喷锚支护结构设计与施工[详细]

锚杆支护结构
✓ 锚杆类型 ✓ 锚杆的力学作用 ✓ 锚杆的设计与计算 ✓ 支护块状围岩 ✓ 加固裂隙围岩
锚杆类型
① 全长粘结型
主要有普通水泥砂浆锚杆、树脂锚固锚杆、早强水 泥砂浆锚杆、树脂锚杆、水泥卷锚杆、中空注浆锚杆和 自钻式注浆锚杆等。
锚杆类型
② 端头锚固型
主要有机械锚固锚杆、树脂锚固锚杆、快硬水 泥卷端头锚杆等。
第一节 喷锚支护的概况
C、通过试验、量测决定围岩体和支护结构的承载 －变形－时间特性； D、按“预计的”围岩局部应力松弛选择开挖方法 和支护结构； E、在施工中，通过对支护的量测、监视、修改设 计，决定支护措施或第二次衬砌。 5、控制爆破技术：
第一节 喷锚支护的概况
6、喷锚支护的适用条件 围岩的自立能力差、有涌水及大面积淋水处、地 层松软处就很难成型
第一节 喷锚支护的概况
1、喷锚支护：喷射混凝土、锚杆、钢筋网喷射混 凝土等结构组合起来的支护形式。可以根据不同 围岩的稳定状况，采用喷锚支护中的一种或几种 结构的组合。加固隧道围岩，提高围岩的自撑能 力
2、喷射混凝土：利用高压气，将掺有速凝剂的混 凝土混合料通过混凝土喷射机与高压水混合，喷 射到岩面上，迅速凝结而成。
第二节 喷锚支护受力分析与结构计算
1、锚杆支护结构 2、喷混凝土支护结构 3、新奥法中锚喷联合支护的应用
锚喷支护的设计步骤
分析围岩稳定条件 围岩分类，选择支护类型和设计参数，对喷锚支护进行 受力分析和结构计算，并提出施工注意事项 动态施工：根据地质情况，及时修改设计参数，变更施 工工序 施工完成后的隧道稳定性评价，必要时包括施工阶段的 监测 总结经验，改进设计和施工。掌握岩体变形、坍塌的规 律之后，在恰当的时间，采用适当的办法，把支护做好。
● 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
( pi
c cot)(
r
2 sin
)1sin
r0
c cot
( pi
c cot)(
r
2 sin
)1sin
(1
sin
)
c
cot
r0
1 sin
⑥ 弹性区与塑性区边界上的连续条件
③ 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 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
φ1 锚杆
G
φ1 ξ 裂隙面
)1sin
R
c cot
⑧ 由洞周位移计算围岩压力
● 弹性区引起的应力增量：
e r
( p0
R)
R2 r2
e
( p0
R
)
R2 r2
● 围岩引起的径向应变：
r
ur r
r
1 2
E
(
e r
1
e
)
●
由以上关系得：ur
r
R2 2G
当防水要求较高时，可采用强度等级大于C30的高性能喷射混 凝土。
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
2、自稳时间短的围岩，宜采用全长粘结式锚杆或早强 水泥砂浆锚杆。
3、在Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ级围岩条件下，锚杆应按系统锚 杆设计，并符合下列规定：
（1）锚杆一般应沿隧道周边径向布置，当结构面或岩 层层面明显时，锚杆应与岩体主结构面或岩层层面呈 大角度布置。
一般规定
（2）锚杆应按矩形排列或梅花形排列
（3）锚杆间距不得大于1.5m。间距较小时，可采用 长短锚杆交错布置。
值：
qmax
2P s
2.63P Ed 3
RLu
4
K
4
1
d
3.63
G RLu u
3
K E
3
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。
Pi
kL2 b 2
d 2
4
Rg
b d 2
Rg kL2
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 tans )
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。
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）；
③ 锚杆直径的确定 以抗拉为例，锚杆直径可用下式计算
kN d 2
Rg
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
若等间距布置，每根锚杆所负担的 岩体重量即为所受荷载。
⑴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。
第一节 喷锚支护的概况
4、新奥法 1）从岩体力学观点出发，进行支护设计和施工时， 把坑道周围岩体和各种支护结构作为一个完整支 护体系的新的支护理论和方法 2）要点： A、围岩体和支护视作统一的承载结构体系，岩体 是主要的承载单元； B、允许围岩产生局部应力松弛，也允许作为承载 环的支护结构有限制的变形；
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； 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
RLu
其中： R为L 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。
第一节 喷锚支护的概况
与围岩密贴，封闭岩体的张性裂隙和节理，加固 围岩结构面，有效地发挥和利用岩块间的镶嵌、 咬合和自锁作用，从而提高岩体自身的强度、自 撑能力和整体性。
