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1、第六章 喷锚支护结构设计与施 第一节 喷锚支护概况,一.喷锚支护的概念： 是一种笼统的说法，代表了两种情况：喷射混凝土支护、喷锚支护、喷锚金属网支护。 二.喷锚支护的特点： 1.由于材料消耗少，工艺简单，成本低； 2.由于喷射混凝土的密结、封闭、粘合作用，锚杆的挤压串连强化作用，加强了围岩内岩土之间的咬合，镶嵌自锁作用，使得围岩和人工支护共同形成了一个承载体系，因而支护效果好，比浇灌混凝土优越。 3.由于喷锚支护通常要求光面爆破，分裂爆破的配合的形成光滑平整的开挖轮廓，因而减少了对围岩的震动破坏，提高了围岩的稳定性，同时也提高了对爆破的要求。 4.在涌水量大，围岩十分破碎的不良地质条件下，喷锚
2、支护的使用效果降低。,1,三.喷锚支护的设计步骤： 1.调查隧道的工程地质和水文地质情况，分拆围岩的稳定状态。 2.在围岩分类的基础上用工程类比方法选择支护类型及设计参数。 3.对喷锚支护进行受力分析和结构计算。 4.在施工进行中和完成后，加强观察地质条件的变化和隧道的稳定情况，甚至进行现场监测，为后续开挖支护的设计和施工工艺提供修改基础，为已完成支护提供较强手段。,2,第二节 喷锚支护的受力分析和结构计算,一.锚杆支护结构： 锚杆种类： 按锚杆固定方式分：、粘结型 a、砂浆锚杆 b、树脂锚杆 、机械型 a、楔缝式 b、胀壳式 c、滑楔式 1.作用原理：主要通过块状破绽联结，组合，整体加固这三
3、种方式提高稳定性。 2.当联结作用为主时的结构计算： 锚杆半径计算:,3,计算图式： 危石重量全部由一根锚杆承受是，由静力平衡条 件和正弦定理得： Q=Gsinsin N=Gsin()/sin 分别按抗拉和抗剪程度甲酸锚杆半径得： 抗拉：R=（KN/R拉） 抗剪：R=（KQ/R剪）,4,式中： K安全系数，设计时取。 R锚杆半径。 锚杆与垂直面夹角。 锚杆与裂隙面夹角。 G危石重量，现场调整后所取最大的危石。 锚杆长度计算：Lm= L1+ L2+ L3 L1锚固深度 L1=R2R拉K/D 同时L1=（）d L2危石式子计算岩层厚度。 L外露长度，等于喷射混凝土厚度。 水泥砂浆与拈土孔壁之间黏结
4、抗剪强度 K安全系数，之间取 D钻孔直径。,5,、当组合作用为主时的结构计算作用 图式： Lm=(23)层状岩体的厚度. R=按经验在（1.62.2）(0.81.1)之间,6,5.整体加固为主时的结构计算： 计算图式： 锚杆截力的计算： Ps= P粘+ P摩=D L1+DL1ttgs t承压圈内的切向压应力，按岩体单向抗压强度选取。 s水泥砂浆与岩体之间的摩擦角。 Ps锚杆承压载力 锚杆半径的计算：K Ps/R2=R拉 L1可拒联结作用公式计算 水泥砂浆与拈土孔壁之间黏结抗剪强度,7,二.喷射混凝土支护结构。 1.作用原理： a.封闭岩体及裂隙，提高了裂隙间的黏力，防止了岩体表面的风化，松动和
5、剥落，使围岩局部稳定。 b.由于喷层与围岩表面紧密黏结，是暴露面表面的形状平滑，减少了应力集中，并与围岩组成整体的支护结构，同时由于喷层柔性大，能够在与围岩共同变形过程中改善围岩内部的应力状态和变形 2.喷层支护局部散体地压的结构计算： 按受剪破坏计算：KG= KG/ UR剪 按接触面受拉破坏：KG= KG/ UR拉,8,三.喷锚支护结构 1.适用条件：在稳定的直V类围岩以上围岩中，可以喷射混凝土为主，锚杆为铺共同支护；在较差的围岩中，可以锚杆为主，喷射混凝土为铺共同支护。 2.新奥法（光爆、现场检测，喷锚支护）施工（一种先进的施工方法）隧道全断面一次掘出，尽可能从掘进开始连续观测围岩的变形；
