隧道锚喷结构与计算PPT课件.ppt

隧道工程 第7章锚喷支护结构的设计与施工原则 隧道及岩土工程系2007年4月 1 第7章锚喷支护结构设计与施工原则 学习本课程的目的 1 要求掌握有关公路隧道的勘查 设计 构造原理和有关计算方法 2 理解公路隧道围岩稳定性的影响因素及其与施工方法的关系 3 了解公路隧道工程施工组织管理 2 第三章锚喷支护结构的设计与施工原则 3 1概述3 2锚喷支护结构的受力与计算3 3锚喷支护结构的施工原则 第7章锚喷支护结构设计与施工原则 3 3 1概述1 支护结构理论的发展2 现代支护理论与设计要点3 锚喷支护与传统支护的区别4 锚喷支护的特点 第7章锚喷支护结构设计与施工原则 4 1 支护结构理论的发展 第7章锚喷支护结构设计与施工原则 5 1 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 第7章锚喷支护结构设计与施工原则 6 1 支护结构理论的发展 1920年以前的古典压力理论阶段 代表 Haim Rankine和金尼克理论随着开挖深度的增加 人们发现 古典压力理论不符合实际情况 第7章锚喷支护结构设计与施工原则 7 1920 1960年代的松散体理论阶段 特点 当埋深较大时 作用在支护结构上的压力 不是上覆岩层的重量 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 第7章锚喷支护结构设计与施工原则 8 60年代后发展期来的现代支护结构 特点 围岩和支护结构共同组成了承载的支护体系 其中围岩是承载主体 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 第7章锚喷支护结构设计与施工原则 9 2 现代支护理论与设计要点 第7章锚喷支护结构设计与施工原则 10 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 支护和围岩共同作用 第7章锚喷支护结构设计与施工原则 11 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 第7章锚喷支护结构设计与施工原则 12 凭借现场试验和监测手段 划定围岩级别 获得力学参数 指导施工 第7章锚喷支护结构设计与施工原则 13 对不同的地质条件 力学特征的围岩 灵活采用不同支护方式和相应的力学计算模型 第7章锚喷支护结构设计与施工原则 14 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 第7章锚喷支护结构设计与施工原则 15 要允许围岩及支护结构产生有限的变形 以发挥围岩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 第7章锚喷支护结构设计与施工原则 16 支护结构要根据隧道围岩的实际动态 及时进行调整和修改 以适应不断变化的围岩状态 第7章锚喷支护结构设计与施工原则 17 3 锚喷支护与传统支护的区别 第7章锚喷支护结构设计与施工原则 18 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 现代支护理论 围岩具有自承能力 围岩作用于支护的压力不是松散压力 是阻止围岩变形的形变压力 第7章锚喷支护结构设计与施工原则 19 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 第7章锚喷支护结构设计与施工原则 20 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 第7章锚喷支护结构设计与施工原则 21 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 设计的作用荷载是岩体的地应力 围岩和支护共同承载 第7章锚喷支护结构设计与施工原则 22 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 第7章锚喷支护结构设计与施工原则 23 4 锚喷支护的特点 第7章锚喷支护结构设计与施工原则 24 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 第7章锚喷支护结构设计与施工原则 25 粘结有三种作用 连锁作用 复合作用 增强作用 填充凹隙 第7章锚喷支护结构设计与施工原则 26 第7章锚喷支护结构设计与施工原则 27 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 第7章锚喷支护结构设计与施工原则 28 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蚀而引起风化等 第7章锚喷支护结构设计与施工原则 29 今天我国所有山岭隧道和一些城市地下工程都先采用锚喷的柔性支护结构 是为了能做到 1 容许围岩发生有限变形 2 发挥围岩的自承能力 3 节省工程造价 第7章锚喷支护结构设计与施工原则 30 3 2锚喷支护结构的受力与计算 第7章锚喷支护结构设计与施工原则 31 1 锚杆支护结构2 喷混凝土支护结构3 锚喷联合支护结构 