隧道施工中喷锚支护有关参数的选择及计算

[摘 要 ] 根据宝鸡至成都铁路复线新清风峡隧道和新安乐河隧道的施工实践 ,并参考有关喷锚支护参数计算
理论公式 ,总结了喷锚支护有关参数的选择及计算方法 。
[ 中图分类号 ] TD352 + . 5 [ 文献标识码 ] B [ 文章编号 ] 100228951 ( 2002) 0220017204
第 2 期 史马祥 : 隧道施工中喷锚支护有关参数的选择及计算
l1 ≥ dRg
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4 Kt
=
118 × 2450 = 7315≈74cm 4× 115 × 10
式中 : v — — — 安全系数 , 一般取 v = 115 ; σ — — 岩石单轴抗压强度 (实测得出) , kg/ cm2 ; c — θ— — — 岩石结构面的内摩擦角 。 根据奥地利的腊布希维兹 ( L . V . Rabcewicz) 等 提出的 “剪切破坏理论” 知道 , 围岩稳定性的丧失是 由于地压作用下两侧锥形剪切体 , 径向移动致使喷 层发生剪切破坏 。莫尔强度理论认为中间主应力 σ 2 对岩石影响可不考虑 。这样 , 岩石所受的应力可 近似为平面应力状态 , 即 σ 1 和σ 3 , 而最大主应力 σ 1 为开挖周边的切向应力 , 最小主应力 σ 为开挖周边 3 的径向应力 。根据莫尔强度理论 , 剪切斜面与 σ 3 作 θ 用线成 σ= 45° + 角度 。剪切破坏发生在与开挖 2 θ 周边切线成 σ 的斜面上 。喷层抗剪面的 1 = 45° 2 长度 L 近 似 的 等 于
式中 : P1 — — — 工作风压 , kg/ cm2 ;
P2 — — — 水压 , kg/ cm 。
2
事铁路工程管理工作 。
213 喷头与受喷面的距离和倾角
从宝成复线的实际施工经验来看 , 当喷头与受
18
有 色 矿 山 2002 年 ( 第 31 卷)
312 局部布置锚杆参数的确定
C≤ Q d 或 C≤ Krh 2
sinα 1
t
, 因而喷层抗剪能力为
・ 2τ B , 由喷层承载力与其所受地压值相等的平
πR g
Krh
衡条件得出下面关系式 :
P・ h1 =
或 C≤
d
πR g S
KG
2
sinα 1
t
・ 2τ B
2
式中 : P — — — 作用在喷层上的地压 ;
h1 — — — 地压作用的范围 ( 取隧道的高度值) , m ; t— — — 喷层厚度 , cm ;
或
2
K
h— — — 不稳定岩体的厚度 ; Q— — — 锚杆的锚固力 , 最大锚固力等于钢筋的
抗拉强度 R g × 钢筋的断面积 ; r— — — 岩石的容重 ; K— — — 安全系数 , 可取 K = 2～3 ; G— — — 不稳定结构体重量 ; S — — — 不稳定结构体的面积 ; 其它符号意义同前 。 所以 :
1 引言
隧道施工中喷锚支护的各种参数的选择通常是 凭经验选取 ,因为国内外喷锚支护的理论研究还很 不充分 ,这样 ,在各种参数的选择上盲目性就很大 。 本文总结了在隧道施工中喷锚支护的有关参数的选 择及计算方法 ,隧道施工中喷锚支护时可供参考 。
来衡量 ,工作风压应在 111 ～ 113kg/ cm2 , 工作风压 与混合料的输送距离 、 高程 、 输料管的弯曲程度 、 干 混合料的含水率及单位时间内通过输料管的干料量 有关 ; 石子的形状和种类 、 混凝土配合比及输料管内 壁的粗糙程度等对工作风压也有影响 。正确控制风 压 ,可以减少回弹和粉尘 ,保证混凝土的质量 。在实 际施工中 ,操作工要根据实际施工情况参考公式计 算风压的大小 ,及时调整工作风压 ,确保出料顺畅和 喷射混凝土的质量 。
Selecting and calculations of shotcrete and bolt support parameters in the process of tunnel projects
SHI Ma2xiang
( T he S i x t h Engi neeri n g L i m itted Corporation of Chi na R ail w ay 15 t h Engi neeri n g Grou p , L uoyang 471013 , Chi na )
喷面垂直时 , 混凝土回弹损失最小 , 混凝土也最密 实 ,在这种情况下 ,部分回弹物又被喷出的料束冲挡 回去 ,因此喷头与受喷面应尽量保持垂直 。 一般情况下 ,当输料管长度为 20m ,工作风压为
111～113kg/ cm2 时 , 喷头与受喷面的距离应为 1m
