地下建筑结构9课件

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,9 新奥法与锚喷支护,9 新奥法与锚喷支护,9.1 概述,新奥法简介,奥地利学者L.V.Rabcewicz二十世纪60年代出提出了“新奥地利隧道施工法” 。,New Austrian Tunnelling Method,简称为“新奥法”（NATM）。,“欧洲隧道掘进法”或“收敛约束法”（Convergence Confinement Method）。,新奥法 ：围岩本身具有,“自承”,能力，若采用正确的设计施工方法，最大限度地发挥这种自承能力，即可以使得经济效果达到最佳 。,9.1 概述,要点：,尽可能不扰动周边围岩，开挖之后及时进行,一次支护,，然后视需要进行,二次支护。,支护都是,柔性,的，以适应围岩的变形。,目前采用,经验统计类比的方法,做预设计，再在施工过程中不断监测围岩的应力、应变状况，按其发展规律来,调整支护措施。,9.1 概述,要点：9.1 概述,适用条件及要求,深埋、浅埋、中等埋深 均可；,勘测、设计、施工、控制各环节密切配合；,尽可能地发挥围岩的自承作用 ，采用控制爆破（光面爆破、预裂爆破）。,9.1 概述,适用条件及要求9.1 概述,新奥法的优点,（1）经济、快速。,若以面积,A,为100，设计衬砌量,B,和超挖量的面积,C,。可以看出，由于采用控制爆破、柔性,薄衬砌，新奥法的开挖量为老方法的73（110/151），衬砌量为老方法的20。此外，还可省去全部木模和40以上的混凝土，降低支护成本30以上,2）安全、适应性强,新奥法的优点（1）经济、快速。,表8-1 老方法与新奥法工程量对比,老方法,新奥法,有效使用面积,A,100,100,混凝土衬砌面积,B,36,7,超挖面积,C,15,3,B,+,C,51,10,9.1 概述,表8-1 老方法与新奥法工程量对比新奥法有效使,新奥法的主要原则,（,1）围岩是洞室的主要承载结构，而不是单纯的荷载，它具有一定的自承能力。,（2）尽量保持围岩原有的结构和强度；,（3）尽可能作到适时支护。,（4）支护本身应具有薄、柔、与围岩密贴和早强等特性，支护施工应及时快速，使围岩尽快封闭而处于三向受力状态。,（5）洞室尽可能为圆形断面，或由光滑曲线连接而形成的断面，以避免应力集中。,（6）良好的施工组织和施工人员的良好素质对洞室结构施工的安全、经济非常重要。,新奥法的主要原则（1）围岩是洞室的主要承载结构，而不是单纯的,锚喷支护,锚喷支护（Shotcrete and Bolting）是采用,喷射混凝土、钢筋网喷射混凝土,、,锚杆喷射混凝土,或,锚杆钢筋网喷射混凝土,等在毛洞开挖后及时地对地层进行加固的结构。,9.1 概述,锚喷支护9.1 概述,锚喷支护的优点,节省、加快施工进度；,符合岩体力学原理的,积极支护,方法 ；,柔性好，它能与围岩,变形一致,，从而与之构成一个,共同工作,的承载体系 ；,锚喷支护技术不再把围岩仅仅视作荷载（松散压力），同时还把它视为,承载结构,的组成部分。锚喷支护结构承受荷载的性质为围岩的,形变压力,。,锚喷支护的优点节省、加快施工进度；,锚喷支护的适用条件及要求,配合,光面爆破等控制爆破,技术，使开挖断面轮廓平整、准确，便于锚喷成型，并,减少回弹,量；,减轻爆破对围岩的松动破坏，,维持,围岩强度和,自承能力,。,锚喷支护的适用条件及要求配合光面爆破等控制爆破技术，使开挖断,新奥法与锚喷支护,不能将新奥法等同于锚喷支护；,既有密切,联系,又有原则,区别,；,锚喷支护的快速有效的支护施工,手段,，才有可能使新奥法的基本原则得以实现。