隧道锚喷结构与计算

x
；
混凝土弹性模量。当x=0端点时，有最大
2 P 2.63P RLu 3 s Ed 4 K
G K d 3.63 R u Lu E
⑶ 整体稳定原理
⑶ 整体稳定原理
喷混凝土层与围岩体表面紧密 粘结、咬合、使洞室表面岩体形成
较平顺的整体，依靠结合面处的抗
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
2
2
R R p0 (1 2 ) R 2 r r
2
⑤ 均质围岩中圆形隧道的塑性解 ● 基本方程：
d r r 0 dr r
sin
r r 2c cot
● 边界条件： r r0 , r pi ● 塑性解：
r r ( pi c cot )( ) r0
●锚喷支护理论：支护是为了及时稳 定和加固围岩。
⑷ 在设计计算方法上： ●传统支护理论：主要是确定作用在 支护上的荷载；
●锚喷支护理论：设计的作用荷载是 岩体的地应力，围岩和支护共同承载；
⑸ 在支护形式和工艺上 ●传统支护理论：模注混凝土； ●锚喷支护理论：施工方法简单，灵 活，不需模板，无需回填，在围岩松 动之前能及时加固围岩。
随着开挖深度的增加，人们发现，古 典压力理论不符合实际情况。
⑵ 1920～1960年代的松散体理论阶段： ● 特点：当埋深较大时，作用在支护结 构上的压力，不是上覆岩层的重量，而只 是围岩坍落拱内的松散岩体的重量。
● 代表：太沙基(K.Terzaghi)和普氏理论
⑶ 60年代后发展期来的现代支护结构 ● 特点：围岩和支护结构共同组成了承 载的支护体系，其中围岩是承载主体，而 支护结构是辅助性的，但也不可缺少。
kG d RLu u
其中：R Lu 是喷层和岩石之间的粘 结强度。
为此，需求出危石自重作用下在喷层与岩
石之间的拉应力q的大小，利用弹性半地
基上的半无限长梁公式：
其中 值：
q max
3 4 EI Ed s4 0.764 bK K
；K岩体弹性系数；E是
4 3 1 3
2P s x q e cos s s
④ 必须保证支护结构及时施作。如 支护施作过晚，会使围岩暴露时间过 长，产生过渡的位移而濒临破坏；
⑤ 支护结构要根据隧道围岩的实 际动态，及时进行调整和修改，以 适应不断变化的围岩状态；
3、锚喷支护与传统支护的区别
⑴ 对围岩和围岩压力的认识上：
●传统支护理论：围岩压力由洞室塌 落的围岩“松散压力”造成的;
● 初始应力为自重应力场； ● 隧道视为无限体中的孔洞问题； ● 采用莫尔-库仑(Mohr-Coulomb)准则为塑性 屈服判据:
r sin r 2c cot
④ 均质围岩中圆形隧道的弹性解
R R r p0 (1 2 ) R 2 r r
2
3.1 概述
1、支护结构理论的发展
2、现代支护理论与设计要点
3、锚喷支护与传统支护的区别
4、锚喷支护的特点
1、支护结构理论的发展
1、支护结构理论的发展
⑴ 1920年以前的古典压力理论阶段：
● 特点：作用在支护结构上的压力是其 上覆岩层的重量 H
1、支护结构理论的发展 ⑴ 1920年以前的古典压力理论阶段： ● 代表：Haim、Rankine和金尼克理论
1、锚杆支护结构 2、喷混凝土支护结构
3、锚喷联合支护结构
2、喷混凝土支护结构
喷射砼是将水泥、砂子、石子、 速凝剂按一定的比例均匀的搅拌后送 入喷射机，借助压缩空气将干混合料 通过管道压送到喷头与高压水混合， 以高速喷射到岩壁表面凝结而成的砼。 它是通过局部稳定围岩和整体稳定围 岩起支护作用。
⑴ 喷射砼的作用 ① 充填裂隙加固围岩； ② 找平，封闭围岩表面防止风化；
⑴、锚喷联合支护修建隧道的基本 概念 锚杆是深层加固围岩，喷射混 凝土是表层及局部加固围岩
● 围岩是隧道稳定的基本部
分，尽量维护围岩体的强 度特性