第7章锚喷支护结构设计与施工原则 32 1 锚杆支护结构 锚杆类型 锚杆的力学作用 锚杆的设计与计算 支护块状围岩 加固裂隙围岩 第7章锚喷支护结构设计与施工原则 33 锚杆类型 全长粘结型 第7章锚喷支护结构设计与施工原则 34 锚杆类型 端头锚固型 第7章锚喷支护结构设计与施工原则 35 锚杆类型 端头锚固型 第7章锚喷支护结构设计与施工原则 36 锚杆类型 端头锚固型 第7章锚喷支护结构设计与施工原则 37 锚杆类型 摩察型 第7章锚喷支护结构设计与施工原则 38 锚杆类型 摩察型 第7章锚喷支护结构设计与施工原则 39 锚杆的力学作用 悬吊作用 减跨作用 组合梁作用 整体加固作用 第7章锚喷支护结构设计与施工原则 40 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 第7章锚喷支护结构设计与施工原则 41 减跨作用 在隧道顶板岩层中打入锚杆 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 第7章锚喷支护结构设计与施工原则 42 组合梁作用 在岩层中打入锚杆 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 第7章锚喷支护结构设计与施工原则 43 整体加固作用 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锚固力作用下构成一个均匀的压缩带 即承载环 第7章锚喷支护结构设计与施工原则 44 锚杆的设计与计算 锚杆承载力计算 锚杆锚固长度确定 锚杆直径的确定 锚杆间距的确定 第7章锚喷支护结构设计与施工原则 45 锚杆承载力计算 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 第7章锚喷支护结构设计与施工原则 46 锚杆承载力计算 如图所示 根据静力平衡及正弦定理有 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 第7章锚喷支护结构设计与施工原则 47 锚固长度确定 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 第7章锚喷支护结构设计与施工原则 48 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 第7章锚喷支护结构设计与施工原则 49 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 第7章锚喷支护结构设计与施工原则 50 锚杆直径的确定以抗拉为例 锚杆直径可用下式计算 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 第7章锚喷支护结构设计与施工原则 51 第7章锚喷支护结构设计与施工原则 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 b锚杆间距 一般L1 2b k安全系数2 3 52 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 第7章锚喷支护结构设计与施工原则 53 砂浆锚杆的承载力 第7章锚喷支护结构设计与施工原则 54 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 第7章锚喷支护结构设计与施工原则 55 第7章锚喷支护结构设计与施工原则 56 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 第7章锚喷支护结构设计与施工原则 57 1 锚杆支护结构2 喷混凝土支护结构3 锚喷联合支护结构 第7章锚喷支护结构设计与施工原则 58 2 喷混凝土支护结构喷射砼是将水泥 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过管道压送到喷头与高压水混合 以高速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 第7章锚喷支护结构设计与施工原则 59 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 第7章锚喷支护结构设计与施工原则 60 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 第7章锚喷支护结构设计与施工原则 61 抗冲切计算喷层厚度必须满足 其中 为喷射混凝土抗拉强度 u为危石底面周长 k是安全系数3 5 第7章锚喷支护结构设计与施工原则 62 抗撕裂计算 其中 是喷层和岩石之间的粘结强度 第7章锚喷支护结构设计与施工原则 63 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 第7章锚喷支护结构设计与施工原则 64 整体稳定原理 第7章锚喷支护结构设计与施工原则 65 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 第7章锚喷支护结构设计与施工原则 