第5章地下工程支护结构类型及参数设计ppt课件.ppt

,北京交通大学,地下工程,主讲：骆建军,本课程主要内容：第一章：绪论（1讲）第二章：地下工程环境及围岩分级（2 讲）第三章：地下工程主体规划与结构设计（3讲）第四章：地下结构计算理论（2讲）第五章：地下工程支护参数设计（2讲）第六章：地下工程防排水设计（1讲）第七章：地下工程降水（1讲）第八章：地下工程施工方法（3讲）第九章：地下工程施工监控量测(1讲）,第一节 地下工程结构体系 概述,地下工程的结构体系是由围岩和支护结构共同组成的。其中围岩是主要的承载元素，支护结构是辅助性的，但通常也是必不可少的，在某些情况下，支护结构主要起承载作用。这就是按现代岩石力学原则设计支护结构的基本出发点。,(一）概述,第五章地下工程支护结构类型和参数设计,地下工程（如隧道）开挖前岩体处于初始应力状态，谓之一次应力状态；开挖后引起了围岩应力的重分布，同时围岩将产生向地下工程内的位移，形成了新的应力场，称之为围岩的二次应力状态，这种状态受到开挖方式(爆破、非爆破)和方法(全断面开挖、分部开挖等)的强烈影响。如果隧道围岩不能保持长期稳定，就必须设置支护结构，从隧道内部对围岩施加约束，控制围岩变形，改善围岩的应力状态，促使其稳定，这就是三次应力状态。显然这种状态与支护结构类型、方法以及施设时间等有关。三次应力状态满足稳定要求后就会形成一个稳定的洞室结构，这样，这个力学过程才告结束。,第五章地下工程支护结构类型和参数设计,要进行支护结构设计，就必须充分认识和了解以下五方面的问题：围岩的初始应力状态，或称一次应力状态,这部分内容已在前面章节中作了介绍；开挖隧道后围岩的二次应力状态 和位移场；判断围岩二次应力状态和位移场是否符合稳定性条件即围岩稳定性准则。一般可表示为：式中、是根据围岩的物理力学特性所确定的某些特定指标。,、,第五章地下工程支护结构类型和参数设计,设置支护结构后围岩的应力状态，亦称围岩的三次应力状态 和位移场 以及支护结构的内力 和位移。判断支护结构安全度的准则，一般可写成：式中的、是支护结构材料的物理力学参数。,第五章地下工程支护结构类型和参数设计,（二）围岩的二次应力场和位移场,（1）隧道开挖后的弹性二次应力状态及位移状态 计算围岩的二次应力场和位移场，首先推算隧道开挖前围岩的初始应力状态，以及与之相适应的位移场。隧道开挖后，因其周边上的径向应力 和剪应力 都为零，故可向具有初始应力的围岩，在隧道周边上反方向施加与初始应力相等的释放应力。用弹性力学方法计算带有孔洞的无限平面在释放应力作用下的应力 和位移。而真实的围岩二次应力场及位移场为：,模拟隧道开挖所经历的力学过程可以用下图表示。,第五章地下工程支护结构类型和参数设计,隧道开挖所经历的力学过程模拟,第五章地下工程支护结构类型和参数设计,对于自重应力场中的深埋隧道（不考虑构造应力场及其他应力场），常常将它的围岩初始应力场简化为常量场，也就是假定围岩的初始应力到处都是一样。并取其等于隧道中心点的自重应力，即式中 为隧道中心点的埋深，以m计，是围岩的侧压力系数，无量纲。,第五章地下工程支护结构类型和参数设计,根据弹性力学原理，这个问题的求解还可以简化为不考虑体积力的形式，而用在有孔无限平面(无重的)无穷远边界上作用有垂直均布荷载和水平荷载的形式来代替，如左图所示。,力学模型,由此而引起的计算误差在洞周上是不大的，并随着隧道埋深的增加而减少。当埋深超过10倍洞径时，其误差可以忽略不计。,第五章地下工程支护结构类型和参数设计,（2）隧道开挖后形成塑性区的二次应力状态及位移状态 塑性应力区域是由于多数围岩具有塑性这一性质而造成的。