喷锚支护及算例
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不稳定块体并非全是由软弱结构面与临空面切割 而成，很多情况下，它是由软弱结构面、临空面 以及由于不利受力状态而形成的切割面切割等所 组成。
不稳定块体的计算与加固的步骤
a. 不稳定块体的几何分析
是指确定结构面面积、结构体体积和重量等。以地质勘查工 作所获得的地质结构面产状和测点坐标，以及工程设计开挖 的几何参数为前提，通过解析法或图算法来确定。
N
G
sin
sin
锚杆所需截面积：
As
KN Rt
As
KQ
s
sin
锚杆加固拱顶危岩
锚杆设计长度：
l lm hr le
当危岩处于侧壁上时：
N
G
sin
sin
Q G cos G sin tan
Ⅳ 中薄层状结构
350~251
土体：1.略具压密或成岩作用的黏性土及砂性土 2.黄土 3.一般钙质、铁质胶结的碎石土、卵石土、大块石土
较软岩，岩体破碎；软岩，岩体较破碎~破碎；极破碎各类岩体。碎、 裂状、松散结构
Ⅴ 一般第四系的半干硬至硬塑的黏性土及稍湿至潮湿的碎石土，卵石
<250
15.3 喷锚支护设计
单因素岩石力学指标分级法 多因素综合指标分级法 定性与定量多因素指标相结合分级法 组合指标函数法
围岩分级表
采用定性和定量多因素指标相结合的分级方法。
围岩 级别
围岩或土体主要定型特征
围岩基本质量指标（BQ） 或修正的文言基本指 [BQ]
Ⅰ 坚硬岩，岩体完整，巨整体状或巨厚层状结构
喷锚支护
概述 围岩分级 喷锚支护设计 施工信息的反馈 围岩稳定性的分析
概述
喷锚支护为由喷混凝土、锚杆、钢筋网组成的喷 锚联合支护或喷锚网联合支护，既可以用于加固 局部岩体而作为临时支护，也可以作为永久支护。
喷锚支护施工及时、与围岩密贴，共同变形，主 要作用是加固围岩。
喷锚结构的设计主要采用工程类别法，必要时辅 以监控量测法和理论验算法。
锚杆长度应超过组合拱高度：
l KhZ le
K取1.2.
组合拱计算跨度：
l0 L hZ
组合拱原理的计算
组合拱假定为两端固定的等截面圆拱，荷载按自重形式均布与
拱轴上。
q hb
h N0KL
KL
lm 6
拱脚处截面内力为：
Qn Hn sinn Vn cosn
N
以上按悬吊设计原理计算时，喷锚结构参数为：锚杆直径20cm， 长2.5m，间距1.2m，喷混凝土厚度12cm。
15.4 施工信息的反馈
施工开挖前就能准确的确定各项支护参数以及最优 开挖支护方案，并非易事。
施工信息反馈，即所谓的信息化设计是一种新的围 岩稳定性评价方法和地下工程设计方法。
基于施工信息反馈的信息化设计要求在施工过程中 布置监测系统，从现场围岩的开挖及支护过程中获 得围岩稳定性及支护设施的工作状态信息。
Q
cos
sin
2
tan
1
sin1 tan 2 F1c1 F2c2 Q sin sin180 1 2
s in180
来自百度文库1
2
d. 不稳定块体的喷锚支护计算
喷锚支护是当前加固不稳定块体的主要支护方式。对可能失 稳的不稳定块体需进行局部加固计算和锚喷支护的强度计算， 以确定喷层厚度、锚杆根数和参数以及锚杆的布置方案。一 般，喷层厚度按整体加固要求确定，局部加固主要是计算锚 杆的根数和参数。在进行局部稳定分析后，可对围岩整体加 固进行支护设计。
b. 逆演法
需要建立一套与常规应力分析格式相反的计算公式。在线弹 性情况下，可用迭加原理建立逆演法的计算格式，非线性情 况则并非易事。
15.5 围岩稳定性的分析
围岩稳定性分析通常是指围岩的局部稳定分析， 并进一步依据各单元的分析结果，评判围岩的整 体稳定性。
