新奥法与锚喷支护.ppt

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1、第15章新奥法与锚喷支护n本讲要点n理解理解新奥法和喷锚支护的实质与联系、喷锚支护的概念、喷射混凝土的两种作用、支护内力的计算内容和过程；n掌握掌握深埋和浅埋隧道围岩压力的计算、围岩压力的计算方法、锚杆支护的作用与计算方法、新奥法与锚喷支护结合的原理、二次支护判定标准。n难点难点是理解位移支护曲线。n主要内容主要内容15.1概述15.2围岩分级15.3喷锚支护设计15.4施工信息的反馈15.5围岩稳定性的分析15.1概述n15.1.1新奥法简介n奥地利学者L.V.Rabcewicz二十世纪60年代出提出了“新奥地利隧道施工法”（NewAustrianTunnellingMethod，简称为：“

2、新奥法”（NATM）；或称为：n（1）“欧洲隧道掘进法”n（2）“收敛约束法”（ConvergenceConfinementMethod）。n新奥法：围岩本身具有“自承”能力，若采用正确的设计施工方法，最大限度地发挥这种自承能力，即可以使得经济效果达到最佳。新奥法要点 n1）尽可能不扰动周边围岩，开挖之后及时进行一次支护，然后视需要进行二次支护。n2）支护都是柔性的，以适应围岩的变形。n3）目前采用经验统计类比的方法做预设计，再在施工过程中不断监测围岩的应力、应变状况，按其发展规律来调整支护措施。n新奥法适用条件及要求n1、适用条件：深埋、浅埋、中等埋深均可；n2、要求n1）勘测、设计、施工、

3、控制各环节密切配合；n2）尽可能地发挥围岩的自承作用，采用控制爆破（光面爆破、预裂爆破）。新奥法的优点n1）经济、快速。n若以面积A为100，设计衬砌量B和超挖量的面积C。可以看出，由于采用控制爆破、柔性薄衬砌，新奥法的开挖量为老方法的73（110/151），衬砌量为老方法的20。此外，还可省去全部木模和40以上的混凝土，降低支护成本30以上（具体见表15-1）。n2）安全、适应性强新奥法施工的主要原则n（1）围岩是洞室的主要承载结构，而不是单纯的荷载，它具有一定的自承能力。n（2）尽量保持围岩原有的结构和强度；n（3）尽可能作到适时支护。n（4）支护本身应具有薄、柔、与围岩密贴和早强等特性，

4、支护施工应及时快速，使围岩尽快封闭而处于三向受力状态。n（5）洞室尽可能为圆形断面，或由光滑曲线连接而形成的断面，以避免应力集中。n（6）良好的施工组织和施工人员的良好素质对洞室结构施工的安全、经济非常重要。n新奥法施工的基本原则可以归纳为少扰动、早喷锚、勤量测、紧封闭。少扰动，是指在进行隧道开挖时，要尽量减少对围岩的扰动次数、扰动强度、扰动范围和扰动持续时间。因此要求能用机械开挖的就不用钻爆法开挖；采用钻爆法开挖时，要严格地进行控制爆破；尽量采用大断面开挖；根据围岩类别、开挖方法、支护条件选择合理的循环掘进进尺；自稳性差的围岩，循环掘进进尺应短一些；支护要尽量紧跟开挖面，缩短围岩应力松弛时间

5、。n早喷锚，是指开挖后及时施作初期锚喷支护，使围岩的变形进入受控制状态。这样做一方面是为了使围岩不致因变形过度而产生坍塌失稳；另一方面是使围岩变形适度发展，以充分发挥围岩的自承能力。必要时可采取超前预支护措施。n勤量测，是指以直观、可靠的量测方法和量测资料来准确评价围岩（或围岩加支护）的稳定状态，或判断其动态发展趋势，以便及时调整支护形式、开挖方法，确保施工安全和顺利进行。量测是现代隧道及地下工程理论的重要标志之一，也是掌握围岩动态变化过程的手段和进行工程设计、施工的依据。n紧封闭，一方面是指采取喷射混凝土等防护措施，避免围岩因长时间暴露而致强度和稳定性的衰减，尤其是对于易风化的软弱围岩。另一

6、方面更为重要的是指要适时对围岩施作封闭形支护，这样做不仅可以及时阻止围岩变形，而且可以使支护和围岩能进入良好的共同工作状态。新奥法施工程序新奥法施工程序模板类型模板类型15.1.2现代支护结构原理与类型一、现代支护结构原理现代支护结构原理一方面要求采用快速支护，紧跟作业面支护，预先支护等手段限制围岩进入松动；另一方面却要求采用分次支护，柔性支护，调节仰拱施作时间等手段允许围岩进入一定程度的塑性，以充分发挥围岩的自承能力。包含的主要内容（5个方面）：(1)现代支护结构原理是建立在围岩与支护共同作用的基础上，即把围岩与支护看成是由两种材料组成的复合体。(2)充分发挥围岩自承能力是现代支护结构原理的