,不把围岩看成自承结构，不充分发挥围岩本身的作用，即使大量采用锚喷支护，也不能认为是应用了新奥法。,新奥法与锚喷支护不能将新奥法等同于锚喷支护；,9.2 隧道围岩压力的确定,9.2.1 围岩压力,开挖隧道使围岩原有的平衡状态破坏了，对隧道周围一定范围内的围岩产生了不同程度的扰动。,支护结构要阻止围岩的移动、变形，支护结构就必然要受到围岩所施加的力，即,围岩压力,。,9.2 隧道围岩压力的确定9.2.1 围岩压力,初始应力,平衡状态下的三向应力 ：,初始应力 平衡状态下的三向应力 ：,隧道开挖前后的变化,硬岩及软岩在隧道开挖后应力重新分布,范围的大小与地质条件有关，一般为隧道开挖跨度的,0.52.5倍。,隧道开挖前后的变化 硬岩及软岩在隧道开挖后应力重新分布,在坚硬、完整岩体中，由于岩体强度高，影响范围小，岩,体能承受,周边急剧增大的应力，可使隧道保持稳定，一般,只有弹性变形,而不会破坏；,而在松软、破碎岩体中，由于,岩体不能承受增大的应力,，在一定范围内的岩石就要松动、破坏并向隧道内坍塌。,围岩压力类型有,垂直压力、侧压力和底压力,，,在坚硬、完整岩体中，由于岩体强度高，影响范围小，岩体能承受周,9.2.2 隧道围岩压力的确定,1）,深埋,隧道围岩压力的确定,i为每增减1m时的围岩压力增减率。以B5.0m的围岩垂直均布压力为准，当B60MPa,V :呈大块状砌体结构硬质岩石,R,b,30MPa,IV :呈块（石）碎（石）状镶嵌结构,III :略具压密或成岩作用的粘性土 、砂性土,II :湿的一般碎、卵石土，圆砾、角砾土及黄土,I：软塑状粘性土及潮湿的粉细砂等,围岩类别 sVI :呈巨块状整体结构硬质岩石, Rb60M,表9-3 各类围岩的重度,围岩类别,(kN/m,3,),25.527.4,24.526.5,22.524.5,18.621.6,16.719.6,14.716.7,注：对类围岩的老黄土采用16.717.6kN/m,3,；,对类围岩的新黄土采用14.7kN/m,3,。,表9-3 各类围岩的重度围岩类别(kN/,表9-4 围岩水平均布压力,e,围岩类别,、,e,0,0.15,q,(0.150.3),q,(0.30.5),q,(0.51.0),q,表9-4 围岩水平均布压力e、e00.1,必须同时具备下列条件：,（1）,H,/,B,1.7，,H,为隧道开挖高度，,B,为隧道开挖宽度。,（2）不产生膨胀力的围岩及偏压不显著的隧道；,（3）采用钻爆法施工的隧道。,必须同时具备下列条件： （1）H/B1.7，H为隧道开挖高,2）浅埋隧道围岩压力的确定,按,荷载等效高度,的判定式为：,在新奥法施工的条件下，类围岩取 ，类围岩 。,2）浅埋隧道围岩压力的确定按荷载等效高度的判定式为：,（1）埋深,H,小于或等于荷载等效高度,h,q,围岩压力完全由上覆岩（土）柱的重力产生，视为均布时，垂直压力和水平压力为：,（1）埋深H小于或等于荷载等效高度hq围岩压力完全由上覆岩（,（2）埋深,H,大于,hq,、小于,H,p,在这种情况下，隧道上覆土体下滑时要考虑滑面阻力的影响，否则计算出的压力值过大。