隧道工程锚喷支护结构设计施工.ppt

,隧道工程,,第7章 锚喷支护结构的 设计与施工原则,重庆交通大学 隧道及岩土工程系 2012年11月,都市快轨交通2007年会,北京：目前142km,300万/日；2008年200km；2012年407km；2015年561km。 上海：目前143km,280万/日；年底230km；2012年500km。 广州：目前116km,200万/日；2010年200km；2020年500km； 香港：目前211km, 400万/日，占公交运量的40％,,本章学习的目的： （1）深入理解新奥法施工的理念； （2）掌握锚喷联合支护及围岩与支护共同作用的力学原理； （3）掌握锚喷支护施工原则及要点。,第7章 锚喷支护结构的设计与施工原则,7.1 概述 7.2 锚喷支护结构的受力与计算 7.3 锚喷支护结构的施工原则,7.1 概述 1、支护结构理论的发展 2、现代支护理论与设计要点 3、锚喷支护与传统支护的区别 4、锚喷支护的特点,1、支护结构理论的发展,1、支护结构理论的发展 ⑴ 1920年以前的古典压力理论阶段,● 特点：作用在支护结构上的压力是其上覆岩层的重量,● 代表：Haim、Rankine和金尼克理论,随着开挖深度的增加，人们发现，古典压力理论不符合实际情况。,⑵ 1920～1960年代的松散体理论阶段 ● 特点：当埋深较大时，作用在支护结构上的压力，不是上覆岩层的重量，而只是围岩坍落拱内的松散岩体的重量。,⑵ 1920～1960年代的松散体理论阶段 ● 代表：太沙基(K.Terzaghi)和普氏理论,⑶ 60年代后发展期来的现代支护结构,● 特点：围岩和支护结构共同组成了承载的支护体系，其中围岩是承载主体，而支护结构是辅助性的，但也不可缺少。 ● 代表：新奥法理论是其典型代表。,7.1 概述 1、支护结构理论的发展 2、现代支护理论与设计要点 3、锚喷支护与传统支护的区别 4、锚喷支护的特点,2、现代支护理论与设计要点,⑴ 现代支护理论 ① 一切方法、手段和措施都围绕围岩稳定为目的； ② 支护与围岩视作统一的复合体，支护和围岩共同作用；,③ 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；,④ 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；,⑤ 对不同的地质条件，力学特征的围岩，灵活采用不同支护方式和相应的力学计算模型。,⑵ 基本要求 ① 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； ② 重视初期支护的作用，并使初期支护与二次支护相互配合，协调一致的工作；,,使初期支护与二次支护相互配合， 协调一致的工作,③ 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。 ④ 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；,,⑤ 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；,7.1 概述 1、支护结构理论的发展 2、现代支护理论与设计要点 3、锚喷支护与传统支护的区别 4、锚喷支护的特点,3、锚喷支护与传统支护的区别,⑴ 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。,⑵ 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。,⑶ 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。,⑷ 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；,,,荷载－结构模型,岩体力学模型,⑸ 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，在围岩松动之前能及时加固围岩。,7.1 概述 1、支护结构理论的发展 2、现代支护理论与设计要点 3、锚喷支护与传统支护的区别 4、锚喷支护的特点,4、锚喷支护的特点,⑴ 及时性：喷射砼，如早强，能迅速给围岩提供支护抗力； ⑵ 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；,4、锚喷支护的特点,粘结有三种作用： ① 连锁作用； ② 复合作用； ③ 增强作用(填充凹隙),⑶ 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； ⑷ 深入性：锚杆可深入围岩一定深度加固围岩，形成承载圈；,4、锚喷支护的特点,⑸ 灵活性：支护类型、参数、数量可灵活调整。 ⑹ 封闭性：可阻止水对围岩的侵蚀而引起风化等。,4、锚喷支护的特点,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,7.2 锚喷支护结构的受力与计算,,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,,,,7.2 锚喷支护结构的受力与计算,1、锚杆支护结构 ⑴ 锚杆类型 ⑵ 锚杆的力学作用 ⑶ 锚杆的设计与计算 ⑷ 支护块状围岩 ⑸ 加固裂隙围岩,,,,,,,,,,,锚杆的制作过程,⑴ 锚杆类型 ① 全长粘结型,,,,,,⑴ 锚杆类型 ② 端头锚固型,,,,⑴ 锚杆类型 ② 端头锚固型,,,⑴ 锚杆类型 ③ 摩察型,,,⑴ 锚杆类型 ③ 摩察型,,,,,隧道锚杆,,,,,,隧道超前注浆锚杆,,,⑵ 锚杆的力学作用 ① 悬吊作用 ② 减跨作用 ③ 组合梁作用 ④ 整体加固作用,,,,,①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。,② 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。,,,,,③ 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。,④ 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承载环。,,,,⑶ 锚杆的设计与计算 ① 锚杆承载力计算 ② 锚杆锚固长度确定 ③ 锚杆直径的确定 ④ 锚杆间距的确定,,① 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。,,,,,① 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。,② 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是外露长度（约小于喷射混凝土厚度）；,③ 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,,,,,,,,④ 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，γ是岩体容重；b锚杆间距，一般L1>2b；k安全系数2～3。,⑷ 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：,⑸ 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：,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,7.2 锚喷支护结构的受力与计算,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定围岩起支护作用。,喷混凝土的过程,干喷 湿喷,喷混凝土初期支护,⑴ 喷射砼的作用 ① 充填裂隙加固围岩； ② 找平，封闭围岩表面防止风化； ③ 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,⑵ 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。