《[信息与通信]第5章 隧道结构体系设计原理与方法》由会员分享，可在线阅读，更多相关《[信息与通信]第5章 隧道结构体系设计原理与方法（84页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第5章 隧道结构体系设计原理与方法,第一节 锚喷支护结构的设计与施工原则,二、现代支护理论与设计要点 隧道的结构体系是由围岩和支护结构共同组成的。其中围岩是主要的承载元素，支护结构是辅助性的，但通常也是必不可少的，在某些情况下，支护结构主要起承载作用。这就是按现代岩石力学原则设计支护结构的基本出发点。 现代支护理论 一切方法、手段和措施都围绕围岩稳定为目的； 支护与围岩视作统一的复合体，支护和围岩共同作用； 在复合体中，围岩是承载主体，最大限度的发挥围岩的自承能力，同时也要发挥支护结构的承载能力； 凭借现场试验和监测手段，划定围岩级别，获得力学参数，指导施工； 对不同的地质条件，力学特征的围岩
2、，灵活采用不同支护方式和相应的力学计算模型。, 基本要求 支护必须与周围岩体大面积的牢固接触，即保证支护-围岩作为一个统一的支护体系而共同工作； 重视初期支护的作用，并使初期支护与二次支护相互配合，协调一致 要允许围岩及支护结构产生有限的变形，以发挥围岩承载作用而减少支护结构的受力。 必须保证支护结构及时施作。如支护施作过晚，会使围岩暴露时间过长，产生过渡的位移而濒临破坏； 支护结构要根据隧道围岩的实际动态，及时进行调整和修改，以适应不断变化的围岩状态；,三、锚喷支护与传统支护的区别 对围岩和围岩压力的认识上 传统支护理论：围岩压力由洞室塌落的围岩“松散压力”造成的; 现代支护理论：围岩具有自
3、承能力，围岩作用于支护的压力不是松散压力，是阻止围岩变形的形变压力。 在围岩和支护间的相互关系上： 传统支护理论：将围岩与支护分开考虑，视为“荷载-结构”体系 锚喷支护理论：将围岩和支护视为统一体，二者组成“围岩-支护”体系共同参与工作。 在支护功能和作用原理上： 传统支护理论：支护只是为了承受荷载； 锚喷支护理论：支护是为了及时稳定和加固围岩。 在设计计算方法上： 传统支护理论：主要是确定作用在支护上的荷载； 锚喷支护理论：设计的作用荷载是岩体的地应力，围岩和支护共同承载；, 在支护形式和工艺上 传统支护理论：模注混凝土； 锚喷支护理论：施工方法简单，灵活，不需模板，无需回填，在围岩松动之前
4、能及时加固围岩。 四、锚喷支护的特点 及时性：喷射砼，如早强，能迅速给围岩提供支护抗力； 粘贴性：喷射砼与围岩能全面密贴粘结，粘结力一般可达70kg/cm3； 粘结有三种作用： 连锁作用； 复合作用； 增强作用(填充凹隙) 柔性：容易调节围岩变形，可控制围岩塑性变形适度发展，发挥自承能力； 深入性：锚杆可深入围岩一定深度加固围岩，形成承载圈； 灵活性：支护类型、参数、数量可灵活调整。 封闭性：可阻止水对围岩的侵蚀而引起风化等。,目前我国所有山岭隧道和一些城市地下工程都先采用锚喷的柔性支护结构，是为了能做到： （1）容许围岩发生有限变形 （2）发挥围岩的自承能力 （3）节省工程造价 六、锚喷支护
5、结构的受力与计算 1、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, 锚杆类型 全长粘结型, 端头锚固型,隧道超前注浆锚杆, 锚杆的力学作用 悬吊作用 减跨作用 组合梁作用 整体加固作用悬吊作用：将不稳定岩层悬吊在坚固岩层上，阻止围岩移动滑落。, 减跨作用：在隧道顶板岩层中打入锚杆，相当于在顶板上增加了支点，使隧道跨度减小，从而使顶板岩体应力减小。, 组合梁作用（挤压作用）：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，提高岩层间的摩阻力，从而提高岩层的承载力。, 整体加固作用（拱效应）：锚杆群锚入围岩后，其两端附近岩体形成圆锥
6、形压缩区，按照一定间距排列的锚杆在锚固力作用下构成承载环。, 端头锚固型, 全长粘结型, 摩擦型, 锚杆的设计与计算, 锚杆承载力计算, 锚固长度确定,锚杆长总度L：,式中：L1是锚固深度；L2为不稳定岩层厚度；L3是外露长度（约小于喷射混凝土厚度）；, 锚杆直径的确定, 锚杆间距的确定, 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。, 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。,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，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