围岩出现局部失稳的原因主要是由于围岩中的软 弱结构面与洞室临空面的不利组合所构成的不稳 定块体的掉落和塌滑所造成。
b. 失稳方式的运动学分析
主要任务是判别不稳定块体的运动趋势是失稳方式。在几何 学分析的基础上，再考虑荷载矢量的作用。
由于不稳定块体边界切割面的情况不同，初始位移趋势可能 有多种发展结果，可能有多种失稳方式： •由于受到边界切割面的限制，结构体不能向临空面位移，而 是在某一结构面上压紧，或者所有结构面不能脱开，则结构 体是稳定的； •由于切割面的影响，产生沿结构面或结构面交线滑动，位移 方向指向临空面，这时形成滑动失稳； •当合力矢量作用于边界面以外，或是结构体受力位移后形成 一定力矩时，若指向临空面，则可能发生转动或倾倒； •不受切割面影响，结构体的初始位移即造成所有结构面上的 拉开，这是形成崩落或抛出。
喷锚结构的施工主要是运用新奥法施工原理。
围岩分级
围岩分级依据
围岩分级是工程类比设计的重要依据，主要目的 是便于运用工程类别方法获得地下工程喷锚支护 设计参数。
围岩分级中主要考虑指标
a. 岩体的结构特征及其完整性 b. 岩体的物理力学性质 c. 地下水的影响 d. 原岩应力的影响
围岩分级方法
反馈分析根据部分测点的位移、应力反求材料参数 及初始地应力，同时对洞室稳定性进行判断。
反馈分析方法：正演法、逆演法。
a. 正演法
利用力学计算应力分析的基本格式，对反馈分析所需的参数 进行数学上的近似，并不断优化。
n
J umi uci 2
i
可用各种优化方法使目标函数J趋于最小，此方法适应性广。
组合拱高度及计算跨度：
hZ hy d l0 L hy d
喷混凝土组合拱计算
算例
一地下洞室，开挖宽10m，高12m，顶部为割圆拱。围岩为石英 砂岩，属稳定性较差的Ⅴ级围岩，重度为25kN / m3。采用16锰 dm 20mm 的螺纹钢筋砂浆锚杆，Rg 340MPa 。喷混凝土为C20， 抗力设计强度为0.84MPa。钻孔直径38mm，砂浆与钢筋的粘结 力为3MPa，与钻孔岩石粘结力2MPa。设计该洞室的喷锚结构。
l2 5cm l3 20cm
则： l 0.57 1.5 0.05 0.2 2.32m
采用2.5m。 锚杆间距：a dm
2
Rg 2.0 Khy 2
340
1.5150 25103
136cm
取： a 1.2m
喷混凝土厚度计算
如取单位宽度为1.0m计算，则均布荷载为：
【解】 锚杆参数的计算
锚杆长度： l l1 hy l2 l3
锚固长度：
l1
dm Rg
4 m
2 340 57cm 43
l1
d
2 m
Rg
dz 4 z
22 340 3.8 4 2
45cm
取：l1 57cm
取：
1 hy h 6 0.910 1.5m
喷锚支护的设计，是将喷射混凝土和锚杆作为加强和利用 围岩自身承载力的手段，因此设计时，必须从具体围岩的 变形、破坏和稳定性出发，进行分析研究，针对不同的围 岩，采取不同的设计原则。
锚喷设计原则上需要考虑： a. 工程地质条件和岩体力学特性 b. 依据不同的围岩压力特点，对拱、墙等不同部位，采用不
n
Vn
sinn
Hn
cos n
任意径向截面内力为：
M
M0
N0r1 cos qr2 sin
cos
1
Q N0 sinn qr cos
N
qr sin
N0 cos
喷射混凝土的计算和设计
q rh cd b
同的支护参数。 c. 喷锚支护设计力求体现喷锚支护灵活的特点，对于围岩局
部和整体加固采取等强度支护原则，对于不同的岩体和不 同的部位分别采用不同的支护类型与参数。 d. 喷锚支护设计应遵循实测位移评价的原则。
