内蒙古科技大学：《隧道工程》课程授课教案（讲义）第7章 锚喷支护结构的设计与施工

内蒙古科技大学教案 第7章锚喷支护结构的设计与施工 7.1概述 喷射混凝士是利用高压空气将掺有速凝剂的混凝土混合料通过混凝士喷射机与高压水混合喷 射到岩面上迅速凝结而成的，锚喷支护是喷射混凝土、锚杆、钢筋网喷射混凝土等结构组合起来的 支护形式，可以根据不同围岩的稳定状况，采用锚喷支护中的一种或几种结构的组合。 工程实践证明，锚喷支护较传统的现浇混凝土衬砌支护优越。 由于错喷结构能及时支护和有效 地控制围岩的变形，防止岩块坠落和坍塌的产生，充分发挥围岩的自承能力，所以错喷支护结构比 模注混凝士衬砌的受力更为合理。锚喷支护能大量节省混凝士、木材和劳动力，加快施工进度，工 程造价可大幅度降低，并有利于施工机械化程度的改进和劳动条件的改善等。此外，锚喷支护是一 种符合岩体加固原理的积极支护方法，加固体具有良好的物理力学性能。即它能及时地支护和加固 围岩，与围岩密贴并封闭岩体的张性裂隙和节理，加固围岩结构面，有效地发挥和利用岩块间的镶 嵌咬合和自锁作用，从而提高岩体自身的强度、 自承能力和整体性。由于锚喷支护结构柔性好， 能同围岩共同变形，构成一个共同工作的承载体系。在变形过程中，它能调整围岩应力，抑制围岩 变形的发展，避免岩体坍塌的产生，防止过大的松散压力出现。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。 锚喷支护应配合光面爆破等控制爆破技术，使开挖断面轮廓平整、准确，便于错喷成型，并 减少回弹量：减轻爆破对围岩的松动破坏，维护围岩强度和自承能力，使其受力良好。目前， 喷支护结构的设计和施工，已积累了不少经验。错喷支护结构设计和施工除了计算之外，还依赖 于“经验类比”。还有很多需要进一步研究的问题，例如支护结构设计理论、支护形式和时间的 合理确定、施工控制、低温下喷混凝士的成型等问题。此外，锚喷支护的使用也是有一定条件的， 在围岩的自承能力差、有涌水及大面积淋水处、地层松软处就很难成型。 木意将指要介绍地层中描喷支护的原理、结构计算和施丁 7.2锚喷支护结构的受力与计算 一、锚杆支护结构 什么叫锚杆？锚杆的作用和意义？ 1、锚杆类型 (1)全长粘结型

内蒙古科技大学教案 第7章 锚喷支护结构的设计与施工 7.1 概述 喷射混凝土是利用高压空气将掺有速凝剂的混凝土混合料通过混凝土喷射机与高压水混合喷 射到岩面上迅速凝结而成的，锚喷支护是喷射混凝土、锚杆、钢筋网喷射混凝土等结构组合起来的 支护形式，可以根据不同围岩的稳定状况，采用锚喷支护中的一种或几种结构的组合。 工程实践证明，锚喷支护较传统的现浇混凝土衬砌支护优越。由于锚喷结构能及时支护和有效 地控制围岩的变形，防止岩块坠落和坍塌的产生，充分发挥围岩的自承能力，所以锚喷支护结构比 模注混凝土衬砌的受力更为合理。锚喷支护能大量节省混凝土、木材和劳动力，加快施工进度，工 程造价可大幅度降低，并有利于施工机械化程度的改进和劳动条件的改善等。此外，锚喷支护是一 种符合岩体加固原理的积极支护方法，加固体具有良好的物理力学性能。即它能及时地支护和加固 围岩，与围岩密贴并封闭岩体的张性裂隙和节理，加固围岩结构面，有效地发挥和利用岩块间的镶 嵌咬合和自锁作用，从而提高岩体自身的强度、自承能力和整体性。由于锚喷支护结构柔性好，它 能同围岩共同变形，构成一个共同工作的承载体系。在变形过程中，它能调整围岩应力，抑制围岩 变形的发展，避免岩体坍塌的产生，防止过大的松散压力出现。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。 锚喷支护应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，维护围岩强度和自承能力，使其受力良好。目前，锚 喷支护结构的设计和施工，已积累了不少经验。锚喷支护结构设计和施工除了计算之外，还依赖 于“经验类比”。还有很多需要进一步研究的问题，例如支护结构设计理论、支护形式和时间的 合理确定、施工控制、低温下喷混凝土的成型等问题。此外，锚喷支护的使用也是有一定条件的， 在围岩的自承能力差、有涌水及大面积淋水处、地层松软处就很难成型。 本章将扼要介绍地层中锚喷支护的原理、结构计算和施工。 7.2 锚喷支护结构的受力与计算 一、锚杆支护结构 什么叫锚杆？锚杆的作用和意义？ 1、 锚杆类型 （1） 全长粘结型

