奧法及噴錨支護ppt課件

1、5.4 5.4 新奧法及噴錨支護新奧法及噴錨支護小浪底水電站小浪底水電站水電站為地下廠房,其長、寬、高尺寸分別為2515m、262m和61.44m. 廣州抽水蓄能電站地下廠房廣州抽水蓄能電站地下廠房 廣州抽水蓄能電站廣州抽水蓄能電站(下稱廣蓄電站下稱廣蓄電站)位于廣東省從化市呂位于廣東省從化市呂田鎮(zhèn)田鎮(zhèn),總裝機總裝機2400MW,是目前世界上最大的抽水蓄能電是目前世界上最大的抽水蓄能電站。該工程分二期完成站。該工程分二期完成,每期工程均為每期工程均為4300MW。分。分別于別于1994年年3月和月和2000年年6月建成投產(chǎn)。月建成投產(chǎn)。 廣蓄電站的土建工程主要是地下建筑廣蓄電站的土建工程主要是

2、地下建筑,其中地下廠房深其中地下廠房深埋于地面以下埋于地面以下450m,開挖尺寸開挖尺寸:長長146.5m,寬寬21m,高高44.54m。地下廠房等洞室群中。地下廠房等洞室群中,凡不過水洞室均采用噴凡不過水洞室均采用噴錨支護作為永久支護錨支護作為永久支護,過水隧洞的暫時支護同樣采用噴過水隧洞的暫時支護同樣采用噴錨支護。錨支護。 一、一、 新奧法新奧法新奧法新奧地利隧道施工法新奧法新奧地利隧道施工法New New Austrian Tunnelling MethodAustrian Tunnelling Method NATMNATM法，奧地利學(xué)者拉布西維茲法，奧地利學(xué)者拉布西維茲教授于二十世紀

3、教授于二十世紀5050年代提出的年代提出的 。新奧法的主要原那么：新奧法的主要原那么：1 1充分維護圍巖，減少對圍巖的充分維護圍巖，減少對圍巖的擾動。擾動。2 2充分發(fā)揚圍巖的自承才干。充分發(fā)揚圍巖的自承才干。3 3盡快使支護構(gòu)造閉合。盡快使支護構(gòu)造閉合。4 4加強監(jiān)測，根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)指點加強監(jiān)測，根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)指點施工。施工?？啥笠馗爬榭啥笠馗爬椤吧贁_動、早噴錨、少擾動、早噴錨、快封鎖、勤丈量快封鎖、勤丈量優(yōu)點：較好利用巖膂力學(xué)特性，充分發(fā)優(yōu)點：較好利用巖膂力學(xué)特性，充分發(fā)揚圍巖的本身的承載才干，合理設(shè)計揚圍巖的本身的承載才干，合理設(shè)計支護構(gòu)造和施工順序。支護構(gòu)造和施工順序。 支護支護-

4、 -圍巖共同作用原理圍巖共同作用原理 圍巖既是消費支護荷載的主體，又是接受巖層荷載的構(gòu)造，支護-圍巖作為整體相互作用，共同承當圍巖壓力。摒棄了過去巖體作為對支護構(gòu)造的荷載采用厚襯砌的傳統(tǒng)做法。 圍巖壓力是變形壓力和松動壓力的組合，大部分壓力(特別是變形壓力)由圍巖本身承當，只需少部分轉(zhuǎn)移到支護構(gòu)造上；支護荷載既取決于圍巖的性質(zhì)，又取決于支護構(gòu)造的剛度和支護時間；圍巖的松動區(qū)和圍巖內(nèi)的二次應(yīng)力形狀又與支護構(gòu)造的性質(zhì)和支護時間有關(guān)。支護時間剛度早晚剛 柔性支護觀念柔性支護觀念 支護剛度不用太大，當支護做完后，能與巖體一同產(chǎn)生一定的位移，釋放部分變形能，但又能使支護足以堅持平衡，堅持圍巖穩(wěn)定。 柔性

5、支護，盡早支護，既及時封鎖圍巖，防止風化，又能釋放變形能，合理利用圍巖與支護共同承當應(yīng)力調(diào)整過程中的一切作用。 支護構(gòu)造為閉合環(huán)，錨噴網(wǎng)綜合支護主要支護手段。 設(shè)計、施工、監(jiān)測一條龍作業(yè)方式設(shè)計、施工、監(jiān)測一條龍作業(yè)方式工程地質(zhì)調(diào)查與相關(guān)實驗工程開挖與支護設(shè)計施工與監(jiān)測能否穩(wěn)定前往二、二、 壓力拱實際計算圍巖壓力壓力拱實際計算圍巖壓力一普氏平衡拱實際一普氏平衡拱實際 1 1、自然平衡拱壓力拱的概念、自然平衡拱壓力拱的概念 普洛托.季雅克諾夫2 2、在松散體中構(gòu)成壓力拱的條件、在松散體中構(gòu)成壓力拱的條件 坑道埋深坑道埋深Z(2Z(22.5)b,b2.5)b,b為壓力拱高度。為壓力拱高度。3 3、