在施工中对于局部较小面积的不稳定结构或零 星危岩需要布置锚杆进行加固时 , 锚杆参数的确定 应按悬吊理论进行计算 。按照悬吊理论 , 不稳定结 构体或危岩的全部重量都由锚杆来承担 。因此 , 在 确定锚杆的间距时 , 每根锚杆承受的岩石重量不能 使钢筋的拉应力超过其设计强度 ; 同时锚固力要大 于锚杆的拉断力 , 只有这样才能保证锚杆不被拉断 或不被拔出 , 保证不稳定结构体与稳定岩体的有效 固结而不致滑落 。 31211 锚杆长度 局部布置锚杆时 , 锚杆长度 L 可按以下公式计 算:
212 水压
2 喷射混凝土工艺参数的确定
211 喷射混凝土机的风压计算
根据
P1 = 1 + 01013 ×L
2
喷射混凝土机喷头处的喷水水压力应比工作风 压高 1kg/ cm2 ,以利水流穿射干料 ,保证干混合料能 在喷出的瞬间得到充分的湿润 , 即工作风压与水压 关系 :
P2 = P1 + 1
t— — — 砂浆与钢筋间的粘结强度 , kg/ cm ; K— — — 安全系数 , 取 K = 115～2 。
2
10
,m( L > 2 × 岩石节 dRg
锚杆直径 : d =
A — — — 围岩稳定性影响系数 。
稳定性好的围岩 A 取 019 ; 中等稳定性的围岩
A 取 110 ; 稳定性差的围岩 A 取 111 ; 不稳定的围岩 A 取 112 。
L = l1 + h + l2
左右 。
3 锚杆支护参数的确定
根据新清风峡隧道和新安乐河隧道的施工实际 情况 ,锚杆的布置可以分为较大面积 、 较大数量的系 统布置和较小面积 、 较小数量的局部布置两种情况 。
311 系统布置时的锚杆参数的确定
系统布置时锚杆参数的计算是以挤压原理为根 据 ,在选择锚杆长度时要从隧道跨度 、 岩石性质以及 加固的部位等综合因素来考虑 。隧道跨度大 , 锚杆 较长 ; 岩体不稳定时 , 应使用较长锚杆 ; 用于拱部的 锚杆可以较长 ,用于侧墙的可稍短 ; 锚杆长度还与锚 杆间距有关 ,间距小时锚杆可以适当缩短 。 根据挤压加固原理 ,结合实际施工情况 ,系统布 置时锚杆的参数可以按以下公式计算 : 锚杆长度 : L = A 111 + 理间距) ; 锚杆间距 : C = ( 015 ～ 017 ) ×L , m ( C < 3 ×岩 石节理间距) ;
Key words : shotcrete ; anchor bolt ; rate of rebound ; compression st rengt h Abstract : According to t he experience of several railway t unnel project s , which is Xinqingfengxia and Xinπanlehe t unnel , f rom Baoji to Chengdu , selecting and calculation met hods are summarized after referring some t heoretial formulae about shotcrete and bolt support parameters calculation.
2002 年 4 月 第 31 卷 第2期
有 色 矿 山
Nonferrous Mines
Apr. ,2002 Vol. 31 No . 2
隧道施工中喷锚支护有关参数的选择及计算
史马祥
( 中铁十五局集团第六工程有限公司 ,河南 洛阳 471013)
[ 关键词 ] 喷射混凝土 ; 锚杆 ; 回弹率 ; 抗压强度
在新清风峡隧道和新安乐河隧道工程施工中 , 在靠近洞门的地段 , 大断裂破碎地段 , 以及个别的稳 定性较差的围岩地段 , 均采用了喷锚联合支护 。 新清风峡隧道和新安乐河隧道的开挖断面的跨 度 B 为 615m , 岩石节理间距平均为 30cm , 围岩稳 定性影响系数取 111 , 根据上述计算公式锚杆长度
新清风峡隧道进口段顶部有一面积 S 约 40m 的不稳定岩层 ; 岩石容重 r 查 《道路建筑工程材料 3 手册》 为 2100kg/ m ; R g = 2450kg/ cm2 ; 不稳定岩层 的厚度 h 为 016m ; 锚杆直径 d 为 118cm ; 不稳定岩 层的重量 G = S hr = 40 ×016 ×2100 = 50400kg ; 安 全系数 K 取 215 ; 根据上述间距计算公式 : 锚杆间距 : C ≤
1 L , cm ; 110 式中 : B — — — 隧道跨度 , m ;
B
