地下结构的支护设计方法.docxVIP

地下结构的支护设计方法

一、地下结构支护设计概述

地下结构支护设计是保障地下工程安全稳定的关键环节，其核心目标是通过合理选择支护结构形式和参数，有效控制围岩变形、防止坍塌，并确保施工及运营安全。支护设计需综合考虑地质条件、开挖方法、周边环境、结构荷载等多重因素，并遵循安全可靠、经济合理、施工便捷的原则。

二、支护设计主要方法

（一）围岩分类法

围岩分类法通过综合评估地质力学参数，对围岩进行分级，进而确定支护强度和形式。常见分类方法包括：

1.**BQ分类法**：基于完整性指数(R)和声波速度(V)，将围岩分为完整性好的、完整性一般的、完整性差的三个等级。

2.**CSM分类法**：结合地质构造、岩石强度、节理发育程度等指标，划分围岩稳定性等级。

（二）支护结构选型

根据工程特点，选择合适的支护结构形式，主要包括：

1.**喷射混凝土支护**：适用于围岩破碎或变形量大的区域，施工快速，可兼作初期支护。

2.**锚杆支护**：通过锚杆与围岩形成组合梁，提高岩体自承能力，常见类型包括砂浆锚杆、树脂锚杆等。

3.**钢支撑/型钢支撑**：适用于大跨度或高围压工况，可提供刚性好、承载力高的支撑。

4.**组合支护**：结合多种支护形式，如锚喷+钢支撑，适应复杂地质条件。

（三）变形控制法

1.**初始地应力计算**：采用现场测量或经验公式估算水平、垂直应力分量，示例数据：垂直应力30-50MPa，水平应力10-25MPa。

2.**围岩变形预测**：基于弹性力学理论，计算开挖后围岩位移，常用方法包括有限元法(FEM)和极限平衡法。

3.**支护时机与时机**：根据变形速率调整支护施作顺序，避免过度变形。

三、设计要点与注意事项

（一）地质勘察与参数取值

1.**岩体力学参数**：通过试验测定或经验取值，如弹性模量20-80GPa，黏聚力10-50kPa。

2.**水文地质条件**：调查含水率，渗透系数范围0.01-10m/d，高值需加强防水设计。

（二）计算与验算

1.**支护结构强度验算**：确保锚杆抗拔力、钢支撑屈服强度满足设计荷载，如锚杆设计拉力200-600kN。

2.**变形协调性校核**：支护与围岩变形匹配，允许位移值一般为开挖深度的2%-5%。

（三）施工监测与调整

1.**监测内容**：布设地表沉降、围岩位移、支护轴力等监测点。

2.**动态反馈**：根据实测数据修正设计参数，如发现变形超标需增加支护密度。

四、工程实例参考

以某地铁隧道工程为例：

1.**地质条件**：砂卵石混粉质黏土，埋深12-18m，地下水位距地表3m。

2.**支护方案**：初期采用双层锚喷支护，辅以钢支撑，中期变形监测显示位移速率0.2mm/d，后期稳定。

**四、工程实例参考**

以某地铁隧道工程为例：

1.**地质条件**：砂卵石混粉质黏土，埋深12-18m，地下水位距地表3m。围岩表现为中等软质，局部存在粉砂透镜体，自稳能力一般。

2.**支护方案**：

***初期支护**：采用双层锚喷支护，辅以钢支撑。具体为：

*喷射混凝土：采用C25级喷射混凝土，厚度80mm，覆盖Ф6.5mm钢筋网，网格间距150mm×150mm。

*锚杆：设置两排系统锚杆，第一排距开挖面1.0m，角度15°；第二排距开挖面1.5m，角度10°。锚杆类型为自钻式锚杆，直径Φ32mm，长度2.5m，锚固段1.2m，单根极限抗拔力设计值不小于150kN。锚杆孔径采用Φ42mm。

*钢支撑：在隧道断面较大处（如拐角、交叉段），设置I20a型钢支撑，间距1.0m，支撑前设置工字钢前挡板和背衬板，确保与围岩紧密接触。

***中期支护（必要时）**：当初期支护变形监测显示位移速率超过0.2mm/d时，或遇软弱夹层区域，增设钢支撑或注浆加固。

3.**变形监测与反馈**：

***监测内容**：

*地表沉降：在隧道轴线两侧各15m范围内，布设地表沉降监测点，间距20m，采用精密水准仪测量。

*侧向位移：在隧道边墙附近，布设测斜管，深度穿越开挖深度，采用测斜仪测量围岩水平位移。

*支护结构受力：在钢支撑和部分锚杆上安装轴力计，监测应力变化。

*围岩内部位移：在关键断面钻设孔洞，安装多点位移计，监测围岩深部位移。

***监测频率**：初期施工阶段（如每周），稳定阶段（如每月）。

***反馈调整**：根据监测数据，绘制时程曲线，分析变形趋势。若发现初期变形速率过快或累积位移超标（如设计允许位移的80%），应立即暂停开挖，分析原因，并采取应对措施，如：

*加密锚杆或钢支撑。

*增加喷射混凝土厚度。

*对围