隧道錨噴結(jié)構(gòu)與計算

1、 隧道及巖土工程系2007年4月學(xué)習(xí)本課程的目的：學(xué)習(xí)本課程的目的：（1 1）要求掌握有關(guān)公路隧道的勘查、設(shè)）要求掌握有關(guān)公路隧道的勘查、設(shè)計、構(gòu)造原理和有關(guān)計算方法；計、構(gòu)造原理和有關(guān)計算方法；（2 2）理解）理解公路隧道圍巖穩(wěn)定性的影響因公路隧道圍巖穩(wěn)定性的影響因素及其與施工方法的關(guān)系素及其與施工方法的關(guān)系；（3 3）了解公路隧道工程施工組織管理。）了解公路隧道工程施工組織管理。第三章第三章 錨噴支護結(jié)構(gòu)的設(shè)計與施工原則錨噴支護結(jié)構(gòu)的設(shè)計與施工原則3.1 概述3.2 錨噴支護結(jié)構(gòu)的受力與計算錨噴支護結(jié)構(gòu)的受力與計算 3.3 錨噴支護結(jié)構(gòu)的施工原則錨噴支護結(jié)構(gòu)的施工原則 3.1 3.1 概述

2、概述1 1、支護結(jié)構(gòu)理論的發(fā)展、支護結(jié)構(gòu)理論的發(fā)展2 2、現(xiàn)代支護理論與設(shè)計要點、現(xiàn)代支護理論與設(shè)計要點3 3、錨噴支護與傳統(tǒng)支護的區(qū)別、錨噴支護與傳統(tǒng)支護的區(qū)別4 4、錨噴支護的特點、錨噴支護的特點1 1、支護結(jié)構(gòu)理論的發(fā)展、支護結(jié)構(gòu)理論的發(fā)展1 1、支護結(jié)構(gòu)理論的發(fā)展、支護結(jié)構(gòu)理論的發(fā)展 1920 1920年以前的年以前的古典壓力理論古典壓力理論階段：階段： 特點：作用在支護結(jié)構(gòu)上的壓力是其特點：作用在支護結(jié)構(gòu)上的壓力是其上覆巖層的重量上覆巖層的重量H1 1、支護結(jié)構(gòu)理論的發(fā)展、支護結(jié)構(gòu)理論的發(fā)展 1920 1920年以前的年以前的古典壓力理論古典壓力理論階段：階段： 代表：代表：Haim

3、Haim、RankineRankine和金尼克理論和金尼克理論 隨著開挖深度的增加，人們發(fā)現(xiàn)，古隨著開挖深度的增加，人們發(fā)現(xiàn)，古典壓力理論不符合實際情況。典壓力理論不符合實際情況。 1920 192019601960年代的年代的松散體理論松散體理論階段：階段： 特點：當埋深較大時，作用在支護結(jié)特點：當埋深較大時，作用在支護結(jié)構(gòu)上的壓力，不是上覆巖層的重量，而只構(gòu)上的壓力，不是上覆巖層的重量，而只是是圍巖坍落拱內(nèi)的松散巖體圍巖坍落拱內(nèi)的松散巖體的重量。的重量。 代表：太沙基代表：太沙基(K.Terzaghi)(K.Terzaghi)和普氏理論和普氏理論 60 60年代后發(fā)展期來的現(xiàn)代支護結(jié)構(gòu)年代

4、后發(fā)展期來的現(xiàn)代支護結(jié)構(gòu) 特點：圍巖和支護結(jié)構(gòu)共同組成了承特點：圍巖和支護結(jié)構(gòu)共同組成了承載的支護體系，其中載的支護體系，其中圍巖是承載主體圍巖是承載主體，而，而支護結(jié)構(gòu)是輔助性的，但也不可缺少。支護結(jié)構(gòu)是輔助性的，但也不可缺少。 代表：代表：新奧法理論新奧法理論是其典型代表。是其典型代表。2 2、現(xiàn)代支護理論與設(shè)計要點、現(xiàn)代支護理論與設(shè)計要點 現(xiàn)代支護理論現(xiàn)代支護理論 一切方法、手段和措施都圍繞一切方法、手段和措施都圍繞圍圍巖穩(wěn)定巖穩(wěn)定為目的；為目的； 支護與圍巖視作統(tǒng)一的支護與圍巖視作統(tǒng)一的復(fù)合體復(fù)合體，支護和圍巖支護和圍巖共同作用共同作用； 在復(fù)合體中，圍巖是承載主體，在復(fù)合體中，圍巖是

5、承載主體，最大限度的發(fā)揮圍巖的自承能力最大限度的發(fā)揮圍巖的自承能力，同，同時也要發(fā)揮支護結(jié)構(gòu)的承載能力；時也要發(fā)揮支護結(jié)構(gòu)的承載能力； 憑借現(xiàn)場試驗和憑借現(xiàn)場試驗和監(jiān)測手段監(jiān)測手段，劃定圍，劃定圍巖級別，巖級別，獲得力學(xué)參數(shù)獲得力學(xué)參數(shù)，指導(dǎo)施工；，指導(dǎo)施工； 對不同的地質(zhì)條件，力學(xué)特征的對不同的地質(zhì)條件，力學(xué)特征的圍巖，圍巖，靈活采用不同支護方式靈活采用不同支護方式和相和相應(yīng)的力學(xué)計算模型。應(yīng)的力學(xué)計算模型。 基本要求基本要求 支護必須與周圍巖體大面積的牢支護必須與周圍巖體大面積的牢固固接觸接觸，即保證支護，即保證支護- -圍巖作為一個圍巖作為一個統(tǒng)一的支護體系而共同工作；統(tǒng)一的支護體系而共