7、一个基本观点，并由此降低围岩压力以改善支护的受力性能。（围岩自承能力：岩石的应力应变曲线和岩体节理面的摩擦力与位移的关系曲线）(3)现代支护原理的另一个支护原则是尽量发挥支护材料本身的承载力。采用柔性薄型文护，分次支护或封闭支护，以及深入到围岩内部进行加固的锚杆支护，都具有充分发挥材料承载力的效用。试验表明，一般双层混凝土支护比同厚度单层支护承载力高20一30（说明复合支护结构的优越性）。(4)根据地下工程的特点和当前技术水平，现代支护原理主张凭借现场监控测试手段，指导设计和施工，并由此确定最佳的支护结构型式，参数和最佳的施工方法与施工时机。(5)现代支护原理要求按岩体的不同地质、力学特征，选

8、用不同的支护方式，力学模型和相应的计算方法以及不同的施工方法。如稳定地层、松散软弱地层、塑性流变地层、膨胀地层都应当分别采用不同的设计原则和施工方法。而对于作用在支护结构上的变形地压、松动地压及不稳定块体的荷载等亦都应当采用不同的计算方法。二、支护结构类型按支护的作用机理，目前采用的支护大致可归纳为如下三类三类：1.刚性支护结构刚性支护结构：一般用来承受强大的松动地压。通常采用现浇混凝土，有的采用石砌块或混凝土砌块。中间有回填层，其防水和防潮的效果较差。2.柔性支护结构柔性支护结构 它既能及时地进行支护，限制围岩过大变形而出现松动，又能允许围岩出现一定的变形；锚喷支护、预制的薄型混凝土支护，硬

9、塑性材料支护及钢支撑等；3.复合式支护结构：复合式支护结构：复合式支护结构一种新兴的支护结构型式，是柔性支护与刚性支护的组合。主要用于软弱地层，尤其是适用于塑性流变地层。近年来复合式支护结构常用于一些重要工程或者内部需要装饰的工程，以提高支护结构的安全度或改善美化程度。15.1.2锚喷支护简介n锚喷支护（ShotcreteandBolting）是采用喷射混凝土、钢筋网喷射混凝土、锚杆喷射混凝土或锚杆钢筋网喷射混凝土等在毛洞开挖后及时地对地层进行加固的结构。1、锚喷支护的工艺特点锚喷支护属柔性薄型支护，容易调节围岩变形，发挥围岩自承能力。特点：支护及时性，柔性、围岩与支护的密贴件，封闭性施工的灵

10、活性等特点。2、锚喷支护的力学作用两种分析方法：一种是从结构观点出发，如把顷层与部分围岩组合在一起，视作组合梁或承载拱，或把锚杆看作是固定在围岩中的悬吊杆等。另一种是从围岩与支护的共同作用观点出发，它不仅是把支护看作是承受来自围岩的压力，并反过来也给围岩以压力，由此改善围岩的受力状态(即所谓支承作用支承作用)；施作锚喷支护后还可提高围岩的强度指标，从而提高围岩的承载能力(即所谓加固作用加固作用)。这两种作用都能赵到稳定围岩的作用。一般情况下，传统支护没有这两种作用，只是一种被动地承受松动荷载的支撑结构。3、锚喷支护的类型：锚喷、锚喷网、锚喷网架联合支护锚喷：锚杆和喷射混凝土各有其忧缺点。“锚喷

11、”联合支护，恰能做到使二者取长补短，相辅相成，是一种性能更好的支护型式。锚喷网：喷射混凝土能有效控制锚杆间的活石，但其本身性脆当岩体变形量大时，易开裂剥落。解决办法是采用钢纤维喷射混凝土或在喷射混凝土前敷设金属网(通常用9668mm的细圆钢制成150mmXl50mm或200mm200mm的网格)，喷后成钢筋混凝土层，改善了喷层的抗拉性能，此可称为“锚喷网”联合支护。锚喷网架：在岩体变形量更大或有岩爆倾向的条件下，可考虑将锚喷和钢拱架(刚性金肩拱形支架或u型钢拱形可缩性支架)联合应用，形成“锚喷网架”联合支护。1.锚杆的作用：6个作用P545542.钢拱架的作用：4个作用P5543.钢筋网的作用

12、：P5544、锚喷支护的优点n节省、加快施工进度；节省、加快施工进度；n符合岩体力学原理的符合岩体力学原理的积极支护积极支护方法方法 ；n柔性好，它能与围岩柔性好，它能与围岩变形一致变形一致，从而与，从而与之构成一个之构成一个共同工作共同工作的承载体系的承载体系 ；n锚喷支护技术不再把围岩仅仅视作荷载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（松散压力），同时还把它视为承载结承载结构构的组成部分。锚喷支护结构承受荷载的组成部分。锚喷支护结构承受荷载的性质为围岩的的性质为围岩的形变压力形变压力。5、锚喷支护的适用条件及要求n配合配合光面爆破等控制爆破光面爆破等控制爆破技术，使

13、开挖技术，使开挖断面轮廓平整、准确，便于锚喷成型，断面轮廓平整、准确，便于锚喷成型，并并减少回弹减少回弹量；量；n减轻爆破对围岩的松动破坏，减轻爆破对围岩的松动破坏，维持维持围岩围岩强度和强度和自承能力自承能力。15.1.3新奥法与锚喷支护n1 1、不能将新奥法等同于锚喷支护；、不能将新奥法等同于锚喷支护；n2 2、既有密切、既有密切联系联系又有原则又有原则区别区别；n3 3、锚喷支护是快速有效、有可能使新奥法、锚喷支护是快速有效、有可能使新奥法的基本原则得以实现的支护施工的基本原则得以实现的支护施工手段手段。n4 4、不把围岩看成自承结构，不充分发挥围、不把围岩看成自承结构，不充分发挥围岩本

