交通地下工程支护结构类型及参数设计.pptx
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1、6.1 6.1 地下工程围岩与支护结构的共同作用地下工程围岩与支护结构的共同作用 地下工程开挖时,由于临空面的形成,围岩开始向洞内产生位移,我们称之为收敛收敛。地下工程应在开挖后适时地沿周边设置支护结构,对岩体的移动产生抗力(阻力),形成约约束束。收敛和约束的概念收敛和约束的概念6.1.16.1.1围岩支护需求曲线围岩支护需求曲线修正前修正前:在理想条件下在理想条件下 :在在形成塑性区后,无论形成塑性区后,无论加多大的支护阻力都加多大的支护阻力都不能使围岩的径向位不能使围岩的径向位移为零;移为零;不论支护不论支护阻力如何小(甚至不阻力如何小(甚至不设支护),围岩总是设支护),围岩总是可以通过增
2、大塑性区可以通过增大塑性区范围来取得自身的稳范围来取得自身的稳定而不致坍塌。定而不致坍塌。修正后修正后:曲线形象地表达了曲线形象地表达了支护结构与围岩之间的支护结构与围岩之间的相互作用:在极限位移相互作用:在极限位移范围内,围岩允许的位范围内,围岩允许的位移大了,所需的支护阻移大了,所需的支护阻力就小;围岩允许的位力就小;围岩允许的位移小了,所需的支护阻移小了,所需的支护阻力就大。所以这条曲线力就大。所以这条曲线可以称为可以称为“支护需求曲支护需求曲线线”或或“围岩特性曲线围岩特性曲线”。6.1.16.1.1围岩支护需求曲线围岩支护需求曲线6.1.26.1.2支护结构的补给曲线(支护特性曲线)
3、支护结构的补给曲线(支护特性曲线)任何一种支护结构,如钢拱支撑,锚杆、喷任何一种支护结构,如钢拱支撑,锚杆、喷射混凝土层、模板灌注混凝土衬砌等,只要有一射混凝土层、模板灌注混凝土衬砌等,只要有一定的刚度,并和围岩紧密接触,总能对围岩变形定的刚度,并和围岩紧密接触,总能对围岩变形提供一定的约束力,即支护阻力。但由于每一种提供一定的约束力,即支护阻力。但由于每一种支护形式都有自己的结构特点,提供的支护阻力支护形式都有自己的结构特点,提供的支护阻力大小与分布,以及它随支护变形而增加的情况都大小与分布,以及它随支护变形而增加的情况都有很大的不同。有很大的不同。6.1.26.1.2支护结构的补给曲线(支
4、护特性曲线)支护结构的补给曲线(支护特性曲线)以圆形隧道为研究对象,并假定围岩作用在支护结构以圆形隧道为研究对象,并假定围岩作用在支护结构的反力也是径向匀布的。相对于围岩的力学特性而言,混的反力也是径向匀布的。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,即凝土或钢支护结构的力学特性可以认为是线弹性的,即 KsKs定义为支护结构的刚度,不同的支护结构型式将有不同定义为支护结构的刚度,不同的支护结构型式将有不同的的KsKs值值 1.1.混凝土或喷射混凝土的支护结构混凝土或喷射混凝土的支护结构 支护结构的刚度支护结构的刚度:支护结构提供的最大支护阻力支护结构提供的最大支
5、护阻力PamaxPamax为为:EcEc和和RcRc是混凝土或喷射混凝土的弹性模量和抗压是混凝土或喷射混凝土的弹性模量和抗压强度。强度。2.2.灌浆锚杆灌浆锚杆 是是1 1的系数,表示灌浆后所增加的刚度,的系数,表示灌浆后所增加的刚度,EsEs是钢筋的弹是钢筋的弹性模量,性模量,d dB B、SaSa、SeSe,l l是锚杆的直径、纵向和横向间是锚杆的直径、纵向和横向间距、长度。而锚杆最大的抗拔力只能参考以往类似的距、长度。而锚杆最大的抗拔力只能参考以往类似的工程实例确定。工程实例确定。3.3.组合式支护结构组合式支护结构 如采用喷射混凝土和钢锚杆联合支护时,其组合如采用喷射混凝土和钢锚杆联合