塑性就是指围岩在应力超过一定值后产生塑性变形的性质。此时，应力即使不增加，变形仍继续。当围岩内应力超过围岩的抗压强度后，围岩发生塑性变形并迫使塑性变形的围岩向隧道内滑移。塑性区的围岩因变得松弛，其物理力学性质也发生变化。,第五章地下工程支护结构类型和参数设计,（3）无支护地下工程围岩稳定性及其破坏 地下工程围岩稳定性是指地下工程（如隧道）围岩在开挖过程中，在不设任何支护情况下所具有的稳定程度。无支护地下工程围岩的失稳破坏有三种形式：由于破碎围岩的自重作用，超过了它们脱离岩体的阻力而多在顶部、较少在侧壁处造成局部崩塌；,第五章地下工程支护结构类型和参数设计,由围岩应力重分布所造成的应力集中区域内的围岩强度破坏而形成的崩塌。一般发生在脆性岩体中，且在多数情况下，岩体破坏从坑道侧壁开始，同时岩体的破坏和位移也可能发生在顶部和底部；在塑性围岩中，稳定的丧失是由于塑性变形的结果，岩体产生了过度的位移，但无明显的破坏迹象。,第五章地下工程支护结构类型和参数设计,三、地下工程围岩与支护结构的共同作用,（1）收敛和约束的概念 开挖地下工程时，由于临空面的形成，围岩开始向洞内产生位移，这种位移我们称之为收敛。若围岩强度高，整体性好、断面形状有利，围岩的变形到一定程度，就将自行停止，围岩是稳定的。反之，岩体的变形将自由地发展下去，最终导致地下工程围岩整体失稳而破坏。在这种情况下，应在开挖后适时地沿地下工程周边设置支护结构，对岩体的移动产生阻力，形成约束。,第五章地下工程支护结构类型和参数设计,（1）收敛和约束的概念相应地支护结构也将承受围岩所给予的反力，并产生变形。如果支护结构有一定的强度和刚度，这种隧道围岩和支护结构的相互作用会一直延续到支护所提供的阻力与围岩应力之间达到平衡为止，从而形成一个力学上稳定的隧道结构体系。这时的隧道围岩应力状态称为三次应力状态。（2）地下工程围岩支护后的围岩应力状态及位移状态 隧道开挖后，围岩应力状态出现两种情况：,第五章地下工程支护结构类型和参数设计,一种是开挖后的二次应力状态仍然是弹性的，隧道围岩除因爆破、地质状态、施工方法等原因可能引起稍许松弛掉块外，是稳定的，在这种情况下，坑道是稳定的，原则上无需支护，即使支护也是防护性的，支护方法一般可采用喷浆或者喷射混凝土；另一种是开挖后隧道围岩产生一定范围的塑性区，此时应采用承载型的支护结构，以维护坑道的稳定。地下工程围岩支护后，相当于在围岩周边施加了一个阻止隧道围岩变形的支护阻力(抗力)，从而也改变了围岩的二次应力状态。支护阻力的大小和方向对围岩的应力状态有着很大的影响。,第五章地下工程支护结构类型和参数设计,（3）围岩特性曲线（支护需求曲线）,支护阻力 与隧道洞壁位移 的关系曲线如下图所示。,这条曲线形象的表达了支护结构与隧道围岩之间的相互作用：在极限位移范围内，围岩允许的位移大了，所需的支护阻力就小，而应力重分布所引起的后果大部分由围岩所承担；围岩允许的位移小了，所需的支护阻力就大，围岩的承载能力就得不到充分的发挥。,第五章地下工程支护结构类型和参数设计,围岩特性曲线,第五章地下工程支护结构类型和参数设计,由围岩的支护需求曲线可知，只要在洞周达到极限位移之前，围岩与支护结构可以形成稳定的支护体系，这时支护上承受的是变形压力。如果洞周已经达到极限位移，围岩已经松弛坍塌，这时再支护的话，就承担的是松动压力。,地层特征线与支护特征线,（4）支护特性曲线(支护补给曲线)以圆形隧道为研究对象，并假定围岩给支护结构的反力也是径向匀布的。因此，这还是一个轴对称问题。相对于围岩的力学特性而言，混凝土或钢支护结构的力学特性可以认为是线弹性的，也就是说作用在支护结构上的径向均布压力 是和它的径向位移 成线性关系，即式中的 定义为支护结构的刚度。