66 1 锚杆支护结构2 喷混凝土支护结构3 锚喷联合支护结构 第7章锚喷支护结构设计与施工原则 67 3 锚喷联合支护结构 锚喷联合支护修建隧道的基本概念 支护与围岩共同作用的力学原理 锚喷支护结构承载力计算 4 隧道围岩位移量的容许值 二次衬砌支护时间选择原则 第7章锚喷支护结构设计与施工原则 68 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 第7章锚喷支护结构设计与施工原则 69 围岩是隧道稳定的基本部分 尽量维护围岩体的强度特性 第7章锚喷支护结构设计与施工原则 70 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 第7章锚喷支护结构设计与施工原则 71 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 第7章锚喷支护结构设计与施工原则 72 支护与围岩共同作用的力学原理 第7章锚喷支护结构设计与施工原则 73 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 第7章锚喷支护结构设计与施工原则 74 弹塑性理论的基本概念 基于材料试验弹塑性曲线 第7章锚喷支护结构设计与施工原则 75 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 准则为塑性屈服判据 第7章锚喷支护结构设计与施工原则 76 均质围岩中圆形隧道的弹性解 第7章锚喷支护结构设计与施工原则 77 均质围岩中圆形隧道的塑性解 基本方程 边界条件 塑性解 第7章锚喷支护结构设计与施工原则 78 弹性区与塑性区边界上的连续条件当r R时 第7章锚喷支护结构设计与施工原则 79 塑性区半径与支护抗力的关系 第7章锚喷支护结构设计与施工原则 80 由洞周位移计算围岩压力 弹性区引起的应力增量 围岩引起的径向应变 第7章锚喷支护结构设计与施工原则 81 由以上关系得 弹塑性边界上的径向位移 第7章锚喷支护结构设计与施工原则 82 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 第7章锚喷支护结构设计与施工原则 83 用洞周位移表达的围岩压力 第7章锚喷支护结构设计与施工原则 84 第7章锚喷支护结构设计与施工原则 85 第7章锚喷支护结构设计与施工原则 86 围岩支护特性曲线 第7章锚喷支护结构设计与施工原则 87 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 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 第7章锚喷支护结构设计与施工原则 88 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 5 2 0 内拱厚度 第7章锚喷支护结构设计与施工原则 89 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 支护时机及支护方式 第7章锚喷支护结构设计与施工原则 90 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5 10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 一般不超过30毫米 一些容许位移量控制标准 第7章锚喷支护结构设计与施工原则 91 我国 公路隧道施工技术规范 JTJ042 94规定容许相对位移值 第7章锚喷支护结构设计与施工原则 92 法国工业部规定地下工程拱顶处围岩最大容许位移量 第7章锚喷支护结构设计与施工原则 93 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 第7章锚喷支护结构设计与施工原则 94 二次衬砌支护时间选择原则 各测试项目的位移速率明显收敛 围岩基本稳定 已产生的各项位移已达预计总位移量的80 90 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 第7章锚喷支护结构设计与施工原则 95 3 3锚喷支护施工原则实施锚喷支护施工原则 是为了达到以下的目的 1 技术上可靠 2 经济上合理 第7章锚喷支护结构设计与施工原则 96 1 采取各种措施 确保围岩不出现有害松动 第7章锚喷支护结构设计与施工原则 97 洞形及侧压系数的选择问题 即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 第7章锚喷支护结构设计与施工原则 98 采用控制爆破技术 减少对围岩的扰动强度 第7章锚喷支护结构设计与施工原则 99 减少对围岩的扰动次数 尽可能采用全断面一次开挖 第7章锚喷支护结构设计与施工原则 100 初期支护及时快速 及时是抑制围岩变形的有害发展 第7章锚喷支护结构设计与施工原则 101 合理利用开挖面空间效应抑制围岩变形开挖面的 空间效应 是指洞室在掘进过程中 由于受到开挖面的约束 使开挖面附近的围岩不能立即释放其全部位移 这种现象称为开挖面的 