隧道锚喷支护设计与施工

河南理工大学2007届优秀毕业设计（论文）文摘选编246白崖隧道新会段锚喷支护设计与施工土木工程岩土03级1班武继海指导教师：罗平平摘要：新奥法在修建隧道中的应用起着极其重要的作用。从隧道设计、施工以及监测到昀后的技术参数的反馈无一例外。本文以白崖隧道为例，应用典型类比法和经典理论计算方法对它进行了锚喷支护参数设计；应用现代化技术和机械进行锚喷支护施工以及应用监测技术对隧道进行检测，以获得数据对支护参数进行修改。关键词：锚喷支护；新奥法；监测技术Abstract:NATMintheconstructionofthetunnelplayanextremelyimportantrole.Fromthetunneldesign,constructionandmonitoringofthefinaltechnicalparametersoffeedbackwithoutexception.BasedBaiYatunnelasanexample,typicalapplicationanalogyandtheclassicaltheoryofmethodforcalculatingthesteelsupportparametersdesign.Applicationofmoderntechnologyandmachineryforthesteelsupportingconstruction;andtheapplicationofmonitoringtechnologyfordetectionofthetunnel,availabilityofdatatosupportparameterstobemade.Keywords:bolt-shotcretesupport;NATM;monitoringtechnology一、概述1.1锚喷支护简介岩土工程所面临的对象是复杂的地质体。这些复杂的地质体在漫长的地质年代里，由于经历了地质构造运动、自然风化和人类活动的作用，其中包含大量诸如层理、节理、断层、软弱夹层、溶沟、溶槽等个中地质缺陷。它们在一定的时间内和一定的条件下，可能处于相对稳定的平衡状态。但如果条件改变，原来的平衡状态就有可能遭到破坏，比如在岩土工程开挖与施工过程中，其原有应力场就会重新分布，从而使岩土体发生变形，进而产生坍落、塌陷、岩崩、滑坡、地面沉降等地质灾害。为了预防和治理此类灾害，工程上常将一种受拉杆件埋入岩土体，用以调动和提高岩土体的自身强度和自稳能力，而为了特殊需要，还将混凝土应用在岩土体表面，这样更增强了岩土体的稳定性。它们二者便组成了锚喷支护。锚喷支护是锚杆与混凝土联合支护的简称，二者可单独使用，成为锚杆支护与混凝土支护。锚喷支护还与金属网联合进行支护。它具有施工速度快、施工机械化程度高、成本低及节约材料等优点。工程实践证明，锚喷支护较传统的现浇混凝土衬砌支护优越。由于锚喷结构能及时支护和有效地控制围岩的变形，防止岩块坠落和坍塌的产生，充分发挥围岩的自承能力，所以锚喷支护结构比模注混凝土衬砌的受力更为合理。锚喷支护能大量节省混凝土、河南理工大学2007届优秀毕业设计（论文）文摘选编247木材和劳动力，加快施工进度，工程造价可大幅度降低，并有利于施上机械化程度的改进和劳动条件的改善等。锚喷支护技术鉴于它的作用原理先进、施工简单、经济有效和适应性强等优点，在隧道工程中得到了广泛的应用，形成了一种比较完善的支护体系。1.2作用原理锚喷支护是以充分发挥和利用围岩的自承载能力为基点的，锚杆的作用就是提高围岩的抗变形能力，并控制围岩变形，使围岩成为支护体系的组成部分。锚杆支护既能用于软弱岩层和膨胀性岩层中隧道的开挖，又能用于整治塌方和隧道衬砌的修复补强。目前，对于锚喷支护作用原理的认识和理论解释还不能充分反应其深刻内涵。（1）锚杆支护作用原理如下：①悬吊作用原理②组合梁作用原理③挤压加固作用原理上述锚杆的支护作用原理在实际工程中并非孤立存在，往往是几种作用同时存在并综合作用，只是在不同的地质条件下某种作用占主导地位而已。