体的侵蚀，防止围 岩风化脱落，对围岩的松胀变形起到一定的抑制作用，防止围岩强度的 丧失。同时，混凝土料在高压下可充填于张开的裂隙中，起

6、到胶结加固 作用，从而可提高围岩的强度。v2、改善围岩的应力状态v 含有速凝剂的混凝土搅拌料在喷射后数分钟即可凝固，在围岩表面 形成一层硬壳，及时向围岩提供径向支护力Pa，使围岩表面岩体由未支 护时的二向受力状态（在平面问题中为单向受力状态）转变为三向受力 状态（在平面问题中为双向受力状态），提高了围岩的强度和稳定性， 如图5-1所示。v无喷层时，假设原岩应力o为静水压力状态，围岩中距隧道中心为r的任一点的 径向应力r和切向应力分别为：v (5-1) v v （5-2）v在隧道洞壁上，则有v v喷射混凝土后，喷层对围岩提供支撑力Pa，按照围岩附加应力理论，围岩中距 隧道中心为r的任一点的径向应

7、力r和切向应力又分别为：v （5-3）v （5-4）v在洞壁上（ ）则有v （5-5）v （5-6）v除此之外，喷射混凝土的作用还有：v “卸载”作用；v 填平补强围岩及覆盖围岩表面；v 阻止围岩松动；v 分配外力等作用。v5.1.2 锚杆的支护作用v锚杆对围岩的支护主要有以下几种作用：v1、悬吊作用v2、减跨作用v3、组合作用v4、挤压作用 v1、悬吊作用v在块状结构或裂隙岩体中，v使用锚杆可将松动的岩块固v定在稳定的岩体上，阻止松v动块体的滑移和塌落，或者v把由节理切割成的岩块连接v在一起，锚杆本身受到松v动块体的拉力作用。这种作v用称为悬吊作用，如图5-2所示。 图5-2 悬吊作用v v

8、2减跨作用v在隧道顶板岩层中插入锚杆，相当于在v顶板中增加了支点，使隧道跨度由L缩短v为L，从而使顶板的围岩应力减小，起到v维护围岩稳定的作用，如图5-3。v3.组合作用 图5-3减跨作用v在层状结构，尤其是薄层状结构的围岩v中打入锚杆，把若干薄层岩层锚固在一v起，组合成一厚层的板或梁，从而提高v了围岩的整体承载能力，起到加固围岩v的稳定作用，如图5-4。v 图5-4组合作用v4. 挤压作用v 采用预应力系统锚杆加固围岩，其两端附近岩体形成圆锥形挤压区。按一 定间距排列的锚杆在预应力作用下形成一个均匀的挤压带，形成承载拱，起拱 形支架的作用。锚杆的挤压作用具体体现在两个方面：v 一是预应力锚杆

9、使碎裂或松散岩体的强度得到提高，主要表现在内聚力的 增大，特别是在锚杆作用范围内的结构面上强度增加，对围岩稳定更为有利。 理论分析认为，锚杆的有效作用范围是与锚杆轴线成45角的锥形区域内（图5 -5）。二是在预应力锚杆群的作用下围岩应力重新分布，其结果是在锚杆的径 向压力作用下使围岩处于三向应力状态，从而提v高了围岩的强度和稳定性。v 无预应力的粘结式锚杆，虽然荷载v作用方式不同，但也有类似的挤压作用。v围岩位移变形使锚杆受拉，同时锚杆也v给围岩以约束力，相邻两锚杆间的围岩v在约束力R的挤压下，呈拱形的稳定状v态。锚杆约束力的大小与围岩的变形特v征、锚杆本身的刚度，以及锚杆固定端v岩体的稳定状

10、况有关。v 图5-5 挤压作用v5.2 锚杆支护设计v 锚杆支护设计包括:锚杆类型的选择、锚杆技术参数的确定（长度 、间距及直径），锚杆材料的选择等。v 由于地下工程地质条件的复杂性，以及目前的研究现状，在选择锚 杆支护最合理的参数问题上，往往是根据经验公式进行估算，或者采用 工程类比法来确定。通常意义上的理论方法包括解析法和数值法，它们 在喷锚支护设计中已取得了一些有价值的成果，并逐渐成为喷锚支护设 计的重要组成部分。这两种方法应该密切结合，互为补充，并在工程实践中推广使用信息化设计和反分析设计，通过实践不断修正。 v5.2.1锚杆的类型v 目前国内外适用于不同地质条件、具有各种用途的锚杆有

11、数百种， 分类方法也遵循不同的原则。最常见的基本分类方法是按锚杆与被锚固 结构（岩体）的锚固方式将其划分为端头锚固式、全长胶结式、摩擦式 、预应力式以及复合并用式等类型，各种类型又包括不同的亚类，具体如下： v 楔缝式锚杆v 机械式内锚头锚杆（索） 楔头式锚杆v端头锚固式 胀壳式锚杆v 水泥砂浆内锚头锚杆v 粘结式内锚头锚杆（索） 快硬水泥卷内锚头锚杆v 树脂内锚头锚杆v 水泥浆全长胶结式锚杆v全长胶结式 水泥砂浆全长胶结式锚杆（砂浆锚杆）v 树脂全长胶结式锚杆v 缝管式锚杆v摩擦式 v 楔管式锚杆v 先张拉后灌浆预应力锚杆（索）v预应力式 v 先灌浆后张拉预应力锚杆（索）v复合并用式 同时具

12、有上述四种类型中两种以上功能的锚杆（索）图5-6楔缝式锚杆图5-7胀壳式锚杆v迈式中空自钻式锚杆v 迈式锚杆是集钻孔、注浆、锚固于一体的新型锚杆，施 工时可用一般风动凿岩机械或液压钻孔机一次安装完成，而 且可以接长，适用于困难地层甚至是不稳定地层的锚固。这 种锚杆除比普通实心锚杆具有更大的抗剪、抗弯能力外，还 可施加预应力。我国在朔黄线的东风隧道施工中大量使用这 种锚杆，效果很好。v5.2.2锚杆长度的确定v 锚杆长度的确定应根据锚杆的作用及受力方式、地层条件及围岩级 别，以及洞室的跨度大小等因素来确定。不论是起悬吊作用的局部锚杆 还是组合作用和挤压作用的系统锚杆，都可采用经验类比法或通过理论

13、 计算进行锚杆长度设计。我国制定的锚杆喷射混凝土技术规范（ GB500862001）中，针对不同围岩级别和洞室跨度所规定的锚杆长度 就属于经验类比法，见第三章3.4.4。按经验类比法确定锚杆长度时， 可考虑采用如下估算方法：v 1锚杆长度L应与隧道开挖宽度B及地质条件相适应，对于中等以上 硬岩及开挖后可以自稳的隧道，L（1/3-1/4）B，软弱围岩可采用L （1/2-1/3）B。v 2围岩的变形不应超过允许最大变形，在深埋情况下（覆盖层大于 50m）采用端部锚固式锚杆时，围岩的变形不应超过锚杆长度的2%， 即u2%L（u为围岩允许最大变形量）；采用全长胶结式锚杆时，围岩 变形不应超过锚杆长度的5%，即u5%L。v 3根据围岩稳定状况确定。如围岩稳定，仅为防止围岩表面松动开 裂，锚杆长度一般为1.5-2.5 m；如果围岩不稳定，需要用锚杆限制围 岩变形，或起到有效的支护作用时，锚杆长度不宜小于2.5 m，最长可 达隧道开挖宽度之半。v4对于锚固有限松动块体，锚杆应穿过松