奥法及喷锚支护

5.4 新 奥 法 及 喷 锚 支 护 2 小 浪 底 水 电 站 水 电 站 为 地 下 厂 房 ,其 长 、 宽 、 高 尺 寸 分 别 为251 5m、 26 2m和 61.44m. 3 广 州 抽 水 蓄 能 电 站 地 下 厂 房 广 州 抽 水 蓄 能 电 站 (下 称 广 蓄 电 站 )位 于 广 东 省 从 化 市 吕田 镇 ,总 装 机 2400MW,是 目 前 世 界 上 最 大 的 抽 水 蓄 能 电站 。 该 工 程 分 二 期 完 成 ,每 期 工 程 均 为 4 300MW。 分别 于 1994年 3月 和 2000年 6月 建 成 投 产 。 广 蓄 电 站 的 土 建 工 程 主 要 是 地 下 建 筑 ,其 中 地 下 厂 房 深埋 于 地 面 以 下 450m,开 挖 尺 寸 :长 146.5m,宽 21m,高44.54m。 地 下 厂 房 等 洞 室 群 中 ,凡 不 过 水 洞 室 均 采 用 喷锚 支 护 作 为 永 久 支 护 ,过 水 隧 洞 的 临 时 支 护 同 样 采 用 喷锚 支 护 。 4 5 一 、 新 奥 法n 新 奥 法 （ 新 奥 地 利 隧 道 施 工 法 ） （ New Austrian Tunnelling Method） ” （ NATM） 法 ， 奥 地 利 学 者 拉 布 西 维 兹 教 授 于 二 十 世 纪50年 代 提 出 的 。n 新 奥 法 的 主 要 原 则 ：n （ 1） 充 分 保 护 围 岩 ， 减 少 对 围 岩 的 扰 动 。 n （ 2） 充 分 发 挥 围 岩 的 自 承 能 力 。n （ 3） 尽 快 使 支 护 结 构 闭 合 。n （ 4） 加 强 监 测 ， 根 据 监 测 数 据 指 导 施 工 。n 可 扼 要 地 概 括 为 “ 少 扰 动 、 早 喷 锚 、 快 封 闭 、 勤 测 量 ”n 优 点 ： 较 好 利 用 岩 体 力 学 特 性 ， 充 分 发 挥 围 岩 的 自 身 的 承 载 能 力 ， 合理 设 计 支 护 结 构 和 施 工 顺 序 。 6 支 护 -围 岩 共 同 作 用 原 理 围 岩 既 是 生 产 支 护 荷 载 的 主 体 ， 又 是 承 受 岩 层荷 载 的 结 构 ， 支 护 -围 岩 作 为 整 体 相 互 作 用 ， 共 同承 担 围 岩 压 力 。 摒 弃 了 过 去 岩 体 作 为 对 支 护 结 构的 荷 载 采 用 厚 衬 砌 的 传 统 做 法 。 围 岩 压 力 是 变 形 压 力 和 松 动 压 力 的 组 合 ， 大 部 分压 力 (特 别 是 变 形 压 力 )由 围 岩 自 身 承 担 ， 只 有 少 部分 转 移 到 支 护 结 构 上 ； 支 护 荷 载 既 取 决 于 围 岩 的性 质 ， 又 取 决 于 支 护 结 构 的 刚 度 和 支 护 时 间 ； 围岩 的 松 动 区 和 围 岩 内 的 二 次 应 力 状 态 又 与 支 护 结构 的 性 质 和 支 护 时 间 有 关 。 7 支 护时 间 刚 度早晚 刚 8 柔 性 支 护 观 点 支 护 刚 度 不 必 太 大 ， 当 支 护 做 完 后 ， 能 与岩 体 一 起 产 生 一 定 的 位 移 ， 释 放 部 分 变 形 能 ，但 又 能 使 支 护 足 以 保 持 平 衡 ， 保 持 围 岩 稳 定 。 柔 性 支 护 ， 尽 早 支 护 ， 既 及 时 封 闭 围 岩 ， 防止 风 化 ， 又 能 释 放 变 形 能 ， 合 理 利 用 围 岩 与 支护 共 同 承 担 应 力 调 整 过 程 中 的 所 有 作 用 。 支 护 结 构 为 闭 合 环 ，。 