14、身的作用，即使大量采用锚喷支护，岩本身的作用，即使大量采用锚喷支护，也不能认为是应用了新奥法。也不能认为是应用了新奥法。15.2围岩分级n服务于锚喷支护设计的围岩分类技术n围岩类别15.3喷锚支护设计n设计方法概述n工程类比设计法n锚杆支护结构n锚杆的整体加固作用n锚喷支护的设计与施工原则设计方法：设计方法：目前，锚喷支护设计有三种方法三种方法：即 1)以围岩分类为基础的工程类比法设计：工程类比法设计是当前应用最广的设计方法，它是根据已经建成的类似工程经验直接提出支护设计参数，工程经验主要涉及围岩分类和洞室跨度。2)以计算为基础的理论分析法：理论分析法则是根据围岩的破坏机理或破坏理论进行几何分

15、析或受力分析，确定锚喷支护的设计参数。3)以量测为基础的现场监控法设汁：监控法设计是通过现场监测，在获得围岩力学动态和支护体系的工作状态信息的基础上，反馈修正或确定锚喷支护设计参数。锚喷支护的三种设计方法各有利弊，因此三种方法应结合使用，互相渗透，互相补充。1)直接对比法：一般是以围岩的岩体强度和岩体完整性、地下水影响程度、洞室埋深、可能受到的地应力、工程的形状与尺寸、施工的方法、施工的质量以及使用要求等方向因素，将设计的工程与上述条件基本相同的已建工程进行对比，由此确定锚喷支护的类型与参数。2)间接类比法：一般是根据现行锚喷支护技术规范，按其围岩类别表及锚喷支护设汁参数确定拟建工程的锚喷支护

16、类型与参数。设计原则：设计原则：各锚喷支护规范在编写设计规定和锚喷支护设计参数表时，通常遵循的原则如下：P62634 工程类比设计法：工程类比设计法：通常有直接对比法和间接类比法两种。n(1)锚喷支护设计参数表的制定是基于国内大量锚喷工程的实践，它以工程实例为依据，并经过综合分析，卡要校园岩类别与洞跨给出相应支护类型与参数。n(2)根据不同的围岩压力特点，对拱、墙等不同部位采用不同的支护参数。一般中等稳定以上的围岩主要为局部失稳破坏而承受松散地压。所以，支护参数的选定应贯彻“拱是重点、拱墙有别”的原则；而对不稳定的围岩主要承受变形地压所以拱墙宜采用相同的支护参数。n(3)力求体现锚喷支护灵活性

17、的特点及围岩局部破坏局部加固、整体加固与局部加强的等强度支护原则。对不同的岩体和不向的部位分别采用不同的文护类型与参数。例如在同一级围岩类别中相同跨度的洞室，可根据岩体结构类型、结构面倾角及岩层走向与洞轴线交角不同而不同。如缓倾角的层状岩体或软硬互层的层状岩体，宜在拱部采用锚喷支护而边墙采用喷混凝土支护。又如岩层走向与洞轴线夹角较小，又为陡倾角岩层时，则必须在易向洞内顺层滑落的边墙上采用锚喷支护。n(4)锚喷支护参数表中，考虑了备种设计方法的配合，虽然参数表中给出的支护参数是根据上程类比确定的，但要确定最终支护参数，有的还要借助于监控设计和理论设计。n(5)考虑不同的工程对象，对重要工程宜采用

18、支护参数表中的上限值，而一船工程宜采用下限值。n(6)支护参数由锚喷支护设计参数表与规范中的有关条文共同确定。例如对不稳定围岩，要求锚杆有一定的密度，通常在条文中规定了锚杆的最大间距限。锚喷支护的设计步骤（5个步骤）：（1）调查地质和水文地质情况，分析围岩的稳定条件；n（2）用工程类比方法选择支护类型及设计参数，对锚喷支护进行受力分析和结构计算，并提出施工注意事项；n（3）支护施工中，严密监测地质情况的变化，及时修改设计参数，变更施工工序；n（4）支护完成后，分析隧道的稳定状况，对其长期稳定性作出评价。必要时，可对支护变形和应力进行量测，包括施工阶段的监测；n（5）总结经验，改进设计与施工。掌

19、握岩体变形、坍塌的规律之后，在恰当的时间，采用适当的办法进行支护。锚喷支护的设计与施工原则15.2隧道围岩压力的确定n4.2.1围岩压力n开挖隧道使围岩原有的平衡状态破坏了，对隧道周围一定范围内的围岩产生了不同程度的扰动。n支护结构要阻止围岩的移动、变形，支护结构就必然要受到围岩所施加的力，即围岩压力。初始应力n平衡状态下的三向应力：隧道开挖前后的变化硬岩及软岩在隧道开挖后应力重新分布范围的大小与地质条件有关，一般为隧道开挖跨度的0.52.5倍。围岩压力特点n在坚硬、完整岩体中，由于岩体强度高，影响范围小，岩体能承受周边急剧增大的应力，可使隧道保持稳定，一般只有弹性变形而不会破坏；n而在松软、