6、适时的喷锚支护作为临时支护，以观测数据为依据修改喷锚支护参数（厚度、 、杆长等），待隧道基本稳定后，在浇混凝土进行永久支护；二次衬砌承载很小，主要是为了满足安全，设备安装、防水、装饰的需要；一次衬砌成为永久衬砌的一部分，衬砌与围岩共同作用，保持隧道稳定。 3.新奥法中关于支护与围岩共同作用的力学分析： 为了理解新奥法的支护与围岩共同作用原理，如下分析： 、围岩为均质各向同性的连续弹朔性体； 、围岩中仅存在自重应力，侧压系数为，可将隧道看成无限体中的孔洞问题。 、隧道断面为圆形 、当隧道周围的围岩应力超过弹性强度极限后，围岩中从隧道周边向外将出现朔性变形区，朔性区外为弹性变形区。,9,弹朔性的应
7、力计算： 据弹朔性理论： r=(Pi+C*ctg)(r/r0)2sin/(1-sin)c*ctg =(Pi+C*ctg)(r/r0)2sin/(1-sin)c*ctg 拒弹性理论： r=P(1R2/r2)+ r(R2/r2) =P(1R2/r2)r(R2/r2) 根据弹朔性的边界条件： Pi=(P0+C*ctg(1-sin)(r/r0)2sin/(1-sin) -c*ctg （） 上述试中：Pi支护反力 r0隧道半径 R朔性半径 C围岩内聚力 围岩内摩擦角 r弹朔性边界处的径向力 P0低压,10,从（）式可知：Pi愈大，R愈小， R愈大，Pi愈小 据弹朔性理论可求得隧道周边的径向位移为： U=
8、r01-(1-A)1/2 （） A=(1-sin)(P0+ c*ctg)/(Pi+ c*ctg)(1-sin)/2sin *HH/E*sin(P0+ c*ctg)2- HH/E*sin(P0+ c*ctg) 从（2）式可知：Pi愈大，愈小， 愈大，愈小。和我们的经验一致。 因为支护不允许破坏，即内部的变形属弹变形，据弹性理论得： Pa=Ku （） K=(E/1-H2)/r0(a2+1/a2-1)-(H/1-H) a=r0/rs,11,将（）式画图得： 讨论： 、马上支护且支护刚度大，支护承受的变形压力大，支护成本高且没有利用围岩自身的强度潜力。 、支护较晚比如围岩位移超过D点后，实际上后面的曲
9、线已不存在，围岩已拉松弛跨落。这时支护承受的是跨落围岩的重量，即散体地压，一点也没有利用上围岩自身的残余强度。,12,、上述两种支护都不是最佳，最佳的支护应当是一方面支护承受的变形压力不大，因而支护厚度可减少，支护成本较底，另一方面围岩也没跨，充分利用了围岩的朔性强度。为了做到这一点，工程实践中常常是成洞后先尽快喷锚支护封闭围岩，防止围岩局部松弛风化脱落。由于喷层薄，季度大，支护反力较小，与围岩共同变形。在一定范围内 初次支护后风速布置侧点现场实例围岩位移，朔性大小和支护变形情况，待位移趋向稳定后，即认为位移已接近D点，再进行灌注混凝土支护，做了永久支护。这时支护承载力极小，支护结构与较安全稳
10、定，支护成本也可降低。支护经济合理，安全可靠。,13,、喷锚支护的结构计算： 假设： 、由于支护与围岩密贴，共同承压，形成无弯矩结构，支护和围岩的破坏形态主要为剪切破坏。 、围岩中剪切破坏的范围为一朔性滑移楔体（剪切体） 、喷层锚杆和加固围岩圈所提供的总支护力Pi,阻止剪切体沿剪切面向隧道移动。 、原岩为静水状态，隧道断面为圆形断面。,14,计算图式： 喷锚支护结构的总支护力（即阻止剪切体滑动的力） Pi=PiS+ PiA+ Pist+ Pi 式中： PiS=2ds/bsins Pist=2Fstat/bsinst PiA=qiA(cos-cos0)/cos qiA=tstst/et 机械摩擦