内蒙古科技大学教案 浆杆体 垫板 (2)端头锚固型 王

内蒙古科技大学教案 （2） 端头锚固型

内蒙古科技大学教案 树固剂带麻花头杆体 挡据 13 图35树脂内头锚杆 (3)摩擦型 杆体 图37缝管式锚杆 (4)预应力型 2、 锚杆的力学作用 锚杆对围岩所起的力学效应主要有以下作用： (1)吊悬作用：将不稳定岩层悬吊在坚固岩层上，阻止围岩移动滑落

内蒙古科技大学教案 （3） 摩擦型 （4） 预应力型 2、 锚杆的力学作用 锚杆对围岩所起的力学效应主要有以下作用： （1） 吊悬作用：将不稳定岩层悬吊在坚固岩层上，阻止围岩移动滑落

内蒙古科技大学教案 2) 减跨作用：在隧道顶板岩层中大入错杆，相当于在顶板上增加了支点，使隧道跨度减小，从 而使顶板岩体应力减小。 77777777 (3)组合作用：在岩层中大入错杆，将若干薄弱岩层错固在一起，类似将叠合的板梁变成组合梁， 提高岩层的承载力。 (4)挤压加固作用（整体加固作用）：预应力锚杆群锚入围岩后，其两端附近岩体形成圆锥形压 缩区，按照 定间距排列的锚杆在预应力作用下构成一个均匀的压缩带，即承载环。压缩 中的岩体处于三问应力状态，显著提高围岩强度

内蒙古科技大学教案 （2） 减跨作用：在隧道顶板岩层中大入锚杆，相当于在顶板上增加了支点，使隧道跨度减小，从 而使顶板岩体应力减小。 （3） 组合作用：在岩层中大入锚杆，将若干薄弱岩层锚固在一起，类似将叠合的板梁变成组合梁， 提高岩层的承载力。 （4） 挤压加固作用（整体加固作用）：预应力锚杆群锚入围岩后，其两端附近岩体形成圆锥形压 缩区，按照一定间距排列的锚杆在预应力作用下构成一个均匀的压缩带，即承载环。压缩带 中的岩体处于三向应力状态，显著提高围岩强度

内蒙古科技大学教案 3、镭杆的设计与计算 (1)锚杆长度的确定：锚杆总长度L=L+L2+L3 L是错固深度：L2为不稳定岩层厚度：，是外露长度（约小于喷射混凝土厚度）： 根据锚杆抗拉强度与砂浆粘结力相等的等强度原则，可确定锚杆的锚固深度乙 (7.23 其中：d是锚杆直径，16一~22螺纹钢筋：D是钻孔直径：k安全系数，35：是砂浆与岩孔之间 的抗剪强度。实践中L要求大于30厘米： (2)锚杆间距的确定：若等间距布置，每根镭杆所负担的岩体重量即为所受荷载 月=6s可R 号是 其中，y是岩体容重：b锚杆间距，一般L1>2b:k安全系数，2-3。 (3)支护块状围岩：围岩塌落总是从危石开始，可能形成连锁反应

内蒙古科技大学教案 3、 锚杆的设计与计算 （1） 锚杆长度的确定：锚杆总长度 L = L1 + L2 + L3 L1 是锚固深度； L2 为不稳定岩层厚度； L3 是外露长度（约小于喷射混凝土厚度）； 根据锚杆抗拉强度与砂浆粘结力相等的等强度原则，可确定锚杆的锚固深度 L1 kD d R L g 4 2 1  （7.2.3） 其中：d 是锚杆直径， 16 ~ 22 螺纹钢筋；D 是钻孔直径；k 安全系数，3~5；  是砂浆与岩孔之间 的抗剪强度。实践中 L1 要求大于 30 厘米； （2）锚杆间距的确定：若等间距布置，每根锚杆所负担的岩体重量即为所受荷载。 i Rg d P k L b 4 2 2 2  =   2 L2 k d R b g    其中，  是岩体容重； b 锚杆间距，一般 L1 >2 b ；k 安全系数，2~3。 （3） 支护块状围岩：围岩塌落总是从危石开始，可能形成连锁反应