20、破碎岩体中，由于岩体不能承受增大的应力，在一定范围内的岩石就要松动、破坏并向隧道内坍塌。n围岩压力类型有垂直压力、侧压力和底压力，15.2.2隧道围岩压力的确定n1）深埋隧道围岩压力的确定n各类围岩的重度ni为每增减1m时的围岩压力增减率。以B5.0m的围岩垂直均布压力为准，当B60MPanV:呈大块状砌体结构硬质岩石,Rb30MPanIV:呈块（石）碎（石）状镶嵌结构nIII:略具压密或成岩作用的粘性土、砂性土nII:湿的一般碎、卵石土，圆砾、角砾土及黄土nI：软塑状粘性土及潮湿的粉细砂等表15-3各类围岩的重度围岩类别(kN/m3)25.527.424.526.522.524.518.62

21、1.616.719.614.716.7注：对类围岩的老黄土采用16.717.6kN/m3；对类围岩的新黄土采用14.7kN/m3。表15-4围岩水平均布压力e围岩类别、e00.15q(0.150.3)q(0.30.5)q(0.51.0)q必须同时具备下列条件：n（1）H/B1.7，式中：H为隧道开挖高度；B为隧道开挖宽度。n（2）不产生膨胀力的围岩及偏压不显著的隧道；n（3）采用钻爆法施工的隧道。2）浅埋隧道围岩压力的确定n按荷载等效高度的判定式为：n在新奥法施工的条件下，类围岩取，类围岩。（1）埋深H小于或等于荷载等效高度hqn围岩压力完全由上覆岩（土）柱的重力产生，视为均布时，垂直压力和水

22、平压力为：（2）埋深H大于hq、小于Hpn在这种情况下，隧道上覆土体下滑时要考虑滑面阻力的影响，否则计算出的压力值过大。滑面阻力T、F计算简图EFHG岩（土）体下沉，带动两侧三棱土体（如图中岩（土）体下沉，带动两侧三棱土体（如图中FDB及及ECA）下沉受到阻力）下沉受到阻力T，整个土体整个土体ABDC下沉时，又要受到未扰动岩（土）体的阻力下沉时，又要受到未扰动岩（土）体的阻力F；AC或或BD表示假定的破裂面表示假定的破裂面 与水平成与水平成 角；角；计算简图TF计算过程nT未知n三棱体ECA中，受到三个力：TFW（上覆岩层重量）运用正弦定理：极限状态下可以求得破裂面的夹角n总垂直压力：n简化为

23、：竖向均布荷载和水平侧压力15.3锚喷支护结构n4.3.1锚喷支护的设计步骤（5个步骤）：n（1）调查地质和水文地质情况，分析围岩的稳定条件；n（2）用工程类比方法选择支护类型及设计参数，对锚喷支护进行受力分析和结构计算，并提出施工注意事项；n（3）支护施工中，严密监测地质情况的变化，及时修改设计参数，变更施工工序；n（4）支护完成后，分析隧道的稳定状况，对其长期稳定性作出评价。必要时，可对支护变形和应力进行量测，包括施工阶段的监测；n（5）总结经验，改进设计与施工。掌握岩体变形、坍塌的规律之后，在恰当的时间，采用适当的办法进行支护。锚喷支护的设计与施工原则15.3.2锚喷支护的受力分析和结构

24、计算n影响因素比较复杂,多种计算方法,尚处于半经验半理论阶段.n1、锚杆支护结构；n2、喷射混凝土支护；1、锚杆支护结构n全长粘结型锚杆：普通水泥砂浆锚杆、早强水泥砂浆锚杆、树脂卷锚杆和水泥卷锚杆；n端头锚固型锚杆；机械锚固锚杆、树脂锚固锚杆、快硬水泥卷锚固锚杆；n摩擦型锚杆；缝管锚杆、楔管锚杆、水胀锚杆；n预应力锚杆；n自钻式锚杆。（1）锚杆的设计计算n锚杆的轴向拉力标准值、设计值n锚杆钢筋截面面积锚杆抗拉工作条件系数，永久性锚杆取0.69，临时性锚杆取0.92；锚杆锚固体与地层的锚固长度锚杆钢筋与锚固砂浆之间的锚固长度n钢筋与锚固砂浆之间的粘结强度设计值（kPa），应由试验确定，当缺乏试验

25、资料时可按表4-9取值；n钢筋与砂浆粘结强度工作条件系数，对永久性锚杆取0.60，对临时性锚杆取0.72。n锚杆支护可以根据不同围岩的岩层产状和稳定状况灵活进行。n其作用原理主要有联结作用、组合作用和整体加固作用。（2）锚杆的联结作用n用锚杆将它们联合起来，并将锚杆尽可能深入到稳定的岩层中，考虑锚杆承担全部不稳定岩块的重量。n锚杆承载力计算建筑边坡工程技术规范（GB503302002）规定：n用锚杆加固局部不稳定块体时，锚杆抗力应满足下列要求：na.加固受拉破坏的不稳定危岩块体，锚杆抗拉承载力应满足：nb.加固受剪破坏的不稳定危岩块体，锚杆抗剪承载力应满足：锚杆长度n锚杆总长度应为锚固段、自由