,第五章地下工程支护结构类型和参数设计,支护特性曲线,对于几种支护结构型式，其支护特性曲线如下图所示。,第五章地下工程支护结构类型和参数设计,（5）围岩与支护结构准静力平衡状态的建立（三次应力场）,如果支护结构有足够的强度和刚度，则围岩的支护需求曲线和支护结构的支护补给曲线会相交一点，而达到平衡，这个交点都应在 或 之前。随着时间的推移，地下水位逐渐恢复，围岩物性指标恶化，锚杆锈蚀等等，这个平衡状态还将调整。,第五章地下工程支护结构类型和参数设计,围岩和支护结构的相互作用,1.不同刚度的支护结构与围岩达成平衡时的 和 是不同的。2.同样刚度的支护结构，由于架设的时间不同，最后达成平衡的状态也是不同的。,第五章地下工程支护结构类型和参数设计,三、支护结构补给曲线（支护特性曲线）作用在支护结构上的径向匀布压力Pa是和它的径向位移us成线性关系，即：,支护刚度：,不同的支护结构有不同的支护刚度。（1）混凝土或喷射混凝土 当喷层厚度ds较小时（ds0.04r0），采用厚壁圆筒计算公式：,锚杆支护：,组合式支护结构：,喷射混凝土和钢锚杆联合支护时，组合支护刚度为：,（2）灌浆锚杆 灌浆锚杆对围岩变形的支护抗力是通过锚杆与胶结材料之间的剪应力传递的，约束能力与灌浆的质量有关。一般通过锚杆的拉拔试验得到的荷载与位移的关系来确定。pamax 最大轴力，可由下列情况中最小值决定。,量测表明：锚杆的粘结力沿其长度是非均匀分布的。轴力最大值分布在锚杆长度的1/2处左右，假定为三角形分布。锚杆的最大位移可表达为：,灌浆锚杆轴力、剪应力及位移分布,概念：支护所受的压力及变形，来自于围岩在自身平衡过程中的变形对支护结构的作用。因此，围岩性态及其变化状态对支护的作用有重要影响。另一方面，支护以自己的刚度和强度抑制岩体变形和破裂的进一步发展，而这一过程同样也影响支护自身的受力。于是，围岩与支护形成一种共同体；共同体两方面的耦合作用和互为影响的情况称为围岩-支护共同作用。,四、围岩与支护结构的相互作用,(1)不同刚度的支护结构与围岩达成平衡时的Pa和us是不同的。刚度大的支护结构承受较大的围岩压力，反之，柔性支护结构承受较小的围岩压力。(2)同样刚度的支护结构，架设的时间不同，最后达成平衡的状态也是不同的。支护结构架设越早，承受的压力就越大，但不能说架设越迟越好。,锚杆支护曲线、混凝土支护曲线组合结构支护曲线,1、隧道结构体系对支护结构的基本要求（1）必须能与围岩大面积地牢固接触，使支护结构与围岩作为一个整体进行工作；（2）要允许地下结构体系能产生有限制的变形，以充分发挥围岩的承载能力而减少支护结构的作用，使两者更加协调地工作；（3）要能分期施工，并使早期支护和后期支护相互配合，“主动”控制围岩的变形；（4）作为支护结构还是要满足易于架设，构件可以互换，断面类型单一等施工技术上的要求。,第二节 支护结构的设计原则,信息化设计施工流程：,支护结构类型的选择和设计木支撑钢支撑（钢拱架、格栅拱架）锚杆（增强岩体强度）金属网支护喷射混凝土（素混凝土、纤维混凝土）模注混凝土（人工灌注、泵灌注）复合式结构,圣哥达隧道的木支撑,用碎石回填,37,1、钢拱架 当围岩软弱破碎严重时，自稳性差，早期支护需要有较大刚度，以阻止围岩过度变形和承受部分松弛荷载。组成：型钢，工字钢，钢管或钢筋（图格栅钢拱架）。,39,40,42,43,44,网喷和钢纤维喷混凝土,2、衬砌设计时两点注意事项：（1）支护结构为封闭式；（2）尽量避免受弯矩作用：通过配筋而非增加厚度来提高强度；支护要圆顺，尽量接近圆形；设置铰或纵向伸缩缝，但需注意防水问题。