地下工程施工—隧道支护技术.ppt

单击此处编辑母版标题样式,隧道支护技术,第1页,支护体系基本构成,锚杆,喷混凝土,二次衬砌,岩体,围岩松弛区,隧道支护技术,概 述,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。,第一节 概述,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：,第一节 概述,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,第一节 概述,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。,第一节 概述,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件。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。,第一节 概述,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。,第一节 概述,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。,第二节 隧道支护结构分类及基本参数,一、根据其使用目的分类,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。,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。,第二节 隧道支护结构分类及基本参数,二、根据采用的材料分类,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,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,第二节 隧道支护结构分类及基本参数,三、各类支护结构的技术特征及其存在的问题,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。,第二节 隧道支护结构分类及基本参数,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,0.300.40m,，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。,第二节 隧道支护结构分类及基本参数,四、隧道支护类型的选择,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。,第二节 隧道支护结构分类及基本参数,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,1,2,0,3,-,3,1,3,2,全面接触,1,1,0,3,-,3,1,3,2,迅速施设,0,1,3,0,-,3,1,2,2,支护阻力小,1,2,1,3,-,2,2,3,3,预加应力的可能性,1,1,2,0,-,0,1,2,1,以后加强的可能性,2,2,3,1,-,3,2,3,2,顶替造成的危害,1,-,3,3,-,2,1,-,-,对岩体性质的适应性,2,2,1,1,-,3,2,3,3,对坑道形状的适应性,0,1,3,1,-,3,1,3,2,排水条件,3,1,3,2,-,3,3,3,1,0不可用,1可用,2合适,3很好,第二节 隧道支护结构分类及基本参数,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,1,2,3,0,3,2,2,1,0,岩石强度中等,1,2,1,2,0,2,2,3,2,粘性土,1,2,0,2,0,1,2,3,3,松散土,0,2,0,0,0,0,1,1,3,高岩压或较小岩石强度,2,2-3,0,1-2,0,0,2-3,3-4,2,裂隙间距小,1,2,0,2,1,3,1,3,2,裂隙间距大,2,1,3,1,1,2,1,2,1,很小分离度,2,1,3,2,3,3,2,3,0,很高分离度,1,2,1,2,0,3,1,2,0,张开裂隙,1,1,1,2,0,2,1,3,0,粘土充填裂隙,1,2,1,2,0,3,1,3,3,第三节 锚喷支护的力学作用及锚固机理,答,：是把锚杆安设在坑道的围岩中，使层状的、软质的岩体得到不同形态的得加固，和围岩共同形成完整的支护结构，提供一定的支护抗力，共同抵抗围岩的位移和变形。