6、支护时,其组合的支护刚度即为:的支护刚度即为:它能提供的最大支护阻力也是两者之和。它能提供的最大支护阻力也是两者之和。支护结构所能提供的支护阻力是随支护结构的刚度而支护结构所能提供的支护阻力是随支护结构的刚度而增大,所以,这条曲线又称为增大,所以,这条曲线又称为“支护补给曲线支护补给曲线”,或称为,或称为“支护特性曲线支护特性曲线”6.1.36.1.3围岩与支护结构的相互作用围岩与支护结构的相互作用 初期围岩所需的支护初期围岩所需的支护约束力很大,而一般支护约束力很大,而一般支护结构所能供给的则很小。结构所能供给的则很小。因此,围岩继续变形,在因此,围岩继续变形,在变形过程中支护结构的约变形过
7、程中支护结构的约束阻力进一步增长,如果束阻力进一步增长,如果支护结构有足够的强度和支护结构有足够的强度和刚度,则围岩的支护需求刚度,则围岩的支护需求曲线和支护结构的支护补曲线和支护结构的支护补给曲线会相交一点,而达给曲线会相交一点,而达到平衡。随着时间的推移,到平衡。随着时间的推移,围岩性质恶化、锚杆锈蚀围岩性质恶化、锚杆锈蚀等,这个平衡状态还将调等,这个平衡状态还将调整。整。(一)不同刚度的支护结(一)不同刚度的支护结构与围岩达成平衡时的支构与围岩达成平衡时的支护和位移是不同的。护和位移是不同的。(二)同样刚度的支护结(二)同样刚度的支护结构,架设的时间不同,最构,架设的时间不同,最后达成平
8、衡的状态也是不后达成平衡的状态也是不同的同的 6.2 6.2 支护结构的设计原则支护结构的设计原则 6.2.16.2.1对支护结构的基本要求对支护结构的基本要求(1 1)必须能与围岩大面积地牢固接触。)必须能与围岩大面积地牢固接触。(2 2)要允许地下结构体系产生有限制的变形。)要允许地下结构体系产生有限制的变形。(3 3)要能分期施工,并使早期支护和后期支护相互)要能分期施工,并使早期支护和后期支护相互配合,配合,“主动主动”控制围岩的变形。控制围岩的变形。(4 4)支护结构要满足易于架设,构件可以互换,断)支护结构要满足易于架设,构件可以互换,断面类型单一等施工技术上的要求。面类型单一等施
9、工技术上的要求。6.2.2 6.2.2 支护结构类型的选择和设计支护结构类型的选择和设计 支护结构的类型:支护结构的类型:木支撑、钢支撑、锚杆和金属网支护、喷射混木支撑、钢支撑、锚杆和金属网支护、喷射混凝土和混凝土支护以及复合式支护结构。凝土和混凝土支护以及复合式支护结构。1 1、支护结构类型的选择、支护结构类型的选择 木支撑木支撑只是在塌方抢救时用来作为临时支撑。只是在塌方抢救时用来作为临时支撑。钢支撑钢支撑基本上有两种形式,一种是用型钢做成的钢拱,基本上有两种形式,一种是用型钢做成的钢拱,另一种是用钢筋焊成的格栅拱。另一种是用钢筋焊成的格栅拱。锚杆锚杆所提供的支护阻力比较小,尤其不能防止小
10、块塌所提供的支护阻力比较小,尤其不能防止小块塌落,所以,它经常和金属网同时使用,如能与喷射混凝土联落,所以,它经常和金属网同时使用,如能与喷射混凝土联合使用效果更佳。合使用效果更佳。喷射混凝土支护喷射混凝土支护中有素喷混凝土和钢纤维喷混凝土中有素喷混凝土和钢纤维喷混凝土两种。两种。立模板灌注混凝土支护立模板灌注混凝土支护有人工灌注和混凝土泵灌有人工灌注和混凝土泵灌注两种。注两种。支护结构类型的选择根据客观需要和实际可能相结合的支护结构类型的选择根据客观需要和实际可能相结合的原则。原则。客观需要是指围岩和地下水的状况;实际可能就是支客观需要是指围岩和地下水的状况;实际可能就是支护结构本身的能力、