（2）喷射混凝土支护作用原理如下：①充填粘结作用②封闭作用③结构作用1.3工程概况及地质情况白崖隧道位于广西省新会市岭南镇，珠江人海口—白崖口，是广西省东部沿海高速公路新会段的重要构造物。由于隧道紧连崖门大桥西桥头，受大桥宽度的影响，设计为双洞双向四车道曲墙连拱隧道。隧道按高速公路平原微丘标准设计，两隧道轴线间距13.lm，连拱跨度26m，小隔墙昀小厚度1.9m，隧道单洞长411m。隧道内轮廓为曲墙半圆拱，拱半径5.75m、曲墙半径7.59m，两侧没检修通，隧道单洞净宽11.32m，即2×1.16m+2×0.75+7.5m，净高7.27m，净空面积68.3m2，隧道路面横坡2％、纵坡－2％。该隧道所处地段力第四系地层，含花岗岩残积、坡积碎块石砂、砾质亚粘土，覆盖厚度0～0.8m。基岩为燕山期中、粗粮花岗岩，呈肉红色、灰白色，岩体巨厚、裂隙发育，多为门块状镶嵌结构和砌体结构。山体表层风化程度较高，共厚度为8.2m。本段地下水为花岗岩风化裂隙水，受大气降水补给，流量少，随季节变化大为低矿化度(31.9mg/L)，侵蚀件CO2=2.54mg/L，不具侵蚀性。河南理工大学2007届优秀毕业设计（论文）文摘选编248二、白崖隧道锚喷支护设计2.1选用方法在本设计中，对隧道主体工程应用工程类比法，初步确定了支护参数之后，根据新奥法原理和有关典型工程的经验参数等（如大瑶山隧道），对各类围岩预先设计支护参数进行校核计算，并且应用典型类比分析法对预先设计的围岩的破坏变形状态进行了初步分析。昀后通过施工量测得到围岩和支护结构变形的信息，对支护参数进行修改。2.2参数计算2.2.1围岩荷载计算（1）普氏压力拱理论与计算普氏压力拱理论认为，对于松散体围岩水平洞室顶部会形成一个自然平衡拱（或坍塌落拱），拱顶具有抛物线形状。这个拱内岩体重量即为作用在支护结构上的压力。围岩越稳定，fkp值越大，亦即破坏范围越小，荷载也越小。由此可见：围岩压力值的大小（以平衡拱高度h表示）与岩石坚固性系数fkp成反比。以此理论进行围岩计算。a.Ⅲ类围岩计算：1B平衡拱跨度为：00013524511.3227.274518.9022gttBBHtgtgmϕ⎛⎞⎛⎞=+−=+×−=⎜⎟⎜⎟⎝⎠⎝⎠h平衡高度为：18.9024.722kpbhmf===垂直压力视为均布时：22.34.7210.86/qhtmγ==×=侧压力视为均布时：202114510.862.37.270.275.21/222gteqHtgtmϕγ⎛⎞⎛⎞⎛⎞=+−=+×××=⎜⎟⎜⎟⎜⎟⎝⎠⎝⎠⎝⎠b.Ⅳ类围岩计算：1B平衡拱跨度为：0172.524511.3227.274513.5622gttBBHtgtgmϕ⎛⎞°⎛⎞=+−=+×°−=⎜⎟⎜⎟⎝⎠⎝⎠h平衡高度为：13.5620.6782kpbhmf===垂直压力视为均布时：22.30.6781.66/qhtmγ==×=河南理工大学2007届优秀毕业设计（论文）文摘选编249侧压力视为均布时：()202y1e458.752.37.270.0720.251/22gqytgtmϕγ⎛⎞⎛⎞=+−=+×××=⎜⎟⎜⎟⎝⎠⎝⎠（2）围岩塑性形变压力的计算圆形洞室开挖后会形成如图2.1所示的三个区域，其中Ⅱ为应力增高区的承载环。如果应力增高的程度超过岩体的弹性比例极限，则该区域的承载环就变成塑性圈。若令塑性圈与弹性圈之间的交界处达到极限平衡条件，则可求得在达到塑性区开展半径为rp的情况下洞室内壁必须提供的支护应力pi的表达式：()()2sin1sin1siniprpCctgCctgHrϕϕϕϕγϕ−⎛⎞=−++−⎜⎟⎜⎟⎝⎠图2.1洞室开挖后应力状态Ⅰ-松动圈Ⅱ-承载环Ⅲ-原始应力区利用修正的芬纳（Fenner）公式，令0ip=（即洞内无支护力），则得到昀大塑性圈半径maxr计算公式：()()1sin2sinmax1sinpHCctgrrCctgϕϕγϕϕϕ−+−⎡⎤=⎢⎥⎣⎦Ⅲ、Ⅳ类围岩塑性区计算如下：a.