26、段和外锚段的长度之和，并应满足下列要求：na.锚杆自由段长度按外锚头到潜在滑裂面的长度计算；预应力锚杆自由段长度应不小于5m，且应超过潜在滑裂面；nb.锚杆锚固段长度应按式（4-22）、（4-23）进行计算，并取其中大值。构造n土层锚杆的锚固段长度不应小于4m，且不宜大于10m；n岩石锚杆的锚固段长度不应小于3m，且不宜大于45D（D为锚固体直径）和6.5m，或55D和8m（对预应力锚索）；（3）锚杆的组合作用n锚杆的组合作用是依靠锚杆将数层薄层的岩层组合在一起，形成组合拱或组合梁，以提高岩层整体的抗剪、抗弯的能力。n锚杆提供的抗剪力、抗拉力，以及锚杆的锚固力使将要滑动的岩块得以稳定，阻止层面

27、的互相错动。n锚杆应按与岩层层面垂直的方向设置。如对锚杆施加预应力，可提高其支护效果。（4）锚杆的整体加固作用n通过有规律布置的一系列锚杆，将邻近的岩体联结在一起，能阻止不稳定岩石的滑移，促使岩石之间的间隙面压紧，同时使隧道四周一定范围内的围岩组成一个承载环。由于锚杆支护力的作用，压缩带获得径向支护力，使压缩带中的岩体处在三向受压状态。砂浆锚杆的加固作用砂浆锚杆的承载力可用下式表示n当围岩产生位移时，锚杆单位长度上的承载力Ps/L1与的合力阻止围岩位移的发展，产生支护力，并使在锚杆间的围岩产生压缩和成拱作用，提高了围岩强度并缩小了围岩的承载跨度（等于锚杆间距），从而达到稳定和加固围岩的目的。本

28、讲要点n掌握围岩压力的计算方法；n理解喷锚支护的概念；n掌握锚杆支护的作用与计算方法；2）喷射混凝土支护结构n两个方面起支护作用：n（1）局部稳定原理n（2）整体稳定原理n喷射混凝土的设计强度等级不应低于C20；喷射混凝土1d龄期的抗压强度不应低于5MPa。（1）局部稳定原理n喷射混凝土支护结构及时封闭岩层表面的节理、裂隙，填平或缓和表面的凹凸不平，使隧道内的轮廓较为平顺，从而提高围岩节理、裂隙间的粘结力、摩阻力和抗剪强度，并减少应力集中现象。n喷射混凝土关键是控制冠石，此时，喷射混凝土需能承受冠石的重量。喷层对局部不稳定危岩块体的抗拉承载力应按下式验算（冲切）n喷层工作条件系数，取0.6；n

29、ft喷射混凝土抗拉强度设计值（kPa）；nh喷层厚度nur不稳定危岩块体出露面的周边长度a）按冲切破坏计算；b）按撕开破坏计算整体稳定原理n喷射混凝土与围岩表面紧密贴合，形成组合结构共同工作。n一方面在与围岩共同承载和变形过程中对围岩提供支护力，使围岩变形得到控制，应力得以调整；n另一方面承受来自围岩变形引起的形变压力，从而使围岩保持稳定。3）新奥法中锚喷联合支护的应用（1）新奥法与锚喷支护n较好的围岩（如类以上围岩），可以喷射混凝土为主，锚杆加固以辅；n较差的围岩，则以锚杆，尤其是预应力锚杆作为主要的岩体加固手段，并与喷射混凝土、钢筋网喷射混凝土或加钢拱的钢筋网喷射混凝土配合使用。施工步骤n

30、新奥法以及时的锚喷作为临时支护，称为第一次衬砌。n第一次衬砌可以起到稳定围岩，控制围岩应力和变形，防止围岩松驰、坍塌等作用。n待其基本稳定后，再加做模注混凝土二次衬砌。n原来的临时支护（锚喷支护）成为永久衬砌的一个组成部分。n二次衬砌基本上不承受荷载或承受很小的荷载，主要是为了满足隧道结构物的安全、耐久、防水和饰面等的需要。（2）新奥法中支护与围岩共同作用的力学原理n支护结构的设计原理是围岩和柔性支护共同变形、破坏的弹塑性理论。n围岩为均质、各向同性的连续弹塑性体，岩体在塑性变形、剪切破坏后仍有残余强度；隧道初始应力场为自重应力场，侧压力系数1；隧道断面形状为圆形；在一定的埋深条件下，将隧道看

31、作无限体中的孔洞问题。“莫尔-库伦”准则作为“塑性判据”围岩的弹塑性状态1弹塑性状态应力分布曲线；2弹性状态应力分布曲线弹性区中任一点的应力为n弹性区中任一点的径向应力；n弹性区中任一点的切向应力；nr弹性区中任一点到隧道中心的径向距离。nP0原岩应力塑性区中任一点的应力公式为n塑性区中靠近隧道内缘的应力，因满足塑性条件而相对减小，成为“应力降低区”，而最大的应力发生在围岩中塑性区与弹性区的交界面上。在弹性区与塑性区的交界面上（r=R处）n令两式分别相等，整理后可得：n支护力pi越小，则围岩中出现的塑性区半径nR越大；n围岩中出现的塑性区半径R越大，则围岩对支护的形变压力pa（与支护力pi相平

32、衡）越小。n岩体的原岩应力p0越大，则塑性半径R就越大。np0反映围岩强度性质的两个指标，即粘聚力c和内摩擦角越小，岩体强度越低，则塑性半径R就越大。n新奥法柔性支护理论的出发点，是设计、施工中采取支护措施时要积极利用的，以便使支护受到尽可能小的形变压力。隧道周边的径向位移un隧道周边径向位移u的大小，主要取决于支护力pi。当pi减小时，u增大；反之，u减小。n围岩位移曲线围岩位移、支护特性曲线n隧道开挖后，若支护非常快，且支护刚度又很大，隧道周边围岩没有变形或变形很小，图中A点取得平衡，支护需提供很大支护力pmax；围岩仅负担产生弹性变形u0的压力；n假如平衡位置由A点移至C点、E点，则形变