,① 抗冲切计算 喷层厚度满足：,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。,② 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：,⑶ 整体稳定原理,⑶ 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。,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,7.2 锚喷支护结构的受力与计算,3、锚喷联合支护结构 ⑴ 锚喷联合支护修建隧道的基本概念 ⑵ 支护与围岩共同作用的力学原理 ⑶ 锚喷支护结构承载力计算 (4) 隧道围岩位移量的容许值 ⑸ 二次衬砌支护时间选择原则,3、锚喷联合支护结构,3、锚喷联合支护结构,⑴、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。,⑵ 支护与围岩共同作用的力学原理,圆形隧道,解析解,① 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。,,② 弹塑性理论的基本概念： 基于材料试验弹塑性曲线,基于材料试验弹塑性曲线,③ 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:,,④ 均质围岩中圆形隧道的弹性解,,,,,,,,⑤ 均质围岩中圆形隧道的塑性解 ● 基本方程： ● 边界条件： ● 塑性解：,,,⑥ 弹性区与塑性区边界上的连续条件 当r=R时，,,⑦ 塑性区半径与支护抗力的关系,,⑧ 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,,,,,,,洞周位移与围岩压力,,,,,洞周位移与围岩压力,⑨ 围岩支护特性曲线,⑶ 锚喷支护结构承载力计算,,,,,,⑶ 锚喷支护结构承载力计算 ① 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：,,,① 初期支护（外拱）设计与计算 ●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：,,,② 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=1.5~2.0 ●内拱厚度：,,,(4) 隧道围岩位移量的容许值,① 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,,,② 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；,③ 一些容许位移量控制标准 （国内外的一些标准）,● 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,⑸ 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 以上原则适合于围岩条件较好情况。,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 ,7.2 锚喷支护结构的受力与计算,7.3 锚喷支护施工原则,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,⑴ 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。,⑵ 采用控制爆破技术：减少对围岩的扰动强度,⑶ 减少对围岩的扰动次数：尽可能采用全断面一次开挖,⑷ 初期支护及时快速：及时是抑制围岩变形的有害发展,⑸ 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”,⑹ 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,⑴ 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。,⑶ 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,⑴ 施工方法和施工措施上保证 ⑵ 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,⑴ 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,⑵ 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,⑶ 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5~15厘米间； ●喷层太厚和太薄都是不合理的,⑷ 合理选择和配置钢筋网和钢支撑,① 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 ● 地震区或有震动影响的隧道,② 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,⑴ 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 ⑵ 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： ⑴ 隧道内目测观察 ⑵ 隧道收敛量测 ⑶ 地表下沉量测 ⑷ 位移反分析，指导施工,⑴ 隧道内目测观察 ① 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,② 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,③ 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的剪切破坏一般进展缓慢，危险性不大 ● 危险性较大的破坏：在未构筑仰拱前拱顶混凝土因受弯曲压缩而产生的裂隙常常进展急剧，伴随有碎片飞散，危险性较大,● 塌方征兆的破坏：拱顶喷层出现对称的向下滑落的剪切破坏现象，或侧墙发生向内侧滑动的剪切破坏并伴随有底鼓现象，都会引起塌方事故的破坏形态,⑵ 隧道收敛量测 ● 净空相对位移测量（收敛测量）：洞壁上两点两次测量的位移差,,● 测试频率：根据位移速度和离工作面的距离确定,● 拱顶下沉量测：测量方法，可采用水平仪计、挠度计等 ● 围岩内部位移量测：通常采用钻孔伸长计或位移计，它由锚固、传递、孔口装置、测试仪器等组成,⑶ 地表下沉量测 用水平仪在地表进行。量测范围的确定和不动点选取，量测频率：距开挖面距离<2D时，1-2次/天；2D-5D时，1次/天，大于5D时，1次/周,⑷ 位移反分析，指导施工 ● 根据量测位移反分析围岩应力重分布情况 ● 反分析围岩力学参数 ● 反分析围岩原始地应力 ● 根据反分析结果指导施工,新奥法思想核心： （1）保护围岩 （2）调动和发展围岩的自承能力,保护围岩,,及时封闭围岩,及时支护围岩,选择合理的断面形式,选择合理的施工方法,选择合理的支护形式,光面爆破,,阻止围岩围岩裂化,,改变围岩的应力条件，限制围岩有害变形,改善结构的应力状态，使受力均匀,,,减少对围岩的扰动和破坏,,由围岩的物理力学性质决定,减少集中及对围岩的扰动,,调动和发展围岩的自承能力,,选择合理的支护形式,,与围岩密贴，形成共同的承载体,采用柔性支护,适时支护,,允许围岩适度变形,,①分层喷射砼；②设置纵向变形缝；③先柔后刚；④选择合理的支护刚度,,①根据围岩性质，选择合理的预留变形缝；②依据现场监控量测数据，确定合理的支护时间；③调整支护结构的封底时间。,本 章 结 束 ！ 下一 章 内容： 隧道通风,