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1、第七章第七章 锚喷支护结构的设计与施工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锚喷支护结构的受力与计算 7.3 锚喷支护施工原则锚喷支护施工原则 7.1 7.1 概述概述1 1、支护结构理论的发展、支护结构理论的发展 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：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。19201960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
2、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H 60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 2、现代支护理论与设计要点、现代支护理论与设计要点 现代支护理论 一切方法、手段和措施都围绕围岩稳定为目的；支护与围岩视作统一的复合体，支护合围岩共同作用；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；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；对不同的地质条
3、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；基本要求 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；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；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；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；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；
4、3 3、锚喷支护与传统支护的区别、锚喷支护与传统支护的区别 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。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。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。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
5、岩体的地应力，围岩和支护共同承载；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 4、锚喷支护的特点、锚喷支护的特点(主要在机理和工艺上主要在机理和工艺上)及时性：喷射砼，如早强，能迅速给围岩提供支护抗力 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：连锁作用；复合作用；增强作用(填充凹隙穴)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；深入性：锚杆可深入围岩一定深度加固围岩，形成承载圈 灵活性：支护类型、参数、数量可灵活调整。封闭性：可阻止水对围岩的侵
6、蚀而引起风化等。7.2 7.2 锚喷支护结构的受力与计算锚喷支护结构的受力与计算 1、锚杆支护结构、锚杆支护结构 锚杆类型 全长粘结型 端头锚固型 全长粘结型全长粘结型端头锚固型端头锚固型 摩察型 预应力型 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：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。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。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。减跨作用减跨作用组合梁作用组合梁
7、作用 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。整体加固作用整体加固作用 锚杆的设计与计算 锚杆承载力计算GG1锚杆11-1N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：sinsin1GQ sin)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。1 砂浆锚杆所需锚固长度 锚杆
8、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）；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。22161L321LLLLgiRdbLkP422222LkRdbg其中，是
9、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(1stsscDLP 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。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(sin PT2、喷混凝土支护结构、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
10、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。喷射砼的作用 充填裂隙加固围岩；找平，封闭围岩表面防止风化；喷砼与围岩组成共同承载结构。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。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35。LR 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
11、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：LuRsxesPqsxcos243476.04KEdbKEIsLuRKEdPsPq43max63.22313463.3EKuRGdLu 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、锚喷联合支护、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
12、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。支护与围岩共同作用的力学原理 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。弹塑性理论的基本概念：基于材料试验弹塑性曲线 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
13、塑性屈服判据。331sin1sin2sin1cos2c 均质围岩中圆形隧道的弹性解22220)1(rRrRpRr22220)1(rRrRpR 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(sin1sin20sin1sin20crrcpcrrcpiir 弹性区与塑性区边界上的连续条件 当r=R时，塑性区半径与支护抗力的关系peprer,cot)(sin1)(cot()sin1(cotcotsin1sin200sin2sin100cRrcppcpcprRii 由洞周位移计算围岩压力 弹
14、性区引起的应力增量：围岩引起的径向应变：220220)()(rRprRpReRer)1(12eerrrrErurr12Rrrr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)()()(202202sinsin1000cot)cot)(sin1(2)cossin(cpcpGcprurRuiRa 用洞周位移 表达的围岩压力 aucot2)cossin()cot)(sin1(sin1sin000cGuc
15、prcppai 围岩支护特性曲线umaxuruEBPuKcEDPu=f(P1)AmaxPmaxP0PKP1u0PcPEPminP0原岩压力线刚性支护形变压力区松散压力区 柔性支护IV-模注支护0PcPP0PE锚喷初喷 锚 二次喷P1锚喷支护模注衬砌 锚喷支护结构承载力计算 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
16、剪切体滑移的最小minpppppiAistisii 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=1.52.0 内拱厚度：(4)隧道围岩位移量的容许值 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 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510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30毫米左右；埋深埋深围岩围岩300mIV0.100.300.20.500.401.20III0.150.500.401.200.802.0II0.200.800.601.601.03.01)相对位移值指实测位移值与两测点距离之比；相对位移值指实测位移值与两测点距离之比；2)脆性围岩取小值，塑性围岩取大值；脆性围岩取小值，塑性围岩取大值；3)I、V、VI类围岩可按工程类比选定容许值范围；类围岩可按工程类比选定容许值范围；4)表