,（2）埋深H大于hq、小于Hp在这种情况下，隧道上覆土体下滑,（2）埋深,H,大于,h,q,、小于,H,p,EFHG,岩（土）体下沉，带动两侧三棱土体（如图中,FDB,及,ECA,）下沉受到阻力T，,整个土体,ABDC,下沉时，又要受到未扰动岩（土）体的阻力F；,AC,或,BD,表示假定的破裂面 与水平成 角；,（2）埋深H大于hq、小于HpEFHG岩（土）体下沉，带动两,T未知,三棱体ECA中，受到三个力：T F W运用正弦定理：,T未知,极限状态下可以求得破裂面的夹角,总垂直压力 ：,简化为：,极限状态下可以求得破裂面的夹角,竖向均布荷载和水平侧压力,竖向均布荷载和水平侧压力,9.3 锚喷支护结构,9.3.1 锚喷支护的设计步骤,5个步骤进行：,（1）调查地质和水文地质情况，分析围岩的稳定条件；,（2）用工程类比方法选择支护类型及设计参数，对锚喷支护进行受力分析和结构计算，并提出施工注意事项；,（3）支护施工中，严密监测地质情况的变化，及时修改设计参数，变更施工工序；,（4）支护完成后，分析隧道的稳定状况，对其长期稳定性作出评价。必要时，可对支护变形和应力进行量测，包括施工阶段的监测；,（5）总结经验，改进设计与施工。掌握岩体变形、坍塌的规律之后，在恰当的时间，采用适当的办法进行支护。,9.3 锚喷支护结构9.3.1 锚喷支护的设计步骤,9.3.2 锚喷支护的受力分析和结构计算,影响因素比较复杂,多种计算方法,尚处于半经验半理论阶段 .,锚杆支护结构；,喷射混凝土支护；,9.3.2 锚喷支护的受力分析和结构计算影响因素比较复杂,1）锚杆支护结构,全长粘结型锚杆：,普通水泥砂浆锚杆、早强水泥砂浆锚杆、树脂卷锚杆和水泥卷锚杆；,端头锚固型锚杆；,机械锚固锚杆、树脂锚固锚杆、快硬水泥卷锚固锚杆；,摩擦型锚杆 ；,缝管锚杆、楔管锚杆、水胀锚杆；,预应力锚杆；,自钻式锚杆。,1）锚杆支护结构全长粘结型锚杆：普通水泥砂浆锚杆、早强水泥,（1）锚杆的设计计算,锚杆的轴向拉力标准值、设计值,（1）锚杆的设计计算锚杆的轴向拉力标准值、设计值,锚杆钢筋截面面积,锚杆抗拉工作条件系数，永久性锚杆取0.69，,临时性锚杆取0.92；,锚杆锚固体与地层的锚固长度,锚杆钢筋截面面积锚杆抗拉工作条件系数，永久性锚杆取0.69,锚杆钢筋与锚固砂浆之间的锚固长度,钢筋与锚固砂浆之间的粘结强度设计值（kPa），应由试验确定，当缺乏试验资料时可按表4-9取值；,钢筋与砂浆粘结强度工作条件系数，对永久性锚杆取0.60，对临时性锚杆取0.72。,锚杆钢筋与锚固砂浆之间的锚固长度,锚杆支护可以根据不同围岩的岩层产状和稳定状况灵活进行。,其作用原理主要有,联结作用、组合作用和整体加固作用。,锚杆支护可以根据不同围岩的岩层产状和稳定状况灵活进行。,（2）锚杆的联结作用,用锚杆将它们联合起来，并将锚杆尽可能深入到稳定的岩层中，考虑锚杆承担全部不稳定岩块的重量。,锚杆承载力计算,（2）锚杆的联结作用用锚杆将它们联合起来，并将锚杆尽可能深入,建筑边坡工程技术规范（GB 503302002）规定：,用锚杆加固局部不稳定块体时，锚杆抗力应满足下列要求：,a.加固,受拉破坏,的不稳定危岩块体，锚杆抗拉承载力应满足：,b.加固,受剪破坏,的不稳定危岩块体，锚杆抗剪承载力应满足：,建筑边坡工程技术规范（GB 503302002）规定：,构造,土层锚杆,的锚固段长度不应小于4m，且不宜大于10m；,岩石锚杆,的锚固段长度不应小于3m，且不宜大于45,D,（,D,为锚固体直径）和6.5m，或55,D,和8m（对预应力锚索）；,构造土层锚杆的锚固段长度不应小于4m，且不宜大于10m；,（3）锚杆的组合作用,锚杆的组合作用是依靠锚杆将数层薄层的岩层组合在一起，形成组合拱或组合梁，以提高岩层整体的抗剪、抗弯的能力 。