9 设 计 、 施 工 、 监 测 一 条 龙 作 业 方 式工 程 地 质 调 查与 相 关 实 验工 程 开 挖 与 支护 设 计施 工 与 监 测是 否 稳 定 返 回 10 二 、 压 力 拱 理 论 计 算 围 岩 压 力（ 一 ） 普 氏 平 衡 拱 理 论 1、 自 然 平 衡 拱 （ 压 力 拱 ） 的 概 念 普 洛 托 .季 雅 克 诺 夫 11 2、 在 松 散 体 中 形 成 压 力 拱 的 条 件 坑 道 埋 深 Z (2 2.5)b,b为 压 力 拱 高 度 。 12 3、 普 氏 理 论 假 设 条 件（ 1） 将 岩 体 视 为 松 散 体 。式 中 ： 为 岩 体 似 内 摩 擦 角 。（ 2） 洞 顶 岩 体 能 够 形 成 压 力 拱 。（ 3） 沿 拱 切 线 方 向 只 作 用 有 压 应 力 ， 而 不 能承 受 拉 应 力 。 自 然 平 衡 拱 以 上 的 岩 体 重 量 通过 拱 传 递 到 两 帮 ， 对 拱 内 岩 体 不 产 生 任 何 影响 。 即 作 用 在 支 架 上 的 顶 压 仅 为 拱 内 岩 体 重量 ， 与 拱 外 岩 体 和 坑 道 埋 深 无 关 。 tanf sin1 cos210110tan cf c 10cf 式 中 c 为 岩 石 单 轴 抗 压 强 度 ， MPa.也 可 按 上 式 计 算 岩 体 似 内 摩 擦 角 k ：4. 采 用 坚 固 性 系 数 f（ 普 氏 系 数 ） 来 表 征 岩体 的 强 度 sin1 cos210110tan cf c 5、 自 然 平 衡 拱 的 力 学 模 型 及 相 应 的 计 算 方 法模 型 1： 假 定 坑 道 两 帮 岩 体 稳 定 （ f2） ， 而坑 道 顶 部 岩 体 不 稳 定 ， 会 发 生 冒 落 而 形 成 自 然平 衡 拱 。模 型 2： 假 定 坑 道 两 帮 岩 体 也 不 稳 定 （ f2） ，发 生 剪 切 破 坏 ， 导 致 平 衡 拱 的 跨 度 扩 大 。 15 （ 1） 模 型 1 及 相 应 的 计 算 方 法 A、 平 衡 拱 形 状 平 衡 拱 形 状 如 图 所 示 ， 为 一 条抛 物 线 ， 其 方 程 为 ：2 2 xaby B、 平 衡 拱 跨 度 平 衡 拱 跨 度 等 于 坑 道 跨 度 ， 即2a。C、 平 衡 拱 高 度 b: fab 16 E、 单 位 长 度 平 衡 拱 内 岩 体 重 量 W： faabAW 23434F、 单 位 长 度 坑 道 上 作 用 在 坑 道支 架 上 的 顶 压 pv: faabWp v 23434 D、 平 衡 拱 面 积 ： abdxxababydxabA aa 342222 0 220 10cf 18 （ 2） 模 型 2 及 相 应 的 计 算 方 法 当 安 全 系 数 2时 ， 坑 道 两帮 岩 体 会 发 生 剪 切 破 坏 ， 导致 平 衡 拱 的 跨 度 扩 大 。 A、 平 衡 拱 形 状 平 衡 拱 形 状 如 图 所 示 ， 为一 条 抛 物 线 ， 其 方 程 为 ： 221 xaby k B、 平 衡 拱 跨 度 两 帮 岩 体 发 生 剪 切 破坏 ， 其 破 裂 面 与 水 平 面 的夹 角 为 450 /2， 此 时 平 衡拱 跨 度 将 增 大 至 2a1。 )245(2 222 01 kH ctga BCaa C、 平 衡 拱 高 度 b : k )245(1 01 kH ctgaffab D、 单 位 长 度 坑 道 上 作 用 在 坑 道 支 架 上 的 顶 压 pv: aqabp v 22 支 架 受 到 的 顶 压 近似 等 于 DCC D 部 分岩 体 的 重 量 ， 即bq k k 可 按 滑 动 土 体 上 有 均 布 荷载 q= b 作 用 的 挡 土 墙上 主 动 土 压 力 公 式 计 算 ， 即)245(tg 021 ka qqKp 式 中 k为 岩 体 换 算 内 摩 擦 角 ， k arctgf 。 