锚喷支护结构的设计与施工.doc

重庆交通大学教案

第7章 锚喷支护结构的设计与施工
7.1 概述
喷射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岩面上迅速凝结而成的，锚喷支护是喷射混凝土、锚杆、钢筋网喷射混凝土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结构的组合。
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、木材和劳动力，加快施工进度，工程造价可大幅度降低，并有利于施工机械化程度的改进和劳动条件的改善等。此外，锚喷支护是一种符合岩体加固原理的积极支护方法，加固体具有良好的物理力学性能。即它能及时地支护和加固围岩，与围岩密贴并封闭岩体的张性裂隙和节理，加固围岩结构面，有效地发挥和利用岩块间的镶嵌咬合和自锁作用，从而提高岩体自身的强度、自承能力和整体性。由于锚喷支护结构柔性好，它能同围岩共同变形，构成一个共同工作的承载体系。在变形过程中，它能调整围岩应力，抑制围岩变形的发展，避免岩体坍塌的产生，防止过大的松散压力出现。锚喷支护技术不再把围岩仅仅视作荷载（松散压力），同时还把它视为承载结构的组成部分。
锚喷支护应配合光面爆破等控制爆破技术，使开挖断面轮廓平整、准确，便于锚喷成型，并减少回弹量；减轻爆破对围岩的松动破坏，维护围岩强度和自承能力，使其受力良好。目前，锚喷支护结构的设计和施工，已积累了不少经验。锚喷支护结构设计和施工除了计算之外，还依赖于“经验类比”。还有很多需要进一步研究的问题，例如支护结构设计理论、支护形式和时间的合理确定、施工控制、低温下喷混凝土的成型等问题。此外，锚喷支护的使用也是有一定条件的，在围岩的自承能力差、有涌水及大面积淋水处、地层松软处就很难成型。
本章将扼要介绍地层中锚喷支护的原理、结构计算和施工。

7.2锚喷支护结构的受力与计算
一、锚杆支护结构
什么叫锚杆？锚杆的作用和意义？
1、 锚杆类型
（1） 全长粘结型

（2） 端头锚固型

（3） 摩察型

（4） 预应力型

2、 锚杆的力学作用
锚杆对围岩所起的力学效应主要有以下作用：
（1） 吊悬作用：将不稳定岩层悬吊在坚固岩层上，阻止围岩移动滑落。

（2） 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。

（3） 组合作用：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。

（4） 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。

3、 锚杆的设计与计算
（1） 锚杆长度的确定：锚杆总长度
是锚固深度；为不稳定岩层厚度；是外露长度（约小于喷射混凝土厚度）；
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
（7.2.3）
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；
（2）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。

其中，是岩体容重；锚杆间距，一般>2；k安全系数，2~3。
（3） 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。

利用正弦定理：；；
由此可确定锚杆直径： （7.2.2）
砂浆锚杆的承载力：
（4） 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。

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：
；
是裂隙面内摩察角，沿裂隙面的下滑力必须满足的条件：
；
二、喷混凝土支护结构
喷射混凝土结构通过局部稳定围岩和整体稳定围岩起支护作用。
1、 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。
（1） 抗冲切计算
喷层厚度必须满足：
（7.2.6）
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3~5。
（2） 抗撕裂计算
（7.2.7）
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：

2、 整体稳定原理

三、锚喷联合支护
1、 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
（1） 围岩是隧道稳定的基本部分，尽量维护围岩体的强度特性
l 爱护围岩，如何维护？
l 开挖后用锚喷支护维护
（2） 保证初期支护具有柔性，并与围岩密贴
l 为什么要使初期支护具有柔性？允许围岩适当变形，释放地应力
（3） 设计和施工中要正确估计围岩特性及其随时间的变化
l 如何判别围岩特性？各种方法探测与判别
l 围岩变形为什么会随时间变化？流变特性
2、 支护与围岩共同作用的力学原理
（1） 锚喷支护结构设计的力学原理 共同作用的弹塑性理论
（2） 弹塑性理论的基本概念 基于材料试验弹塑性曲线
（3） 均质围岩中圆形隧道的弹性解

（4） 均质围岩中圆形隧道的塑性解
l 基本方程：，
l 边界条件：
l 塑性解：
（5） 弹性区与塑性区边界上的连续条件
当r=R时，
（6） 塑性区半径与支护抗力的关系

