隧道工程(第5、6、7章)

隧道工程主讲教师：王新定博士Tel:15251865218E-mail:[e-mail]第五章锚喷支护结构的设计与施工第一节锚喷支护与新奥法的概念一、锚喷支护的概念1、喷混凝土喷混凝土是利用高压空气，将掺有速凝剂的混凝土混合料通过混凝土喷射机与高压水混合，喷射到开挖面上，迅速凝固而成的。2、锚喷支护喷射混凝土、锚杆、钢筋网、钢拱架等结构组合起来的支护形式。可以根据不同围岩的稳定状况，采用锚喷支护中的一种或几种组合。二、锚喷支护的特点1.及时性：快速及时2.紧贴性：“联锁”作用、“复合”作用、“增强”作用3.柔韧性4.深入围岩内部加固5.支护组合和设置时间的灵活性6.密封性三、锚喷支护设计原则和方法1、工程类比法2、监控量测法3、理论验算法：荷载－结构模型、地层－结构模型4、典型类比监控反演法5、特征线法四、新奥法（NewAustrianTunnellingMethod简写为NATM）从岩土力学观点出发，进行支护设计和施工时，把隧道周围岩土体和各种支护结构组合为一个完整支护体系的新的支护理论和方法，称为新奥法。五、新奥法（NATM）的要点1.围岩和支护视作统一的承载结构体系，围岩是主要的承载单元。2.允许围岩产生局部应力松弛，也允许作为承载环的支护结构有限制的变形。3.通过试验，量测决定围岩体和支护结构的承载变形时间特性。4.按“预计的”围岩局部应力松弛选择开挖方法和支护结构。5.在施工过程中，通过对支护的监控量测，修改支护结构设计，并决定支护措施或第二次衬砌。第二节锚喷支护结构类型与作用原理一、锚杆支护结构（一）、锚杆种类1、按锚杆与围岩的联结方式（1）粘结型锚杆：砂浆锚杆、树脂锚杆（2）机械型锚杆：楔缝式、胀壳式、楔管式2、按材料分类：钢锚杆、纤维锚杆、木锚杆3、按受力：预应力锚杆、普通受力锚杆（二）、锚杆作用原理1联结作用：隧道围岩有不稳定的岩块和岩层时，可用锚杆将它们联结起来，并尽可能的深入到稳定的岩层中。2组合作用：依靠锚杆将一定厚度的岩层，尤其时成层的岩层组合在一起，组成组合拱或组合梁，阻止岩层面滑移和坍塌。3整体加固作用：通过有规律布置的锚杆群，将隧道周围一定深度得围岩进行挤压，粘结加固，组成一个支承环。二、喷混凝土支护结构喷混凝土作用原理1、局部稳定原理喷混凝土支护结构通过及时的封闭岩层表面得节理、裂隙，填平或缓和表面得凹凸不平，使洞室内轮廓较为平顺，从而提高节理裂隙间的粘结力，摩阻力和抗剪强度，减少应力集中现象。防止岩层表面风化、剥落、松动、掉块和坍塌的产生，使围岩稳定下来，发挥围岩体的自承能力。2、整体稳定性原理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“组合结构物“共同作用。三、新奥法中锚喷联合支护的作用1、锚喷联合支护的适用情况锚喷联合支护是锚杆支护和喷混凝土支护这两种支护作用原理的有机组合。一般在较好的围岩中，可将喷混凝土作为主要的支护手段，辅以锚杆加固;而在较差的围岩体中，则以锚杆，尤其是预应力锚杆作为主要的岩体加固手段，并与喷混凝土、钢筋网喷混凝土或加钢拱的钢筋网喷混凝土配合使用。2、新奥法应用时，应掌握的三个基本点（1）围岩是隧道稳定的基本部分，支护是为了与围岩共同形成能自身稳定的“承载圈“或直承单元。（2）支护、衬砌要薄且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。（3）设计施工中需正确地估计围岩特性及其随时间的变化。需要进行必要的试验和量测，以确定围岩分类、自稳时间和位移变形速率等参数，选择最合宜的支护措施和支护时间。