,第三节 铁路隧道支护类型选择和设计参数,1、复合式衬砌设计，应符合下列规定：（1）复合式衬砌设计应综合考虑包括围岩在内的支护结构、断面形状、开挖方法、施工顺序和断面的闭合时间等因素，力求充分发挥围岩所具有的自承能力。（2）复合式衬砌的初期支护，宜采用喷锚支护；二次衬砌宜采用模筑混凝土，宜等厚截面，连接圆顺；（3）各级围岩在确定开挖断面时，除应满足隧道建筑限界要求外，还应预留适当的围岩变形量，其量值可根据围岩级别、隧道宽度、埋置深度、施工方法和支护情况等条件，采用工程类比法确定；当无类比资料时，可参考下表采用。,预留变形量（mm）,（4）复合式衬砌初期支护及二次衬砌的设计参数，可参照表,单线隧道复合式衬砌的设计参数,双线隧道复合式衬砌的设计参数,1/10/2023,/112,53,1/10/2023,/112,54,1/10/2023,/112,55,56,57,58,梁板模板示意图,59,60,2、喷锚衬砌设计，应符合下列规定：（1）喷锚衬砌内部轮廓应比整体式衬砌适当放大，除考虑施工误差和位移量外，应再预留10cm作为必要时补强用。（2）遇下列情况，不应采用喷锚衬砌：1）地下水发育或大面积淋水地段；2）能造成衬砌腐蚀或膨胀性围岩的地段；3）最冷月平均气温低于-5地区的冻害地段；4）有其他特殊要求的隧道。（3）喷锚衬砌的设计参数，可参照下表选用。,喷锚衬砌的设计参数,3、整体式衬砌设计，应符合下列规定：（1）单线隧道洞口段，当线路中线与地形等高线斜交，围岩为IIII级时，可采用斜交衬砌。双线斜交衬砌的选用应慎重考虑。（2）最冷月平均气温低于-15的地区，应根据情况设置变形缝。（3）各级围岩地段拱部衬砌背后应压注不低于M20的水泥砂浆。4、初期支护的组成应根据围岩的性质及状态、地下水情况、隧道断面尺寸及其埋置深度等条件确定：（1）系统锚杆应沿隧道周边均匀布置，在岩面上按梅花形布置，其方向应接近于径向或垂直岩层，并应根据使用目的和围岩性质及状态等确定锚杆的类型、锚固方式、长度等。,64,级围岩复合式衬砌断面图(1:100),锚杆布置示意图,（2）自稳时间短、初期变形大的地层，或对地面下沉量有严格限制时，应采用钢架。根据围岩条件的不同，可选择仅在隧道拱部设置的钢架或在拱部及墙部设置的开口式钢架。在软弱围岩中应采用封闭式钢架。格栅钢架主筋的直径不宜小于18mm，各排钢架间应设置钢拉杆，其直径宜为2022mm。（3）松散、破碎或膨胀性围岩中宜采用钢筋网喷射混凝土作初期支护，其厚度不宜小于100mm，钢筋网应以直径68mm的钢筋焊接而成，钢筋间距宜为150300mm，钢筋网搭接长度应为12个网孔。,5、衬砌仰拱应具有与其使用目的相适应的强度、刚度和耐久性。仰拱厚度宜与拱、墙厚度相同。（1）仰拱施工前必须清除干净；（2）仰拱应超前拱墙施做，宜超前3倍以上衬砌作业长度；（3）仰拱施工缝、变形缝应做防水处理；（4）仰拱应一次成型，不得分部灌筑。6、隧道喷混凝土应在开挖后及时进行。,大瑶山隧道支护结构参数,例大瑶山隧道全长14.3km，是我国目前最长的双线铁路隧道，隧道的支护结构参数示于表。,级围岩衬砌断面（单位：钢筋直径以mm计，余均以cm计）,级围岩衬砌断面（单位：cm）,第四节 盾构隧道衬砌类型选择和设计参数,一、盾构隧道衬砌结构类型选择 盾构法修建的区间隧道衬砌有预制装配式衬砌、预制装配式衬砌和模注钢筋混凝土整体式衬砌相结合的双层衬砌以及挤压混凝土整体式衬砌三大类：,盾构法修建的隧道衬砌结构a单层装配式衬砌 b双层衬砌 c挤压混凝土整体衬砌,1预制装配式衬砌 预制装配式衬砌是用工厂预制的构件，称为管片，在盾构尾部拼装而成的。