空间效应 第7章锚喷支护结构设计与施工原则 102 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 第7章锚喷支护结构设计与施工原则 103 2 使围岩变形适度发展 合理利用围岩自承能力 第7章锚喷支护结构设计与施工原则 104 初期支护采用分次施作的方法 初期支护必须保证围岩达到稳定状态 其作用主要是在有控制的条件下实现 卸压 二次支护主要是提高支护的安全度 其作用主要是限制变形过量 使围岩进入稳定 第7章锚喷支护结构设计与施工原则 105 调节支护封底时间 控制围岩变形 第7章锚喷支护结构设计与施工原则 106 适当延迟支护时间 控制围岩变形原则上 可以通过延迟支护时间来控制围岩变形 不过这个时机很难掌握 因此 常常不宜采取这种方法 第7章锚喷支护结构设计与施工原则 107 3 保证锚喷支护与围岩形成共同体 第7章锚喷支护结构设计与施工原则 108 施工方法和施工措施上保证 列入施工质量检测项目 喷层与岩石的粘结力 锚杆的锚固力 第7章锚喷支护结构设计与施工原则 109 4 选择合理支护类型和参数 并充分发挥其功效 第7章锚喷支护结构设计与施工原则 110 综合考虑各种因素确定支护类型 围岩地质特点 工程断面大小和使用条件要求等 第7章锚喷支护结构设计与施工原则 111 一般情况下 应优先考虑选用喷混凝土支护或锚喷联合支护 坚硬裂隙岩体中的大断面隧道 通常在长锚杆之间还要加设短锚杆以支承其间的岩体 第7章锚喷支护结构设计与施工原则 112 破碎软弱岩体 通常要早支护 早封闭 设仰拱 加强支护 一般采用锚喷网联合支护 塑性流变岩体 支护施作宜 先柔后刚 设置仰拱 形成全封闭环 第7章锚喷支护结构设计与施工原则 113 选择合理的锚杆类型与参数 在围岩中有效形成承载圈锚杆支护设计主要根据围岩地质 工程断面和使用条件等选定锚杆类型 确定锚杆直径 长度 数量 间距和布置方式 第7章锚喷支护结构设计与施工原则 114 锚杆间距的选定 除考虑岩体稳定条件外 一般应能充分发挥喷层作用和施工方便 即通过锚杆数量的变化使喷层始终具有有利厚度 锚杆长度的选取 应当以能充分发挥锚杆的功能作用 并获得经济合理的锚固效果为原则 第7章锚喷支护结构设计与施工原则 115 锚杆的布置 应当采用重点 局部 布置与整体 系统 布置相结合 锚杆的方向 应与岩体主结构面成较大角度 这样则能穿过更多的结构面 有利于提高结构面上的抗剪强度 使锚杆间的岩块相互咬合 第7章锚喷支护结构设计与施工原则 116 合理选择喷层厚度 充分发挥喷层与围岩自身承载力 第7章锚喷支护结构设计与施工原则 117 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 喷层太厚和太薄都是不合理的 第7章锚喷支护结构设计与施工原则 118 合理选择和配置钢筋网和钢支撑 第7章锚喷支护结构设计与施工原则 119 在下列情况下可考虑配置钢筋网 在土砂等条件下 喷射混凝土从围岩表面可能剥落时 在破碎软弱流变岩体和膨胀性岩体条件下 喷层可能破坏剥落时 或需要提高喷混凝土抗剪强度时 地震区或有震动影响的隧道 第7章锚喷支护结构设计与施工原则 120 在下列场合应考虑使用钢支撑 喷射混凝土或锚杆发挥支护作用前 需要使隧道岩面稳定时 用钢管 棚架 钢板桩进行超前支护需要支点时 为抑制地表下沉 或由于压力大 需要提高初期支护的强度或刚性时 第7章锚喷支护结构设计与施工原则 121 5 合理安排施工程序 第7章锚喷支护结构设计与施工原则 122 施工方法的正确性和合理性对锚喷支护的成败和效果有重大影响 特别是开挖程序 掘进进尺 支护和闭合时机等至关重要 第7章锚喷支护结构设计与施工原则 123 第7章锚喷支护结构设计与施工原则 124 开挖台阶数 围岩较好 应尽量采用全断面开挖法 减少对围岩的扰动次数 破碎围岩 分部开挖 减少对围岩扰动的强度 支护次数 第7章锚喷支护结构设计与施工原则 125 第7章锚喷支护结构设计与施工原则 126 第7章锚喷支护结构设计与施工原则 127 第7章锚喷支护结构设计与施工原则 128 6 依据现场监测数据指导施工 第7章锚喷支护结构设计与施工原则 129 由于锚喷支护理论目前还不成熟 故需依靠现场监控量测来掌握围岩动态 修正设计 指导施工以及对支护效果作出正确评价 第7章锚喷支护结构设计与施工原则 130 现场量测内容 隧道内目测观察 隧道收敛量测 地表下沉量测 位移反分析 指导施工 第7章锚喷支护结构设计与施工原则 131 隧道内目测观察 隧道目测观察的目的 预测开挖面前方的地质条件 为判断围岩稳定性提供地质依据 根据喷层表面状态及锚杆工作状态分析支护结构可靠度 第7章锚喷支护结构设计与施工原则 132 隧道目测观察的主要内容 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 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 第7章锚喷支护结构设计与施工原则 133 绘制开挖工作面的素描剖面图 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 第7章锚喷支护结构设计与施工原则 134