,（3）锚杆的组合作用锚杆的组合作用是依靠锚杆将数层薄层的岩层,锚杆提供的抗剪力、抗拉力，以及锚杆的锚固力使将要滑动的岩块得以稳定，阻止层面的互相错动。,锚杆应按与,岩层层面垂直的方向,设置。如对锚杆施加预应力，可提高其支护效果。,锚杆提供的抗剪力、抗拉力，以及锚杆的锚固力使将要滑动的岩块得,（4）锚杆的整体加固作用,通过有规律布置的一系列锚杆，将邻近的岩体联结在一起，能阻止不稳定岩石的滑移，促使岩石之间的间隙面压紧，同时使隧道四周一定范围内的围岩组成一个,承载环,。,由于锚杆支护力的作用，压缩带,获得径向支护力,，使压缩带中的,岩体处在三向受压状态。,（4）锚杆的整体加固作用通过有规律布置的一系列锚杆，将邻近的,砂浆锚杆的加固作用,砂浆锚杆的承载力可用下式表示,砂浆锚杆的加固作用砂浆锚杆的承载力可用下式表示,当围岩产生位移时，锚杆单位长度上的承载力,P,s,/,L,1,与 的合力阻止围岩位移的发展，产生支护力，并使在锚杆间的围岩产生压缩和成拱作用，提高了围岩强度并缩小了围岩的承载跨度（等于锚杆间距），从而达到稳定和加固围岩的目的。,当围岩产生位移时，锚杆单位长度上的承载力Ps/L1与,2）喷射混凝土支护结构,两个方面起支护作用 ：,（1）局部稳定原理,（2）整体稳定原理,喷射混凝土的设计强度等级不应低于C20；喷射混凝土1d龄期的抗压强度不应低于5MPa。,2）喷射混凝土支护结构两个方面起支护作用 ：,（1）局部稳定原理,喷射混凝土支护结构,及时封闭,岩层表面的节理、裂隙，填平或缓和表面的凹凸不平，使隧道内的,轮廓较为平顺,，从而提高围岩节理、裂隙间的粘结力、摩阻力和抗剪强度，并,减少应力集中,现象。,喷射混凝土,关键是控制冠石,，此时，喷射混凝土需能,承受冠石的重量,。,（1）局部稳定原理喷射混凝土支护结构及时封闭岩层表面的节理、,喷层对局部不稳定危岩块体的抗拉承载力应按下式验算（冲切）,喷层工作条件系数，取0.6；,f,t,喷射混凝土抗拉强度设计值,（kPa）；,h,喷层厚度,u,r,不稳定危岩块体出露面的周边长度,a）按冲切破坏计算；b）按撕开破坏计算,喷层对局部不稳定危岩块体的抗拉承载力应按下式验算（冲切）a）,整体稳定原理,喷射混凝土与围岩表面紧密贴合，形成组合结构共同工作。,一方面在与围岩共同承载和变形过程中,对围岩提供支护力,，使围岩变形得到控制，应力得以调整；,另一方面,承受,来自围岩变形引起的,形变压力,，从而使围岩保持稳定。,整体稳定原理喷射混凝土与围岩表面紧密贴合，形成组合结构共同工,3）新奥法中锚喷联合支护的应用,（1）新奥法与锚喷支护,较好的围岩,（如类以上围岩），可以,喷射混凝土为主,，锚杆加固以辅；,较差的围岩,，则,以锚杆，尤其是预应力锚杆作为主要的岩体加固手段,，并与,喷射混凝土、钢筋网喷射混凝土或加钢拱的钢筋网喷射混凝土,配合使用。,3）新奥法中锚喷联合支护的应用（1）新奥法与锚喷支护 较好,施工步骤,新奥法以及时的锚喷作为临时支护，称为第一次衬砌。,第一次衬砌,可以起到稳定围岩，控制围岩应力和变形，防止围岩松驰、坍塌等作用。,待其基本稳定后，再加做模注混凝土,二次衬砌,。,原来的临时支护（锚喷支护）成为,永久衬砌,的一个组成部分。,二次衬砌基本上不承受荷载,或承受很小的荷载，主要是为了满足隧道结构物的安全、耐久、防水和饰面等的需要。,施工步骤新奥法以及时的锚喷作为临时支护，称为第一次衬砌。,（2）新奥法中支护与围岩共同作用的,力学原理,支护结构的设计原理是围岩和柔性支护共同变形、破坏的,弹塑性理论,。