按局部作用原理的设计
锚杆的设计和计算
由静力平衡：
Q
G sin sin
>550
坚硬岩，岩体较完整，块状或厚层状结构
Ⅱ
较坚硬岩，岩体完整，块状整体结构
550~451
Ⅲ 坚硬岩，岩体较破碎，巨块（石）碎（石）状镶嵌结构；较
坚硬岩或较软硬岩层，岩体较完整，块状体或中厚层结构
450~351
坚硬岩，岩体破碎，碎裂结构
较坚硬岩，岩体较破碎~破碎，镶嵌碎裂结构
较软岩或软硬岩互层，且以软岩为主，岩体较完整-较破碎，
c. 稳定系数的计算分析
根据岩石结构体受力运动和阻抗力的对比关系，确定相对于极 限状态时的稳定程度，作出稳定性评价。
• 拱顶不稳定块体的稳定程度
不考虑原岩应力时，坠落时自由的，稳定系数 0 。一般以
结构体重量作为喷锚支护设计的依据。
• 边墙不稳定块体的稳定系数
1. 单面滑动 2. 双面滑动
Q cos tan F c Q sin
弯矩：
q a b 251.21.0 15kN / m
2
2
M 1 qa2 1 15 1.22 2.16kN m
10
10
应力：
M W
2.16 103 100 d 3 / 6
129.6 d2
l
h
l
h
0.84MPa
所以：d 12.4cm 取： d 12cm
PG U
根据局部变形理论，梁端位移：
y P 2
R
梁端的弹性拉力： ky 2P
4
k 4EI
1.3154
k Ed 3
考虑强度安全系数： K u
d
3.65
KG
U u
4
/
3
k E
1/ 3
按整体作用原理的设计
锚杆的设计和计算
锚杆加固侧壁危岩
喷射混凝土的计算和设计
采用喷混凝土支护洞室，要求喷射混凝土层应有足够的抗拉力， 使喷层在节理面处不出现冲切破坏；同时喷层和围岩间也应有 足够的粘结力，使喷层不出现撕裂现象。这种观点称为局部加 固原理。
喷层厚度：
dC
KG
U S
喷混凝土加固
根据弹性地基梁理论，将喷层看作弹性地基上半无限长梁验算。
不稳定块体的计算与加固的步骤
a. 不稳定块体的几何分析
是指确定结构面面积、结构体体积和重量等。以地质勘查工 作所获得的地质结构面产状和测点坐标，以及工程设计开挖 的几何参数为前提，通过解析法或图算法来确定。
N
G
sin
sin
锚杆所需截面积：
As
KN Rt
As
KQ
s
sin
锚杆加固拱顶危岩
锚杆设计长度：
l lm hr le
当危岩处于侧壁上时：
N
G
sin
sin
Q G cos G sin tan
Ⅳ 中薄层状结构
350~251
土体：1.略具压密或成岩作用的黏性土及砂性土 2.黄土 3.一般钙质、铁质胶结的碎石土、卵石土、大块石土
较软岩，岩体破碎；软岩，岩体较破碎~破碎；极破碎各类岩体。碎、 裂状、松散结构
Ⅴ 一般第四系的半干硬至硬塑的黏性土及稍湿至潮湿的碎石土，卵石
<250
15.3 喷锚支护设计
单因素岩石力学指标分级法 多因素综合指标分级法 定性与定量多因素指标相结合分级法 组合指标函数法
围岩分级表
采用定性和定量多因素指标相结合的分级方法。
围岩 级别
围岩或土体主要定型特征
围岩基本质量指标（BQ） 或修正的文言基本指 [BQ]
Ⅰ 坚硬岩，岩体完整，巨整体状或巨厚层状结构
喷锚支护
概述 围岩分级 喷锚支护设计 施工信息的反馈 围岩稳定性的分析
概述
喷锚支护为由喷混凝土、锚杆、钢筋网组成的喷 锚联合支护或喷锚网联合支护，既可以用于加固 局部岩体而作为临时支护，也可以作为永久支护。
喷锚支护施工及时、与围岩密贴，共同变形，主 要作用是加固围岩。
喷锚结构的设计主要采用工程类别法，必要时辅 以监控量测法和理论验算法。
锚杆长度应超过组合拱高度：
l KhZ le
K取1.2.