内蒙古科技大学教案 期m品品N出：Q-出0 sin 酸样路2受 (7.2.2) 砂浆锚杆的承载力：P,=DL,(C,+o,tanp,) (4)加固裂隙围岩：若在隧道顶部出现裂隙，为防止进一步扩展危及顶部岩体稳定，可采用预应 力错杆加固

内蒙古科技大学教案 利用正弦定理： sin(  1 ) sin 1 sin  N Q G = = − ； N G    sin sin( ) − 1 = ； Q G   sin sin 1 = 由此可确定锚杆直径： Rg kN d   2 （7.2.2） 砂浆锚杆的承载力： ( tan ) s 1 s t s P = DL c +  （4） 加固裂隙围岩：若在隧道顶部出现裂隙，为防止进一步扩展危及顶部岩体稳定，可采用预应 力锚杆加固

内蒙古科技大学教案 假设裂隙受到预加力T和水平方向压力P,则裂隙法向力和抗滑力分别为： N=T+Psina:F=(T+Psin a)tano ?是裂隙面内摩察角，沿裂隙面的下滑力必须满足的条件： Pcosas(T+Psin a)tanp: T≥P(sin a tan-sina） 二、喷混凝土支护结构 喷射混凝土结构通过局部稳定围岩和整体稳定围岩起支护作用。 1、局部稳定原理 危石 危石 (a) 危石除用锚杆支护外，也可用喷射混凝土层支护。在危石重力作用下混凝土喷层可能出现 冲切破坏和撕裂破环。 (1)抗冲切计算 喷层厚度必须满足： (7.2.6 Riu 其中：R,为喷射混凝土抗拉强度（理论上应是抗剪强度，因抗剪强度较大，计算不安全）：u

内蒙古科技大学教案 假设裂隙受到预加力 T 和水平方向压力 P，则裂隙法向力和抗滑力分别为： N =T + Psin ； F = (T + Psin )tan  是裂隙面内摩察角，沿裂隙面的下滑力必须满足的条件： Pcos  (T + Psin )tan ； T  P(sin  tan − sin ) 二、喷混凝土支护结构 喷射混凝土结构通过局部稳定围岩和整体稳定围岩起支护作用。 1、 局部稳定原理 危石除用锚杆支护外，也可用喷射混凝土层支护。在危石重力作用下混凝土喷层可能出现 冲切破坏和撕裂破坏。 （1） 抗冲切计算 喷层厚度必须满足： R u kG d L  （7.2.6） 其中： RL 为喷射混凝土抗拉强度（理论上应是抗剪强度，因抗剪强度较大，计算不安全）；u

内蒙古科技大学教案 为危石底面周长，k是安全系数35。 (2)抗撕裂计算 kG d (7.2.7) 其中：R,是喷层和岩石之间的计算粘结强度。 为此，需求出危石自重作用下在喷层与岩石之间的拉应力q的大小，利用弹性半地基上的半无限长 :K岩体弹性系数：E是泥凝士弹 性模量。当x0端点时，有最大值： 92-26sR Ed' 2、整体稳定原理 三、锚喷联合支护

内蒙古科技大学教案 为危石底面周长，k 是安全系数 3~5。 （2） 抗撕裂计算 R u kG d Lu  （7.2.7） 其中： RLu 是喷层和岩石之间的计算粘结强度。 为此，需求出危石自重作用下在喷层与岩石之间的拉应力 q 的大小，利用弹性半地基上的半无限长 梁公式： s x e s P q s x cos 2 − = ； 其中 4 3 4 0.76 4 K Ed bK EI s = = ；K 岩体弹性系数；E 是混凝土弹 性模量。当 x=0 端点时，有最大值： RLu K Ed P s P q = =  4 3 max 2 2.63 3 1 3 4 3.63                E K R u G d Lu 2、 整体稳定原理 三、锚喷联合支护