Ⅲ类围岩计算：()()001sin35002sin35max0231000.3351sin357.590.335134.92ctgrctgm−⎡⎤×+×−⎢⎥=××⎢⎥⎣⎦=b.Ⅳ类围岩计算：ⅢⅡⅠσrrσt河南理工大学2007届优秀毕业设计（论文）文摘选编250()()001sin72.5002sin72.5max024.51000.372.51sin72.57.590.372.5ctgrctg−⎡⎤×+×−⎢⎥=××⎢⎥⎣⎦8.83m=显然，以上所求的都是理论上的昀大塑性圈半径，而在实际支护上也不会用这样的极值。（3）围岩松动压力的计算芬纳公式没有考虑塑性区的岩石自重，卡柯等人把塑性区与弹性区分离并计算塑性区的岩石自重，从而求得圆洞顶点处支护结构上的塑性松动压力pa：()2sin3sin11sin1sin1sin13sin1apprrrpCctgCctgrrϕϕϕϕγϕϕϕϕ−−−⎡⎤⎛⎞⎛⎞−⎢⎥=−++−⎜⎟⎜⎟⎢⎥⎜⎟⎜⎟−⎝⎠⎝⎠⎢⎥⎣⎦当然利用此公式时，首先要知道塑性圈半径pr。可以认为塑性松动圈已充分发挥，以至maxmax,ppprrr=可按上面公式计算。a.Ⅲ类围岩计算：()00002sin351sin35003sin35101sin3507.590.3350.33513.51237.591sin357.5913sin35113.5163.95apctgctgKN−−−⎛⎞=−+×⎜⎟⎝⎠⎡⎤××−⎛⎞⎢⎥+−⎜⎟⎢⎥−⎝⎠⎢⎥⎣⎦=b.Ⅳ类围岩计算：()2sin72.51sin72.53sin72.511sin72.57.590.772.50.772.58.8324.57.591sin72.57.5913sin72.518.833.393apctgctgKN−−−⎛⎞=−+×⎜⎟⎝⎠⎡⎤××−⎛⎞⎢⎥+−⎜⎟⎢⎥−⎝⎠⎣⎦=2.2.2支护参数计算因为本隧道Ⅲ、Ⅳ类围岩计算方法不同，所以分别进行计算：（1）Ⅲ类围岩中锚喷支护参数的计算围岩塑性区半径计算，将隧道视为圆形，取开挖半径r0=650cm（隧道宽度的一半）。按卡斯特纳计算塑性区边界线近似方程为：河南理工大学2007届优秀毕业设计（论文）文摘选编251()()()()2222224222221sin1123111044141xaaaaaλϕλρωωωλλ⎛⎞+⎜⎟+++⎝⎠−−+=−−a.根据滑移线方程计算破裂楔体长度L，目的是验算锚杆长度。滑移线方程为：()()cot01Lreθρβ−=−由此可求出破裂楔体长度L=3.28m。侧墙中点的破裂区半径R=6.50+3.28=9.78m,由此可见，侧墙中点的破裂区半径小于该点的塑性区半径，即RR0，这说明破裂楔体是围岩塑性区发展的结果。所以，只要将RR0代入有关公式中，便可以求出保证喷射混凝土层不出现剪切破坏所需要的支护抗力Pi。b.支护抗力iP的计算2163.80.30.36120120uiFCCMPaeiτ×=+=+=×锚0.5031800.016254980.462sFRPMPaKei×===××锚网()()()()2sin1sin002sin35001sin350cot1sincot4.60.36cot351sin350.650.36cot350.080.016iiirPPCCPPRϕϕϕϕϕ−−⎛⎞=+−−−−⎜⎟⎝⎠=+×−×−×−−网锚0.00260.2080.080.0160.074MPa=−−−=c.计算喷层厚度设喷层厚度为d,喷层沿破裂楔体滑移线方向的剪切面长度为0/sin452dϕ⎛⎞−⎜⎟⎝⎠，按外荷与剪切面上剪切强度相等原则，计算如下：()011sin451.20.0749.960.40.46220.0737222.08icKPbdcmϕτ⎛⎞−⎜⎟××××⎝⎠===×除考虑剪切破坏形式外，还需验算在Pi的作用下，喷层是否出现压切破坏，即喷层内壁切向应力应小于喷射混凝土抗压强度。喷层厚度