组合拱计算跨度：
l0 L hZ
组合拱原理的计算
组合拱假定为两端固定的等截面圆拱，荷载按自重形式均布与
拱轴上。
q hb
h N0KL
KL
lm 6
拱脚处截面内力为：
Qn Hn sinn Vn cosn
N
以上按悬吊设计原理计算时，喷锚结构参数为：锚杆直径20cm， 长2.5m，间距1.2m，喷混凝土厚度12cm。
15.4 施工信息的反馈
施工开挖前就能准确的确定各项支护参数以及最优 开挖支护方案，并非易事。
施工信息反馈，即所谓的信息化设计是一种新的围 岩稳定性评价方法和地下工程设计方法。
基于施工信息反馈的信息化设计要求在施工过程中 布置监测系统，从现场围岩的开挖及支护过程中获 得围岩稳定性及支护设施的工作状态信息。
Q
cos
sin
2
tan
1
sin1 tan 2 F1c1 F2c2 Q sin sin180 1 2
s in180
来自百度文库1
2
d. 不稳定块体的喷锚支护计算
喷锚支护是当前加固不稳定块体的主要支护方式。对可能失 稳的不稳定块体需进行局部加固计算和锚喷支护的强度计算， 以确定喷层厚度、锚杆根数和参数以及锚杆的布置方案。一 般，喷层厚度按整体加固要求确定，局部加固主要是计算锚 杆的根数和参数。在进行局部稳定分析后，可对围岩整体加 固进行支护设计。
b. 逆演法
需要建立一套与常规应力分析格式相反的计算公式。在线弹 性情况下，可用迭加原理建立逆演法的计算格式，非线性情 况则并非易事。
15.5 围岩稳定性的分析
围岩稳定性分析通常是指围岩的局部稳定分析， 并进一步依据各单元的分析结果，评判围岩的整 体稳定性。
围岩出现局部失稳的原因主要是由于围岩中的软 弱结构面与洞室临空面的不利组合所构成的不稳 定块体的掉落和塌滑所造成。
b. 失稳方式的运动学分析
主要任务是判别不稳定块体的运动趋势是失稳方式。在几何 学分析的基础上，再考虑荷载矢量的作用。
由于不稳定块体边界切割面的情况不同，初始位移趋势可能 有多种发展结果，可能有多种失稳方式： •由于受到边界切割面的限制，结构体不能向临空面位移，而 是在某一结构面上压紧，或者所有结构面不能脱开，则结构 体是稳定的； •由于切割面的影响，产生沿结构面或结构面交线滑动，位移 方向指向临空面，这时形成滑动失稳； •当合力矢量作用于边界面以外，或是结构体受力位移后形成 一定力矩时，若指向临空面，则可能发生转动或倾倒； •不受切割面影响，结构体的初始位移即造成所有结构面上的 拉开，这是形成崩落或抛出。
喷锚结构的施工主要是运用新奥法施工原理。
围岩分级
围岩分级依据
围岩分级是工程类比设计的重要依据，主要目的 是便于运用工程类别方法获得地下工程喷锚支护 设计参数。
围岩分级中主要考虑指标
a. 岩体的结构特征及其完整性 b. 岩体的物理力学性质 c. 地下水的影响 d. 原岩应力的影响
围岩分级方法
反馈分析根据部分测点的位移、应力反求材料参数 及初始地应力，同时对洞室稳定性进行判断。
反馈分析方法：正演法、逆演法。
a. 正演法
利用力学计算应力分析的基本格式，对反馈分析所需的参数 进行数学上的近似，并不断优化。
n
J umi uci 2
i
可用各种优化方法使目标函数J趋于最小，此方法适应性广。
组合拱高度及计算跨度：
hZ hy d l0 L hy d
喷混凝土组合拱计算
算例
一地下洞室，开挖宽10m，高12m，顶部为割圆拱。围岩为石英 砂岩，属稳定性较差的Ⅴ级围岩，重度为25kN / m3。采用16锰 dm 20mm 的螺纹钢筋砂浆锚杆，Rg 340MPa 。喷混凝土为C20， 抗力设计强度为0.84MPa。钻孔直径38mm，砂浆与钢筋的粘结 力为3MPa，与钻孔岩石粘结力2MPa。设计该洞室的喷锚结构。
l2 5cm l3 20cm
则： l 0.57 1.5 0.05 0.2 2.32m