6、同工作； 重視重視初期支護的作用初期支護的作用，并使初期，并使初期支護與二次支護相互配合，協(xié)調(diào)一致支護與二次支護相互配合，協(xié)調(diào)一致的工作；的工作； 要要允許圍巖及支護結(jié)構(gòu)產(chǎn)生有限允許圍巖及支護結(jié)構(gòu)產(chǎn)生有限的變形的變形，以發(fā)揮圍巖承載作用而減少，以發(fā)揮圍巖承載作用而減少支護結(jié)構(gòu)的受力。為此要求對支護結(jié)支護結(jié)構(gòu)的受力。為此要求對支護結(jié)構(gòu)的剛度、構(gòu)造給予充分的注意；構(gòu)的剛度、構(gòu)造給予充分的注意； 必須保證支護結(jié)構(gòu)必須保證支護結(jié)構(gòu)及時施作及時施作。如。如支護施作過晚，會使圍巖暴露時間過支護施作過晚，會使圍巖暴露時間過長，產(chǎn)生過渡的位移而瀕臨破壞；長，產(chǎn)生過渡的位移而瀕臨破壞； 支護結(jié)構(gòu)要根據(jù)隧道圍巖的

7、實支護結(jié)構(gòu)要根據(jù)隧道圍巖的實際動態(tài)，及時進行際動態(tài)，及時進行調(diào)整和修改調(diào)整和修改，以，以適應(yīng)不斷變化的圍巖狀態(tài)；適應(yīng)不斷變化的圍巖狀態(tài)；3 3、錨噴支護與傳統(tǒng)支護的區(qū)別、錨噴支護與傳統(tǒng)支護的區(qū)別 對圍巖和圍巖壓力的認識上：對圍巖和圍巖壓力的認識上：傳統(tǒng)支護理論：圍巖壓力由洞室塌傳統(tǒng)支護理論：圍巖壓力由洞室塌落的圍巖落的圍巖“松散壓力松散壓力”造成的造成的; ;現(xiàn)代支護理論：圍巖具有自承能力，現(xiàn)代支護理論：圍巖具有自承能力，圍巖作用于支護的壓力不是松散壓力，圍巖作用于支護的壓力不是松散壓力，是阻止圍巖變形的是阻止圍巖變形的形變壓力形變壓力。 在圍巖和支護間的相互關(guān)系上：在圍巖和支護間的相互關(guān)系上

8、：傳統(tǒng)支護理論：將圍巖與支護分開傳統(tǒng)支護理論：將圍巖與支護分開考慮，視為考慮，視為“荷載荷載- -結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)”體系體系錨噴支護理論：將圍巖和支護視為錨噴支護理論：將圍巖和支護視為統(tǒng)一體，二者組成統(tǒng)一體，二者組成“圍巖圍巖- -支護支護”體系體系共同參與工作。共同參與工作。 在支護功能和作用原理上：在支護功能和作用原理上：傳統(tǒng)支護理論：支護只是為了傳統(tǒng)支護理論：支護只是為了承受承受荷載荷載；錨噴支護理論：支護是為了錨噴支護理論：支護是為了及時穩(wěn)及時穩(wěn)定和加固圍巖定和加固圍巖。 在設(shè)計計算方法上：在設(shè)計計算方法上：傳統(tǒng)支護理論：主要是確定作用在傳統(tǒng)支護理論：主要是確定作用在支護上的荷載；支護上的荷載

9、；錨噴支護理論：設(shè)計的作用荷載是錨噴支護理論：設(shè)計的作用荷載是巖體的地應(yīng)力，圍巖和支護共同承載；巖體的地應(yīng)力，圍巖和支護共同承載； 在支護形式和工藝上在支護形式和工藝上傳統(tǒng)支護理論：模注混凝土；傳統(tǒng)支護理論：模注混凝土；錨噴支護理論：施工方法簡單，靈錨噴支護理論：施工方法簡單，靈活，不需模板，無需回填，在圍巖松活，不需模板，無需回填，在圍巖松動之前能及時加固圍巖。動之前能及時加固圍巖。4 4、錨噴支護的特點、錨噴支護的特點 及時性：及時性：噴射砼，如早強，能噴射砼，如早強，能迅速給圍巖提供支護抗力；迅速給圍巖提供支護抗力； 粘貼性：粘貼性：噴射砼與圍巖能全面噴射砼與圍巖能全面密貼粘結(jié)，粘結(jié)力一

10、般可達密貼粘結(jié)，粘結(jié)力一般可達70kg/cm370kg/cm3；粘結(jié)有三種作用：粘結(jié)有三種作用： 連鎖作用；連鎖作用； 復(fù)合作用；復(fù)合作用； 增強作用增強作用( (填充凹隙填充凹隙) ) 柔性：柔性：容易調(diào)節(jié)圍巖變形，可容易調(diào)節(jié)圍巖變形，可控制圍巖塑性變形適度發(fā)展，發(fā)揮控制圍巖塑性變形適度發(fā)展，發(fā)揮自承能力；自承能力； 深入性：深入性：錨桿可深入圍巖一定錨桿可深入圍巖一定深度加固圍巖，形成承載圈；深度加固圍巖，形成承載圈； 靈活性：靈活性：支護類型、參數(shù)、數(shù)支護類型、參數(shù)、數(shù)量可靈活調(diào)整。量可靈活調(diào)整。 封閉性：封閉性：可阻止水對圍巖的侵可阻止水對圍巖的侵蝕而引起風(fēng)化等。蝕而引起風(fēng)化等。 今天

11、我國所有山嶺隧道和一些今天我國所有山嶺隧道和一些城市地下工程都先采用錨噴的柔性城市地下工程都先采用錨噴的柔性支護結(jié)構(gòu)，是為了能做到：支護結(jié)構(gòu)，是為了能做到：（1 1）容許圍巖發(fā)生有限變形）容許圍巖發(fā)生有限變形（2 2）發(fā)揮圍巖的自承能力）發(fā)揮圍巖的自承能力（3 3）節(jié)省工程造價）節(jié)省工程造價3.2 3.2 錨噴支護結(jié)構(gòu)的受力與計算錨噴支護結(jié)構(gòu)的受力與計算 1 1、錨桿支護結(jié)構(gòu)、錨桿支護結(jié)構(gòu) 2 2、噴混凝土支護結(jié)構(gòu)、噴混凝土支護結(jié)構(gòu) 3 3、錨噴聯(lián)合支護結(jié)構(gòu)、錨噴聯(lián)合支護結(jié)構(gòu) 1、錨桿支護結(jié)構(gòu)、錨桿支護結(jié)構(gòu) 錨桿類型錨桿類型 錨桿的力學(xué)作用錨桿的力學(xué)作用 錨桿的設(shè)計與計算錨桿的設(shè)計與計算 支護