管片种类按材料可分为钢筋混凝土，钢、铸铁以及由几种材料组合而成的复合管片。按管片螺栓手孔成型大小，可将管片分为箱型和平板型两类。,箱型管片 平板型管片,衬砌环内管片之间以及各衬砌环之间的连接方式，从其力学特性来看，可分为柔性连接和刚性连接，目前较为通用的是柔性连接，常用的有以下几种形式：（1）单排螺栓连接：按螺栓形状又可分为弯螺栓连接、直螺栓连接和斜螺栓连接三种。,（2）销钉连接：所用的销钉可在管片预制时埋入，亦可在拼装时安装。作用除为了临时稳定管片，保证防水密封垫的压力外，在安装管片时还起导向作用，将相邻衬砌环连在一起。用销钉连接的管片形状简单，截面无削弱，建成的隧道内壁光滑平整。和螺栓连接相比既省力、省时，价格又低廉，连接效果也相当好。,（3）无连接件。在稳定的不透水地层中，圆形衬砌的径向接缝也可不用任何连接件连接。关于装配式衬砌的防水问题，一直是盾构法施工中的重要课题。金属管片本身不透水，而且加工精度高，拼装后管片接缝非常密贴，几乎不透水，因此，仅需在隧道内壁用防水材料对接缝进行嵌填，并对螺栓孔和注浆孔进行防水处理。,螺栓孔密封防水,2双层衬砌 为了防止隧道渗水和衬砌腐蚀，修正隧道施工误差，减少噪声和振动以及作为内部装饰，可以在装配式衬砌内部再做一层整体式混凝土或钢筋混凝土内衬。,南水北调中线一期穿黄工程,79,80,二、横截面内轮廓和结构尺寸拟定 1横截面内轮廓尺寸 横截面的内轮廓尺寸全线是同一的，故除要根据建筑限界、施工误差、道床类型、预留变形等条件决定外，还要按线路的最小曲线半径进行验算，保证列车在最困难条件下也能安全通过。广州、上海地下铁道的圆形区间隧道内径为5.5m，可以保证3.0m的宽体车在R=300m，最大超高h=120mm的曲线上安全通过。2管片厚度 为了充分发挥围岩自身的承载能力，现代的隧道工程中都采用柔性衬砌，其厚度相对较薄。根据日本经验，单层的钢筋混凝土管片衬砌，管片厚度一般为衬砌环外径的5.5%左右。,上海地下铁道区间隧道钢筋混凝土管片厚度为350mm，广州、北京、深圳、南京地下铁道管片厚度为300mm，约为衬砌环外径的5%6%。3管片宽度 当宽度较小时，虽然搬运、组装，在曲线上施工方便，但接缝增多，加大了隧道防水的难度，增加管片制作成本，而且不利于控制隧道纵向的不均匀沉降。管片宽度太大则施工不便，也会使盾尾长度增长而影响盾构的灵活性。因此，过去单线区间隧道管片的宽度控制在700mm1000mm之间，但随着铰接盾构的出现，管片宽度有进一步提高的趋势，目前，控制在1000mm1500mm之间。广州地下铁道区间隧道采用铰接式盾构施工，故其管片宽度为1200mm。,4衬砌环的分块 衬砌环的组成，一般有两种方式。一种是由若干标准管片（A）、二块相邻管片（B）和一块封顶管片（K）构成。另一种是由若干块A型管片、一块B型管片和一块K型构成，见图，相邻管片一端带坡面，封顶管片则两端或一端带坡面。从方便施工，提高衬砌环防水效果角度看，第一种方式较好。,A,封顶块的拼装形式有径向楔入和纵向插入两种。径向楔入时，封顶块的两个径向边必须呈内八字形或者至少是平行，受载后有向下滑动的趋势，受力不利。采用纵向插入时，封顶块不易向内滑动，受力较好，但在拼装封顶块时，需加长盾构千斤顶行程。封顶块位置一般设在拱顶处，但也有设在45、135甚至180（圆环底部）处的。衬砌环的拼装形式有错缝和通缝两种，见图。错缝拼装可使接缝分布均匀，减少接缝及整个衬砌环的变形，整体刚度大，所以是一种较为普遍采用的拼装形式。,5螺栓和注浆孔的配置 组装管片用的螺栓分为纵向连接螺栓和环向连接螺栓两种。在柔性连接中，纵、环向的连接螺栓通常都布置一排，螺栓孔的设置不得降低管片强度，并方便螺栓紧固作业。