第8章 噴錨支護(hù)

第8章噴錨支護(hù)結(jié)構(gòu)概述圍巖分級(jí)工程類比法解析法施工信息反饋圍巖穩(wěn)定性的分析8.1概述概念：噴錨支護(hù)為由噴混凝土、錨桿、鋼筋網(wǎng)組成的噴錨聯(lián)合支護(hù)或噴錨網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)特點(diǎn)：施工及時(shí)、與圍巖密貼和共同變形噴錨結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法噴錨結(jié)構(gòu)的施工主要是運(yùn)用新奧法施工原理8.2圍巖分級(jí)圍巖分級(jí)方法1.單因素巖石力學(xué)指標(biāo)分級(jí)法2.因素綜合指標(biāo)分級(jí)法3.定性與定量多因素指標(biāo)相結(jié)合分級(jí)法4.組合指標(biāo)函數(shù)法巖石強(qiáng)度或者彈性模量彈性波速度應(yīng)用最廣今后發(fā)展的方向本教材圍巖分級(jí)《GB50086—2001錨桿噴射混凝土支護(hù)技術(shù)規(guī)范》圍巖分級(jí)依據(jù)（1）巖體基本質(zhì)量應(yīng)由巖石堅(jiān)硬程度和巖體完整程度兩個(gè)因素確定（2）巖石堅(jiān)硬程度和巖體完整程度應(yīng)采用定性劃分和定量指標(biāo)兩種方法確定依據(jù)：《工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》（GB50218-94）基本質(zhì)量級(jí)別巖體基本質(zhì)量的定性特征巖體基本質(zhì)量指標(biāo)Ⅰ堅(jiān)硬巖，巖體完整＞550Ⅱ堅(jiān)硬巖，巖體較完整；較堅(jiān)硬巖，巖體完整550~451Ⅲ堅(jiān)硬巖，巖體較破碎；較堅(jiān)硬巖或軟硬巖互層，巖體較完整；較軟巖，巖體完整450~351Ⅳ堅(jiān)硬巖，巖體破碎；較堅(jiān)硬巖，巖體較破碎~破碎；較軟巖或軟硬巖互層；且以軟巖為主，巖體較完整~較破碎；軟巖，巖體完整~較完整350~251Ⅴ較軟巖，巖體破碎；軟巖，巖體較破碎~破碎；全部極軟巖及全部極破碎巖＜250最終巖體基本質(zhì)量分級(jí)應(yīng)根據(jù)巖體基本質(zhì)量的定性特征和巖體基本質(zhì)量指標(biāo)（BQ）兩者相結(jié)合《錨桿噴射混凝土支護(hù)技術(shù)規(guī)范》（GB50086-2001）的圍巖分級(jí)吸取了《工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》（GB50218）有關(guān)圍巖分級(jí)的內(nèi)容，在圍巖分級(jí)中主要考慮下述幾個(gè)分級(jí)指標(biāo)：1.巖體的結(jié)構(gòu)特征及其完整性2.巖體的物理力學(xué)性質(zhì)4.原巖應(yīng)力的影響3.地下水的影響5.綜合指標(biāo)巖體完整性指標(biāo)用巖體完整性系數(shù)Kv表示，Kv可按下式計(jì)算：——隧洞巖體實(shí)測(cè)的縱波速度（km/s）；