● 支护结构要薄而具有柔性， 并与围岩密贴，使因产生弯矩 而破坏的可能性达到最小，当 需要增加支护衬砌强度时，宜 采用锚杆、钢筋网以及钢支撑 等加固，而不宜大幅度增加喷 层或衬砌厚度。
③ 锚杆直径的确定
以抗拉为例，锚杆直径可用下式计算
kN d2 R g
式中：K是安全系数，可取2；Rg 是锚杆抗拉强度；N是锚杆所受拉力； d是锚杆直径。
④ 锚杆间距的确定
若等间距布臵，每根锚杆所负担的 岩体重量即为所受荷载。
Pi kL2 b
2
d
4
2
Rg
d b 2
R g kL2
● 设计施工中要正确估计围 岩特性及其随时间的变化， 以便采取最合适的支护措施 和支护时间。
⑵ 支护与围岩共同作用
的力学原理
① 锚喷支护结构设计的力学原 理： 采用的是围岩体和柔性支护 共同变形的弹塑性理论。
② 弹塑性理论的基本概念： 基于材料试验弹塑性曲线
③ 对于圆形隧道，作如下假定：
● 围岩为均质、各向同性的连续弹塑性体；
3.2 锚喷支护结构的受力与计算
1、锚杆支护结构 2、喷混凝土支护结构
3、锚喷联合支护结构
1、锚杆支护结构
⑴ 锚杆类型 ⑵ 锚杆的力学作用
⑶ 锚杆的设计与计算 ⑷ 支护块状围岩
⑸ 加固裂隙围岩
⑴ 锚杆类型
① 全长粘结型
⑴ 锚杆类型
② 端头锚固型
⑴
锚杆类型 ② 端头锚固型
⑴
锚杆类型 ② 端头锚固型
r0 pi ( p0 c cot )(1 sin )( ) R
2 sin 1sin
③ 组合梁作用：在岩层中打入锚杆，将 若干薄弱岩层锚固在一起，类似将叠合 的板梁变成组合梁，提高岩层的承载力。
④ 整体加固作用：锚杆群锚入围岩后， 其两端附近岩体形成圆锥形压缩区，按照 一定间距排列的锚杆在锚固力作用下构成 一个均匀的压缩带，即承载环。
⑶ 锚杆的设计与计算
① 锚杆承载力计算 ② 锚杆锚固长度确定
2 sin 1sin
c cot 1 sin ( ) c cot 1 sin
r ( pi c cot )( ) r0
2 sin 1sin
⑥ 弹性区与塑性区边界上的连续条件 当r=R时， ,
e r p r e
③ 锚杆直径的确定
④ 锚杆间距的确定
① 锚杆承载力计算
裂隙面 锚杆 锚杆 υ1 锚杆 υ1 G N ξ -υ 1 υ1 ξ 裂隙面
G
当块体危石坠落时，除使锚杆受拉外， 还对锚杆产生剪切作用。
① 锚杆承载力计算
裂隙面 锚杆 锚杆 υ1 锚杆 υ1 N ξ -υ 1
如图所示，根据静力平衡 及正弦定理有：
● 代表：新奥法理论是其典型代表。
2、现代支护理论与设计要点
⑴ 现代支护理论 ① 一切方法、手段和措施都围绕围 岩稳定为目的； ② 支护与围岩视作统一的复合体， 支护和围岩共同作用；
③ 在复合体中，围岩是承载主体， 最大限度的发挥围岩的自承能力，同 时也要发挥支护结构的承载能力；
④ 凭借现场试验和监测手段，划定围 岩级别，获得力学参数，指导施工；
⑷ 深入性：锚杆可深入围岩一定 深度加固围岩，形成承载圈；
⑸ 灵活性：支护类型、参数、数 量可灵活调整。
⑹ 封闭性：可阻止水对围岩的侵 蚀而引起风化等。
今天我国所有山岭隧道和一些 城市地下工程都先采用锚喷的柔性 支护结构，是为了能做到：
（1）容许围岩发生有限变形
（2）发挥围岩的自承能力 （3）节省工程造价
拉、抗压、抗剪能力，与岩体密贴
组成“组合结构”或“整体结构物”
共同工作。
1、锚杆支护结构 2、喷混凝土支护结构
3、锚喷联合支护结构
3、锚喷联合支护结构 ⑴ 锚喷联合支护修建隧道的基本概念 ⑵ 支护与围岩共同作用的力学原理
⑶ 锚喷支护结构承载力计算
(4) 隧道围岩位移量的容许值 ⑸ 二次衬砌支护时间选择原则
⑤ 对不同的地质条件，力学特征的 围岩，灵活采用不同支护方式和相
应的力学计算模型。
⑵ 基本要求 ① 支护必须与周围岩体大面积的牢 固接触，即保证支护-围岩作为一个 统一的支护体系而共同工作； ② 重视初期支护的作用，并使初期 支护与二次支护相互配合，协调一致 的工作；