式中 : l 1 — — — 锚杆锚入稳定岩体的深度 , m ; h— — — 不稳定岩体的厚度 , m ; l2 — — — 锚杆外露长度 , m 。 在新清风峡隧道和新安乐河隧道全部采用了钢 筋砂浆锚杆 , 钢筋砂将锚杆 l 1 根据钢筋拉伸能力小 于或等于钢筋与砂浆的粘结力的要求用下式确定 : πd 2 R g πdl 1 t × ≤ 4 K 即 l1 ≥ 4 Kt 式中 : d — — — 钢筋直径 , cm ( 通常按经验选用 116 ～ 210cm) ; Rg — — — 钢筋抗拉强度 , kg/ m2 ;
式中 : P1 — — — 喷射混凝土机工作风压 , kg/ cm ;
L — — — 输料管长度 , m 。
在实施工中 ,当输料管长度为 20m ,喷头与受 喷面之间为 1m 时 , 无论从回弹损失或混凝土强度
[ 收稿日期 ] 2001211206
[ 作者简介 ] 史马祥 ( 1965 - ) , 山西河津人 , 工程师 , 从
118 2
d
τ — — 喷层材料的抗剪强度 , 一般可取 τ B — B 等 于喷射混凝土抗压强度的 20 % ; θ α — — 剪切角 ,α ; 1 — 1 = 45° 2 P・ h1・ sinα 1 可推得喷层厚度的计算公式为 : t = 。 2τ B 同时 , 喷层厚度的确定还要充分考虑到使其具 有一定柔性和保证其物理力学性能 。因此 , 喷层的 厚度一般不应小于 50mm , 同时也不宜大于 150mm , 大于 150mm 时在施工工艺和经济上均不合理 。 宝成复线工程施工中 , 新安乐河隧道主体岩层 为泥质砂岩 , 泥质砂岩的抗压强度 σ 《道路建筑 c 查 工程材料手册》 表 2 - 2 , 取 600kg/ cm2 ; 泥质砂岩内 摩擦角 θ, 查 《勘探掘进学》 表 20 - 5 , 取 16° ; 隧道高 度 h 1 = 715m 。 地压 : P =
根据施工经验 , l 1 一般要大于 30cm , 如按上式 求得的值小于 30cm 时 ,按 30cm 选取 。 不稳定岩体的厚度 h , 通过地质调查确定 , 在可 能产生滑落危岩的情况下 , 按危岩的最大高度确定 ; 在层状岩体中可使 h 等于拱顶岩层挠曲折断的厚 度 。锚杆外露长度 l 2 , 通常可取 50～100mm 。 新清风峡隧道和新安乐河隧道的锚杆采用 A3 型普通碳素钢 ( GB700～65) , 查 《材料力学》 表2 - 1, 此类钢筋的抗拉强度 R g 为 2450kg/ cm2 ; 砂浆与钢 筋间的粘结强度 t , 通过实验得 : 7 ～ 13kg/ cm2 , 取 10kg/ cm2 , 锚杆直径采用 118cm ; 不稳定岩体的平均 厚度为 018m ; 安全系数 K 取 115 ; 锚杆外露长度取 10cm 。根据上述计算公式 , 锚入稳定岩层的锚杆长 度 l1 :
正确控制风可以减少回弹和粉尘保证混凝土的质量际施工中操作工要根据实际施工情况参考公式计算风压的大小及时调整工作风压确保出料顺畅和喷射混凝土的质量212水压喷射混凝土机喷头处的喷水水压力应比工作风1kgcm以利水流穿射干料保证干混合料能在喷出的瞬间得到充分的湿润即工作风压与水压关系p1工作风压kgcmp2水压kgcm213喷头与受喷面的距离和倾角从宝成复线的实际施工经验来看当喷头与受引言隧道施工中喷锚支护的各种参数的选择通常是凭经验选取因为国内外喷锚支护的理论研究还很不充分这样在各种参数的选择上盲目性就很大本文总结了在隧道施工中喷锚支护的有关参数的选择及计算方法隧道施工中喷锚支护时可供参考喷射混凝土工艺参数的确定211喷射混凝土机的风压计算根据p1喷射混凝土机工作风压kgcm喷头与受喷面之间为在这种情况下部分回弹物又被喷出的料束冲挡回去因此喷头与受喷面应尽量保持垂直工作风压为111113kgcm312局部布置锚杆参数的确定在施工中对于局部较小面积的不稳定结构或零星危岩需要布置锚杆进行加固时锚杆参数的确定应按悬吊理论进行计算
615 ≈ 1193m ; 锚杆 10 10 间距 C = 015 ×L = 015 ×1193 ≈ 0197m , 根据锚杆
L = A 111 + B
= 111 111 +
间距 C < 3 × 岩石节理间距的要求 , 取 C < 3 × 30 =
85cm ; 锚杆直径 : d = 1 ×L ≈118cm 。 110
sinα 1
t
则锚杆长度 L ≥ 74 + 80 + 10 = 164cm 。
31212 锚杆间距
根据悬吊理论 , 每根锚杆承受的岩石重量小于 其锚固力或杆体的拉断力 , 即 : πd 2 2 2 KrhC ≤Q 或 KrhC ≤ Rg 4
G 2 πd C ≤ Rg S 4 式中 : C — — — 锚杆的间距 ;