螺栓直径一般为16mm36mm，螺栓孔直径必须大于螺栓直径4mm8mm。,螺栓直径与螺栓孔直径的关系,销钉直径与销钉孔直径的关系,1、概述 一般的混凝土结构是可以用力学方法进行设计的，但喷混凝土则很少能够用力学方法进行设计。这是因为喷混凝土的作用机理和喷混凝土是否能够形成一个结构体系来发挥作用还不十分清楚。目前的认识水平，喷混凝土是唯一的能够与围岩壁面大面积牢固粘附的支护手段，也是适用于各种围岩的一种有效的支护手段，其作用主要来自喷混凝土与壁面的粘着力所产生的抗剪阻力。,第五节 喷混凝土设计,喷混凝土与围岩的粘附是异常重要的，这是发挥喷混凝土支护效果的基本保证，也是喷混凝土最主要的力学作用。其次，喷混凝土的支护效果和发挥的程度与围岩关系十分密切。多数场合，是很难保证喷混凝土作为拱形结构的效果。实际上，考虑到围岩不连续面的存在，喷混凝土局部补强的效果会大于拱形结构的效果。在这种情况下，可靠的粘附也是发挥喷混凝土作用的关键。此外喷混凝土除力学效果外，还具有覆盖的物理效果，如防止围岩风化，阻止渗水等。因此，喷混凝土设计应满足以下要求：对作用荷载有足够的强度；具有早期需要的强度；与围岩充分粘着、填充和密实；确保开挖面平滑；耐久。,1、喷混凝土的作用,(2)“卸载”作用,(1)支撑围岩,(3)填平补强围岩,(4)覆盖围岩表面,(5)阻止围岩松动,(6)分配外力,2、喷混凝土的特点及力学性能,(1)喷射混凝土具有强度增长快、粘结力强、密度大、抗渗性好的特点。它能较好地填充岩块间的裂隙的凹穴，增加围岩的整体性，防止自由面的风化和松动，并与围岩共同工作。,喷混凝土的特点,(2)与普通模筑混凝土相比，喷射混凝土施工将输送、浇注、捣固几道工序合而为一，更不需模板，因而施工快速、简捷。,喷层的力学性能,(3)喷射混凝土能及早发挥承载作用。它能在10min左右终凝，一般2h后即具有强度，8h后可达2MPa，16h后达5MPa,一天后可达7 8 MPa，四天达到28d强度的70%左右。,(4)试验表明，喷射混凝土与模筑混凝土相比，密实性和性能稳定性要差。而性能较干式喷射混凝土有显著改善。,喷射混凝土的主要力学特性有强度和变形特性。,主要强度指标：设计强度与受压弹性模量。,喷射混凝土的粘结强度包括抗拉粘结强度和抗剪粘结强度。前者用于衡量喷射混凝土在受到垂直于界面方向拉应力作用时的粘结能力，后者则反映抵抗平行于界面作用力的能力。,喷射混凝土与岩石的粘结强度：与待喷岩石性质、岩面条件、节理充填物等有密切关系。,新喷射混凝土与原喷混凝土的粘结强度:抗剪粘结强度一般为0.72.85MPa，与喷射混凝土界面的抗拉粘结强度是1.473.49MPa。,95,混凝土喷射工艺 可作为隧道工程级围岩的永久性或临时性支护，也可与锚杆、钢纤维、钢拱架、钢筋网等构成复合式支护结构，灵活性大。喷射种类有：干喷、湿喷、潮喷、混合喷。,96,97,98,1、作用效果 锚杆是唯一从内部补强围岩的手段，可以提高裂隙围岩的抗剪强度，也可以改善围岩的物性指标，更可以将一些不连续的岩块联系在一起，它基本上不占用作业空间，施工性好，因此得到广泛的应用。为发挥锚杆与围岩形成一体的效果，注意以下几点：（1）硬岩 围岩强度比大、隧道周边围岩没有塑性化的情况，不需要内压效果。同时，硬岩的岩石本身的强度是充分的，隧道的稳定通常是由裂隙等力学上不连续面所控制。,第六节 锚杆,二、锚杆,锚杆(索)是用金属或其它高抗拉性能的材料制作的一种杆状构件。,1、锚杆的支护效应,(1)支承围岩：,(2)加固围岩:,(3)提高层间摩阻力，形成“组合梁”:,(4)“悬吊”作用:,减跨作用,锚杆可以保持岩块和控制岩块移动，使围岩成为一体，并促进平衡拱的形成。