33、压力由pmax减至、。n若隧道开挖后不加支护，或支护很不及时，即允许围岩自由变形。表现为曲线DB。这时，隧道周边位移达到最大值umax，形变压力pa很小或接近于零。n围岩已经出现松驰、坍塌，围岩对支护的压力就是松散压力，只能按传统施工方法施作模注混凝土衬砌。n较佳的支护工作点应当在D点以左附近，如图中E点。在该点上，围岩既可产生较大的变形，以较多地分担岩体压力（），而由支护分担的形变压力较小（）；n最重要的便是如何掌握好施作时间（以围岩的变形来判断）和支护刚度k（支护特性曲线的斜率）。n两次支护：n首先在隧道开挖后，及时地进行初期支护和封闭；n通过对围岩变形的监测，掌握隧道周边围岩和支护的变形

34、情况，待变形基本趋于稳定时，即达到图中i点附近时，再进行第二次支护。n如作内层二次衬砌，所承受的形变压力就更小，或为零。n通过上述两次支护的手段，便可以达到支护衬砌结构的合理、经济、安全的目的。本讲要点n理解喷射混凝土的两种作用；n掌握新奥法与锚喷支护结合的原理：难点是理解位移支护曲线。（3）新奥法锚喷支护的结构计算和支护监控n新奥法支护设计的主要方法有：na.以工程类比为基础的经验法；nb.以现场测量为基础的监控法；nc.以理论分析为基础的计算法；nd.以上3种方法相结合的综合法。n新奥法锚喷柔性支护中，支护和围岩紧密贴合，共同工作，支护和围岩发生的破坏主要为剪切破坏。n其稳定的丧失常常是由

35、围岩中产生塑性剪切滑移楔体开始的。而锚喷支护则和其加固的岩体承载环三者的联合作用所提供的支护力pi来阻止围岩中剪切楔体沿滑动面向隧道位移。剪切滑动面曲线方程n新奥法中锚喷支护的结构计算是按锚喷支护对隧道围岩的加固作用和支护作用进行计算。n隧道侧壁岩体的滑移面,以极坐标表示，该曲线的方程为莫尔应力圆与莫尔滑动包络线锚杆、喷层和岩体的联合作用支护力的构成n沿喷层A处剪切面的抗剪阻力，即喷层给剪切体的水平推力n喷层内如设有钢筋网（或钢拱支撑），喷层将增加抗剪支护力n锚杆所提供的支护力计算n支护结构所提供的支护力n岩体沿滑面S上提供的支护阻力喷层A水平推力喷层破坏剪切角(与竖向夹角)；d 喷层厚度；喷

36、层的抗剪强度；b剪切体总高度。锚杆按锚杆体抗拉强度计算，锚杆的径向平均支护力：砂浆锚杆，可能沿孔壁粘结面破坏，宜用下式计算a剪切滑面在隧道壁面上的投影n将的作用面转换成垂直面上的投影，并同取得平衡，则支护结构所提供的支护力n根据力的平衡，认为等于支护结构所提供的支护力。岩体沿滑面S上提供的支护阻力n尚有剪切体滑面S长度上的抗剪应力和正应力的水平分力，其和为图形:岩体剪切滑面与水平面之平均倾角剪应力和正应力总的支护力n实际工作中，支护设计标准的确定，包括支护时间和支护类型的确定，支护后变形数值的判定标准，是否进行二次支护，以及何时进行二次支护等往往要依靠经验确定。新奥法支护变形监控1-喷射混凝土

37、；2-设锚杆；3-设模注内层二次衬砌；4-测线图4-17新奥法支护变形监控标准n采用两次支护的地下工程，后期支护的施作，应在同时达到下列3项标准时进行：n隧道周边水平收敛速度小于0.2mm/d；拱顶或底板垂直位移速度小于0.1mm/d；n隧道周边水平收敛速度，以及拱顶或底板垂直位移速度明显下降；n隧道位移相对值已达到总相对位移量的90%以上。n隧道稳定的判据是后期支护施作后位移速度趋近于零，支护结构的外力和内力的变化速度也应趋近于零。本讲要点n理解支护内力的计算内容和过程；n掌握二次支护判定标准。NATM法（即：收敛限制法）新奥地利隧道法(NATM)，简称新奥法Rabcewicz(1964)提

38、出的，但在20年后才真正获得突破性应用。观点：一般情况下，开挖洞室时产生的切向应力总是高于径向应力，因此，如果支护体系在支护体和岩体界面之间以增加摩擦阻力的方式提供切向阻力，那么，因开挖引起的进一步应力松动可以被有效地阻止。喷射混凝土提供了强大的摩擦阻力，而提供理想阻力的仅是密贴式的薄层混凝土环。使用锚喷支护将能进一步提高这种薄层混凝土环的阻抗力。新奥法也是一种监测法，需要：使用带有或不带锚杆、钢筋网和格子梁的薄层混凝土；监测和观察洞室净空收敛情况。如果发现收敛值超过允许极限，需要加喷第二层混凝土直至收敛停止或在许可范围内。因而，喷射混凝上的最优厚度取决于允许变形量。收敛限制法 随着新奥法的问