内蒙古科技大学教案 1、锚喷联合支护修建隧道的基本概念 锚杆是深层加固围岩，喷射混凝土是表层及局部加固围岩 (1)围岩是隧道稳定的基本部分，尽量维护围岩体的强度特性 ●爱护围岩，如何维护？ ●开挖后用锚喷支护维护 (2)保证初期支护具有柔性，并与围岩密贴 ·为什么要使初期支护具有柔性？允许围岩造当变形，释放地产力 (3)设计和施工中要正确估计围岩特性及其随时间的变化 ●如何判别围岩特性？各种方法探测与判剃 ●围岩变形为什么会随时间变化？流变特性 2、支护与围岩共同作用的力学原理 (1)锚喷支护结构设计的力学原理共同作用的弹塑性理论 (2)弹塑性理论的基本概念基于材料试脸弹塑性曲线 (3)均质围岩中圆形隧道的弹性解 .p) (4)均质围岩中圆形隧道的塑性解 。基本方程：g-%=0,血0，+，+2cm0 ar r ●边界条件：r=o,0,=p

内蒙古科技大学教案 1、 锚喷联合支护修建隧道的基本概念 锚杆是深层加固围岩，喷射混凝土是表层及局部加固围岩 （1）围岩是隧道稳定的基本部分，尽量维护围岩体的强度特性 ⚫ 爱护围岩，如何维护？ ⚫ 开挖后用锚喷支护维护 （2）保证初期支护具有柔性，并与围岩密贴 ⚫ 为什么要使初期支护具有柔性？允许围岩适当变形，释放地应力 （3）设计和施工中要正确估计围岩特性及其随时间的变化 ⚫ 如何判别围岩特性？各种方法探测与判别 ⚫ 围岩变形为什么会随时间变化？流变特性 2、支护与围岩共同作用的力学原理 （1）锚喷支护结构设计的力学原理 共同作用的弹塑性理论 （2）弹塑性理论的基本概念 基于材料试验弹塑性曲线 （3）均质围岩中圆形隧道的弹性解 2 2 2 2 0 (1 ) r R r R  r = p − + R 2 2 2 2 0 (1 ) r R r R   = p + − R （4）均质围岩中圆形隧道的塑性解 ⚫ 基本方程： = 0 − − dr r d r    r ，         2 cot sin c r r + + − = ⚫ 边界条件： r pi r = r0 , =

内蒙古科技大学教案 ●塑性解： 0 (5)弹性区与塑性区边界上的连续条件 当r=R时，o=o,o6=o8 (6)塑性区半径与支护抗力的关系 -[及a-a n=(a,+emp0-mpX台器-come 这是支护抗力与围岩塑性区半径的关系 (7)由洞周位移计算围岩压力 ·弹性区引起的应力增量： Aa:(p A如i=a,-an 8 ●围岩引起的径向应变： () E ·由以上关系得：产=岩片 ·弹塑性边界上的径向位移“，=完a-o,汇亭是A-o ●据弹性区应力和摩尔库仑关系得：cR=PI-snp)-ccosp ·变形过程中假设塑性区体积不变：

内蒙古科技大学教案 ⚫ 塑性解：              ) cot 1 sin 1 sin ( cot )( ) ( ( cot )( ) cot 1 sin 2sin 0 1 sin 2sin 0 c r r p c c r r p c i r i − − + = + = + − − − （5）弹性区与塑性区边界上的连续条件 当 r=R 时， p e p r e  r =    =   , （6）塑性区半径与支护抗力的关系           ( cot )(1 sin )( ) cot (1 sin ) cot cot 1 sin 2sin 0 0 2sin 1 sin 0 0 c R r p p c p c p c R r i i = + − −       − + + = − − 这是支护抗力与围岩塑性区半径的关系 （7）由洞周位移计算围岩压力 ⚫ 弹性区引起的应力增量： 2 2 0 2 2 0 ( ) ( ) r R p r R p R e R e r       = −  = − − ⚫ 围岩引起的径向应变： ) 1 ( 1 2 e e r r r r E r u          −  − − =   = ⚫ 由以上关系得： 0 2 2 1 ( ) 2 r p G R r u R r = − −   ⚫ 弹塑性边界上的径向位移： ( ) 2 ( ) 2 0 2 0 2 R R R R p G R r dr p G R u = − − = − −   ⚫ 据弹性区应力和摩尔库仑关系得：  R = p0 (1− sin ) − c cos ⚫ 变形过程中假设塑性区体积不变：