——隧洞巖石實(shí)測(cè)的縱波速度（km/s）Jv與Kv對(duì)照表Jv（條/m3）<33~88~2020~25>25Kv>0.750.75~0.550.55~0.350.35~0.15<0.15當(dāng)無條件進(jìn)行聲波實(shí)測(cè)時(shí)，也可用巖體體積節(jié)理數(shù)Jv，按下表確定Kv值圍巖分級(jí)表8.3工程類比法概念：工程類比法是建立在研究大量工程的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)、統(tǒng)計(jì)數(shù)字和觀測(cè)成果基礎(chǔ)上的，結(jié)合具體工程的地質(zhì)條件，在類比、分析、判斷的基礎(chǔ)上進(jìn)行新的工程設(shè)計(jì)已建工程擬建工程設(shè)計(jì)步驟初步設(shè)計(jì)階段按噴錨規(guī)范的規(guī)定初步確定圍巖級(jí)別，初步選擇隧洞、斜井或豎井的錨噴支護(hù)類型和設(shè)計(jì)參數(shù)實(shí)測(cè)圍巖分級(jí)定量指標(biāo)按附表Ⅰ的規(guī)定，詳細(xì)劃分圍巖級(jí)別，并修正初步設(shè)計(jì)施工設(shè)計(jì)階段隧洞和斜井的錨噴支護(hù)類型和設(shè)計(jì)參數(shù)表表中的支護(hù)類型和參數(shù)，是指隧洞和傾角小于30°的斜井的永久支護(hù)，包括初期支護(hù)與后期支護(hù)的類型和參數(shù)。對(duì)高度大于15.0m的側(cè)邊墻應(yīng)進(jìn)行穩(wěn)定性驗(yàn)算。并根據(jù)驗(yàn)算結(jié)果，確定錨噴支護(hù)參數(shù)8.4理論分析方法錨桿加固拱頂危巖的計(jì)算用錨桿加固拱頂局部危巖，一般按懸吊原理來確定錨桿參數(shù)。錨桿加固拱頂危巖Q—危巖沿裂隙AB對(duì)錨桿的剪力。N—由于危巖滑移在錨桿中產(chǎn)生的拉力。錨桿加固拱頂危巖的計(jì)算用錨桿加固拱頂局部危巖，一般按懸吊原理來確定錨桿參數(shù)。錨桿加固拱頂危巖Q—危巖沿裂隙AB對(duì)錨桿的剪力。N—由于危巖滑移在錨桿中產(chǎn)生的拉力。錨桿所需的截面積Ag—所需錨桿鋼筋的截面積；Rg—鋼筋抗拉設(shè)計(jì)強(qiáng)度；τg—鋼筋抗拉強(qiáng)度；K—安全系數(shù)，一般1.5~2.0。錨桿長(zhǎng)度l—錨桿長(zhǎng)度；l1—錨固長(zhǎng)度；hy—加固長(zhǎng)度；l2—外露長(zhǎng)度。錨桿加固側(cè)壁危巖的計(jì)算錨桿加固側(cè)壁危巖沿滑裂面下滑力：抗滑力：考慮安全系數(shù)后，錨桿鋼筋所需截面積：錨桿整體加固設(shè)計(jì)原理和計(jì)算方法按懸吊設(shè)計(jì)原理的計(jì)算方法錨桿按懸吊原理的計(jì)算錨桿長(zhǎng)度l錨桿的錨固長(zhǎng)度l1按經(jīng)驗(yàn)選取時(shí)，一般楔縫式砂漿錨桿可取30cm，螺紋鋼筋砂漿錨桿可取其直徑的20~30倍。根據(jù)砂漿與鋼筋的粘結(jié)力，使鋼筋發(fā)揮最大能力時(shí)，τm—砂漿與錨桿鋼筋的粘結(jié)力；dm—錨桿鋼筋直徑。砂漿錨桿有可能由于砂漿與孔壁巖石的粘結(jié)力不足而破壞，故錨固長(zhǎng)度為：τm—砂漿與鉆孔壁巖石的粘結(jié)力；dm—砂漿錨桿鉆孔直徑。砂漿與巖石的粘結(jié)力參考值（砂漿標(biāo)號(hào)為200~300時(shí)）巖石名稱粘結(jié)力（公斤/厘米2）巖石名稱粘結(jié)力（公斤/厘米2）大理巖赤鐵礦磁鐵礦花崗巖粘土質(zhì)頁巖3027252418輝綠巖石灰?guī)r凝灰?guī)r鋁礬土13252012錨桿的加固長(zhǎng)度hy可按圍巖的荷載高度或用聲波等測(cè)試技術(shù)量測(cè)松動(dòng)圈的辦法確定。