1p2pE、 支 架 受 到 的 总 的 侧 压 力 Qh:)245(tg)21( )(21 022 21 kh qHH HppQ aKHqp )(2 实 际 上 ， 自 然 平 衡 拱 有 各 种 形 状 ， 在 岩 层倾 斜 的 情 况 下 ， 还 会 产 生 歪 斜 的 平 衡 拱 ， 如 图所 示 。 23普 氏 平 衡 拱 理 论 适 用 于 深 埋 洞 室 。 可 见 ： 松 脱 压 力 是 有 一 定 限 度 的 ，不 是 无 限 增 大 ； 采 用 传 统 支 护 方 法 时 ，要 尽 量 使 支 护 与 围 岩 紧 密 接 触 ， 使 支 护更 好 地 发 挥 作 用 ， 有 效 控 制 围 岩 破 坏 。 24 （ 二 ） 太 沙 基 理 论 计 算 围 岩 压 力 对 于 软 弱 破 碎 岩 体 或 土 体 ， 在 巷 道 浅 埋 的 情 况 下 ，可 以 采 用 太 沙 基 理 论 计 算 围 岩 压 力 。1、 太 沙 基 理 论 的 基 本 假 设（ 1） 仍 视 岩 体 为 具 有 一 定 粘 结 力 的 松 散 体 ， 其 强 度 服从 莫 尔 库 伦 强 度 理 论 ， 即 tgc（ 2） 假 设 坑 道 开 挖 后 ， 顶 板 岩 体 逐 渐 下 沉 ， 引 起应 力 传 递 而 作 用 在 支 架 上 ， 形 成 坑 道 压 力 。 25 2、 太 沙 基 围 岩 压 力 公 式一 般 分 坑 道 两 帮 岩 体 稳 定 或 不 稳 定 两 种 情 况 考 虑 。 1、 坑 道 两 帮 岩 体 稳 定 坑 道 两 帮 岩 体 稳 定 ， 下沉 仅 限 于 顶 板 上 部 岩 体 ， 如图 ， AD和 BC为 滑 动 面 ， 并延 伸 至 地 表 。 两 侧 岩 体 的 剪 力 dF:dztgc dztgcdzdF v h)( )( 式 中 ： h， v为 在 深 度 Z处的 水 平 应 力 和 垂 直 应 力 ， 为侧 压 力 系 数 ， h/v 若 地 表 作 用 有 均 布 荷 载 p， 则 薄 层 dz在 垂 直 方 向 的平 衡 方 程 为 ： dztgc daadza v vvv )(2 )(222 整 理 得 ： vv ddzacatg )( acatgdzd vv 于 是 得 ： 根 据 地 表 边 界 条 件 求 A:当 z=0时 ， v p， 代 入 上 式 得 ： 则 垂 直 应 力 的 计 算 公 式 为 ：1 captgA zatgzatg zatgv peetg ca ecaptgtg ca )1( )1(1 解 微 分 方 程 得 ： zatgv Aetg ca 1 则 垂 直 应 力 的 计 算 公 式 ：当 z=H时 ， v就 是 作 用 在 坑道 顶 压 qv 。 zatgzatg zatgv peetg ca ecaptgtg ca )1( )1(1 HatgHatgHzvv peetg caq )1()( 若 H ， c 0, p=0时 ，坑 道 顶 压 ： 单 位 长 度 坑 道 上 的 顶 压 为 ： tgaq vv vv aqp 2 HatgHatgHzvv peetg caq )1()( 2、 坑 道 两 帮 岩 体 不 稳 定 坑 道 两 帮 岩 体 发 生 剪切 破 坏 ， 形 成 直 达 地 表 的破 裂 面 OC和 O C 并 引 起 岩柱 体 ABB A 下 沉 ， 产 生 垂直 破 裂 面 AB和 A B 。A、 坑 道 顶 部 下 沉 的 跨 度 为 ： H )245(22 01 hctgaa HB、 坑 道 顶 压 坑 道 顶 压 计 算 方 法同 上 ， 只 需 将 以 上 各 式中 的 a以 a1代 替 即 可 。 