12、塊狀圍巖支護塊狀圍巖 加固裂隙圍巖加固裂隙圍巖 錨桿類型錨桿類型 全長粘結(jié)型全長粘結(jié)型 錨桿類型錨桿類型 端頭錨固型端頭錨固型 錨桿類型 端頭錨固型端頭錨固型 錨桿類型 端頭錨固型端頭錨固型 錨桿類型錨桿類型 摩察型摩察型 錨桿類型錨桿類型 摩察型摩察型 錨桿的力學(xué)作用錨桿的力學(xué)作用 懸吊作用懸吊作用 減跨作用減跨作用 組合梁作用組合梁作用 整體加固作用整體加固作用 懸吊作用：懸吊作用：將不穩(wěn)定巖層懸吊在將不穩(wěn)定巖層懸吊在堅固巖層上，阻止圍巖移動滑落堅固巖層上，阻止圍巖移動滑落。 減跨作用：減跨作用：在隧道頂板巖層中打入錨在隧道頂板巖層中打入錨桿，相當于在頂板上增加了支點，使隧道桿，相當于在頂

13、板上增加了支點，使隧道跨度減小，從而使頂板巖體應(yīng)力減小?？缍葴p小，從而使頂板巖體應(yīng)力減小。 組合梁作用：組合梁作用：在巖層中打入錨桿，將在巖層中打入錨桿，將若干薄弱巖層錨固在一起，類似將疊合若干薄弱巖層錨固在一起，類似將疊合的板梁變成組合梁，提高巖層的承載力的板梁變成組合梁，提高巖層的承載力。 整體加固作用：整體加固作用：錨桿群錨入圍巖后，錨桿群錨入圍巖后，其兩端附近巖體形成圓錐形壓縮區(qū)，按照其兩端附近巖體形成圓錐形壓縮區(qū)，按照一定間距排列的錨桿在錨固力作用下構(gòu)成一定間距排列的錨桿在錨固力作用下構(gòu)成一個均勻的壓縮帶，即承載環(huán)。一個均勻的壓縮帶，即承載環(huán)。 錨桿的設(shè)計與計算錨桿的設(shè)計與計算 錨桿

14、承載力計算錨桿承載力計算 錨桿錨固長度確定錨桿錨固長度確定 錨桿直徑的確定錨桿直徑的確定 錨桿間距的確定錨桿間距的確定 錨桿承載力計算錨桿承載力計算GG1錨 桿11 -1N裂 隙 面錨 桿錨 桿裂 隙 面 當塊體危石墜落時，除使錨桿受拉外，當塊體危石墜落時，除使錨桿受拉外，還對錨桿產(chǎn)生剪切作用。還對錨桿產(chǎn)生剪切作用。 錨桿承載力計算錨桿承載力計算GG1錨桿11-1N裂隙面錨桿錨桿裂隙面如圖所示，根據(jù)靜力平衡如圖所示，根據(jù)靜力平衡及正弦定理有：及正弦定理有： sinsin1GQ sin)sin(1GN式中：式中：N N是錨桿所受拉力；是錨桿所受拉力；Q Q是錨桿所受剪力；是錨桿所受剪力；G G是

15、危是危石重量或一根錨桿承擔的巖石重量；是錨桿與地質(zhì)結(jié)石重量或一根錨桿承擔的巖石重量；是錨桿與地質(zhì)結(jié)構(gòu)面的夾角；是錨桿與垂直線夾角。構(gòu)面的夾角；是錨桿與垂直線夾角。 1 錨固長度確定錨固長度確定 錨固深度L1： 根據(jù)錨桿抗拉強度與砂漿粘結(jié)力相等的等強度原則，可確定錨桿的錨固深度L1： kDRdLg421 其中：其中：d d是錨桿直徑，是錨桿直徑， 螺紋鋼筋；螺紋鋼筋；D D是鉆孔直徑；是鉆孔直徑；k k安全系數(shù)，安全系數(shù)，3-53-5； 是砂漿是砂漿與巖孔之間的抗剪強度。實踐中要求與巖孔之間的抗剪強度。實踐中要求 大大于于3030厘米；厘米； 22161LkDRdLg421 錨桿長總度錨桿長總度

16、L L： 式中：式中：L L1 1是錨固深度；是錨固深度；L L2 2為不穩(wěn)為不穩(wěn)定巖層厚度；定巖層厚度；L L3 3是外露長度（約小于是外露長度（約小于噴射混凝土厚度）；噴射混凝土厚度）； 321LLLL 錨桿直徑的確定錨桿直徑的確定以抗拉為例，錨桿直徑可用下式計算 gRkNd2 式中：式中：K K是安全系數(shù)，可取是安全系數(shù)，可取2 2；RgRg是錨桿抗拉強度；是錨桿抗拉強度；N N是錨桿所受拉力；是錨桿所受拉力；d d是錨桿直徑。是錨桿直徑。giRdbLkP422222LkRdbg 錨桿間距的確定錨桿間距的確定 若等間距布置，每根錨桿所負擔的若等間距布置，每根錨桿所負擔的巖體重量即為所受荷