按荷載高度取值時(shí)，hy=N0KL。錨桿的外露長(zhǎng)度l2考慮設(shè)置墊板和鋼筋網(wǎng)等必須的，一般可取5~20cm，不應(yīng)超過噴混凝土厚度。錨桿長(zhǎng)度按上式計(jì)算后，還可考慮因洞室開挖輪廓線不平整而增加附加長(zhǎng)度，一般為20cm。對(duì)大洞室的拱腳等處，錨桿應(yīng)適當(dāng)加長(zhǎng)，可取拱頂錨桿的1.2倍。錨桿直徑、間距和布置錨桿的直徑與受力要求有關(guān)外，還與鉆孔直徑有密切關(guān)系。因鉆孔與錨桿鋼筋之間需留有一定的間隙，以使砂漿灌實(shí)，一般規(guī)定錨桿鋼筋直徑應(yīng)比鉆孔直徑小16~20mm為宜，取18~25mm。錨桿的間距γ—圍巖容重；K—安全系數(shù)，取1.5~2.0。要求l/a≥2。錨桿的布置整體布置的錨桿在洞室表面上可布置成方格形或梅花形。方格形布置對(duì)綁扎鋼筋網(wǎng)較有利。梅花形布置時(shí)同一環(huán)或同一列的錨桿間距應(yīng)為1.4a。錨桿在洞室橫剖面上的布置與洞室輪廓線形狀和巖層傾角有關(guān)。一般應(yīng)垂直或接近垂直于洞室輪廓線或?qū)永砻妫?yīng)符合錨桿受力的有力方向。按組合拱設(shè)計(jì)原理的計(jì)算方法組合拱原理的計(jì)算錨桿長(zhǎng)度應(yīng)超過組合拱高度：K—安全系數(shù)，取1.2；hz—組合拱高度。組合拱跨度近似?。篖—毛洞跨度。組合拱假定為二端固定的等截面割圓拱，荷載按自重形式均布于拱軸上。單位長(zhǎng)度上荷載為：h—荷載高度，h=N0KL；b—組合拱縱向?qū)挾?。f/l00.10.20.30.40.5乘數(shù)HnMnM0Q2.48480.001900.5141.20650.00580.00200.5520.77360.01380.00440.6140.54390.02200.00840.6920.40150.0380.01330.785QQl0Ql0ql0自重作用下二端固定等截面割圓拱內(nèi)力Q值為半個(gè)拱上的總荷載

f—矢高

l0—計(jì)算跨度。拱腳處徑向截面內(nèi)力：彎矩Mn直接由表查得。任意徑向截面之內(nèi)力為：當(dāng)錨桿徑向布置時(shí)作裂縫強(qiáng)度校核徑向縫的強(qiáng)度校核設(shè)組合拱有一條徑向縫，與垂直線成φ角。假設(shè)剪力全由巖石承受，則應(yīng)滿足：斜向縫的強(qiáng)度校核斜向縫計(jì)算設(shè)在組合拱某處有一條與該處共軸線成α角的斜向縫AB，該縫在拱軸處徑向截面上的剪力和軸力求法同前，合力為：合力與拱軸線夾角為：斜向縫AB上的剪力：斜向縫AB上的正壓力：斜向縫AB上巖石的抗剪力：斜向縫AB上錨桿的抗剪力：當(dāng)斜向縫與合力在拱軸線的同一側(cè)時(shí)，上各式中用（α-β），否則用（α+β），因此斜向縫上強(qiáng)度：切向縫的強(qiáng)度校核Qφ—與垂直線成夾角φ截面處的剪力；b—組合拱縱向?qū)挾?；I—組合拱全部斷面的慣性矩；S—切向縫上組合拱的截面積對(duì)組合拱中和軸的靜力矩，當(dāng)組合拱為矩形斷面時(shí)：噴混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)原理和計(jì)算方法局部加固原理和計(jì)算方法被節(jié)理裂隙切割形成的塊狀圍巖中，圍巖軟弱結(jié)構(gòu)面的組合，對(duì)圍巖的變形和破壞起控制作用。