因此，在设计锚杆时，最好考虑围岩的裂隙状态，此外，硬岩中的锚杆轴力，因隧道而异，通常都显示比较大的数值。,图1 硬岩的锚杆作用效果,图2 最大锚杆轴力与最大净空位移,（2）软岩 在围岩强度比小的软岩中，隧道周边围岩发生塑性化，需以内压效果和形成平衡拱效果为主。围岩采用完全弹塑性体假定进行解析时，因内压的存在而使塑性区域和壁面位移减少。但如要使塑性区不发生，则在开挖初期需要很大的支护能力。因此必须与其他支护手段，如喷混凝土等配合使用。（3）土砂围岩 在埋深小的土砂围岩中，喷混凝土是有效果的，拱项附近的锚杆几乎不受拉力而只发生压力的情况时有发生。因此，锚杆主要是加强拱脚附近和防止掌子面的崩塌为主。锚杆的强度是根据围岩条件而预计发生的轴力、围岩性质、锚固材料的性能等决定的拉拔力决定的。锚杆的破坏强度应在此拉拔力之上。,2、锚杆设计 锚杆设计包括锚杆类型的选择、锚杆的布置（长度、根数、间隔等）以及锚固材料的选择等。1）锚杆的形式 日本等国家，锚杆都已经商品化了，而我国目前使用的锚杆多数还是用各种类型的钢筋，在工地自行制造的，锚杆的质量、规格参差不齐，再加上施工的因素，锚杆的支护作用常常得不到明显的体现。因此，锚杆商品化，是提高锚杆技术的关键。锚杆大体上有：全面锚固方式、摩擦锚固方式和全面锚固方式及头部锚固方式并用三种类型。,表1 锚杆的锚固方式,图3 锚杆的基本类型,2）配置和尺寸 锚杆的配置应根据围岩种类、强度、隧道断面大小、形状、开挖方法、裂隙间距、长度、有无涌水等决定。锚杆原则上应配置在受开挖影响的，需要加强的区域内。锚杆的设计方法，根据现场的具体情况，预计到的裂隙间距、长度、大小等和岩块掉落的可能性等决定不使岩块掉落的锚杆配置。有局部加强的随机配置和系统加强的系统配置。决定锚杆间距时，应考虑发挥邻接锚杆的相互作用。悬吊岩块的场合 视裂隙或节理状况，可配置在隧道的拱部。最好根据开挖后的围岩状况决定锚杆的配置，但实际上围岩内部的潜在的裂隙状况是特定的，喷混凝土施工后的施设是很困难的，因此，应做好开挖后的掌子面观察的记录。,初期支护的缝合的场合 在台阶法施工的场合，为防止初期支护下沉或加强拱脚处的支护刚性，可在上半断面及边墙配置锚杆，把初期支护与围岩缝合在一起。,图6 岩块的悬吊,图7 初期支护的缝合,内压效果和拱效果的场合 在隧道全周或除仰拱以外的全部周边配置锚杆。,图8 内压效果和拱效果,辅助使用的场合 锚杆通常都是呈放射状的，与开挖面成直角配置的，以发挥起效果，但也有斜方向和与隧道轴线平行配置的情况。,图9 锚杆的配置例,锚杆的尺寸，在一般围岩中采用22(23m)即可。在膨胀性围岩中，要考虑松弛区域大小和形成拱效果的大小。通常采用25(34m)左右。预计有强大土压作用时，要采用能锚固在松弛区域以外的长锚杆或打设短而多的锚杆，应参考有关工程事例决定适当的尺寸。,1、钢支撑 钢支撑很少单独使用，多数场合是与喷混凝土、锚杆等组合使用的。目的：(1)是作为喷混凝土支护功能发现前的支持物；（2）是对喷混凝土进行补强；（3）是作为超前支护的支点；（4）是与喷混凝土、锚杆共同发挥初期支护的作用。钢支撑的最大特点是架设后能够立即承载。因此，多在需要立即控制围岩继续松弛和塑性区继续扩大，或变形迅速发展的场合采用。钢支撑的设计，主要包括钢支撑的形状，断面、材质、间距、接头和联系构件等的设计。1）形状 钢支撑应具有与开挖轮廓相适应的形状。根据目前实际采用的形状看，大致有三种形状。,第七节 钢支撑和格栅设计,图1 钢支撑的基本形状,2）断面、材质 日本是采用钢支撑最多的国家，要求其材质能够承受很大荷载，即使产生很大变形也不会发生脆性破坏的钢材，并要求易于弯曲加工和焊接加工。