17、載。巖體重量即為所受荷載。其中，其中，是巖體容重；是巖體容重；b錨桿間距，一錨桿間距，一般般L12b；k安全系數(shù)安全系數(shù)2-3。 支護塊狀圍巖支護塊狀圍巖 圍巖塌落總是從危石開始，可能圍巖塌落總是從危石開始，可能形成形成 連鎖反應(yīng)。連鎖反應(yīng)。砂漿錨桿的承砂漿錨桿的承載力：載力： )tan(1stsscDLP 加固裂隙圍巖加固裂隙圍巖 若在隧道頂部出現(xiàn)裂隙，為防止進若在隧道頂部出現(xiàn)裂隙，為防止進一步擴展危及頂部巖體穩(wěn)定，可采用預(yù)一步擴展危及頂部巖體穩(wěn)定，可采用預(yù)應(yīng)力錨桿加固。應(yīng)力錨桿加固。 假設(shè)裂隙受到預(yù)加力假設(shè)裂隙受到預(yù)加力T T和水平方向壓力和水平方向壓力P P，則裂隙法向力和抗滑力分別為：

18、，則裂隙法向力和抗滑力分別為：sinPTNtan)sin(PTF 是裂隙面內(nèi)摩察角，沿裂隙面的下滑力是裂隙面內(nèi)摩察角，沿裂隙面的下滑力必須滿足的條件：必須滿足的條件：tan)sin(cosPTP)sintan(sin PT 1 1、錨桿支護結(jié)構(gòu)、錨桿支護結(jié)構(gòu) 2 2、噴混凝土支護結(jié)構(gòu)、噴混凝土支護結(jié)構(gòu) 3 3、錨噴聯(lián)合支護結(jié)構(gòu)、錨噴聯(lián)合支護結(jié)構(gòu) 2 2、噴混凝土支護結(jié)構(gòu)、噴混凝土支護結(jié)構(gòu) 噴射砼噴射砼是將水泥、砂子、石子、是將水泥、砂子、石子、速凝劑按一定的比例均勻的攪拌后送速凝劑按一定的比例均勻的攪拌后送入噴射機，借助壓縮空氣將干混合料入噴射機，借助壓縮空氣將干混合料通過管道壓送到噴頭與高壓

19、水混合，通過管道壓送到噴頭與高壓水混合，以高速噴射到巖壁表面凝結(jié)而成的砼。以高速噴射到巖壁表面凝結(jié)而成的砼。它是通過它是通過局部穩(wěn)定圍巖和整體穩(wěn)定圍局部穩(wěn)定圍巖和整體穩(wěn)定圍巖巖起支護作用。起支護作用。 噴射砼的作用噴射砼的作用 充填裂隙加固圍巖；充填裂隙加固圍巖； 找平，封閉圍巖表面防止風(fēng)化；找平，封閉圍巖表面防止風(fēng)化； 噴砼與圍巖組成共同承載結(jié)構(gòu)。噴砼與圍巖組成共同承載結(jié)構(gòu)。 局部穩(wěn)定原理局部穩(wěn)定原理 危石除用錨桿支護外，也可用噴危石除用錨桿支護外，也可用噴射混凝土層支護。在危石重力作用射混凝土層支護。在危石重力作用下混凝土噴層可能出現(xiàn)下混凝土噴層可能出現(xiàn)沖切破壞和沖切破壞和撕裂破壞。撕裂破

20、壞。 抗沖切計算抗沖切計算 噴層厚度必須滿足：噴層厚度必須滿足：uRkGdL 其中：其中： 為噴射混凝土抗拉強度；為噴射混凝土抗拉強度；u u為危石底面周為危石底面周長，長，k k是安全系數(shù)是安全系數(shù)3 35 5。 LR 抗撕裂計算抗撕裂計算 uRkGdLu 其中：其中： 是噴層和巖石之間的粘是噴層和巖石之間的粘結(jié)強度。結(jié)強度。LuR為此，需求出危石自重作用下在噴層與巖為此，需求出危石自重作用下在噴層與巖石之間的拉應(yīng)力石之間的拉應(yīng)力q q的大小，利用彈性半地的大小，利用彈性半地基上的半無限長梁公式：基上的半無限長梁公式： ； 其中其中 ；K K巖體彈性系數(shù)；巖體彈性系數(shù)；E E是是混凝土彈性模

21、量。當混凝土彈性模量。當x=0 x=0端點時，有最大端點時，有最大值：值： sxesPqsxcos243476. 04KEdbKEIsLuRKEdPsPq43max63. 22313463. 3EKuRGdLu 整體穩(wěn)定原理整體穩(wěn)定原理 整體穩(wěn)定原理整體穩(wěn)定原理 噴混凝土層與圍巖體表面緊密噴混凝土層與圍巖體表面緊密粘結(jié)、咬合、使洞室表面巖體形成粘結(jié)、咬合、使洞室表面巖體形成較平順的整體，依靠結(jié)合面處的抗較平順的整體，依靠結(jié)合面處的抗拉、抗壓、抗剪能力，與巖體密貼拉、抗壓、抗剪能力，與巖體密貼組成組成“組合結(jié)構(gòu)組合結(jié)構(gòu)”或或“整體結(jié)構(gòu)物整體結(jié)構(gòu)物”共同工作。共同工作。 1 1、錨桿支護結(jié)構(gòu)、錨桿

22、支護結(jié)構(gòu) 2 2、噴混凝土支護結(jié)構(gòu)、噴混凝土支護結(jié)構(gòu) 3 3、錨噴聯(lián)合支護結(jié)構(gòu)、錨噴聯(lián)合支護結(jié)構(gòu) 3 3、錨噴聯(lián)合支護結(jié)構(gòu)、錨噴聯(lián)合支護結(jié)構(gòu) 錨噴聯(lián)合支護修建隧道的錨噴聯(lián)合支護修建隧道的基本概念基本概念 支護與圍巖共同作用的支護與圍巖共同作用的力學(xué)原理力學(xué)原理 錨噴支護結(jié)構(gòu)承載力計算錨噴支護結(jié)構(gòu)承載力計算(4) (4) 隧道圍巖位移量的容許值隧道圍巖位移量的容許值 二次襯砌支護時間選擇原則二次襯砌支護時間選擇原則、錨噴聯(lián)合支護修建隧道的基本、錨噴聯(lián)合支護修建隧道的基本概念概念 錨桿是深層加固圍巖，噴射混錨桿是深層加固圍巖，噴射混凝土是表層及局部加固圍巖凝土是表層及局部加固圍巖 圍巖是隧道穩(wěn)定的