第三节锚喷支护的施工一、锚杆的安设钢筋水泥砂浆锚杆的施工顺序：选孔钻孔注浆安设锚杆和挂金属网或者：选孔钻孔安设锚杆和挂金属网注浆1、选孔（1）孔的纵横间距L锚杆（2）孔与岩面、层面或裂隙面的交角以90度为宜2、钻孔：孔径一般为37~45mm，比杆径大15~20mm3、注浆水泥砂浆配合比：胶骨比1:1~1:2，水灰比0.38~0.42124、安设锚杆、金属网(1)锚杆:杆体宜用HRB335、HRB400带肋钢筋，直径为22mm以上。(2)钢筋网：宜用R235小于12mm的钢筋，间距为150mm~300mm二、喷射混凝土（一）、喷射混凝土混合料1、水泥、砂、石混合料（1）水泥：（2）砂：硬质洁净的中砂或粗中混合砂，含水率（5～7）％（3）石子：坚硬、耐久的卵石或碎石，粒径mm（卵石较好）2、速凝剂初凝：终凝：（二）、喷射混凝土的配合比与水灰比1、水灰比：0.4～0.52、配合比：喷射部位水泥：中砂（粗中混合砂）：石子边墙：1：（2.0～2.5）：（2.5～2.0）拱部：1：2.0：（1.5～2.0）20min5min10（三）喷射混凝土设备1混凝土喷射机2上料机3喷混凝土机械手（四）喷混凝土作业施工要点（干法喷射混凝土）1、准备工作清理喷射面作好喷射厚度标志机械设备就位和场地布置，保证运输线路风水电畅通，搞好照明。安排好回弹物的用。试运转混合料拌制2、喷射作业注意要点①喷射作业应在划定的区段内进行，区段的长度一般不超过6m②喷射应在自下而上，先墙后拱，分部、分块顺序进行③喷射时，喷嘴要正对受喷面作均匀顺时针方向的螺旋转动，螺旋直径20～30cm。④若岩面有较大坑洼时，应先喷凹处，然后刮平。⑤喷层既不能太厚也不能太薄。一般拱部4～6cm/次，边墙一次喷厚6～8cm。⑥喷射层间的间歇时间，应视混凝土的凝结情况而定。⑦喷混凝土紧跟开挖时，从混凝土喷完到下一个循环放炮的时间隔。h43、喷射机操作顺序开始时：给风给水（冷却水）给电送料结束时：停料停电断水断风（与上述相反）4、喷枪头操作顺序开始时：给水给料结束时：停料关水第四节锚喷支护的主要物理力学性能和支护检测一、锚喷射支护的主要物理力学性能1、喷射混凝土的物理力学性能（1）抗压和抗拉强度：一般设计中，可采用喷混凝土标号为C20，抗压强度为20MPa，抗拉强度1～1.3MPa。(2)抗冲切性能（抗剪强度）：设计（10％～20％）抗压强度，即2～4MPa。(3)粘结力与围岩的粘结力，0.5～1.0MPa(劈裂法试验)与钢筋的粘结力（握裹力）喷层之间的粘结力。（4）抗渗、抗冻性（5）收缩变形2、锚杆的物理力学性能（钢筋水泥砂浆锚杆）(1)水泥砂浆强度（抗压强度）：抗压强度20MPa(2)锚杆的锚固力：(3)水泥砂浆与锚杆的粘结力(4)水泥砂浆与围岩的粘结力t5二、锚喷支护检测1、质量检测（1）原材料检验（2）喷射混凝土实际配合比与水灰比的测定（3）喷混凝土强度检测：主要是抗压强度试验（4）喷混凝土厚度检查（5）锚杆质量检查：主要是锚固力试验（6）支护外观、尺寸的检查2、新奥法支护变形监测重点在施工阶段（1）主要量测项目（见图）地质和支护状况观察隧道周边位移量测拱顶下沉锚杆或锚索内力及抗拔力地表下沉围岩内位移支护与围岩的接触应力的量测支护衬砌内应力的量测围岩中的应力分布情况量测围岩弹性波测试（2）量测设备①隧道周边位移的收敛量测可用收敛计直接量测。量测部位：拱顶、起拱线、拱腰、墙腰及下部②围岩内松弛范围、岩体位移量测，可用多点或单点位移计量测③锚杆中的轴向力及围岩中的应力分布情况可用量测锚杆④支护与围岩之间的接触力和支护衬砌内应力可用压力盆来量测1－多点式或单点式位移计或量测锚杆2－必要增加的量测点3－一般需要的量测点4－软弱围岩时需要增加的量测点第五章思考题1、锚喷支护概念及特点？2、新澳法概念及其要点？