6、普氏實際假設(shè)條件、普氏實際假設(shè)條件1將巖體視為松散體。式中： 為巖體似內(nèi)摩擦角。2洞頂巖體可以構(gòu)成壓力拱。3沿拱切線方向只作用有壓應(yīng)力，而不能接受拉應(yīng)力。自然平衡拱以上的巖體分量經(jīng)過拱傳送到兩幫，對拱內(nèi)巖體不產(chǎn)生任何影響。即作用在支架上的頂壓僅為拱內(nèi)巖體分量，與拱外巖體和坑道埋深無關(guān)。 tanfsin1cos210110tancfc10cf 式中式中c c 為巖石單軸抗壓強度，為巖石單軸抗壓強度，MPa.MPa.也可按上式計算巖體似內(nèi)摩擦角也可按上式計算巖體似內(nèi)摩擦角k k ：4. 4. 采用鞏固性系數(shù)采用鞏固性系數(shù)f f普氏系數(shù)普氏系數(shù) 來表征巖來表征巖體的強度體的強度sin1cos2101

7、10tancfc5、自然平衡拱的力學(xué)模型及相應(yīng)的計算方法、自然平衡拱的力學(xué)模型及相應(yīng)的計算方法模型1：假定坑道兩幫巖體穩(wěn)定 f2，而坑道頂部巖體不穩(wěn)定，會發(fā)生冒落而構(gòu)成自然平衡拱。模型2：假定坑道兩幫巖體也不穩(wěn)定 f2，發(fā)生剪切破壞，導(dǎo)致平衡拱的跨度擴展。1模型1 及相應(yīng)的計算方法 A、平衡拱外形 平衡拱外形如下圖，為一條拋物線，其方程為：22xaby B、平衡拱跨度 平衡拱跨度等于坑道跨度，即2a。C、平衡拱高度b:fab E、單位長度平衡拱內(nèi)巖體分量W： faabAW23434F、單位長度坑道上作用在坑道支架上的頂壓pv: faabWpv23434D、平衡拱面積：abdxxababydxa

8、bAaa3422220220 10cf 2 2模型模型2 2 及相應(yīng)的計算方法及相應(yīng)的計算方法 當平安系數(shù)當平安系數(shù)22時，坑道兩時，坑道兩幫巖領(lǐng)會發(fā)生剪切破壞，導(dǎo)幫巖領(lǐng)會發(fā)生剪切破壞，導(dǎo)致平衡拱的跨度擴展。致平衡拱的跨度擴展。 A A、平衡拱外形、平衡拱外形 平衡拱外形如下圖，為一平衡拱外形如下圖，為一條拋物線，其方程為：條拋物線，其方程為：221xaby kB B、平衡拱跨度、平衡拱跨度 兩幫巖體發(fā)生剪切破兩幫巖體發(fā)生剪切破壞，其破裂面與程度面的壞，其破裂面與程度面的夾角為夾角為450450/2/2，此時平，此時平衡拱跨度將增大至衡拱跨度將增大至2a12a1。 )245(222201kHc

9、tgaBCaa C C、平衡拱高度、平衡拱高度b:b:k )245(101kHctgaffab D D、單位長度坑道上作用在坑道支架上的頂壓、單位長度坑道上作用在坑道支架上的頂壓pv: pv: aqabpv22 支架遭到的頂壓近支架遭到的頂壓近似等于似等于DCCDDCCD部分部分巖體的分量，即巖體的分量，即 bq kk 可按滑動土體上有均布荷可按滑動土體上有均布荷載載q= b q= b 作用的擋土墻作用的擋土墻上自動土壓力公式計算，即上自動土壓力公式計算，即)245(tg021kaqqKp 式中式中kk為巖體換算內(nèi)摩擦角，為巖體換算內(nèi)摩擦角，kkarctgf arctgf 。1p2pE、支架遭

10、到的總的側(cè)壓力、支架遭到的總的側(cè)壓力Qh:)245(tg)21()(2102221khqHHHppQ aKHqp)(2 實踐上，自然平衡拱有各種外形，在巖層傾斜的情況下，還會產(chǎn)生歪斜的平衡拱，如下圖。普氏平衡拱實際適用于深埋洞室。 可見：松脫壓力是有一定限制的，不是無限增大；采用傳統(tǒng)支護方法時，要盡量使支護與圍巖嚴密接觸，使支護更好地發(fā)揚作用，有效控制圍巖破壞。二太沙基實際計算圍巖壓力二太沙基實際計算圍巖壓力 對于脆弱破碎巖體或土體，在巷道淺埋的情況下，對于脆弱破碎巖體或土體，在巷道淺埋的情況下，可以采用太沙基實際計算圍巖壓力?？梢圆捎锰郴鶎嶋H計算圍巖壓力。1 1、太沙基實際的根本假設(shè)、太沙