,1、什么叫锚杆支护？,第三节 锚喷支护的力学作用及锚固机理,钢筋或钢丝绳砂浆锚杆：,以,水泥砂桨作为锚杆与围岩的粘结剂。,倒楔式金属锚杆：,曾经是使用最广泛的锚杆形式之一。加工简单，安装方便，具有一定的锚固力，因此在一定范围内至今还在使用。,管缝式锚杆：,是一种全长摩擦锚固式锚杆。这种锚杆具有安装简单、锚固可靠、初锚力大、长时锚固力随围岩移动而增长等特点。,树脂锚杆：,用树脂作为锚杆的粘结剂，成本较高。,自进式中空注浆锚杆：,具有边钻进边加长的特性，不需套管护壁、预注浆等特殊手法加固围岩,锚杆种类,第三节 锚喷支护的力学作用及锚固机理,钢质涨壳体锚杆,中空注浆锚杆,中空自钻锚杆,全螺纹等强锚杆,第三节 锚喷支护的力学作用及锚固机理,2、什么叫喷混凝土支护？,答：,利用喷射设施将一定配比的混凝土喷射到隧道开挖毛洞的表面，形成具有一定厚度和支护强度的薄壁结构，达到封闭暴露的岩体和加固岩体的目的。,第三节 锚喷支护的力学作用及锚固机理,根据工艺不同分干喷、潮喷、湿喷三种。主要区别是投料程序不同。,干喷：,是将骨料、水泥和速凝剂按一定比例干拌均匀，装入喷射机，用压缩空气使干集料在软管内压送到喷枪，在喷嘴处与高压水混合，以较高速度喷射到岩面上。,优点,机械结构较简单，清洗和故障易处理。,缺点,是粉尘较大，回弹量大，水灰比控制较难。,潮喷：,将骨料预加少量水，呈潮湿状，再加水泥拌和，降低上料和喷射时的粉尘。大量的水仍是在喷头处加入的，其工艺和干喷工艺相同。现场使用较多。,湿喷：,是将骨料、水泥和水按设计比例拌和均匀，用湿式喷射机压送到喷头处，在喷头处添加速凝剂后喷出。,优点,混凝土质量容易控制，喷射中粉尘和回弹量少。,缺点,对喷射机械要求高，清洗和故障处理麻烦。,由于喷射工艺的不同，喷射混凝土强度不同，干喷和潮喷混凝土强度较低，一般只能达到C20而湿喷则可达到C30C35。,喷混凝土种类,第三节 锚喷支护的力学作用及锚固机理,干喷机 潮喷机 湿喷机,现场喷混凝土 喷射完成的壁面,第三节 锚喷支护的力学作用及锚固机理,3 喷锚支护与传统支护的区别,（一）对围岩和围岩压力的认识,传统支护设计是建立在围岩“松散压力”基础上。,锚喷支护设计是建立在围岩变形而形成的形变压力上。,（二）围岩与支护间相互关系上,传统支护把围岩与支护分开去考虑，形成“荷载结构”体系。,锚喷支护把围岩与支护视作统一体，组成“围岩支护”体系。,（三）支护功能与作用原理上,传统支护是产生的荷载而存在，是防止围岩崩塌，作用是被动消极的。,锚喷支护是以围岩稳定为目的，立点是及时加固围岩。作用是主动积极。,（四）设计计算方法上,传统支护设计与一般结构物没有本质差异，不同处是荷载确定要分析复杂的围岩，考虑围岩“抗力”作用。,锚喷支护是把围岩与支护视作共同作用的统一体。荷载是岩体地应力，围岩与支护共同受载。,第三节 锚喷支护的力学作用及锚固机理,4、锚喷支护的特点,（一）及时性,由于工艺本身的原因，能做到支护及时迅速，可在挖掘前超前支,护，喷混凝土早强和全面密贴性能，保证支护及时和有效性。,（二）粘贴性,喷混凝土同围岩能密贴粘结。产生三种作用：,1）“联锁”：将被裂隙分割的岩块粘联在一起，使岩块咬合镶嵌,2）“复合”：围岩与支护结成一个复合体，保证二者径向和切向上都共同工作。,）“增强”：由于喷射混凝土充填围岩凹穴，提高了围岩的强度，同时减少了围岩应力集中。,第三节 锚喷支护的力学作用及锚固机理,（三）柔性,锚喷支护属于柔性薄型支护,。,喷混凝土：,是一种脆性材料，但其施工工艺上的特点，与岩体密贴粘结，使它有可能喷得很薄，所以呈现一定柔性，,这种柔性可通过分次喷层的方法进一步发挥,。,锚杆：,也属柔性支护，因其从岩体内部加固，可以允许岩体有较大的变形而不破坏，甚至对被加固的岩体作整体移动时，仍能保持相当大的支撑抗力。,（四）深入性,指锚杆能深入岩体内一定深度加固围岩的。按一定方式、间距布置的锚杆群，可以提高围岩锚固区的强度和整体性，改善围岩应力状态。,第三节 锚喷支护的力学作用及锚固机理,（五）灵活性,是锚喷支护十分重要的工艺恃点，其主要如下方面：,(1)类型和参数可根据各段不同的地质条件而随时调整。,(2)施作工艺的可分性。,(3)广泛的适用性,（六）封闭性,喷混凝土能及时施作，全面密贴，能及时阻止洞内水对围岩的侵蚀，并阻止地下水的渗流。