39、世和与新奥法有关的研究工作的不断深入，近年来在地下结构设计理论中又出现了根据洞周位移实测值反馈设计衬砌结构的收敛限制法 收敛限制法通常以弹塑性本构关系作为其理论分析的基础，在收敛变形量测方面事实上还计人了时间因素表15-1老方法与新奥法工程量对比老方法新奥法有效使用面积A100100混凝土衬砌面积B367超挖面积C153B+C5110树脂内锚头锚杆(图35)1、不饱和聚脂+加速剂+填料2、纤维纸或塑料袋3、固化剂+填料4、玻璃管5、堵头（树脂胶泥封口）锚喷支护的设计与施工原则（P55614）一、采取各种措施，确保围岩不出现有害松动一、采取各种措施，确保围岩不出现有害松动二、调节控制围岩变形，在

40、不进入有害松动条件下，要求二、调节控制围岩变形，在不进入有害松动条件下，要求围岩有一定程度的塑性变形以便最大限度地发挥围岩自承围岩有一定程度的塑性变形以便最大限度地发挥围岩自承能力能力三、保证锚喷支护与围岩形成共同体三、保证锚喷支护与围岩形成共同体四、选用锚喷支护参数的原则四、选用锚喷支护参数的原则五、锚喷支护的合理施工方法五、锚喷支护的合理施工方法六、按照现场监控测试数据指导设计施工六、按照现场监控测试数据指导设计施工七、应当对不同类型固岩采用不同的支护方式七、应当对不同类型固岩采用不同的支护方式一、采取各种措施，确保围岩不出现有害松动(1)在洞室布置和结构造型方面应尽量合理。洞室轴线与洞形

41、洞室轴线与洞形选择应适应原岩应力状态和岩体的地质、力学特征。当围岩压力来自四周时宜选用圆形断面。除坚硬岩层外，一般宜设置仰拱，形成封闭支护。断面轮廓尽可能平整圆滑，施工采用控制爆破，以减小围岩应力集中和增强喷层结构效应。当围岩地质条件沿洞室轴向变化时，一般维持原开挖断面不变，采用增减锚杆支护和钢筋网数量的方法加以调节。(2)支护及时快速，采用速凝和早强喷混凝土支护。规范规定，一天的抗压强度不应低于5MPa。亦可采用早强的锚杆，如树脂锚杆、摩擦型锚杆，早强砂浆锚杆，必要时还可采用超前锚杆支护或钢架。在抑制围岩变形和松动方面，及时进行支护往往具有最佳效果。(3)利用开挖面的“空间效应”。抑制围岩变

42、形。目前在松软地层中广泛采用紧跟开挖面支护方法紧跟开挖面支护方法就是基于这一道理，因而施工中要求把文护工作面与开挖工作面的距离限制在一定范围之内。(4)尽可能地减少施工和其他外界因素(主要是水和潮气)对围岩的影响。如采用控制爆破，机械开挖控制爆破，机械开挖。破碎软弱岩体应尽量少采用普通爆破开挖；风化、潮解，膨胀等围层要及早封闭；在地下水的裂隙岩体，则要注意防止过大的渗透压力。二、调节控制围岩变形，在不进入有害松动条件下，要求围岩有一定程度的塑性变形以便最大限度地发挥围岩自承能力 (1)采用两次喷层或两次锚固方法是调控围岩变形的一种重要手段。在初次喷混凝土或锚固时，由于喷层薄、支护少，就能有控制

43、地允许围岩出现较大的变形。当第二次锚喷时，又能迅速降低变形量，以免出现过量变形而使围岩丧失稳定。当围岩变形量很大时，则必须再加大支护可塑性来调控围岩变形。实际上，锚杆本身是一种良好的可缩性支护，在所有支护构件中，只有锚杆支护能不受围岩变形影响而保持支护的抗力。（喷层纵向变形缝图）(2)调节支护封底时间也是调控围岩变形的一种手段。作仰拱仰拱前，围岩可有较大变形，但一旦设置了仰拱，变形就迅速完成(见图3-14)。对于破碎软弱岩层，尤其是对一些缺乏经验的施工队伍来说，要求封底时间不能太晚，一般应在复喷前或复喷时进行。(3)原则上可通过延迟支护的时间来调控围岩变形，但一般不采用这种手段，因为支护晚，容

44、易出现有害松动。三、保证锚喷支护与围岩形成共同体由于计算模型中，把支护和围岩视作统一共同体，因此要求围岩、喷层和锚杆之间具有良好粘结和接触，以造成三者共同受力的条件。例如喷层与岩石、喷层与喷层、喷层与钢筋网、岩石与锚杆间都要求有良好连接。当前，喷层与岩石的粘结力和锚杆锚固力都是施工质量的检验项目。锚杆的锚固力应力求能与锚杆承载力相当，以充分发挥锚杆强度作用。从这一角度看，采用全长粘结式螺纹锚杆效果最佳。四、选用锚喷支护参数的原则(1)(1)锚杆布置与参数：锚杆布置与参数：应当采用局部布置与系统布置相结合的原则。锚杆位置及方向：锚杆位置及方向：为防止危石和局部滑榻，应重点加固节理面和软弱夹层，重