3、锚杆类型及作用原理？4、喷混凝土作用原理？5、锚喷支护质量检测内容？6、隧道施工主要监测项目？第六章山岭道路隧道施工方法（矿山法）第一节概述一、施工方法明挖法：浅埋隧道暗挖法：深埋隧道二、矿山法凡采用一般开挖地下坑道方法修筑隧道的施工方法都称为矿山法。1、全断面开挖法2、分部开挖法（辅助施工包括超前注浆法和冻结法、超前锚杆和管棚支护等）。三、各种施工工法的比较第二节传统矿山法修筑道路隧道的基本施工方法一、漏斗棚架法（下导坑先墙后拱法或称六部开挖法）1、施工顺序（见下图）2、适用范围漏斗棚架法常用于围岩较稳定的坑道施工，适用于Ⅰ～Ⅲ级围岩石质隧道。（无大型机具条件）3、特点：优点工作面拉开，可同时施工；爆破临空面多，爆破效果好；利用棚架及渣堆可不另作脚手架；棚架上石渣装车由漏斗口漏入车内，省力、速度快；衬砌施工先墙后拱，衬砌质量好。缺点需大量木材、钢轨；棚架也易因爆破而损坏；第⑥部开挖易损坏风、水管设备；工作面拉开距离长，围岩离时间较长，不利安全施工。二、反台阶法1、施工顺序2、适用范围Ⅰ、Ⅱ级围岩且无大型装渣机具3、特点优点施工工序少；施工干扰少；下部断面可一次挖至设计宽度、空间大，便于出渣运输和布置管线；节省材料。缺点：需大量木材、钢材。三、正台阶法1、施工顺序2、适用范围Ⅰ、Ⅱ级围岩且有大型装渣机具3、特点优点工序少；干扰少；爆破效果好；缺点：因围岩条件变化较大而需变换为其他施工方法时则较困难。四、全断面开挖法1、施工顺序2、适用范围Ⅰ、Ⅱ级围岩的石质隧道3、特点优点工序简单，断面一次挖成；能较好地发挥深眼爆破的优越性，提高钻爆效果；各工序干扰少；空间大，便于大型机具设备的应用；各种管线铺设便利并较少被爆破损坏；运输、通风、排水等条件均较有利；便于施工组织与施工管理。缺点需施工便道、组装场地、检修设备、足够的能源（因应用大型机具）；变换施工方法需较多时间。五、上下导坑先拱后墙法1、施工顺序2、适用范围Ⅲ、Ⅳ级围岩3、施工特点优点施工安全；运输、通风、排水、管线等布置都易解决；能拉开工作面，便于使用小型机具;遇地质情况变化，变化施工方法较易。缺点导口开挖影响进度；衬砌质量低，整体性差，边墙与拱脚处封口不易密实；工方多，干扰大；施工管理不便；增加开挖费用。六、下导坑先拱后墙法（蘑菇形开挖法）1、施工顺序2、适用范围Ⅰ、Ⅱ级围岩3、施工特点优点该法介于漏斗棚架法与上下导坑先拱后墙法之间，故此法既有漏斗棚架法出渣的优点，又具有先拱后墙法的安全优点。缺点消耗木材钢轨多；棚架易因爆破受损；挖导口影响施工进度；衬砌的整体性差。七、品字形导坑先拱后墙法1、施工顺序772、适用范围Ⅱ～Ⅳ级围岩石质隧道3、施工特点优点工作面多；施工干扰少；保留核心，有利于支撑和施工安全；进度较快。缺点费用高；衬砌整体性差；变换施工方法较难。八、侧壁导坑法1、施工顺序2、适用范围适用于Ⅴ～Ⅵ级围岩土质隧道3、施工特点优点安全可靠；开挖面小；对围岩干扰较少；坑道围岩暴露时间短；留核心土能使支撑材料节省并较可靠；衬砌先墙后拱，质量较好。缺点施工进度慢；导坑多；造价高；通风排水困难。九、复合衬砌施工法（新奥法）1、施工顺序（见图）（1）当开挖面稳定时（图a）开挖、第一次柔性衬砌施工、量测（位移、应力等量测）、防水层、第二次衬砌（2）当开挖面不稳定时（图b）开挖上部弧形导坑、第一次柔性衬砌（拱）、开挖核心及侧壁、第一次柔性衬砌（边墙）、开挖仰拱部分并修筑仰拱、施工量测（位移、应力等量测）、防水层、第二次衬砌2、适用范围可用于各类围岩3、施工特点支护为联合型复合衬砌，支护作业分两步：坑道开挖后迅速修筑早期柔性支护，用以控制岩体初期变形，这种变形在初期发展较快，经量测确定围岩充分稳定后，修筑防水层及第二次衬砌。