4）柔性好，能同围岩共同变形，构成一个共同工 作的承载体系。在变形过程中，它能调整围岩应 力，抑制围岩变形的发展，避免岩体坍塌的产生， 防止过大的松散压力出现。喷锚支护不再把围岩 仅仅视作荷载（松散地压），同时还把它视为承 载结构的组成部分。形变压力
一般规定
1、喷射混凝土厚度不应小于50mm，不宜大于300mm。 2、钢筋网喷射混凝土设计应符合下列规定 （1）钢筋网网格应按矩形布置，钢筋间距宜为150～300mm。 （2）钢筋网钢筋的搭接长度应不小于30d（d为钢筋直径） （3）钢筋网喷射混凝土保护层厚度应不小于20mm，当采用双 层钢筋网时，两层钢筋网之间的间隔距离应不小于60mm。 （4）单层钢筋网喷射混凝土厚度不得小于80mm，双层钢筋网 喷射混凝土厚度不得小于150mm。 （5）钢筋网应配合锚杆一起使用
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。
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：
L1
d 2Rg
4k D
L1
d 2Rg
4k D
其中：d是锚杆直径，16 ~ 22螺纹钢筋；D
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：
当r=R时，
e r
p r
,
e
p
σ
2
1
σθ
τσrθ
σr
θ
σθ σr
σr
r
σR
塑性弹区性区
⑦ 塑性区半径与支护抗力的关系
σ
2
1
σθ
τσrθ
σr
θ
σθ σr
σr
r
σR
塑性弹区性区
1sin
R
r0
p0 pi
c cot c cot
(1
sin
)
2 sin
pi
( p0
c
c
ot
)(1
sin
)(
r0
2 sin
② 抗撕裂计算
d kG RLu u
其中：RLu 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：
q
2P
x
es
cos
x
；
s
s
其中 s 4 4EI 0.764 Ed3 ；K岩体弹性系数；E是
bK
K
混凝土弹性模量。当x=0端点时，有最大
第一节 喷锚支护的概况
3、喷锚支护的特点 1）较传统的现浇混凝土衬砌优越。及时支护、有 效控制围岩变形，防止岩块坠落和坍塌的产生， 充分发挥围岩的自撑能力 2）能节省大量的混凝土、木料、劳动力、加快施 工进度，工程造价课降低40～50％，并有利于施 工机械化和改善劳动条件 3）是一种符合岩体力学原理的积极支护方法，具 有良好的物理力学性能。及时支护和加固围岩，
● 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:
sin
r
r 2c cot
④ 均质围岩中圆形隧道的弹性解
r
p0 (1
R2 r2
)
R
R2 r2
p0 (1
R2 r2
)
R
R2 r2
⑤ 均质围岩中圆形隧道的塑性解
一般规定
3、钢纤维喷射混凝土设计应符合下列规定： （1）钢纤维掺量宜为干混合料质量的1.5%～4% （2）钢纤维喷射混凝土的设计强度等级不应低于C25 4、为提高喷射混凝土的抗裂性能，可采用合成纤维喷射混凝土， 合成纤维喷射混凝土的设计强度等级不应低于C20，合成纤维喷 射混凝土应根据实验确定其掺量。
（4）两车道隧道系统锚杆长度一般不小于2.0m，三 车道隧道系统锚杆一般不小于2.5m。
4、局部不稳定的岩块宜设置局部锚杆，可采用全长粘 结型锚杆、端头锚固型锚杆、预应力锚杆，锚固端应 置于稳定岩体内，锚杆参数应通过计算确定。
一般规定
5、软岩、收敛变形较大的围岩地段，可采用预应力 锚杆，预应力锚杆的预应力应不小于100kPa。预应 力锚杆的锚固端必须锚固在稳定岩层内。 6、岩体破碎、成孔困难的围岩，宜采用自进式锚杆。
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 Psin F (T Psin) 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)
一般规定
1、永久支护的锚杆应为全长粘结型锚杆或预应力注浆 锚杆。其他类型的锚杆不能作为永久支护，当需作永 久支护时，锚孔内必须注满砂浆或树脂。
φ1 N G ξ-φ1
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 锚杆承载力裂隙计面 算
锚杆
锚杆
如图所示，根据静力平衡及
正弦定理有：
Q G sin 1 s in
N G sin( 1 ) siBiblioteka Baidu
φ1 锚杆
G
φ1 ξ 裂隙面
φ1 N G ξ-φ1
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 构面的夹角；1是锚杆与垂直线夹角。
● 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；
锚杆类型
② 端头锚固型
锚杆类型
② 端头锚固型
锚杆类型
③ 摩察型
主要有缝管锚杆、楔管锚杆和水胀锚杆等
锚杆类型
③ 摩察型
锚杆的力学作用
① 悬吊作用 ② 组合梁作用 ③ 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 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。