23、基本部圍巖是隧道穩(wěn)定的基本部分，盡量維護圍巖體的強分，盡量維護圍巖體的強度特性度特性 支護結(jié)構(gòu)要薄而具有柔性，支護結(jié)構(gòu)要薄而具有柔性，并與圍巖密貼，使因產(chǎn)生彎矩并與圍巖密貼，使因產(chǎn)生彎矩而破壞的可能性達到最小，當而破壞的可能性達到最小，當需要增加支護襯砌強度時，宜需要增加支護襯砌強度時，宜采用錨桿、鋼筋網(wǎng)以及鋼支撐采用錨桿、鋼筋網(wǎng)以及鋼支撐等加固，而不宜大幅度增加噴等加固，而不宜大幅度增加噴層或襯砌厚度。層或襯砌厚度。 設(shè)計施工中要正確估計圍設(shè)計施工中要正確估計圍巖特性及其隨時間的變化，巖特性及其隨時間的變化，以便采取最合適的支護措施以便采取最合適的支護措施和支護時間。和支護時間。 支護與圍巖

24、共同作用支護與圍巖共同作用 的力學(xué)原理的力學(xué)原理 錨噴支護結(jié)構(gòu)設(shè)計的力學(xué)原錨噴支護結(jié)構(gòu)設(shè)計的力學(xué)原理：理： 采用的是圍巖體和柔性支護采用的是圍巖體和柔性支護共同變形的彈塑性理論。共同變形的彈塑性理論。 彈塑性理論的基本概念：彈塑性理論的基本概念： 基于材料試驗彈塑性曲線基于材料試驗彈塑性曲線 對于圓形隧道，作如下假定：對于圓形隧道，作如下假定： 圍巖為均質(zhì)、各向同性的連續(xù)彈塑性體；圍巖為均質(zhì)、各向同性的連續(xù)彈塑性體； 初始應(yīng)力為自重應(yīng)力場；初始應(yīng)力為自重應(yīng)力場； 隧道視為無限體中的孔洞問題；隧道視為無限體中的孔洞問題； 采用莫爾采用莫爾- -庫侖庫侖(Mohr-Coulomb)(Mohr-Co

25、ulomb)準則為塑性準則為塑性屈服判據(jù)屈服判據(jù): :cot2sincrr 均質(zhì)圍巖中圓形隧道的彈性解均質(zhì)圍巖中圓形隧道的彈性解22220)1 (rRrRpRr22220)1 (rRrRpR 均質(zhì)圍巖中圓形隧道的塑性解均質(zhì)圍巖中圓形隧道的塑性解 基本方程：基本方程： 邊界條件：邊界條件： 塑性解：塑性解： 0rdrdrrcot2sincrrirprr,0cot)sin1sin1()(cot(cot)(cot(sin1sin20sin1sin20crrcpcrrcpiir 彈性區(qū)與塑性區(qū)邊界上的連續(xù)條件彈性區(qū)與塑性區(qū)邊界上的連續(xù)條件 當當r=Rr=R時，時， peprer,rr12Rrrr塑性區(qū)

26、彈性區(qū) 塑性區(qū)半徑與支護抗力的關(guān)系塑性區(qū)半徑與支護抗力的關(guān)系cot)(sin1)(cot()sin1 (cotcotsin1sin200sin2sin100cRrcppcpcprRiirr12Rrrr塑性區(qū)彈性區(qū) 由洞周位移計算圍巖壓力由洞周位移計算圍巖壓力 彈性區(qū)引起的應(yīng)力增量：彈性區(qū)引起的應(yīng)力增量： 圍巖引起的徑向應(yīng)變：圍巖引起的徑向應(yīng)變： 220220)()(rRprRpReRer)1(12eerrrrEru 由以上關(guān)系得：由以上關(guān)系得： 彈塑性邊界上的徑向位移：彈塑性邊界上的徑向位移： 2021)(2rpGRruRr)(2)(20202RRRRpGRrdrpGRu 據(jù)彈性區(qū)應(yīng)力和摩爾庫

27、侖關(guān)系得：據(jù)彈性區(qū)應(yīng)力和摩爾庫侖關(guān)系得： 變形過程中假設(shè)塑性區(qū)體積不變：變形過程中假設(shè)塑性區(qū)體積不變：cos)sin1 (0cpRRaaRurRuuruRrR)()()(202202sinsin1000cot)cot)(sin1 (2)cossin(cpcpGcprurRuiRa 用洞周位移用洞周位移 表達的圍巖壓力表達的圍巖壓力 aucot2)cossin()cot)(sin1 (sin1sin000cGucprcppai 圍巖支護特性曲線圍巖支護特性曲線umaxuruEBPuKcEDPu=f(P1)AmaxPmaxP0PKP1u0PcPEPminP0原巖壓力線剛性支護形變壓力區(qū)松散壓力區(qū)

28、柔性支護IV-模注支護0PcPP0PE錨噴初噴 錨 二次噴P1錨噴支護模注襯砌 錨噴支護結(jié)構(gòu)承載力計算錨噴支護結(jié)構(gòu)承載力計算 初期支護（外拱）設(shè)計與計算初期支護（外拱）設(shè)計與計算初選噴層厚度初選噴層厚度t t，按照經(jīng)驗公式：，按照經(jīng)驗公式：t=0.017rt=0.017r0 0， r r0 0是隧道半徑是隧道半徑確定錨桿直徑、長度和間距確定錨桿直徑、長度和間距噴層支護抗力：噴層支護抗力：承載環(huán)內(nèi)巖體的抗力：承載環(huán)內(nèi)巖體的抗力：錨桿的抗力：錨桿的抗力：其它支護提供的抗力：其它支護提供的抗力：總支護抗力：總支護抗力： sssibdpsin2bSbSpRnRisin2cos2cos)cos(cos0