7、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化； 喷砼与围岩组成共同承载结构。,充填裂隙加固围岩,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。, 整体稳定原理,喷混凝土层与围岩表面紧密粘结、咬合使岩体密贴，组成“组合结构”或“整体结构物”共同工作。,3 锚喷支护结构的受力与计算,、锚喷联合支护修建隧道的基本概念 锚杆是深层加固围岩；喷砼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
8、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,圆形隧道,解析解, 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:,围岩支护特性曲线, 锚喷支
9、护结构承载力计算,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”,七、锚喷支护的施工原则,
10、 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 初期支护分次施作 初期支护必须保证围岩达到稳定状态，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。 在稳定情况下适当延迟支护时间原则上，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。 3、保证锚喷支护与围岩形成共同体 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、工程断面大小和使用条件要求等), 一般情况下，应优
11、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
12、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
13、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，特别是开挖顺序、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,隧道开挖前岩体处于初始应力状态，谓之一次应力状态；开挖隧道后引起了围岩应力的重分布，同时围岩将产生向隧道内的位移，形成了新的应力场，称之为
14、围岩的二次应力状态，这种状态受到开挖方式(爆破、非爆破)和方法(全断面开挖、分部开挖等)的强烈影响。如果隧道围岩不能保持长期稳定，就必须设置支护结构，从隧道内部对围岩施加约束，控制围岩变形，改善围岩的应力状态，促使其稳定，这就是三次应力状态。显然这种状态与支护结构类型、方法以及施设时间等有关。三次应力状态满足稳定要求后就会形成一个稳定的洞室结构，这样，这个力学过程才告结束。,第二节 围岩的工程性质,要进行支护结构设计，就必须充分认识和了解以下五方面的问题：围岩的初始应力状态，或称一次应力状态 , 这部分内容已在第四章中作了介绍；开挖隧道后围岩的二次应力状态 和位移场 ；判断围岩二次应力状态和位
15、移场是否符合稳定性条件即围岩稳定性准则。一般可表示为：(5-1)式中的 、 是根据围岩的物理力学特性所确定的某些特定指标。,、,设置支护结构后围岩的应力状态，亦称围岩的三次应力状态 和位移场 ，以及支护结构的内力 和位移 。判断支护结构安全度的准则，一般可写成：(5-2)式中的 、 是支护结构材料的物理力学参数。,第三节 围岩的二次应力场和位移场,一、隧道开挖后的弹性二次应力状态及位移状态计算围岩的二次应力场和位移场，首先推算隧道开挖前围岩的初始应力状态 ，以及与之相适应的位移场 。隧道开挖后，因其周边上的径向应力 和剪应力 都为零，故可向具有初始应力的围岩，在隧道周边上反方向施加与初始应力相等的释放应力。用弹性力学方法计算带有孔洞的无限平面在释放应力作用下的应力 和位移 。而真实的围岩二次应力场及位移场为：,模拟隧道开挖所经历的力学过程可以用图5-1表示。,图5-1 隧道开挖所经历的力学过程模拟,对于自重应力场中的深埋隧道，常常将它的围岩初始应力场简化为常量场，也就是假定围岩的初始应力到处都是一样。并取其等于隧道中心点的自重应力，即式中 为隧道中心点的埋深，以m计， 是围岩的侧压力系数，无量纲。,