H atgHatgHzvv peetg caq 11 )1(1)( 若 H ， c 0, p=0时 ， 坑 道 顶 压 ： tgaq vv 1 )245(22 01 hctgaa C、 单 位 长 度 坑 道 上 的 顶 压为 ： vv aqp 2D、 支 架 受 到 的 总 的 侧 压 力Qh: 可 按 滑 动 土 体 上 有 均布 荷 载 q作 用 的 挡 土 墙 上 主动 土 压 力 公 式 计 算 ， 即 )245(tg)21()(21 02221 hqhhPPQ vh )245(tg 021 kvav qKqp av Khqp )(2 H 例 题 某矩形巷道，宽度为 4 m, 高度为3m，布置在泥质页岩中，岩石的换算内摩擦角k710，, 岩石重度20 kN/m3，按普氏地压理论试求： （1）拱的跨度和高度 ； （2）自然平衡拱的方程式； （3）支架所受的顶压等于多少？ 解 ： 2a = 4 m , f = tg71=2.9, 20 kN/m3(1) 压 力 拱 跨 度 2 a = 4(m) 压 力 拱 高 度 b =a/f =2/2.9=0.69 (m)(2) 压 力 拱 方 程 式 ： y x 2 b/a2 = 0.172 x2 (3) 总 顶 压 力 (kN/m)78.3634 2 faQv 35 三 、 坑 道 支 护 岩 体 作 为 支 护 结 构 的 组 成 部 分 ， 与 支 护结 构 组 成 共 同 存 载 体 ， 它 们 之 间 互 相 依 存 ，互 相 制 约 ， 协 调 变 形 ， 共 同 承 担 全 部 围 岩 压力 。 （ 一 ） 离 壁 式 支 护 的 力 学 作 用特 点 ： 离 壁 式 支 护 结 构 如 木支 架 、 钢 支 架 、 混 凝 土 砌 碹以 及 钢 筋 混 凝 土 支 架 等 与 围岩 部 分 点 接 触 和 部 分 面 接 触 。 1、 被 动 承 受 围 岩 压 力 。 2、 支 护 及 时 时 ， 围 岩 变 形 还 未 达 到 极 限 的 情况 下 ， 在 点 接 触 或 面 接 触 处 承 受 围 岩 所 产 生 的 压力 （ 变 形 压 力 ） 。 3、 在 完 全 不 接 触 的 情 况 下 ， 或 支 护 不 及 时 时 ，围 岩 已 发 生 松 脱 ， 则 只 承 受 松 脱 压 力 。 37 （ 二 ） 喷 锚 支 护 喷 锚 支 护 【 shotcrete-bolt support】 指 的 是 借 高 压喷 射 水 泥 混 凝 土 和 打 入 岩 层 中 的 金 属 锚 杆 的 联 合 作 用 (根 据地 质 情 况 也 可 分 别 单 独 采 用 )加 固 岩 层 ， 分 为 临 时 性 支 护 结构 和 永 久 性 支 护 结 构 。 喷 混 凝 土 是 利 用 喷 浆 设 备 向 地 下 洞 室 开 挖 面 喷 一 定 厚度 的 混 凝 土 层 ， 借 以 支 护 围 岩 。 由 于 混 凝 土 喷 层 密 贴 围 岩 ，并 具 柔 软 性 等 特 点 ， 所 以 能 承 受 较 大 荷 载 ， 并 能 控 制 围 岩变 形 ， 充 填 胶 结 岩 体 表 层 裂 隙 ， 保 护 和 发 挥 岩 体 的 潜 力 。喷 混 凝 土 可 以 作 为 洞 室 围 岩 的 初 期 支 护 ， 也 可 以 作 为 永 久性 支 护 。 喷 锚 支 护 是 使 锚 杆 、 混 凝 土 喷 层 和 围 岩 形 成 共 同作 用 的 体 系 ， 防 止 岩 体 松 动 、 分 离 。 把 一 定 厚 度 的 围 岩 转变 成 自 承 拱 ， 有 效 地 稳 定 围 岩 。 当 岩 体 比 较 破 碎 时 ， 还 可 以 利 用 丝 网 拉 挡 锚 杆 之 间 的 小 岩 块 ， 增 强 混 凝 土 喷 层 ， 辅助 喷 锚 支 护 。 