因此，多采用表列的H型钢和U型钢。,表1 钢支撑使用的标准形钢,图2 钢支撑与隧道断面积的关系,117,3）钢支撑间距 为了确保钢支撑的支护作用和避免作业过程中的危险，其间距不宜大于1.5m，与围岩级别关系可参照标准设计。4）钢支撑的接头 钢支撑接头的位置和构造，应根据开挖断面形状、发生的应力大小和分布状态及施工方法决定。一般，钢支撑都要分割成几个构件，而后用接头将各构件连接成钢支撑。在设计上，接头板要尽可能少地突出到二次衬砌中，这是造成二次衬砌开裂的一个原因。,图3 接头构造示例,图4 底脚构造示例,5）联系构件 为了保持钢支撑的正确位置和防止倾覆并把钢支撑连接成一个整体，应设置联系构件。联系构件对确保钢支撑纵向受力也是重要的。一般钢支撑的联系构件如图。,图5 钢支撑联系构件,2、格栅 我国是采用格栅最多的国家，积累了丰富的经验。格栅是由普通建筑用钢筋(多采用16Mn钢)经冷弯成形后焊接而成，其形状可根据使用要求和坑道轮廓而定。下图是格栅最基本的、常用的形式。有圆形、半圆形、马蹄形、门形等，可根据坑道轮廓进行设计。从格栅的断面形式看，有各种形式，如三边形、四边形等。,图6 格栅断面形状示例,121,格栅断面采用较多的是由三根或四根主筋组成。其中4根主筋的形式采用最多，四主筋型的每根钢筋相同，在等高情况下，其抗弯和抗扭惯性矩大于三主筋型，故多用于软岩、土砂地层的双线隧道。三主筋型是由上面双筋和下面单筋组成，上主筋面积尽量与下主筋总面积相等，多用于单线隧道。主筋直径不宜小于22mm，并宜采用20MnSi或A3钢筋。断面高度应根据承载条件和喷砼厚度确定，一般为160200mm。连接方式较多，主要用图示形式，联系钢筋直径不宜小于10mm。,图7 格栅断面构成,格栅接头形式有：螺栓连接板接头。连接板焊于主筋上。通过螺栓将两段钢架连接板紧密地连在一起。套管螺栓接头。套管螺栓直接套在主筋上，将两段钢架连接在一起。,图8 接头的各种形式,格栅段长、节间距在满足隧道分部开挖、便于安装的要求时，宜加大格栅分段长度以减少接头。拱部格栅段长宜为23m。为了保证主筋和加强筋的局部稳定，满足施工工艺要求，节间距不宜过长，一般可取两倍格栅高度 格栅与钢支撑一样也是分段加工，在架设时再组装成形。格栅支护的接头是整个结构的薄弱环节，必须加强。为增强格栅钢架的整体性，在各格栅间应设置纵向连接构件。格栅与钢支撑比较一个最突出特点是：能很好地与混凝土一起与围岩密贴，支护效果好。格栅钢架能完全被混凝土紧密包裹而成为一体，形成类似的钢筋混凝土结构。喷混凝土能充满格栅及其与围岩的所有空隙，而钢支撑的背面常常不能完全充填密实，使支护不能很好地与围岩共同作用。,格栅与钢支撑的适用条件是一致的，主要用于：（1）自稳时间很短的围岩，在锚杆或喷混凝土支扩发挥作用前，可能发生围岩失稳或塌坍危险时；（2）浅埋、偏压隧道，当早期围岩压力增长快，需要提高一次支护的早期强度和刚度时；（3）在难以施作锚杆、喷射混凝土的砂卵石、土夹石或断层泥等地层，大面积淋水地段，以及为了抑制围岩大的变形而增加支护抗力时；（4）当需要施作超前支护，设置格栅作为超前锚扦(或超前小钢管等)的支承构件时;（5）自稳时间短，一次变形大的地层，对地面下沉量有严格限制的情况。,日本规定，在隧道断面积为20100m2条件下，格栅的采用条件是：裂隙发育，岩体破碎的硬岩；软岩强度比较小和极小的情况；膨胀性围岩；土砂围岩(埋深小的情况)。,根据铁路隧道构筑法技术规则(TBGl0892)规定，采用格栅钢架支护的适用条件见下表。,表2 采用格栅的适用条件,