常因一塊危巖的旋轉(zhuǎn)、錯(cuò)動(dòng)或掉落，而引起圍巖的失穩(wěn)。因此，用噴混凝土加固圍巖，這種觀點(diǎn)稱為局部加固原理或危巖原理。按抗沖切破壞計(jì)算噴混凝土厚度沖切破壞計(jì)算d0—按沖切破壞驗(yàn)算的噴混凝土厚度；G—可能塌落的危巖重量；K—沖切強(qiáng)度設(shè)計(jì)安全系數(shù)，K=3；u—危巖與噴混凝土接觸面周長(zhǎng)；Rl—噴混凝土的抗剪強(qiáng)度。按抗粘結(jié)破壞計(jì)算噴混凝土厚度粘結(jié)破壞計(jì)算把混凝土層作為彈性地基梁考慮，圍巖視作彈性地基，粘結(jié)力相當(dāng)于彈性地基上的反力。由p引起的噴混凝土與巖面間的拉應(yīng)力σ=ky，y為彈性地基上長(zhǎng)梁在p作用下的變位：最大拉應(yīng)力發(fā)生在x=0處，這時(shí)，M0=0，Q0=P，φ6=1，則：其中：最大拉應(yīng)力公式為：為便于計(jì)算，簡(jiǎn)化為：計(jì)算后采用的噴混凝土厚度不得小于5cm。組合拱設(shè)計(jì)原理和計(jì)算方法噴混凝土組合拱計(jì)算荷載以自重形式作用于該組合拱的拱軸線上：組合拱高度及計(jì)算跨度：徑向縫強(qiáng)度校核抗彎強(qiáng)度校核組合拱在任意徑向截面的偏心距及壓應(yīng)力應(yīng)滿足：當(dāng)組合拱下邊緣出現(xiàn)拉應(yīng)力時(shí)，還需校核噴混凝土的抗拉強(qiáng)度：[σa]y—巖石容許抗壓強(qiáng)度；[σa]h—噴混凝土容許抗壓強(qiáng)度；[σl]y—噴混凝土容許抗拉強(qiáng)度?？辜魪?qiáng)度校核組合拱在任意徑向截面的抗剪強(qiáng)度應(yīng)滿足：斜向縫強(qiáng)度校核斜向縫AB上的抗剪強(qiáng)度校核斜向縫AB上的抗拉強(qiáng)度校核式中：噴錨結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理和計(jì)算方法錨桿噴混凝土聯(lián)合加固結(jié)構(gòu)是將巖石、錨桿和噴混凝土三者視為一整體的組合結(jié)構(gòu)，其設(shè)計(jì)原理和計(jì)算方法主要有三種。組合拱壓剪破壞懸吊錨噴結(jié)構(gòu)可用受力分配的方法計(jì)算錨桿參數(shù)和噴混凝土厚度。即不穩(wěn)定大塊巖石或松動(dòng)圍巖，主要由錨桿承受，錨桿間不穩(wěn)定巖石則由噴混凝土支撐。一、按懸吊設(shè)計(jì)原理的計(jì)算方法錨桿參數(shù)的計(jì)算主要采用鋼筋砂漿錨桿，參數(shù)仍按錨桿整體加固時(shí)的懸吊原理計(jì)算噴混凝土厚度的計(jì)算噴混凝土承受的最大重量取決于錨桿間距與圍巖性質(zhì)。當(dāng)洞室為拱形時(shí)，則構(gòu)成錨桿、噴混凝土、和巖石組合拱。二、按組合拱設(shè)計(jì)原理的計(jì)算方法錨桿長(zhǎng)度的計(jì)算式中——安全系數(shù)，取1.2?！M合拱中巖石高度計(jì)算時(shí)假定組合拱切向縫的抗剪強(qiáng)度由錨桿提供，斜向縫的抗剪強(qiáng)度由巖石和噴混凝土提供徑向縫強(qiáng)度校核其荷載、高度、跨度和抗剪強(qiáng)度以及抗彎強(qiáng)度的計(jì)算方法與上一節(jié)噴混凝土結(jié)構(gòu)計(jì)算方法一致。