38 39 n 喷 锚 支 护 在 洞 室 开 挖 后 ， 支 护 及 时 ， 与 围 岩 密贴 ， 柔 性 好 ， 有 良 好 的 物 理 力 学 性 能 。 它 能 侵入 围 岩 裂 隙 ， 封 闭 节 理 ， 加 固 结 构 面 和 层 面 ，提 高 围 岩 的 整 体 性 和 自 承 能 力 ， 抑 制 变 形 的 发展 。 在 支 护 与 围 岩 的 共 同 工 作 中 ， 有 效 地 控 制和 调 整 围 岩 应 力 的 重 分 布 ， 避 免 围 岩 松 动 和 坍塌 ， 加 强 围 岩 的 稳 定 性 。 它 不 象 传 统 的 模 筑 混凝 土 衬 砌 那 样 ， 只 是 在 洞 室 开 挖 后 被 动 地 承 受围 岩 压 力 ， 而 是 主 动 地 加 固 围 岩 。 目 前 ， 对 喷锚 支 护 作 用 原 理 的 研 究 还 不 完 善 ， 有 待 进 一 步探 索 和 改 进 。 40 1、 喷 射 混 凝 土 的 力 学 作 用（ 1） 加 固 围 岩 。（ 2） 改 善 围 岩 的 应 力 状 态 。 2、 锚 杆 支 护 的 力 学 作 用 2、 锚 杆 支 护 的 力 学 作 用 2、 锚 杆 支 护 的 力 学 作 用 2、 锚 杆 支 护 的 力 学 作 用 2、 锚 杆 支 护 的 力 学 作 用 端 部 锚 固 式 锚 杆锚 杆 的 受 力 状 态 如 图 所 示 。 设 锚 杆 预 拉 力 为 Q， 岩体 变 形 所 产 生 的 拉 力 为 Q，则 锚 杆 的 拉 应 力 为 ： 22 4)(4 dQQQd 式 中 ： d为 锚 杆 的 直 径 。 QQQ Q为 锚 杆 所 需 的 最 小 锚 固 力 ， 由 拉 拔 试 验 确 定 。 全 长 锚 固 式 锚 杆锚 杆 的 受 力 状 态 如 图 所 示 。 锚 杆 设 计 必 须 满 足 下 式 ：QddL t 4 21式 中 ： d锚 杆 的 直 径 ； t锚 杆 材 料 抗 拉 强 度 ； Q锚 杆 变 形 或 移 动 所 产 生 的 最 大 拉 力 即最 小 锚 固 力 ， 由 拉 拔 试 验 确 定 ； 粘 结 材 料 与 锚 杆 和 孔 壁 之 间 的 粘 结 强度 。 （ 2） 锚 杆 群 的 力 学 作 用 C、 挤 压 加 固 作 用 A、 悬 吊 作 用 B、 组 合 作 用 2、 锚 杆 支 护 的 力 学 作 用 3、 喷 锚 联 合 支 护 的 力 学 作 用（ 1） 开 挖 后 ， 在 坑 道 周 边 形 成 松 动 圈 和 塑 性变 形 区 。 喷 射 混 凝 土 支 护 ， 一 方 面 水 泥 砂 浆 的胶 结 作 用 提 高 了 松 动 圈 的 整 体 稳 定 性 ， 另 一 方面 喷 射 混 凝 土 层 的 柔 性 ， 允 许 围 岩 发 生 较 大 的位 移 而 不 发 生 松 脱 ， 能 充 分 发 挥 围 岩 的 自 支 承能 力 。（ 2） 锚 杆 的 挤 压 加 固 与 围 岩 变 形 的 相 互 作 用 ，进 一 步 加 固 围 岩 ， 提 高 其 整 体 承 压 能 力 。 喷 锚 联 合 支 护 是 软 弱 破 碎 岩 体 的 一 种 最 有效 的 支 护 形 式 ， 具 有 主 动 加 固 围 岩 、 充 分 发 挥围 岩 的 自 支 承 能 力 、 良 好 的 抗 震 性 能 等 优 点 。 51锚 杆 作 用 试 验 52 复 习 思 考 题1、 什 么 是 原 岩 应 力 ？2、 什 么 是 岩 爆 ？ 什 么 条 件 下 会 产 生 岩 爆 ？3、 什 么 是 围 岩 、 二 次 应 力 ？4、 什 么 是 新 奥 法 ？ 简 述 其 要 点 ？5、 喷 锚 支 护 的 力 学 作 用 机 理 是 什 么 ？6、 什 么 是 围 岩 位 移 和 支 护 特 性 曲 线 ？ 支 护特 性 曲 线 的 主 要 作 用 是 什 么 ？