29、AiAiqpststststibFpsin2抗力阻止剪切體滑移的最小minpppppiAistisii 二次支護（內(nèi)拱）設(shè)計與計算二次支護（內(nèi)拱）設(shè)計與計算內(nèi)拱的承載力常是一種安全儲備，安全內(nèi)拱的承載力常是一種安全儲備，安全系數(shù)系數(shù) 內(nèi)拱承載力：內(nèi)拱承載力： K K=1.52.0 =1.52.0 內(nèi)拱厚度：內(nèi)拱厚度：121/ )(pppK12) 1(pKpBbpKt2sin) 1(12 (4) (4) 隧道圍巖位移量的容許值隧道圍巖位移量的容許值 影響隧道周邊最終位移量的因素影響隧道周邊最終位移量的因素 巖體的物理力學(xué)性質(zhì)巖體的物理力學(xué)性質(zhì) 原始地應(yīng)力大小原始地應(yīng)力大小 開挖方式（全斷面開挖小

30、）開挖方式（全斷面開挖?。?掘進速度（速度越快位移越小）掘進速度（速度越快位移越?。?支護時機支護時機 及支護方式及支護方式 隧道周邊容許位移量的確定原則隧道周邊容許位移量的確定原則 城市地下隧道的下沉量盡量小，一般不城市地下隧道的下沉量盡量小，一般不能超過能超過510510毫米；毫米； 淺埋山嶺隧道容許位移量可以大些，一淺埋山嶺隧道容許位移量可以大些，一般小于般小于3030毫米；毫米； 深埋隧道洞周的位移不致引起有害松動深埋隧道洞周的位移不致引起有害松動為原則，一般不超過為原則，一般不超過3030毫米；毫米； 一些容許位移量控制標準一些容許位移量控制標準 埋深埋深圍巖圍巖50m300m300

31、mIIIIII0.100.300.100.300.20.500.20.500.401.200.401.20IVIV0.150.500.150.500.401.200.401.200.802.00.802.0V V0.200.800.200.800.601.600.601.601.03.01.03.0相對位移值指實測位移值與兩測點距離之比；相對位移值指實測位移值與兩測點距離之比；脆性圍巖取小值，塑性圍巖取大值；脆性圍巖取小值，塑性圍巖取大值；I I、II II、VIVI級圍巖可按工程類比選定容許值范圍；級圍巖可按工程類比選定容許值范圍；表中數(shù)據(jù)可在施工中做調(diào)整；表中數(shù)據(jù)可在施工中做調(diào)整； 我國我

32、國公路隧道施工技術(shù)規(guī)范公路隧道施工技術(shù)規(guī)范JTJ042-94JTJ042-94規(guī)定容許相對位移值（）規(guī)定容許相對位移值（） 法國工業(yè)部規(guī)定地下工程拱頂處圍巖最法國工業(yè)部規(guī)定地下工程拱頂處圍巖最大容許位移量大容許位移量 隧道埋隧道埋深深/m/m硬質(zhì)硬質(zhì)巖巖/cm/cm塑性地塑性地層層/cm/cm1050105012122525505050500 026261020102050050061261220402040 國外隧道工程師根據(jù)現(xiàn)場量測數(shù)據(jù)大小國外隧道工程師根據(jù)現(xiàn)場量測數(shù)據(jù)大小制定的危險警戒標準制定的危險警戒標準等級等級標標 準準措施措施三級警戒三級警戒任一點位移大于任一點位移大于10mm10

33、mm報告管理人員報告管理人員二級警戒二級警戒兩相鄰測點位移均大于兩相鄰測點位移均大于15mm15mm或任一測點位移或任一測點位移速度超過速度超過15mm/15mm/月月口頭報告，召開會議，寫書口頭報告，召開會議，寫書面報告及建議面報告及建議一級警戒一級警戒位移大于位移大于15mm15mm，且多，且多處測點位移均在加速處測點位移均在加速主管工程師立即現(xiàn)場調(diào)查，主管工程師立即現(xiàn)場調(diào)查，召開現(xiàn)場會議，研究應(yīng)急召開現(xiàn)場會議，研究應(yīng)急措施措施 二次襯砌支護時間選擇原則二次襯砌支護時間選擇原則 各測試項目的位移速率明顯收斂，各測試項目的位移速率明顯收斂，圍巖基本穩(wěn)定；圍巖基本穩(wěn)定； 已產(chǎn)生的各項位移已達預(yù)

34、計總位已產(chǎn)生的各項位移已達預(yù)計總位移量的移量的80%90%80%90%； 周邊位移速率小于周邊位移速率小于0.10.2mm/d0.10.2mm/d，或拱頂下沉速，或拱頂下沉速率小于率小于 0.070.15mm/d0.070.15mm/d3.3 3.3 錨噴支護施工原則錨噴支護施工原則 實施錨噴支護施工原則，實施錨噴支護施工原則，是為了達到以下的目的：是為了達到以下的目的： （1 1）技術(shù)上可靠）技術(shù)上可靠（2 2）經(jīng)濟上合理）經(jīng)濟上合理1 1、采取各種措施，確保、采取各種措施，確保圍巖不出現(xiàn)有害松動圍巖不出現(xiàn)有害松動 洞形及側(cè)壓系數(shù)的選擇洞形及側(cè)壓系數(shù)的選擇問題，即在洞室的布置和造型上問題，即

35、在洞室的布置和造型上應(yīng)適應(yīng)原巖應(yīng)力狀態(tài)和巖體的地應(yīng)適應(yīng)原巖應(yīng)力狀態(tài)和巖體的地質(zhì)、力學(xué)特征，盡量爭取一個較質(zhì)、力學(xué)特征，盡量爭取一個較好的受力條件。好的受力條件。 采用控制爆破技術(shù)：減少對采用控制爆破技術(shù)：減少對圍巖的擾動強度圍巖的擾動強度 減少對圍巖的擾動次數(shù)：盡減少對圍巖的擾動次數(shù)：盡可能采用全斷面一次開挖可能采用全斷面一次開挖 初期支護及時快速：及時初期支護及時快速：及時是抑制圍巖變形的有害發(fā)展是抑制圍巖變形的有害發(fā)展 合理利用開挖面空間效應(yīng)合理利用開挖面空間效應(yīng)抑制圍巖變形抑制圍巖變形 開挖面的開挖面的“空間效應(yīng)空間效應(yīng)”，是指洞室，是指洞室在掘進過程中，由于受到開挖面的約在掘進過程中，