11、适应性、经济性以及施工的可能性。护结构本身的能力、适应性、经济性以及施工的可能性。2 2、在设计支护结构时应注意:、在设计支护结构时应注意:1)1)支护结构最好设计成封闭式的。支护结构最好设计成封闭式的。2)2)对于抗拉性能较差的混凝土类支护结构,应尽量避免受弯对于抗拉性能较差的混凝土类支护结构,应尽量避免受弯矩作用。矩作用。6.3 6.3 铁路隧道支护类型的选择和设计参数铁路隧道支护类型的选择和设计参数 铁路隧道设计规范铁路隧道设计规范(TB10003TB1000320052005)规定)规定:隧道应采用曲墙式衬砌,衬砌类型应优先采用隧道应采用曲墙式衬砌,衬砌类型应优先采用复合式衬砌,地下水
12、不发育的复合式衬砌,地下水不发育的I I、IIII级围岩的短隧级围岩的短隧道,可采用喷锚衬砌。道,可采用喷锚衬砌。衬砌结构的形式及尺寸,可根据围岩级别、水文地质衬砌结构的形式及尺寸,可根据围岩级别、水文地质条件、埋置深度、结构工作特点,结合施工条件等,通过工条件、埋置深度、结构工作特点,结合施工条件等,通过工程类比和结构计算确定,必要时,还应经过试验论证。程类比和结构计算确定,必要时,还应经过试验论证。(1 1)复复合合式式衬衬砌砌设设计计应应综综合合考考虑虑各各种种因因素素,力力求求充充分分发发挥挥围岩所具有的自承能力。围岩所具有的自承能力。(2 2)复复合合式式衬衬砌砌的的初初期期支支护护
13、,宜宜采采用用喷喷锚锚支支护护;二二次次衬衬砌砌宜采用模筑混凝土;宜采用模筑混凝土;(3 3)各级围岩在确定开挖断面时,除应满足隧道建筑限界)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。要求外,还应预留适当的围岩变形量。(4 4)复合式衬砌初期支护及二次衬砌的设计参数,可采用)复合式衬砌初期支护及二次衬砌的设计参数,可采用工程类比法确定,并通过理论分析进行验算。工程类比法确定,并通过理论分析进行验算。1.1.复合式衬砌设计规定复合式衬砌设计规定(1 1)喷喷锚锚衬衬砌砌内内部部轮轮廓廓应应比比整整体体式式衬衬砌砌适适当当放放大大,除除考考虑虑施工误差和位移量
14、外,应再预留施工误差和位移量外,应再预留10cm10cm作为必要时补强用。作为必要时补强用。(2 2)遇下列情况,不应采用喷锚衬砌:)遇下列情况,不应采用喷锚衬砌:1 1)地下水发育或大面积淋水地段;)地下水发育或大面积淋水地段;2 2)能造成衬砌腐蚀或膨胀性围岩的地段;)能造成衬砌腐蚀或膨胀性围岩的地段;3 3)最冷月平均气温低于)最冷月平均气温低于-5-5地区的冻害地段;地区的冻害地段;4 4)有其他特殊要求的隧道。)有其他特殊要求的隧道。(3 3)喷锚衬砌的设计参数,参照规范规定。)喷锚衬砌的设计参数,参照规范规定。2.2.喷锚衬砌设计规定喷锚衬砌设计规定(1 1)衬衬砌砌拱拱圈圈可可设
15、设计计为为等等截截面面或或变变截截面面形形式式。I IIIIIII级级围围岩岩地地段段,一一般般地地区区可可采采用用直直墙墙衬衬砌砌,IVIVVIVI级级围围岩岩地地段段,应应采采用用曲曲墙墙有有仰仰拱拱的的衬衬砌砌;IIIIII级级围围岩岩双双线线、多多线线隧隧道道也也应应采采用用曲曲墙墙有有仰仰拱拱的的衬衬砌砌。VIVI级级围围岩岩的的衬衬砌砌应应采采用用钢钢筋筋混混凝凝土结构。土结构。(2 2)因因地地形形或或地地质质构构造造等等引引起起有有明明显显偏偏压压的的地地段段,应应采采用用偏偏压压衬衬砌砌;IV IV、V V、VIVI级级围围岩岩的的偏偏压压衬衬砌砌应应采采用用钢钢筋筋混混凝凝
