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地下建筑施工Constructionofundergroundengineering第5章隧道支护施工技术Chapter5SupportingConstructionTechniqueforTunnel锚杆喷混凝土二次衬砌岩体围岩松弛区一、概述在洞室施工中，支护工作量占有很大比重，其工作进度直接影响着地下工程的施工速度，施工质量直接决定着地下工程的稳定。坑道支护体系是由岩体和支护结构两部分组成的，通常情况下，岩体是主要的承载单元，而支护结构是辅助性的，但也是不可缺少的。在某些特殊情况下，支护结构也是主要的承载单元，支护结构的基本作用：保持坑道断面的使用净空；防止岩体质量的进一步恶化；承受可能出现的各种荷载；使坑道支护体系有足够的安全度。1、能与周围岩体大面积地牢固接触即支护—围岩体系作为一个的整体工作。接触状态的好坏，不仅改变了荷载的分布图形，也改变了两者之间相互作用的性质。由于施工方法、支护类型的不同，两者的接触状态也是不同的。接触状态可作如下分类：一个理想的支护结构应满足的基本要求分为A、B、C、D四类。接触状态的不同，对围岩应力分布、支护结构的受力状态等都有着重要的影响。围岩－支护结构的接触状态模注砼、木支撑喷砼、泵送砼衬砌A任意的面接触点接触土质隧道有回填B确定的C松散的D牢固的钢支撑四类接触状态的力学状态大致如图所示。现代支护理论的研究多数是以全面接触为出发点的。因此在施工作业时必须尽量实现这一点。2重视初期支护，使之与永久支护相配合，协调一致地工作初期支护：是为了暂时地、迅速地控制坑道围岩的力学过程，为永久支护创造有利条件。永久支护：作为隧道安全的基本承载支护结构。早期一般忽视初期支护的作用。随着支护技术的发展，逐步把初期支护与永久支护合并考虑，初期支护亦作为永久支护的一个重要部分。如：喷射混凝土—锚杆支护、薄板混凝土支护、钢纤维喷混凝土等。第一节概述3、允许坑道—支护体系产生有限制的变形，充分协调发挥两者的共同作用。要求：支护结构刚度小，构造具有一定柔性或可缩性。允许支护结构产生一定的变形，充分发挥围岩的承载作用，柔性结构能产生一定的变形，使支护—围岩中的应力重新调整，使两者协调工作。目前的支护结构，其刚度相对地降低很多，即以采用柔性支护结构为主。与过去的刚性支护结构—现灌混凝土衬砌相比，厚度有了大幅度减小。4、保证支护结构架设及时支护过晚会使围岩暴露时间长，产生过度的位移而濒临破坏（极限平衡），因此，支护构架应在围岩达到极限平衡之前发挥作用。坑道开挖后要及时地、尽快地加以支护，其目的在于控制围岩的初始位移，这一点在埋深小、围岩差的情况下，尤其重要。5、支护结构要根据围岩的动态（位移、应力…），及时地进行调整和修改参数适应不断变化的围岩状态。这一点在传统的木支撑条件下，也是较难实现的，而用现代支护技术，则可采取分次喷射，增设锚杆或调整其参数（间距、锚杆直径和长度）等方法来实现。支护结构要完全满足上述技术要求是很困难的，这就要求我们对各种类型的支护结构有一正确的评价，以便根据变化的地质条件进行合理的选择。防护型支护支护中最轻型者，不能阻止和承受岩体压力，仅用以封闭岩面，防止坑道围岩进一步恶化。通常是喷浆、喷混凝土或单独锚杆来完成的。二、隧道支护结构分类及基本参数根据其使用目的分类构造型支护用于长时间坑道基本稳定的岩体。此时力学行为是弹性的，支护参数只满足施工要求，如砼最小厚度、锚杆最小直径及长度等。支护参数不由计算决定，由施工决定。承载型支护坑道支护的主要类型。视坑道围岩的力学动态，分为轻、中、重型。视压力大小，采用顶部支护和完全支护。1、木支撑2、钢支撑3、锚杆和金属网支护4、模注混凝土和喷混凝土支护（1）混凝土支护、包括混凝土预制块支护（2）喷混凝土支护根据采用的材料分类5、组合支护（1）钢支撑加背板（2）喷混凝土与锚杆（3）喷混凝土、钢支撑和锚杆……等地下工程支护从支护时间分：初期支护、一次支护或临时支护二次衬砌、永久支护被动式支护：木棚支架、钢筋混凝土支架、金属型钢支架、料石碹、混凝土及钢筋混凝土碹等。