③ 要允许围岩及支护结构产生有限 的变形，以发挥围岩承载作用而减少 支护结构的受力。为此要求对支护结 构的刚度、构造给予充分的注意；
隧道及岩土工程系
2007年4月
学习本课程的目的： （1）要求掌握有关公路隧道的勘查、设 计、构造原理和有关计算方法； （2）理解公路隧道围岩稳定性的影响因
素及其与施工方法的关系；
（3）了解公路隧道工程施工组织管理。
第三章 锚喷支护结构的设计与施工原则
3.1 概述
3.2 锚喷支护结构的受力与计算
3.3 锚喷支护结构的施工原则
⑴
锚杆类型 ③ 摩察型
⑴
锚杆类型 ③ 摩察型
⑵ 锚杆的力学作用
① 悬吊作用 ② 减跨作用 ③ 组合梁作用 ④ 整体加固作用
①悬吊作用：将不稳定岩层悬吊在坚 固岩层上，阻止围岩移动滑落。
② 减跨作用：在隧道顶板岩层中打入锚 杆，相当于在顶板上增加了支点，使隧道 跨度减小，从而使顶板岩体应力减小。
●现代支护理论：围岩具有自承能力， 围岩作用于支护的压力不是松散压力， 是阻止围岩变形的形变压力。
⑵ 在围岩和支护间的相互关系上：
●传统支护理论：将围岩与支护分开 考虑，视为“荷载-结构”体系
●锚喷支护理论：将围岩和支护视为 统一体，二者组成“围岩-支护”体系 共同参与工作。
⑶ 在支护功能和作用原理上： ●传统支护理论：支护只是为了承受 荷载；
L1
d Rg 4kD
2
L1
d Rg 4kD
2
16 ~ 22 螺纹钢筋；D 其中：d是锚杆直径， 是钻孔直径；k安全系数，3-5； 是砂浆与 岩孔之间的抗剪强度。实践中要求 L1大于 30厘米；
锚杆长总度L：
L L1 L2 L3
式中：L1是锚固深度；L2为不稳定 岩层厚度；L3是外露长度（约小于喷 射混凝土厚度）；
其中，γ是岩体容重；b锚杆间距，一 般L1>2b；k安全系数2-3。
⑷ 支护块状围岩
围岩塌落总是从危石开始，可能 形成 连锁反应。
砂浆锚杆的承 载力：
Ps DL1 (cs t tan s )
⑸ 加固裂隙围岩 若在隧道顶部出现裂隙，为防止进一 步扩展危及顶部岩体稳定，可采用预应 力锚杆加固。
假设裂隙受到预加力T和水平方向压力 P，则裂隙法向力和抗滑力分别为：
N T P sin

F (T P sin ) tan
是裂隙面内摩察角，沿裂隙面的下滑力 必须满足的条件：
P cos (T P sin ) tan
T P(sin tan sin )
4、锚喷支护的特点
⑴ 及时性：喷射砼，如早强，能 迅速给围岩提供支护抗力； ⑵ 粘贴性：喷射砼与围岩能全面 密贴粘结，粘结力一般可达 70kg/cm3；
粘结有三种作用：
① 连锁作用； ② 复合作用；
③ 增强作用(填充凹隙)
⑶ 柔性：容易调节围岩变形，可 控制围岩塑性变形适度发展，发挥 自承能力；
σ 2 1 σθ
p
σ r σθ σ
r
τσ
rθ
θ
σr
r
σR
区 性 区 塑 性 弹
⑦ 塑性区半径与支护抗力的关系
σ 2 1 σθ
σ r σθ σ
r
τσ
rθ
θ
σr
r
σR
区 性 区 塑 性 弹
p0 c cot R r0 (1 sin ) pi c cot
1sin 2 sin
③ 喷砼与围岩组成共同承载结构。
⑵ 局部稳定原理
危石除用锚杆支护外，也可用喷 射混凝土层支护。在危石重力作用 下混凝土喷层可能出现冲切破坏和 撕裂破坏。
① 抗冲切计算
喷层厚度必须满足：
kG d RL u
其中：RL 为喷射混凝土抗拉强度；u为危石底面周 长，k是安全系数3～5。
② 抗撕裂计算
υ1 ξ 裂隙面
G sin 1 Q sin
G sin( 1 ) N sin
G
G
式中：N是锚杆所受拉力；Q是锚杆所受剪力；G是危 石重量或一根锚杆承担的岩石重量；是锚杆与地质结 1 构面的夹角；是锚杆与垂直线夹角。
② 锚固长度确定
● 锚固深度L1： 根据锚杆抗拉强度与砂浆粘结力相等的 等强度原则，可确定锚杆的锚固深度L1：