16、土结构。土结构。3.3.整体式衬砌设计规定整体式衬砌设计规定(3 3)单单线线隧隧道道洞洞口口段段当当围围岩岩为为I IIIIIII级级,线线路路中中线线与与地地形形等等高高线线斜斜交交时时,可可采采用用斜斜交交衬衬砌砌。双双线线斜斜交交衬衬砌砌的的选选用用应应慎重考虑。慎重考虑。(4 4)最最冷冷月月平平均均气气温温低低于于-15-15的的地地区区,应应根根据据情情况况设设置置变形缝。变形缝。(5 5)各各级级围围岩岩地地段段的的拱拱部部衬衬砌砌背背后后,宜宜压压注注水水泥泥砂砂浆浆。不不良良地地质质地地段段或或偏偏压压衬衬砌砌地地段段,衬衬砌砌背背后后应应压压注注水水泥泥砂砂浆浆或或其他浆
17、液。其他浆液。应应根根据据围围岩岩的的性性质质及及状状态态、地地下下水水情情况况、隧隧道道断断面面尺尺寸寸及其埋置深度等条件及其埋置深度等条件(1 1)系系统统锚锚杆杆应应沿沿隧隧道道周周边边均均匀匀布布置置,方方向向应应接接近近于于径径向向或或垂垂直直岩岩层层,并并应应根根据据使使用用目目的的和和围围岩岩性性质质及及状状态态等等确确定定锚锚杆杆的类型、锚固方式、长度等。的类型、锚固方式、长度等。(2 2)自稳时间短、初期变形大的地层,或对地面下沉量有严)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,可选择开口格限制时,应采用钢架。根据围岩条件的不同
18、,可选择开口式钢架或封闭式钢架。式钢架或封闭式钢架。(3 3)松散、破碎或膨胀性围岩中宜采用钢筋网喷射混凝土作)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。初期支护。4.4.初期支护的确定初期支护的确定大瑶山隧道支护实例大瑶山隧道支护实例 大瑶山隧道为双线铁路隧道,全长14.3km,位于广东省境内坪石乐昌之间。经方案比选,采用长隧道方案。该方案从线路角度看,较沿河方案缩短线路长度约11km,改善了运营条件;从地质角度看,避开了沿河水文条件恶劣及岩坡的坍塌、错落、滑坡等不良地质地段。大瑶山隧道线路方案示意图大瑶山隧道线路方案示意图 V围岩衬砌断面围岩衬砌断面(单位:钢筋直径以(单位
19、:钢筋直径以mm计,余均以计,余均以cm计)计)IV 围岩衬砌断面(单位:围岩衬砌断面(单位:cm)6.4 6.4 公路隧道支护类型的选择和设计参数公路隧道支护类型的选择和设计参数 公路隧道支护(衬砌)类型有喷锚支护(衬砌)公路隧道支护(衬砌)类型有喷锚支护(衬砌)、整体式衬砌和复合式衬砌。、整体式衬砌和复合式衬砌。高速公路、一级公路、二级公路的隧道应采用高速公路、一级公路、二级公路的隧道应采用复合式衬砌;三级及三级以下公路隧道,在复合式衬砌;三级及三级以下公路隧道,在、级围岩条件下,隧道洞口段应采用复合式衬砌级围岩条件下,隧道洞口段应采用复合式衬砌或整体式衬砌,其它段可采用锚喷衬砌。或整体式
20、衬砌,其它段可采用锚喷衬砌。6.4.1 6.4.1 支护(衬砌)类型及其选择支护(衬砌)类型及其选择 6.4.26.4.2分离式独立双洞隧道复合式衬砌设计参数分离式独立双洞隧道复合式衬砌设计参数 隧道衬砌参数,一般采用工程类比法进行设计,通隧道衬砌参数,一般采用工程类比法进行设计,通过理论分析进行验算。过理论分析进行验算。根据根据公路隧道设计规范公路隧道设计规范(JTG D70-2004JTG D70-2004),复),复合式衬砌初期支护及二次衬砌的设计参数可参照表合式衬砌初期支护及二次衬砌的设计参数可参照表7-67-6、表表7-77-7选用,但应通过施工过程对围岩和支护结构动态的选用,但应通
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