这是支护抗力与围岩塑性区半径的关系
（7） 由洞周位移计算围岩压力
l 弹性区引起的应力增量：
l 围岩引起的径向应变：
l 由以上关系得：
l 弹塑性边界上的径向位移：
l 据弹性区应力和摩尔库仑关系得：
l 变形过程中假设塑性区体积不变：

l
l 用洞周位移表达的围岩压力

l 例题：在初始地应力场为40Mpa的岩体中开挖一直径为10米的圆形隧道，已知岩体抗剪强度指标，岩体剪切模量G=5000Mpa，试求：1）洞周最大位移；2）不出现塑性区的围岩压力；3）允许洞周位移3厘米时的围岩压力。
（8） 围岩支护特性曲线

3、 锚喷支护结构承载力计算
（1） 初期支护（外拱）设计与计算
l 初选喷层厚度t，可按照经验公式：t=0.017r0， r0，是隧道半径；
l 确定锚杆直径、长度和间距
l 喷层支护抗力：
l 承载环内岩体的抗力：
l 锚杆的抗力：
l 其它支护提供的抗力：
l 总支护抗力：
（2） 二次支护（内拱）设计与计算
l 内拱的承载力常是一种安全储备，安全系数
l 内拱承载力：，K=1.5~2.0
l 内拱厚度：
4、隧道围岩位移量的容许值
（1） 影响隧道周边最终位移量的因素
l 岩体的物理力学性质
l 原始地应力大小
l 开挖方式（全断面开挖小）
l 掘进速度（速度越快位移越小）
l 支护时机
l 支护方式
（2） 隧道周边容许位移量的确定原则
l 城市地下隧道的下沉量尽量小，一般不能超过5~10毫米；
l 浅埋山岭隧道容许位移量可以大些，一般小于30毫米；
l 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；
（3） 一些容许位移量控制标准
l 我国《公路隧道施工技术规范》JTJ042-94规定容许位移；
埋深
围岩
<50m
50~300m
>300m
IV
0.10~0.30
0.2~0.50
0.40~1.20
III
0.15~0.50
0.40~1.20
0.80~2.0
II
0.20~0.80
0.60~1.60
1.0~3.0
1) 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；
3) I、V、VI类围岩可按工程类比选定容许值范围；
4) 表中数据可在施工中做调整；
l 法国工业部规定地下工程拱顶处围岩最大容许位移量；
隧道埋深/m
硬质岩/cm
塑性地层/cm
10~50
1~2
2~5
50~500
2~6
10~20
>500
6~12
20~40

l 国外隧道工程师根据现场量测数据大小制定的危险警戒标准
等级
标 准
措施
三级警戒
任一点位移大于10mm
报告管理人员
二级警戒
两相邻测点位移均大于15mm或
任一测点位移速度超过15mm/月
口头报告，召开会议，写书面报告及建议
一级警戒
位移大于15mm，且多处测点位移均在加速
主管工程师立即现场调查，召开现场会议，
研究应急措施
例题：某隧道埋深大于100米，在III类围岩（灰岩）中掘进，断面直径为12米，则容许位移为u/D=0.4%，u=4.8cm; 若为塑性围岩，则u=14.4cm
5、二次衬砌支护时间选择原则
（1） 各测试项目的位移速率明显收敛，围岩基本稳定；
（2） 已产生的各项位移已达预计总位移量的80%~90%；
（3） 周边位移速率小于0.1~0.2mm/d，或拱顶下沉速率小于 0.07~0.15mm/d

7.3 锚喷支护施工原则
1、采取各种措施确保围岩不出现有害松动
（1） 洞形及侧压系数的选择问题
根据弹性力学解的结果：

u 是一个重要参数，小于0.2，在拱顶出现拉应力；
u 跨高比很小的洞形，围岩受力不利；
u 椭圆形隧道周边切向应力
K为短轴与长轴之比。
u 最佳隧道形状
a、问题的提出：保证围岩最稳定，衬砌受力最有利，开挖量最少。
b、寻找最小应力集中的洞形：使围岩最大应力集中系数降到最小。
c、
d、洞顶不出现拉应力的条件：
当
e、洞壁两侧不出现拉应力的条件：
当

