第七章锚喷支护结构的设计与施工7.1概述7.2锚喷支护结构的受力与计算7.3锚喷支护施工原则7.1概述1、支护结构理论的发展⑴1920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:海姆(A.Haim)、朗肯(W.J.M.Rankine)和金尼克等理论随着开挖深度的增加,人们越来越多的发现,古典压力理论不符合实际情况,于是出现了散体压力理论。⑵1920~1960年代的松散体理论阶段:●特点:当地下工程埋深较大时,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。●代表:太沙基(K.Terzaghi)和普氏理论H⑶60年代后发展期来的现代支护理论阶段:●特点:围岩和支护结构共同组成了承载的支护体系,其中围岩是主要的承载结构,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。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,支护合围岩共同作用;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,指导设计施工;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,力学计算模型。如荷载-结构模型、经验类比模型等;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;③要允许围岩及支护结构产生有限的变形,以允许发挥围岩的承载作用而减少支护结构的受力。为此要求对支护结构的刚度、构造给予充分的注意;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,所以应在坑道围岩达到极限平衡之前发挥其承载作用;⑤支护结构要根据坑道围岩的实际动态,及时进行调整和修改,以适应不断变化的围岩状态;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;●锚喷支护理论:围岩具有自承能力,围岩作用在支护上的压力不是松散压力,而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;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。4、锚喷支护的特点(主要在机理和工艺上)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;粘结有三种作用:①连锁作用;②复合作用;③增强作用(填充凹隙穴)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。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①全长粘结型②端头锚固型全长粘结型端头锚固型③摩察型④预应力型⑵锚杆的力学作用锚杆是利用围岩自身强度来支护围岩,属于内部支护,其对围岩的力学效应主要有以下作用: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:在隧道顶板岩层中大入锚杆,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:在岩层中大入锚杆,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。减跨作用组合梁作用④挤压加固作用(整体加固作用):预应力锚杆群锚入围岩后,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预应力作用下构成一个均匀的压缩带,即承载环。压缩带中的岩体处于三向应力状态,显著提高围岩强度。整体加固作用⑶锚杆的设计与计算①锚杆承载力计算GGφ1锚杆φ1ξ1φξ-1φN裂隙面锚杆锚杆裂隙面当块体危石坠落时,除使锚杆受拉外,还对锚杆产生剪切作用,如图所示,根据静力平衡及正弦定理有:sinsin1GQsin)sin(1GN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。1②砂浆锚杆所需锚固长度●锚杆直径d:以抗拉为例,锚杆直径可用下式计算:gRkNd2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:kDRdLg421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);⑶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。22~161L321LLLLgiRdbLkP422222LkRdbg其中,γ是岩体容重;b锚杆间距,一般L12b;k安全系数2-3。砂浆锚杆的承载力:)tan(1stsscDLP⑸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。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。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:sinPTNtan)sin(PTF是裂隙面内摩察角,沿裂隙面的下滑力必须满足的条件:tan)sin(cosPTP)sintan(sinPT2、喷混凝土支护结构喷射砼(干喷)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,以很高的速度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。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。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必须满足:uRkGdL其中:为喷射混凝土抗拉强度(理论上应是抗剪强度,因抗剪强度较大,计算不安全);u为危石底面周长,k是安全系数3~5。LR②抗撕裂计算uRkGdLu其中:是喷层和岩石之间的计算粘结强度。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:LuRsxesPqsxcos243476.04KEdbKEIsLuRKEdPsPq43max63.22313463.3EKuRGdLu⑶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“组合结构”或“整体结构物”共同工作。3、锚喷联合支护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,喷射混凝土是表层及局部加固围岩锚喷支护不单纯是一种施工方法,而且是一种指导原则和思路●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。⑵支护与围岩共同作用的力学原理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。331sin1sin2sin1cos2c④均质围岩中圆形隧道的弹性解22220)1(rRrRpRr22220)1(rRrRpR⑤均质围岩中圆形隧道的塑性解●基本方程:●边界条件:●塑性解:0rdrdrrcot2sincrrirprr,0cot)sin1sin1())(cot(cot))(cot(sin1sin20sin1sin20crrcpcrrcpiir⑥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peprer,cot))(sin1)(cot()sin1(cotcotsin1sin200sin2sin100cRrcppcpcprRii⑧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:220220)()(rRprRpReRer)1(12eerrrrEruσrσrσθ12σRθστrθσrσθσr塑性区弹性区●由以上关系得:●弹塑性边界上的径向位移:2021)(2rpGRruRr)(2)(20202RRRRpGRrdrpGRu●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:cos)sin1(0cpRRaaRurRuuruRrR])()[()(202202sinsin1000]cot)cot)(sin1([2)cossin(cpcpGcprurRuiRa●用洞周位移表达的围岩压力aucot2)cossin()cot)(sin1(sin1sin000cGucprcppai⑨围岩支护特性曲线umaxuruEBPuⅣKcEDPu=f(P1)AσmaxPmaxP0PKP1u0PcPEPminP0Ⅰ原岩压力线刚性支护形变压力区松散压力区Ⅲ柔性支护IV-模注支护0PcPP0PE锚Ⅱ喷初喷Ⅲ锚二次喷P1Ⅰ锚喷支护模注衬砌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,可按照经验公式: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:sssibdpsin2bSbSpRnRisin2cos2cos)cos(cos0AiAiqpststststibFpsin2抗力阻止剪切体滑移的最小minpppppiAistisii②二次支护(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121/)(pppK12)1(pKpBbpKt2sin)1(12●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