采用2.5m。 锚杆间距：a dm
2
Rg 2.0 Khy 2
340
1.5150 25103
136cm
取： a 1.2m
喷混凝土厚度计算
如取单位宽度为1.0m计算，则均布荷载为：
【解】 锚杆参数的计算
锚杆长度： l l1 hy l2 l3
锚固长度：
l1
dm Rg
4 m
2 340 57cm 43
l1
d
2 m
Rg
dz 4 z
22 340 3.8 4 2
45cm
取：l1 57cm
取：
1 hy h 6 0.910 1.5m
喷锚支护的设计，是将喷射混凝土和锚杆作为加强和利用 围岩自身承载力的手段，因此设计时，必须从具体围岩的 变形、破坏和稳定性出发，进行分析研究，针对不同的围 岩，采取不同的设计原则。
锚喷设计原则上需要考虑： a. 工程地质条件和岩体力学特性 b. 依据不同的围岩压力特点，对拱、墙等不同部位，采用不
n
Vn
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Hn
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任意径向截面内力为：
M
M0
N0r1 cos qr2 sin
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1
Q N0 sinn qr cos
N
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喷射混凝土的计算和设计
q rh cd b
同的支护参数。 c. 喷锚支护设计力求体现喷锚支护灵活的特点，对于围岩局
部和整体加固采取等强度支护原则，对于不同的岩体和不 同的部位分别采用不同的支护类型与参数。 d. 喷锚支护设计应遵循实测位移评价的原则。
按局部作用原理的设计
锚杆的设计和计算
由静力平衡：
Q
G sin sin
>550
坚硬岩，岩体较完整，块状或厚层状结构
Ⅱ
较坚硬岩，岩体完整，块状整体结构
550~451
Ⅲ 坚硬岩，岩体较破碎，巨块（石）碎（石）状镶嵌结构；较
坚硬岩或较软硬岩层，岩体较完整，块状体或中厚层结构
450~351
坚硬岩，岩体破碎，碎裂结构
较坚硬岩，岩体较破碎~破碎，镶嵌碎裂结构
较软岩或软硬岩互层，且以软岩为主，岩体较完整-较破碎，
c. 稳定系数的计算分析
根据岩石结构体受力运动和阻抗力的对比关系，确定相对于极 限状态时的稳定程度，作出稳定性评价。
• 拱顶不稳定块体的稳定程度
不考虑原岩应力时，坠落时自由的，稳定系数 0 。一般以
结构体重量作为喷锚支护设计的依据。
• 边墙不稳定块体的稳定系数
1. 单面滑动 2. 双面滑动
Q cos tan F c Q sin
弯矩：
q a b 251.21.0 15kN / m
2
2
M 1 qa2 1 15 1.22 2.16kN m
10
10
应力：
M W
2.16 103 100 d 3 / 6
129.6 d2
l
h
l
h
0.84MPa
所以：d 12.4cm 取： d 12cm
PG U
根据局部变形理论，梁端位移：
y P 2
R
梁端的弹性拉力： ky 2P
4
k 4EI
1.3154
k Ed 3
考虑强度安全系数： K u
d
3.65
KG
U u
4
/
3
k E
1/ 3
按整体作用原理的设计
锚杆的设计和计算
锚杆加固侧壁危岩
喷射混凝土的计算和设计
采用喷混凝土支护洞室，要求喷射混凝土层应有足够的抗拉力， 使喷层在节理面处不出现冲切破坏；同时喷层和围岩间也应有 足够的粘结力，使喷层不出现撕裂现象。这种观点称为局部加 固原理。
喷层厚度：
dC
KG
U S
喷混凝土加固
根据弹性地基梁理论，将喷层看作弹性地基上半无限长梁验算。