36、由于受到開挖面的約束，使開挖面附近的圍巖不能立即釋束，使開挖面附近的圍巖不能立即釋放其全部位移，這種現(xiàn)象稱為開挖面放其全部位移，這種現(xiàn)象稱為開挖面的的“空間效應(yīng)空間效應(yīng)” 盡量減少其他外界因素盡量減少其他外界因素（水、潮）對圍巖的影響：對（水、潮）對圍巖的影響：對有地下水的裂隙巖體，要防止有地下水的裂隙巖體，要防止大的滲透壓力大的滲透壓力 2 2、使圍巖變形適度發(fā)展，、使圍巖變形適度發(fā)展，合理利用圍巖自承能力合理利用圍巖自承能力 初期支護采用分次施作的方法初期支護采用分次施作的方法 初期支護必須保證圍巖達到穩(wěn)定初期支護必須保證圍巖達到穩(wěn)定狀態(tài)，其作用主要是在有控制的條狀態(tài)，其作用主要是在有控制

37、的條件下實現(xiàn)件下實現(xiàn)“卸壓卸壓”。 二次支護主要是提高支護的安全二次支護主要是提高支護的安全度，其作用主要是限制變形過量，度，其作用主要是限制變形過量，使圍巖進入穩(wěn)定。使圍巖進入穩(wěn)定。 調(diào)節(jié)支護封底時間，控制圍調(diào)節(jié)支護封底時間，控制圍巖變形巖變形 適當延遲支護時間，控制圍巖適當延遲支護時間，控制圍巖變形變形 原則上，可以通過延遲支護時原則上，可以通過延遲支護時間來控制圍巖變形，不過這個時間來控制圍巖變形，不過這個時機很難掌握，因此，常常不宜采機很難掌握，因此，常常不宜采取這種方法。取這種方法。3 3、保證錨噴支護與圍巖、保證錨噴支護與圍巖形成共同體形成共同體 施工方法和施工措施上保證施工方法和

38、施工措施上保證 列入施工質(zhì)量檢測項目列入施工質(zhì)量檢測項目( (噴層與噴層與巖石的粘結(jié)力、錨桿的錨固力巖石的粘結(jié)力、錨桿的錨固力) )4 4、選擇合理支護類型和參、選擇合理支護類型和參數(shù)，并充分發(fā)揮其功效數(shù)，并充分發(fā)揮其功效 綜合考慮各種因素確定支護類型綜合考慮各種因素確定支護類型( (圍巖地質(zhì)特點、工程斷面大小和使圍巖地質(zhì)特點、工程斷面大小和使用條件要求等用條件要求等) ) 一般情況下，應(yīng)優(yōu)先考慮選用噴一般情況下，應(yīng)優(yōu)先考慮選用噴混凝土支護或錨噴聯(lián)合支護混凝土支護或錨噴聯(lián)合支護 堅硬裂隙巖體中的大斷面隧道：堅硬裂隙巖體中的大斷面隧道：通常在長錨桿之間還要加設(shè)短錨桿通常在長錨桿之間還要加設(shè)短錨桿

39、以支承其間的巖體以支承其間的巖體 破碎軟弱巖體破碎軟弱巖體 ：通常要早支護、：通常要早支護、早封閉，設(shè)仰拱、加強支護。一般早封閉，設(shè)仰拱、加強支護。一般采用錨噴網(wǎng)聯(lián)合支護采用錨噴網(wǎng)聯(lián)合支護 塑性流變巖體塑性流變巖體 ：支護施作宜：支護施作宜“先柔后剛先柔后剛”，設(shè)置仰拱，形成全，設(shè)置仰拱，形成全封閉環(huán)封閉環(huán) 選擇合理的錨桿類型與參數(shù)，在圍選擇合理的錨桿類型與參數(shù)，在圍巖中有效形成承載圈巖中有效形成承載圈 錨桿支護設(shè)計主要根據(jù)圍巖地質(zhì)、錨桿支護設(shè)計主要根據(jù)圍巖地質(zhì)、工程斷面和使用條件等選定錨桿類型，工程斷面和使用條件等選定錨桿類型，確定錨桿直徑、長度、數(shù)量、間距和確定錨桿直徑、長度、數(shù)量、間距和

40、布置方式。布置方式。 錨桿間距的選定：除考慮巖錨桿間距的選定：除考慮巖體穩(wěn)定條件外，一般應(yīng)能充分發(fā)揮體穩(wěn)定條件外，一般應(yīng)能充分發(fā)揮噴層作用和施工方便，即通過錨桿噴層作用和施工方便，即通過錨桿數(shù)量的變化使噴層始終具有有利厚數(shù)量的變化使噴層始終具有有利厚度度 錨桿長度的選取：應(yīng)當以能錨桿長度的選?。簯?yīng)當以能充分發(fā)揮錨桿的功能作用，并獲得充分發(fā)揮錨桿的功能作用，并獲得經(jīng)濟合理的錨固效果為原則經(jīng)濟合理的錨固效果為原則 錨桿的布置：應(yīng)當采用重點錨桿的布置：應(yīng)當采用重點（局部）布置與整體（系統(tǒng)）布置（局部）布置與整體（系統(tǒng)）布置相結(jié)合相結(jié)合 錨桿的方向：應(yīng)與巖體主結(jié)構(gòu)錨桿的方向：應(yīng)與巖體主結(jié)構(gòu)面成較大角度