（2） 采用控制爆破技术：减少对围岩的扰动强度
（3） 减少对围岩的扰动次数：尽可能采用全断面一次开挖
（4） 初期支护及时快速：及时是抑制围岩变形的有害发展
（5） 合理利用开挖面空间效应抑制围岩变形：
什么是开挖面空间效应？由于开挖面的约束开挖面附近不能释放全部位移。如果在空间效应范围内支护就可以围岩有害变形。
（6） 尽量减少其他外界因素（水、潮）对围岩的影响：对有地下水的裂隙岩体，要防止大的渗透压力。
2、使围岩变形适度发展，最大限度发挥围岩自承能力
（1） 初期支护采用分次施作的方法；
（2） 调节支护封底时间，控制围岩变形；
（3） 适当延迟支护时间，控制围岩变形；
3、保证锚喷支护与围岩形成共同体
（1） 施工方法和施工措施上保证；
（2） 列入施工质量检测项目；
4、选择合理支护类型和参数，并充分发挥其功效
（1） 综合考虑各种因素确定支护类型；
（2） 合理选择锚杆类型和参数，在围岩中有效形成承载圈
（3） 合理选择喷层厚度，充分发挥喷层与围岩自身承载力
l 合理喷层厚度（刚度）：既能使围岩稳定又容许围岩有一定的塑性位移，实现卸压；经验表明合理初始喷层厚度在5~15厘米间；
l 喷层太厚和太薄都是不合理的
（4） 合理选择和配置钢筋网和钢支撑
l 在什么情况下需要采用钢筋网？：土砂等条件下；在破碎软弱塑性流变及膨胀性围岩条件下；地震区或有振动影响的隧道。
l 在什么情况下需要采用钢支撑？在作锚喷支护前需要隧道岩面稳定时；用钢管钢板桩进行超前支护需要支点时；为了抑制地表下沉，需要提高初期支护强度或刚性时。
5、合理安排施工程序
（1） 开挖台阶数
（2） 支护次数
6、依据现场监测数据指导施工
（1） 隧道内目测观察
l 隧道目测观察的目的是什么？
Ø 预测开挖面前方的地质条件；
Ø 为判断围岩稳定性提供地质依据；
Ø 根据喷层表面状态及锚杆工作状态分析支护结构可靠度；
l 隧道目测观察的主要内容？
Ø 了解开挖工作面的工程地质，包括地质种类及分布状态，岩石颜色、成分、结构等，节理状况，断层特征等
Ø 水文地质条件：地下水类型，涌水量大小，涌水位置，涌水压力水的化学成分等；
Ø 绘制开挖工作面的素描剖面图：间距根据情况而定，一般II类围岩间距为10米，III类围岩20米，IV 类围岩40米，V类围岩50~100米；要求现场绘出草图，室内绘出正规图件装订成册；
Ø 开挖支护后的观察：初期支护的裂缝状况，锚杆端头情况，钢拱架是否被压曲，是否有底鼓现象。
l 隧道目测观察中围岩破坏形态分析
Ø 危险性不大的破坏：构筑仰拱后在拱肩部出现的剪切破坏一般进展缓慢，危险性不大；
Ø 危险性较大的破坏：在未构筑仰拱前拱顶混凝土因受弯曲压缩而产生的裂隙常常进展急剧，伴随有碎片飞散，危险性较大；
Ø 塌方征兆的破坏：拱顶喷层出现对称的向下滑落的剪切破坏现象，或侧墙发生向内侧滑动的剪切破坏并伴随有底鼓现象，都会引起塌方事故的破坏形态。
（2） 隧道收敛量测
Ø 净空相对位移测试（收敛测试）：洞壁上两点两次测量的位移差；
Ø 测试频率：根据位移速度和离工作面的距离确定
位移速度
距开挖面距离
量测频率
10mm/d以上
0—1B
1—2次/日
10mm—5mm/d
1—2B
1次/日
5mm—1mm/d
2—5B
1次/2日
1mm/d以下
5B以上
1次/周
Ø 拱顶下沉量测：测量方法，可采用水平仪计、挠度计等
Ø 围岩内部位移量测：通常采用钻孔伸长计或位移计，它由锚固、传递、孔口装置、测试仪器等组成；
（3） 地表下沉量测
用水平仪在地表进行。量测范围的确定和不动点选取，量测频率：距开挖面距离<2D时，1-2次/天；2D-5D时，1次/天，大于5D时，1次/周。
（4） 位移反分析，指导施工
Ø 根据量测位移反分析围岩应力重分布情况；
Ø 反分析围岩力学参数；
Ø 反分析围岩原始地应力；
Ø 根据反分析结果指导施工。