从支护效果分：积极支护：锚喷支护、锚网支护、锚梁支护、锚索支护、锚注支护。棚式支护按地下工程的断面形式分：梯形支架、矩形支架和拱形支架等。按支架材料分：木支架、金属支架、钢筋混凝土支架、钢管混凝土支架等。棚式支护木支撑：采用立柱或支架形式，目前部分工程还在采用，逐渐在减少。钢支撑：可迅速架设并有足够的阻力，能变换支撑刚度，与围岩接触条件比木支撑好。在部分工程中，是不拆除的，作为永久衬砌的一部分。锚杆支护：是支护技术的一大进展，从内部提高岩体的承载能力。预应力的锚杆更易形成主动的支护力，阻止岩体强度降低。一般说锚杆的支护阻力是不充分的，但可随时给以加强。各类支护结构的技术特征及其存在的问题模筑混凝土支护：能起到有效地支护暴露岩体这样的目的。但模筑混凝土的厚度几乎不会小于0.30～0.40m，由此会使开挖成本增加。喷浆：是一种喷射3cm厚的水泥砂浆的方法，在50年代初代替了顶部防护木支撑，现在用来防止暴露岩面的风化，它的进一步发展是喷混凝土。喷混凝土：是一种较好的支护方法，在围岩紧密结合和迅速施喷方面；在岩体条件和坑道形状的适应性上，喷混凝土支护方法也是突出的，它的支护能力很高，并可随时进行加强。隧道支护类型的选择主要根据下述条件决定：（1）对预计的主要岩体类型的评价；（2）对岩体类别变化的适应性；（3）对很大的或特殊地压的适应性；（4）对地下水性质的适应性；（5）经济性；（6）作业时间消耗。隧道支护类型的选择支护类型要求木支撑钢支撑锚杆加金属网混凝土支护混合支护防护砼喷浆喷砼钢支撑喷砼钢支撑短锚杆喷砼钢支撑钢背板紧密接触1203-3132全面接触1103-3132迅速施设0130-3122支护阻力小1213-2233预加应力的可能性1120-0121以后加强的可能性2231-3232顶替造成的危害1-33-21--对岩体性质的适应性2211-3233对坑道形状的适应性0131-3132排水条件3132-33310不可用1可用2合适3很好支护方法地质数据木支撑钢支撑锚杆网防护砼喷浆喷砼钢支撑喷砼钢支撑短锚杆喷砼钢支撑钢背板岩石强度高123032210岩石强度中等121202232粘性土120201233松散土020000113高岩压或较小岩石强度22-301-2002-33-42裂隙间距小120213132裂隙间距大213112121很小分离度213233230很高分离度121203120张开裂隙111202130粘土充填裂隙121203133Advantages:加工容易、安装方便、有一定的可缩性Defects:强度低、易燃易腐、木材消耗量大木支架Trapeziumsteelset（梯形金属支架）Material:工字钢（joist）16~24#钢轨(rail）18～24kg/m金属支架材料：I字钢、H钢、钢轨、钢管、U型钢等。I型钢架：加工较简易，使用方便；容易失稳；适用于跨度较小的隧道施工支护。H型钢架:克服了I型钢架的缺点，但自重大，费钢材多，安装较困难，使用不广。钢管钢架:比H型钢架轻便，但造价较高。U型钢架：强度高，可制作可缩性支架（可缩量0.2～0.4m），适合于动压影响大，围岩变形量大的巷道。archsteelset(拱形金属支架、钢拱架)钢拱架的特点：整体刚度较大，有较大的早期支护刚度；能很好地与锚杆、钢筋网、喷射混凝土相结合，构成联合支护，受力性能较好；钢拱架的安装架设比较方便。钢架的纵向间距，一般不宜大于1.2m两榀钢架之间应设置直径20～22mm的钢拉杆1-顶梁；2-棚腿；3-底座；4-U形卡子；5-垫板；6-螺母预制钢筋混凝土支架▲具有钢材和混凝土优点，互相弥补了对方的缺点。▲钢管直径为108~159mm，壁厚4~6mm▲可根据巷道断面形状制作成圆形、拱形等▲每架由4~5节组成，每节端部有法兰盘，以便连接▲支架的背板采用钢筋网，在钢筋网后面用灰包充填▲可使支架具有可缩性，可在法兰盘连接处加可缩板▲缺点是重量较大，人工架设劳动强度高。