第五章_隧道支护结构.ppt

第五章 隧道工程支护结构 隧道开挖后，为了有效地约束和控制围岩的变形，加强围岩的稳定性，保证施工安全，以及为了确保运营过程中的稳定、耐久、减小通风阻力和整体美观，均需要施作必要的支护结构。 按照现代岩体力学原则设计隧道支护体系的基本出发点，隧道结构体是由围岩和支护结构共同构成的，其中围岩是承载结构的主体，支护结构起着辅助围岩承载的作用，但通常也是必不可少的，在某些情况下，支护结构也是主要承载单元。 因此，隧道一经开挖暴露宜及时施作初期喷锚支护以保护和加强围岩的强度和自稳能力，当围岩与初期支护体系逐渐稳定下来，则采取二次衬砌以保证隧道的永久稳定和安全。初期支护和二次衬砌构成了隧道的复合式支护。 喷锚支护是指喷射混凝土和锚杆支护有机结合的一种支护形式，它并不是一般的喷射混凝土和锚杆的简单组合，而是近三十年来发展起来的一种全新概念的支护方法，是新奥法的核心内容之一，其特点是将围岩看作是承载结构的主要部分，而不是传统观念上的荷载体，通过喷锚支护加固围岩，提高围岩的自撑能力，来达到维护地下洞室稳定的目的。现在人们普遍认为，喷锚支护、现场监控量测和光面爆破施工是新奥法的“三大支柱”。 近二、三十年来，喷锚支护在工程实践中被广泛应用，并不断发展和完善，特别是在复杂地质条件下显示了很大的优越性，同时也积累了大量工程实践经验，不仅总结了一整套完善和先进的施工方法，而且提出了喷锚支护的设计原理和原则，为科学地建设隧道工程指明了方向。 复合衬砌是用喷锚支护作初期支护，模筑混凝土做二次衬砌的一种组合衬砌结构，并一般在二层间设置有防水层。 复合衬砌也是以新奥法理论作为指导思想进行设计和施工的一种现代支护结构，近年来在国内外的地下工程中得到普遍的采用。研究和实践表明，复合衬砌指导思想科学合理，技术先进，有利于发挥围岩的自撑能力，提高支护衬砌结构的承载性能，从而加快隧道工程的施工进度，提高经济效益。 5.1 喷锚支护的作用原理 喷射混凝土是将一定比例的水泥、砂子和碎石均匀搅拌后，通过混凝土喷射机与水混合后以较高速度（30-100m/s）喷射到围岩表面上并快速凝结硬化而形成的支护层。由于混凝土是在一定压力下喷射的，使砂、石骨料和水泥颗粒重复碰撞冲击，相当于受到连续的冲实和压密，而且喷射工艺又可以使用较小的水灰比，这就保证了喷射混凝土具有较高的物理力学性能。 锚杆支护是通过插入岩体中的锚杆，达到改善围岩受力状态、实现加固围岩的目的。 在支护作用原理上，喷锚支护能充分发挥围岩的自承能力，从而使围岩压力降低；在施工工艺上，实施机械化程度较高的联合作业，从而有利于减轻劳动强度和提高工效；在经济效益上，喷锚支护比传统的支护衬砌厚度薄，用量少，据有关统计，喷射混凝土支护与浇注混凝土支护相比，支护厚度可减薄1/2-1/3，节省岩石开挖量10%-15%，加快支护速度2-4倍，节省劳动力50%以上，降低支护成本30%以上。在工程质量上，通过国内外大量工程实践表明是可靠的。在我国各类地下工程中采用喷锚支护技术，解决了一大批用传统支护难以解决的技术难题，显示出喷锚支护具有明显的优越性。 5.1.1 喷射混凝土的支护作用 喷射混凝土的支护作用主要有两个方面： 1、加固围岩，提高围岩的强度 隧道开挖后，立即喷射一定厚度的混凝土层，及时封闭围岩表面，由于喷层与围岩密贴，故能有效地隔绝水和空气对岩体的侵蚀，防止围岩风化脱落，对围岩的松胀变形起到一定的抑制作用，防止围岩强度的丧失。同时，混凝土料在高压下可充填于张开的裂隙中，起到胶结加固作用，从而可提高围岩的强度。 2、改善围岩的应力状态 含有速凝剂的混凝土搅拌料在喷射后数分钟即可凝固，在围岩表面形成一层硬壳，及时向围岩提供径向支护力Pa，使围岩表面岩体由未支护时的二向受力状态（在平面问题中为单向受力状态）转变为三向受力状态（在平面问题中为双向受力状态），提高了围岩的强度和稳定性，如图5-1所示。 无喷层时，假设原岩应力σo为静水压力状态，围岩中距隧道中心为r的任一点的径向应力σr和切向应力σθ分别为： (5-1) （5-2） 在隧道洞壁上，，则有