11、锚杆 qiA=A/et 砂浆锚杆 Piw=2s/bRcos(0-/2)nRsin(0-/2) R=（1 ）cos nR=（1 +3）/2（1 ）sin 1=3+2(C+3tg)(H-sin)/cos,15,d喷层厚度 s喷层抗剪强度 s喷层破坏剪切角 Fst喷层钢筋当量断面积 at钢筋抗剪强度 st钢筋破坏剪切角 B剪切体高度 见图 见图 S见图 e*t锚杆间距（横截面内和沿隧道轴向） C围岩内聚力 围岩内摩擦角 at锚杆断面积 st锚杆抗拉强度 A锚杆抗拔力 剪切面上沿隧道轴向的重应力 根据Pi.=kPi min，原列上可确定支护结构各参数，但由于式中包含有许多不确定因素，所以在工程实际中经
12、常依靠位移，工程类比和实例数据来确定喷锚支护结构的各参数（喷层厚度，强度，锚杆的长度，直径， ，支护类型，支护时间，变形的控制标准）,16,第三节 喷锚支护的施工,一、锚杆的施工（以水泥沙浆锚杆为例） 1.锚杆的选用：一般选用锰螺纹钢筋，号或号螺纹钢筋，锚杆直径一般 为mm。长度按计算确定。 2.锚杆使用前的处理：矫直，去污去锈。 3.排距：一般按照围岩状况和设计要求，不超过锚杆长度的。 4.孔径：一般应比锚杆直径大mm。 5.孔距和方位：孔距稍长于锚杆即可。与裂隙面的交角最好垂直。 6.孔的形成和处理：用凿岩机钻孔后用风或高压水清洗孔壁。 7.沙浆配制：水泥一般为以上的普通硅酸盐水泥；沙子粒
13、径不大于mm 的中粗沙；胶骨比一般为：；水灰比一般为：0.38.42:1，速凝剂用量应使沙浆凝固不超过分钟。 8.锚杆安装： 方法：先注浆，后锚杆（向单且普通）。 先杆入锚杆固定好后再注浆,17,二、喷射混凝土的施工 1.水泥：优先选用号以上的普通硅酸盐水泥； 2.沙子：硬质中粗沙； 3.石子：粒径小于0mm 的卵石或碎石； 4.速凝剂：使用前应做速凝实验后根据初凝小于分钟的要求决定掺入量，一般为水用量的 5.喷射混凝土的配比：要求通过实验确定。一般按P137表选取。 6.水灰比：太小 7.喷射作业的注意事项： 、先墙后拱；,18,、喷嘴顺时针螺旋转动，螺旋直径cm； 、喷凸凹面时，先凹后找平
14、； 、一次喷后拱部cm，层间的间歇时间一般 以上，从混凝土喷完到放炮的间隔时间定大于小时； 、喷嘴与受喷面的距离控制在。米，喷嘴与受喷面应保持垂直，以减少回弹面，回弹面应控制在边墙； 、开机时，先给水，再给料，关机时，先停料，再停水； 、喷前应清理松动的碎石，用高压风、水冲洗受喷面； 、喷后应洒水养护天以上，以使水泥充分水化，防止混凝土的收缩开裂 .,19,第四节 喷锚支护的主要物理力学性能和支护拾,一喷锚支护的主要物理力学性能及其测试： 1、抗压强度： a、重要工程：RnKSn=0.85R Rn min=0.85R b、一般工程：Rn=R Rn min=0.85R R:设计抗压强度 K ：合
15、格系数 n：试块组数 Sn：标准偏差。 、抗拉强度（劈裂法试验） 3.抗剪强度：喷射前预埋原cm,15cm见方，中心垂直有一钢杆，施喷养护天后用千斤顶拉拔破坏。据剪切面积和拉拔力计算抗剪强度。 4.粘结力：用“成型试孔法”或“直接拉拔法” 5.锚杆锚固力 ： 设计要求天的锚固力大于吨；施工时每 根至少做根。,20,二.其它支护测试： 、喷射混凝土实际配比由于有回弹存在：水洗法 、喷射混凝土厚度的检查： 、方法：杆针 、要求：a.每米应检查一个断面，每个端面沿周长每米应检查量测一次。 b每个断面的全部检查厚度中，以上应不小于设计厚度，剩下的不小于设计厚度的二分之一。 新奥法中支护变形监测： 隧道周边位移检测。 围岩内松弛范围（塑性区）的测量。,21,