,围岩为均质、各向同性的,连续弹塑性体，,岩体在塑性变形、剪切破坏后仍有残余强度；隧道初始应力场为自重应力场，侧压力系数1；,隧道断面,形状为圆形；在一定的埋深条件下，将隧道看作,无限体中的孔洞问题,。,（2）新奥法中支护与围岩共同作用的力学原理支护结构的设计原理,“莫尔-库伦”准则作为“塑性判据”,“莫尔-库伦”准则作为“塑性判据”,围岩的弹塑性状态,1弹塑性状态应力分布曲线；2弹性状态应力分布曲线,围岩的弹塑性状态1弹塑性状态应力分布曲线；2弹性状态应,弹性区中任一点的应力为,弹性区中任一点的径向应力；,弹性区中任一点的切向应力；,r,弹性区中任一点到隧道中心的径向距离。,P,0,原岩应力,弹性区中任一点的应力为,塑性区中任一点的应力公式为,塑性区中靠近隧道内缘的应力，因满足塑性条件而相对减小，成为,“应力降低区”，,而最大的应力发生在围岩中塑性区与弹性区的交界面上。,塑性区中任一点的应力公式为,在弹性区与塑性区的交界面上（,r,=,R,处）,令两式分别相等，整理后可得：,支护力,p,i,越小，则围岩中出现的塑性区半径,R,越大；,围岩中出现的塑性区半径,R,越大，则围岩对支护的形变压力,p,a,（与支护力,p,i,相平衡）越小。,在弹性区与塑性区的交界面上（r=R处） 令两式分别相等，整理,岩体的原岩应力,p,0,越大，则塑性半径,R,就越大。,p,0,反映围岩强度性质的两个指标，即粘聚力,c,和内摩擦角越小，岩体强度越低，则塑性半径,R,就越大。,新奥法柔性支护理论的出发点，是设计、施工中采取支护措施时要积极利用的，以便使支护受到尽可能小的形变压力。,岩体的原岩应力p0越大，则塑性半径R就越大。,隧道周边的径向位移,u,隧道周边径向位移,u,的大小，主要取决于支护力,p,i,。当,p,i,减小时，,u,增大；反之，,u,减小。,围岩位移曲线,隧道周边的径向位移u,围岩位移、支护特性曲线,围岩位移、支护特性曲线,隧道开挖后，若支护非常快，且支护刚度又很大，隧道周边围岩没有变形或变形很小，图中,A,点取得平衡，支护需提供很大支护力,p,max,；围岩仅负担产生弹性变形,u,0,的压力 ；,假如平衡位置由,A,点移至,C,点、,E,点，则形变压力由,p,max,减至 、。,隧道开挖后，若支护非常快，且支护刚度又很大，隧道周边围岩没,若隧道开挖后不加支护，或支护很不及时，即允许围岩自由变形。表现为曲线,DB,。这时，隧道周边位移达到最大值,u,max,，形变压力,p,a,很小或接近于零。,围岩,已经出现,松驰、坍塌 ，围岩对支护的压力就是松散压力 ，只能按传统施工方法施作模注混凝土衬砌。,若隧道开挖后不加支护，或支护很不及时，即允许围岩自由变形。,较佳的支护工作点,应当,在,D,点以左附近,，如图中,E,点。在该点上，围岩既可产生较大的变形 ，以较多地分担岩体压力（ ），而由支护分担的形变压力较小（ ）；,较佳的支护工作点应当在D点以左附近，如图中E点。在该点上，,最重要的便是如何掌握好,施作时间,（以围岩的变形来判断）和,支护刚度,k,（支护特性曲线的斜率）。,两次支护：,首先在隧道开挖后，及时地进行,初期支护,和,封闭,；,通过对围岩变形的监测，掌握隧道周边围岩和支护的变形情况，待变形,基本趋于稳定,时，即达到图中,i点附近时,，再进行第二次支护。,最重要的便是如何掌握好施作时间（以围岩的变形来判断）和支护刚,如作内层,二次衬砌，所承受的形变压力就更小，或为零,。