斜向縫抗剪強(qiáng)度校核當(dāng)洞腰由于剪切而分割出楔形巖塊，并向著洞室內(nèi)部移動(dòng)的破壞形式稱為壓剪破壞。按壓剪破壞原理的計(jì)算方法巖體在壓力作用下，當(dāng)某一點(diǎn)的最大主應(yīng)力與最小主應(yīng)力之差的應(yīng)力圓與摩爾滑動(dòng)包絡(luò)線相切時(shí)，產(chǎn)生剪切滑動(dòng)。假定巖體摩爾包絡(luò)線為直線，其內(nèi)摩擦角為，則不管多大，剪切角均為一定值：剪切滑動(dòng)線上任意點(diǎn)的半徑為：剪切范圍高度為：噴混凝土的容許承載力：附加鋼材的容許承載力：設(shè)錨桿的間距為和，則錨桿擠壓巖體的平均壓力為：錨桿的容許承載力：其中為剪切滑動(dòng)面長(zhǎng)度在洞室表面的投影長(zhǎng)度對(duì)于巖體本身承載力假設(shè)：則巖體的容許承載力，與剪切滑動(dòng)面上的和的水平分力總和相平衡噴錨結(jié)構(gòu)總的容許承載力為：噴錨結(jié)構(gòu)承載力必須大于所需要的最小抗力：算例一地下洞室，開挖寬8m，高12m，頂部為割圓拱。圍巖為石英砂巖，屬穩(wěn)定性較差的Ⅴ級(jí)圍巖，重度為。采用16錳的螺紋鋼筋砂漿錨桿，。噴混凝土為C20，抗力設(shè)計(jì)強(qiáng)度為0.84MPa。鉆孔直徑38mm，砂漿與鋼筋的粘結(jié)力為3MPa，與鉆孔巖石粘結(jié)力2MPa。設(shè)計(jì)該洞室的噴錨結(jié)構(gòu)?！窘狻垮^桿參數(shù)的計(jì)算錨桿長(zhǎng)度：錨固長(zhǎng)度：取：?。簞t：采用2.5m。錨桿間距：?。簢娀炷梁穸扔?jì)算如取單位寬度為1.0m計(jì)算，則均布荷載為：彎矩：應(yīng)力：所以：?。阂陨习磻业踉O(shè)計(jì)原理計(jì)算時(shí)，噴錨結(jié)構(gòu)參數(shù)為：錨桿直徑20cm，長(zhǎng)2.5m，間距1.2m，噴混凝土厚度12cm。8.5施工信息的反饋施工開挖前就能準(zhǔn)確的確定各項(xiàng)支護(hù)參數(shù)以及最優(yōu)開挖支護(hù)方案，并非易事。施工信息反饋，即所謂的信息化設(shè)計(jì)是一種新的圍巖穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方法和地下工程設(shè)計(jì)方法?；谑┕ば畔⒎答伒男畔⒒O(shè)計(jì)要求在施工過程中布置監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，從現(xiàn)場(chǎng)圍巖的開挖及支護(hù)過程中獲得圍巖穩(wěn)定性及支護(hù)設(shè)施的工作狀態(tài)信息。反饋分析根據(jù)部分測(cè)點(diǎn)的位移、應(yīng)力反求材料參數(shù)及初始地應(yīng)力，同時(shí)對(duì)洞室穩(wěn)定性進(jìn)行判斷。反饋分析方法：正演法、逆演法。正演法利用力學(xué)計(jì)算應(yīng)力分析的基本格式，對(duì)反饋分析所需的參數(shù)進(jìn)行數(shù)學(xué)上的近似，并不斷優(yōu)化?？捎酶鞣N優(yōu)化方法使目標(biāo)函數(shù)J趨于最小，此方法適應(yīng)性廣。逆演法需要建立一套與常規(guī)應(yīng)力分析格式相反的計(jì)算公式。在線彈性情況下，可用迭加原理建立逆演法的計(jì)算