11、基實際的根本假設(shè)1 1仍視巖體為具有一定粘結(jié)力的松散體，其強度服仍視巖體為具有一定粘結(jié)力的松散體，其強度服從莫爾庫倫強度實際，即從莫爾庫倫強度實際，即 tg c2 2假設(shè)坑道開挖后，頂板巖體逐漸下沉假設(shè)坑道開挖后，頂板巖體逐漸下沉 ，引起，引起應(yīng)力傳送而作用在支架上，構(gòu)成坑道壓力。應(yīng)力傳送而作用在支架上，構(gòu)成坑道壓力。2 2、太沙基圍巖壓力公式、太沙基圍巖壓力公式普通分坑道兩幫巖體穩(wěn)定或不穩(wěn)定兩種情況思索。普通分坑道兩幫巖體穩(wěn)定或不穩(wěn)定兩種情況思索。1、坑道兩幫巖體穩(wěn)定、坑道兩幫巖體穩(wěn)定 坑道兩幫巖體穩(wěn)定，下沉僅限于頂板上部巖體，如圖，AD和BC為滑動面，并延伸至地表。 兩側(cè)巖體的剪力dF:d

12、ztgcdztgcdzdFvh)()( 式中：h，v為在深度Z處的程度應(yīng)力和垂直應(yīng)力，為側(cè)壓力系數(shù)， h/v 假設(shè)地表作用有均布荷載 p，那么薄層dz在垂直方向的平衡方程為：dztgcdaadzavvvv)( 2)(222 整理得：vvddzacatg )(acatgdzdvv 于是得： 根據(jù)地表邊境條件求A:當z=0時，v p，代入上式得： 那么垂直應(yīng)力的計算公式為：1 captgA zatgzatgzatgvpeetgcaecaptgtgca )1()1(1 解微分方程得： zatgvAetgca 1 那么垂直應(yīng)力的計算公式：當z=H時，v就是 作用在坑道頂壓qv 。 zatgzatgza

13、tgvpeetgcaecaptgtgca )1 ()1(1HatgHatgHzvvpeetgcaq )1()(假設(shè)H ，c0, p=0時，坑道頂壓： 單位長度坑道上的頂壓為： tgaqvv vvaqp2 HatgHatgHzvvpeetgcaq )1()(2 2、坑道兩幫巖體不穩(wěn)定、坑道兩幫巖體不穩(wěn)定 坑道兩幫巖體發(fā)生剪坑道兩幫巖體發(fā)生剪切破壞，構(gòu)成直達地表的切破壞，構(gòu)成直達地表的破裂面破裂面OCOC和和OCOC并引起并引起巖柱體巖柱體ABBAABBA下沉，產(chǎn)下沉，產(chǎn)生垂直破裂面生垂直破裂面ABAB和和A BA B。A A、坑道頂部下沉的跨度為：、坑道頂部下沉的跨度為：H)245(2201hc

14、tgaaHB、坑道頂壓 坑道頂壓計算方法同上，只需將以上各式中的a以a1替代即可。HatgHatgHzvvpeetgcaq11)1 (1)( 假設(shè)H ，c0, p=0時，坑道頂壓： tgaqvv1 )245(2201hctgaa C、 單位長度坑道上的頂壓為：vvaqp2 D、支架遭到的總的側(cè)壓力Qh: 可按滑動土體上有均布荷載q作用的擋土墻上自動土壓力公式計算，即)245(tg)21()(2102221hqhhPPQvh)245(tg021kvavqKqp avKhqp)(2H 例題例題 某矩形巷道，寬度為某矩形巷道，寬度為 4 m, 高度為高度為3m，布置在泥，布置在泥質(zhì)頁巖中，巖石的換算

15、內(nèi)摩擦角質(zhì)頁巖中，巖石的換算內(nèi)摩擦角k710，, 巖石重度巖石重度20 kN/m3，按普氏地壓實際試求：，按普氏地壓實際試求： 1拱的跨度和高度拱的跨度和高度 ； 2自然平衡拱的方程式；自然平衡拱的方程式； 3支架所受的頂壓等于多少？支架所受的頂壓等于多少？ 解：解：2a = 4 m , f = tg71=2.9, 20 kN/m3(1) 壓力拱跨度壓力拱跨度 2 a = 4(m) 壓力拱高度壓力拱高度 b =a/f =2/2.9=0.69 (m)(2) 壓力拱方程式：壓力拱方程式： y x2 b/a2 = 0.172 x2 (3) 總頂壓力總頂壓力(kN/m)78.36342 faQv 三、