,5、锚喷支护各支护类型的功能,（一）喷射混凝土,第三节 锚喷支护的力学作用及锚固机理,喷射混凝土的作用与效果,概念图,（1）支承围岩,喷层与围岩密贴粘结，防止围岩强度恶化阻止不稳定块体的塌滑。,（2）“卸载”作用,能有控制使围岩在不出现有害变的前提下，进入一定的塑性：从而使围岩“卸载”。,(3)填平补强围岩,填充表面凹穴，使裂隙分割的岩块层面粘联，保持岩块间的咬合、镶嵌作用。,(4)复盖围岩表面,喷层直接粘贴岩面，形成防风化和止水的防护层：并阻止节理裂隙中充填物流失。,(5)阻止围岩松动,紧跟掘进及时进行支护，早期强度较高，能及时向围岩提供抗力，阻止围岩松动,（6）分配外力,通过喷层把外力传给锚杆、网架等，使支护结构受力均匀分担。,第三节 锚喷支护的力学作用及锚固机理,锚杆的作用效果,概念图,（1）支承围岩,限制约束围岩变形，并向围岩施加压力，洞室内表面附近的围岩保持三轴应力状态，制止围岩强度的恶化。,（2）加固围岩,系统锚杆的加固，使围岩中松动区的节理裂隙、破裂面等得以联结，有助于裂隙岩体和松动区形成整体成为“加固带”。,(3)提高层间摩阻力形成“组合粱”,对于水平或缓倾斜的层状围岩，用锚杆群能把数层岩层连在一起增大层理间摩阻力，从结构力学观点来看，就是形成“组合粱”。,（4）“悬吊”作用,指防止个别危岩的掉落或滑落，用锚杆将其同稳定围岩联结起来加固局部失稳的岩体。,（二）锚杆,第三节 锚喷支护的力学作用及锚固机理,钢筋网的作用效果,概念图,（1）防止收缩裂缝，或减少裂缝数量和限制裂缝宽度,（2）提高支护的抗震能力。,（3）使喷层应力得到均匀分布，改善其变形性能，增强锚喷支护的整体性,（4）增强喷层的柔性。,（5）提高喷层承载力，承受剪力和拉力。,（三）钢筋网,第三节 锚喷支护的力学作用及锚固机理,6 锚喷支护施工的基本原则,锚喷支护合理施工原则虽然目前还不能完全以定量的关系反映出来，然而它对指导锚喷支护的施工却是十分重要的。,（一）采取各种措施，确保围岩不出现有害松动,1）在洞室的布置和造型上应适应原岩应力状态和岩体的地质、力学特征，尽量争取一个较好的受力条件。,2）施工过程中要尽量减少围岩强度的恶化。,3）合理利用开挖面的“空间效应”，抑制围岩变形。,4）尽量减少其他外界因素（主要是水和潮气）对围岩的影响。,第三节 锚喷支护的力学作用及锚固机理,（二）调节控制围岩变形，在不进入有松动的条件下适度发展，以便最大限度地发挥围岩自承能力,1）初期支护采用分次施作的方法。,2）调节支护封底时间,（三）保证锚喷支护与围岩形成共同体,由于计算模型中把支护和围岩视作不可分割的共同体，因此在施工中要求保证实现围岩、喷层和锚杆之间具有良好的粘结和接触，使三者共同受力。,（四）选择合理的支护类型与参数并充分发挥其功效,1）支护类型的确定应根据围岩地质特点、工程断面大小和使用条件要求等综合考虑。,第三节 锚喷支护的力学作用及锚固机理,2）支护参数的设计贯彻“等强度支护”的设计思想和整体加固与局部加强相结合的原则。,3）选择合理的锚杆类型与参数，在围岩中有效形成承载圈。,4）选择合理的喷层厚度，充分发挥围岩和喷层自身承载力。,5）合理配置钢筋网,6）合理选择钢支撑,（五）采取正确的施工方法,（六）依据现场监测数据指导设计施工,第四节 格栅支护的力学作用及工程实践,一、概 述,钢拱架系采用L、U、I字型和钢轨等型钢，加工成所需要的形状，用整榀安装或拼装方法，使用于地下工程的一种支护结构。,格栅是由钢拱架支撑发展而来，它是由钢筋焊接而成的构架，是隧道及地下工程中一种新型的支撑形式。它是随着新奥法（NATM）的发展而出现的。象喷混凝土支护工艺已成为新奥法的要素之一一祥，格栅喷混凝土支护也己被越来越广泛的采用，成为新奥法的一项革新。,第四节 格栅支护的力学作用及工程实践,二、格栅（钢拱架）的使用条件,格栅（钢拱架）使用条件为：,（1）自稳时间很短的围岩，在锚杆或喷射混凝士支护发挥作用前，可能发生围岩失稳或塌坍危险时。,（2）浅埋、偏压隧道，当早期围岩压力增长快，需要提高初期支护的早期强度和刚度时。,（3）在难以施作锚杆、喷射混凝土的砂卵石、土夹石或断层泥等地层，大面积淋水地段，以及为了抑制围岩大的变形态增加支护抗力时。,（4）当需要施作超前支护，设置格栅（钢拱架）作为超前锚杆（或超前小钢管等）的支承构件时。,第四节 格栅支护的力学作用及工程实践,三、,格栅（钢拱架）的类型,断面形状,第四节 格栅支护的力学作用及工程实践,侧面形状,第四节 格栅支护的力学作用及工程实践,可缩式钢构架,本章结束,请各位同学,提出教学意见和建议,!,