,通过上述两次支护的手段，便可以达到支护衬砌结构的合理、经济、安全的目的。,如作内层二次衬砌，所承受的形变压力就更小，或为零。,（3）新奥法锚喷支护的结构计算和支护监控,新奥法支护设计的主要方法有：,a.以工程类比为基础的,经验法,；,b.以现场测量为基础的,监控法,；,c.以理论分析为基础的,计算法,；,d.以上3种方法相结合的,综合法,。,（3）新奥法锚喷支护的结构计算和支护监控新奥法支护设计的主要,新奥法锚喷柔性支护中，支护和围岩紧密贴合，共同工作，支护和围岩发生的破坏主要为,剪切破坏,。,其稳定的丧失常常是由围岩中产生,塑性剪切滑移楔体,开始的。而,锚喷支护,则和其加固的,岩体承载环,三者的,联合作用,所提供的支护力,p,i,来阻止围岩中剪切楔体沿滑动面向隧道位移。,新奥法锚喷柔性支护中，支护和围岩紧密贴合，共同工作，支护和围,剪切滑动面 曲线方程,新奥法中锚喷支护的结构计算是按锚喷支护对隧道围岩的,加固作用,和,支护作用,进行计算。,隧道侧壁岩体的,滑移面,以极坐标表示，该曲线的方程为,剪切滑动面 曲线方程新奥法中锚喷支护的结构计算是按锚喷支护对,莫尔应力圆与莫尔滑动包络线,莫尔应力圆与莫尔滑动包络线,锚杆、喷层和岩体的联合作用,锚杆、喷层和岩体的联合作用,支护力的构成,沿喷层,A,处剪切面的抗剪阻力，即喷层给剪切体的水平推力,喷层内如设有钢筋网（或钢拱支撑），喷层将增加抗剪支护力,锚杆所提供的支护力计算,支护结构所提供的支护力,岩体沿滑面,S,上提供的支护阻力,支护力的构成沿喷层A处剪切面的抗剪阻力，即喷层给剪切体的水,喷层,A水平推力,喷层破坏剪切角(与竖向夹角)；,d,喷层厚度；,喷层的抗剪强度；,b,剪切体总高度。,喷层A水平推力 喷层破坏剪切角(与竖向夹角)； d,锚杆,按锚杆体抗拉强度计算，锚杆的径向平均支护力：,砂浆锚杆，可能沿孔壁粘结面破坏，宜用下式计算,a 剪切滑面在隧道壁面上的投影,锚杆按锚杆体抗拉强度计算，锚杆的径向平均支护力： 砂浆锚杆，,将 的作用面转换成垂直面上的投影，并同 取得平衡，则,将 的作用面转换成垂直面上的投影，并同 取得平,支护结构所提供的支护力,根据力的平衡，认为,等于,支护结构所提供的支护力 。,支护结构所提供的支护力,岩体沿滑面,S,上提供的支护阻力,尚有剪切体滑面,S,长度上的抗剪应力和正应力的水平分力，其和为,图形 :,岩体剪切滑面与水平面之平均倾角,岩体沿滑面S上提供的支护阻力 尚有剪切体滑面S长度上的抗剪应,剪应力和正应力 总的支护力,剪应力和正应力 总的支护力,实际工作中，支护设计标准的确定，包括,支护时间和支护类型,的确定，支护后,变形数值的判定标准,，是否进行二次支护，以及何时进行二次支护等往往要,依靠经验,确定。,实际工作中，支护设计标准的确定，包括支护时间和支护类型的确定,新奥法支护变形监控,1-喷射混凝土；2 -设锚杆；3-设模注内层二次衬砌；4-测线,图4-17 新奥法支护变形监控,新奥法支护变形监控1-喷射混凝土；2 -设锚杆；3-设模注内,标准,采用两次支护的地下工程，后期支护的施作，应在,同时达到,下列3项标准时进行：,隧道周边,水平收敛速度小于0.2mm/d,；拱顶或底板,垂直位移速度小于0.1mm/d,；,隧道周边水平收敛速度，以及拱顶或底板垂直位移速度明显下降；,隧道位移相对值已达到总相对位移量的90%以上。,隧道稳定的判据是后期支护施作后位移速度趋近于零，支护结构的外力和内力的变化速度也应趋近于零。,标准采用两次支护的地下工程，后期支护的施作，应在同时达到下列,