▲比U形钢相比，耗钢量降低30%，成本低20%左右钢管混凝土支架锚杆是用金属、木质、化工等材料制作的一种杆状构件。锚杆支护是首先在岩壁上钻孔，然后通过一定施工操作将锚杆安设在地下工程的围岩或其它工程体中，即能形成承载结构、阻止变形的围岩拱结构或其它复合结构的一种支护方式。锚杆支护棚式支架是在地下工程围岩外部对岩石进行支撑，它只是被动地承受围岩产生的压力和防止破碎的岩石冒落。锚杆支护则是通过锚入围岩内部的锚杆改变围岩本身的力学状态，在围岩中形成一个整体而又稳定的岩石带，利用锚杆与围岩共同作用，达到维护巷道稳定的目的。是一种积极防御的支护方法。锚杆支护锚杆支护效果好，用料省，施工简单，有利于机械化操作，施工速度快。但锚杆不能封闭围岩，防止围岩风化；不能防止各锚杆之间裂隙岩石的剥落。在围岩不稳定情况下，往往需配合其它支护措施，如挂金属网、喷射混凝土等，形成联合支护形式。锚杆支护悬吊理论(suspensiontheory)通过锚杆将不稳定的岩层和危石悬吊在上部坚硬稳定的岩体上，以防止其离层滑脱。锚杆作用原理组合梁理论(compositebeamtheory)是指把层状岩体看成一种梁（简支梁），没有锚固时，它们只是简单地叠合在一起。由于层间抗剪能力不足，各层岩石都是各自单独地弯曲。锚杆作用原理挤压加固拱理论对于破裂状围岩，在锚杆挤压力作用下，在每根锚杆周围都形成一个以锚杆两头为顶点的锥形体压缩区，各锚杆所形成的压缩区彼此重叠，便形成一条拱形连续压缩带。锚杆作用原理三向应力平衡作用地下工程的围岩在未开挖前处于三向受压状态，开挖后围岩则处于二向受力状态，故易于破坏而丧失稳定性。锚杆安装以后，相当于岩石又恢复了三向受力状态，从而增大了它的强度。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。锚杆作用原理按锚固方式分机械摩擦式粘结式自锚式按锚固原理分端头锚固全长锚固按锚杆材料分木质金属化工锚杆的种类及安装方法端头锚固锚杆：锚固力集中在锚孔内一端的锚杆。如金属倒楔式、金属楔缝式、快凝水泥式、树脂药包式、胀壳式等。全长锚固锚杆：锚固力分布在锚孔内全长的锚杆。如金属砂浆式、水力膨胀式、吹胀式、管缝式、树脂药包式、内注浆式等。锚杆的种类及安装方法（1）木质锚杆:木质锚杆有木锚杆和竹锚杆。木锚杆杆体直径一般为38mm、长l.2～1.8m。锚杆安装到位后，一般在孔口的锤击作用下，内楔块劈进锚杆体杆端的楔缝，使杆体楔缝两翼与孔壁挤紧而产生锚固力，然后装上垫板，再将外楔块锤入杆尾楔缝，将锚杆固定，从而实现对围岩的支护作用。木锚杆结构简单、易加工、成本低，安装方便，但其强度和锚固力较低，对锚杆不作防腐处理的服务年限只有1年左右。（1）木质锚杆:竹锚杆是用22号铅丝将竹片箍成圆形杆体而成，其锚固方法与木锚杆相同。垫板均用木材制作。竹片锚杆锚固力不够稳定，锚固力略低于普通木锚杆。木锚杆竹锚杆这种锚杆是在孔内放入钢筋或钢索，孔内灌入砂浆或水泥浆，利用砂浆或水泥浆与钢筋、孔壁间的粘结力锚固岩层。钢筋灌浆锚杆一般用螺纹钢制作。在矿山，钢索可用废旧的钢丝绳制作，节省工程费用。（2）金属灌浆锚杆:灌浆锚杆的安装有先灌后锚式和先锚后灌式两种，可根据灌浆材料和杆体材料的不同选择。采用钢筋锚杆时，先灌后锚或者先锚后灌都可，采用钢索时一般用先锚后灌法。（2）金属灌浆锚杆:金属倒楔式锚杆由杆体、固定楔、活动倒楔、垫板和螺帽组成。固定楔和活动倒楔都是铸铁的，固定楔与钢杆体的一端浇注在一起，杆体另一端车有螺纹，杆体直径14～22mm。安装时把活动倒楔（小头朝向孔底）绑在固定楔下部，一同送入锚杆眼的底部，然后用一专用的锤击杆顶住活动倒楔进行锤击，直到击不进去为止。最后套上垫板并拧紧螺帽。拧紧螺帽后，杆体便会给围岩一个大小相同、方向相反的挤压力，以抑制围岩的变形或松动。（3）金属倒楔式锚杆:（3）金属倒楔式锚杆:1-固定楔；