41、，這樣則能穿過更多面成較大角度，這樣則能穿過更多的結(jié)構(gòu)面，有利于提高結(jié)構(gòu)面上的的結(jié)構(gòu)面，有利于提高結(jié)構(gòu)面上的抗剪強度，使錨桿間的巖塊相互咬抗剪強度，使錨桿間的巖塊相互咬合合 合理選擇噴層厚度，充分發(fā)揮噴合理選擇噴層厚度，充分發(fā)揮噴層與圍巖自身承載力層與圍巖自身承載力 合理噴層厚度（剛度）：既合理噴層厚度（剛度）：既能使圍巖穩(wěn)定又容許圍巖有一定的能使圍巖穩(wěn)定又容許圍巖有一定的塑性位移，實現(xiàn)卸壓；經(jīng)驗表明合塑性位移，實現(xiàn)卸壓；經(jīng)驗表明合理初始噴層厚度在理初始噴層厚度在515515厘米間；厘米間；噴層太厚和太薄都是不合理的噴層太厚和太薄都是不合理的 合理選擇和配置鋼筋網(wǎng)和鋼支撐合理選擇和配置鋼筋網(wǎng)和

42、鋼支撐 在下列情況下可考慮配置鋼筋網(wǎng)在下列情況下可考慮配置鋼筋網(wǎng) 在土砂等條件下，噴射混凝土從在土砂等條件下，噴射混凝土從圍巖表面可能剝落時圍巖表面可能剝落時在破碎軟弱流變巖體和膨脹性巖在破碎軟弱流變巖體和膨脹性巖體條件下，噴層可能破壞剝落時，體條件下，噴層可能破壞剝落時，或需要提高噴混凝土抗剪強度時或需要提高噴混凝土抗剪強度時 地震區(qū)或有震動影響的隧道地震區(qū)或有震動影響的隧道 在下列場合應(yīng)考慮使用鋼支撐在下列場合應(yīng)考慮使用鋼支撐 噴射混凝土或錨桿發(fā)揮支護作用噴射混凝土或錨桿發(fā)揮支護作用前，需要使隧道巖面穩(wěn)定時前，需要使隧道巖面穩(wěn)定時 用鋼管（棚架）、鋼板樁進行超用鋼管（棚架）、鋼板樁進行超前

43、支護需要支點時前支護需要支點時為抑制地表下沉，或由于壓力大，為抑制地表下沉，或由于壓力大，需要提高初期支護的強度或剛性時需要提高初期支護的強度或剛性時 5 5、 合理安排施工程序合理安排施工程序 施工方法的正確性和合理性對施工方法的正確性和合理性對錨噴支護的成敗和效果有重大影響，錨噴支護的成敗和效果有重大影響，特別是開挖程序、掘進進尺、支護特別是開挖程序、掘進進尺、支護和閉合時機等至關(guān)重要和閉合時機等至關(guān)重要 開挖臺階數(shù)開挖臺階數(shù) 圍巖較好：應(yīng)盡量采用全斷面開圍巖較好：應(yīng)盡量采用全斷面開挖法，減少對圍巖的擾動次數(shù)；挖法，減少對圍巖的擾動次數(shù)； 破碎圍巖：分部開挖，減少對圍破碎圍巖：分部開挖，減

44、少對圍巖擾動的強度巖擾動的強度 支護次數(shù)支護次數(shù) 6 6、依據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)指導(dǎo)施工、依據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)指導(dǎo)施工 由于錨噴支護理論目前還不成由于錨噴支護理論目前還不成熟，故需依靠現(xiàn)場監(jiān)控量測來掌握熟，故需依靠現(xiàn)場監(jiān)控量測來掌握圍巖動態(tài)、修正設(shè)計，指導(dǎo)施工以圍巖動態(tài)、修正設(shè)計，指導(dǎo)施工以及對支護效果作出正確評價。及對支護效果作出正確評價?，F(xiàn)場量測內(nèi)容：現(xiàn)場量測內(nèi)容： 隧道內(nèi)目測觀察隧道內(nèi)目測觀察 隧道收斂量測隧道收斂量測 地表下沉量測地表下沉量測 位移反分析，指導(dǎo)施工位移反分析，指導(dǎo)施工 隧道內(nèi)目測觀察隧道內(nèi)目測觀察 隧道目測觀察的目的隧道目測觀察的目的 預(yù)測開挖面前方的地質(zhì)條件預(yù)測開挖面前方的地質(zhì)

45、條件 為判斷圍巖穩(wěn)定性提供地質(zhì)依據(jù)為判斷圍巖穩(wěn)定性提供地質(zhì)依據(jù) 根據(jù)噴層表面狀態(tài)及錨桿工作狀根據(jù)噴層表面狀態(tài)及錨桿工作狀態(tài)分析支護結(jié)構(gòu)可靠度態(tài)分析支護結(jié)構(gòu)可靠度 隧道目測觀察的主要內(nèi)容隧道目測觀察的主要內(nèi)容 了解開挖工作面的工程地質(zhì)，包了解開挖工作面的工程地質(zhì)，包括地質(zhì)種類及分布狀態(tài)，巖石顏色、括地質(zhì)種類及分布狀態(tài)，巖石顏色、成分、結(jié)構(gòu)等，節(jié)理狀況，斷層特成分、結(jié)構(gòu)等，節(jié)理狀況，斷層特征等征等 水文地質(zhì)條件：地下水類型，涌水文地質(zhì)條件：地下水類型，涌水量大小，涌水位置，涌水壓力，水量大小，涌水位置，涌水壓力，水的化學(xué)成分等水的化學(xué)成分等 繪制開挖工作面的素描剖面圖繪制開挖工作面的素描剖面圖 開挖支護后的觀察：初期支護的開挖支護后的觀察：初期支護的裂縫狀況，錨桿端頭情況，鋼拱裂縫狀況，錨桿端頭情況，鋼拱架是否被壓曲，是否有底鼓現(xiàn)象架是否被壓曲，是否有底鼓現(xiàn)象 隧道目測觀察中圍巖破壞形態(tài)分析隧道目測觀察中圍巖破壞形態(tài)分析 危險性不大的破壞：構(gòu)筑仰拱后在危險性不大的破壞：構(gòu)筑仰拱后在拱肩