45、点加固部位放在顶部和侧壁上部。为防止围岩整体失稳，当原岩的最大主应力位于垂直方向时，应重点加固两侧，但围岩顶部仍应配以相当数量的锚杆。而当最大主应力位于水平方向时，则应把锚杆重点配置在因岩顶部。锚杆数量及间距：锚杆数量及间距：一般应以充分发挥喷层作用和施工方便为原则，即通过锚杆数量的变化使喷层始终具有有利的厚度。合理的锚杆数量是恰好使初期支护的喷层刚好达到稳定状态，而复喷厚度就作为支护强度提高的安全系数。为了防止锚杆之间的片体发生塌落，通常还要求锚杆纵横向间距纵横向间距不大于锚杆的一半长度一半长度，在不稳定围岩中，还不得大于规定的最大间距。此外，锚杆的纵向间距纵向间距最好与一次掘进的长度相应，

46、以便于施工。锚杆长度锚杆长度：应当是充分发挥锚杆强度作用，并以获得经济合理的锚固效果为原则。锚杆的最小长度最小长度一般不应小于围岩松动区厚度。锚杆型式锚杆型式：目前应用最广的是全长粘结式锚杆全长粘结式锚杆，这种锚杆无论洞室大小，岩体软硬均可应用。早强水泥锚杆早强水泥锚杆，一般用于自稳时间短的围岩；端头钳固型锚杆一般用于局部加固围岩及中等强度以上的围岩中。为了防锈，这类锚杆也需要在杆体与孔壁之间注满水泥沙浆。预应力锚索预应力锚索一般用于大型洞室及不稳定块体的局部加固。这类锚索当预张拉力大，或锚固部位岩体软弱破碎时，宜采用水泥水泥沙桨粘结式内锚头沙桨粘结式内锚头，而预张拉力小且锚于中硬以上岩体时宜

47、采用胀壳机械式锚头胀壳机械式锚头。摩擦式锚杆摩擦式锚杆安装后能立即提供支承拉力，有利于及时控制围岩变形，并能对围岩施加三向预应力，而且安装方便，目前主要用于服务期短的矿山工程，锚杆直径：锚杆直径：通常视工程规模，围岩性质由经验确定，一般全长粘结型锚杆在1422mm。端头型锚杆可按表39选取。(2)(2)合理的喷层厚度：合理的喷层厚度：应当充分发挥柔性薄型支护的优越性，即要求围岩有一定塑性位移，以降低围岩压力和喷层的受弯作用。同时，喷层还应维持围岩稳定和保证喷层本身不致破坏。最佳的喷层厚度：最佳的喷层厚度：根据使用经验，通常初次喷层厚度宜在310cm之间，喷层总厚度不宜超过10一20cm，只有大

48、断面洞室才允许适当增大喷层厚度。喷层最小厚度喷层最小厚度一般为5cm，破碎软弱岩层中(如断层破碎带)喷层的最小厚度及钢筋网喷层的最小厚度为10cm。图3-15中示出在相同条件下取不同喷层厚度的有限元分析结果。图中曲线为不同喷层厚度时切向压应力的变化。曲线为不同喷层厚度对洞周位移的影响。喷层厚度由喷层厚度由4cm增至增至30cm，应力仅降低应力仅降低15。同样，喷层。同样，喷层厚度对限制围岩变形也不总是有明显效果的。厚度对限制围岩变形也不总是有明显效果的。从图可见，对于较小断面洞室，其适宜的喷层厚度为815cm。一般喷层厚度不宜大于20cm。n(3)刚架支护刚架支护适用于围岩自稳时间很短，在喷层

49、或锚杆的支护作用发挥以前就要求工作面稳定时或为了抑制围岩大的变形需增强支护抗力时。一般宜采用轻型钢架。可根据围岩变形量大小，采用刚性钢架或可缩性钢架。五、锚喷支护的合理施工方法1、施工方法 1）全断面法）全断面法全断面法原则上是将设计断面一次开挖出来。适应在稳定围岩中采用的开挖方法，这种方法对围岩扰动小、开挖快、效益高。如考虑使断面早期闭合，采用全断面开挖办是有利的开挖方法。2）台阶法）台阶法洞室断面沿水平面分段开挖时，分割面叫台阶，分割面的纵向长度叫台阶长度。台阶法按台阶长度可分成如表3-10所示的几类。(1)长台阶法能在上半和下半断面开展平行作业，适用于围岩比较稳定，不必设置仰拱的情况。(

50、2)短台阶法。短台阶法适用于一般不稳定围岩中采用。采用这种方法要考虑作业的互相干扰，也要考虑台阶的最短长度。(3)超短台阶法(紧跟台阶法)。超短台阶法适用于极不稳定围岩及塑性流变岩体中，仰拱必须早期闭合的情况下，或在土砂洞室中制止洞顶下沉情况下采用的方法。在城市隧道中需控制地表下沉时，亦对采用此法。在这种情况下，出渣和开挖都是同时进行的。(4)多层台阶法。多层台阶法一般是在采用短台阶法开挖工作面不能自稳时采用。由于台阶分层多，会使仰拱闭合时间推迟，变形加大。3）侧导坑法在比较大的断面中，围岩承载力不足时，或在城市隧道中需控制地表下沉时采用。2、支护施工顺序：支护施工顺序：及初次支护时间与围岩自