16、三、 坑道支護坑道支護 巖體作為支護構(gòu)造的組成部分，與支護巖體作為支護構(gòu)造的組成部分，與支護構(gòu)造組成共同存載體，它們之間相互依存，構(gòu)造組成共同存載體，它們之間相互依存，相互制約，協(xié)調(diào)變形，共同承當全部圍巖壓相互制約，協(xié)調(diào)變形，共同承當全部圍巖壓力。力。一一 離壁式支護的力學(xué)作用離壁式支護的力學(xué)作用特點：離壁式支護構(gòu)造如木支架、鋼支架、混凝土砌碹以及鋼筋混凝土支架等與圍巖部分點接觸和部分面接觸。 1、被動接受圍巖壓力。 2、支護及時時，圍巖變形還未到達極限的情況下，在點接觸或面接觸處接受圍巖所產(chǎn)生的壓力變形壓力。 3、在完全不接觸的情況下，或支護不及時時，圍巖已發(fā)生松脫，那么只接受松脫壓力。 二

17、噴錨支護二噴錨支護 噴錨支護【噴錨支護【shotcrete-bolt support】指的是借高壓放射水泥混凝土和打入巖層中指的是借高壓放射水泥混凝土和打入巖層中的金屬錨桿的結(jié)協(xié)作用的金屬錨桿的結(jié)協(xié)作用(根據(jù)地質(zhì)情況也可根據(jù)地質(zhì)情況也可分別單獨采用分別單獨采用)加固巖層，分為暫時性支護加固巖層，分為暫時性支護構(gòu)造和永久性支護構(gòu)造。構(gòu)造和永久性支護構(gòu)造。 噴混凝土是利用噴漿設(shè)備向地下洞室噴混凝土是利用噴漿設(shè)備向地下洞室開挖面噴一定厚度的混凝土層，借以支護圍開挖面噴一定厚度的混凝土層，借以支護圍巖。由于混凝土噴層密貼圍巖，并具柔軟性巖。由于混凝土噴層密貼圍巖，并具柔軟性等特點，所以能接受較大荷載，

18、并能控制圍等特點，所以能接受較大荷載，并能控制圍巖變形，充填膠結(jié)巖體表層裂隙，維護和發(fā)巖變形，充填膠結(jié)巖體表層裂隙，維護和發(fā)揚巖體的潛力。噴混凝土可以作為洞室圍巖揚巖體的潛力。噴混凝土可以作為洞室圍巖的初期支護，也可以作為永久性支護。噴錨的初期支護，也可以作為永久性支護。噴錨支護是使錨桿、混凝土噴層和圍巖構(gòu)成共同支護是使錨桿、混凝土噴層和圍巖構(gòu)成共同作用的體系，防止巖體松動、分別。把一定作用的體系，防止巖體松動、分別。把一定厚度的圍巖轉(zhuǎn)變成自承拱，有效地穩(wěn)定圍巖。厚度的圍巖轉(zhuǎn)變成自承拱，有效地穩(wěn)定圍巖。當巖體比較破碎時，還可以利用絲網(wǎng)拉擋錨當巖體比較破碎時，還可以利用絲網(wǎng)拉擋錨桿之間的小巖塊，

19、加強混凝土噴層，輔助噴桿之間的小巖塊，加強混凝土噴層，輔助噴錨支護。錨支護。 n噴錨支護在洞室開挖后，噴錨支護在洞室開挖后， 支護及時，與圍巖密支護及時，與圍巖密貼，柔性好，有良好的物理力學(xué)性能。它能侵貼，柔性好，有良好的物理力學(xué)性能。它能侵入圍巖裂隙，封鎖節(jié)理，加固構(gòu)造面和層面，入圍巖裂隙，封鎖節(jié)理，加固構(gòu)造面和層面，提高圍巖的整體性和自承才干，抑制變形的開提高圍巖的整體性和自承才干，抑制變形的開展。在支護與圍巖的共同任務(wù)中，有效地控制展。在支護與圍巖的共同任務(wù)中，有效地控制和調(diào)整圍巖應(yīng)力的重分布，防止圍巖松動和坍和調(diào)整圍巖應(yīng)力的重分布，防止圍巖松動和坍塌，加強圍巖的穩(wěn)定性。它不象傳統(tǒng)的模筑混塌，加強圍巖的穩(wěn)定性。它不象傳統(tǒng)的模筑混凝土襯砌那樣，只是在洞室開挖后被動地接受凝土襯砌那樣，只是在洞室開挖后被動地接受圍巖壓力，而是自動地加固圍巖。目前，對噴圍巖壓力，而是自動地加固圍巖。目前，對噴錨支護作用原理的研討還不完善，有待進一步錨支護作用原理的研討還不完善，有待進一步探求和改良。探求和改良。1、放射混凝土的力學(xué)作用1加固圍巖。2改善圍