第四章坑道稳定性态与支护结构概论优秀PPT.ppt

第四章坑道稳定性态与支护结构概论第一页，本课件共有13页隧道工程力学原理体体系系中中，地地层层既既是是承承载载结结构构的的基基本本组组成成部部分分，又又是是造造成成荷荷载载的的主主要要来来源源，这这种种合合二二为为一一的的作作用用机机理理与与地地面面结结构是完全不同的。构是完全不同的。在在隧隧道道工工程程这这样样的的地地下下结结构构中中，地地层层起起主主导导作作用用。隧隧道道工工程程的的一一切切活活动动(包括：能否顺利地建成，使用中是否会出现问题，以及工期长短，投资多少等等)无无一一不不与与隧隧道道所所在在区区域域的的地地层层条条件件，也也就就是是它它所所赋赋存存的的地地质质环环境境息息息息相相关关。了了解解和和认认识识地地质质环环境境，研研究究它它在在工工程程建建设设活活动动中中的的变变化化，制制定定有有力力的的工工程程措措施施，使使这这种种变变化化不不危危及及隧隧道道的的安安全全，乃乃是是隧隧道道工工程程勘勘测测、设设计计和和施施工工中的中的头头等大事，等大事，应应当受到充分重当受到充分重视视。隧道工程所赋存的地质环境的内涵很广，包括地层特征、地下水状况、地层中的原始地应力状态以及地温梯度等。对隧道工程来说，最关心的问题则是地层被挖成隧道后的稳定程度。第二页，本课件共有13页隧道工程力学原理 地层被挖成隧道后的稳定程度称为隧道围岩的稳定性，这是一个反映地质环境的综合指标。所以说，研究隧道工程地质环境问题，归根到底就是研究隧道围岩的稳定性问题，它包括隧道围岩破坏或稳定的规律、影响围岩稳定的主要因素、标志围岩稳定性的指标和判断准则、分析围岩稳定性的方法以及为维护围岩稳定而必须采取的工程措施(如如施施工程序和方法、支护结构的类型、数量和架设时间等工程序和方法、支护结构的类型、数量和架设时间等)。对对隧隧道道工工程程地地质质环环境境的的认认识识和和处处理理，科学的方法应该从围岩变形与破坏的根本作用力围围岩岩的的原原始始地地应应力力出出发发，结结合合围围岩岩的的工工程程性性质质，施施工工对对地地层层原原始始状状态态干干扰扰和和破破坏坏的的程程度度等等进进行行综综合合研研究究，并并根根据据围围岩岩与与支支护护结结构构共共同同作作用用，用用围围岩岩为为主主的的观观点点来来制制定定施施工工程序和进行支护结构设计。程序和进行支护结构设计。第三页，本课件共有13页隧道工程力学原理第二节 围岩失稳破坏性态与稳定程度 隧道围岩失稳破坏大致有以下五种情况：1 1脆性破裂脆性破裂 整体状和块状结构岩体，仅产生局部掉块或岩爆。2 2块状运动块状运动 块块状状或或层层状状岩岩体体，向向临临空空面面运运动动，逐逐渐渐形形成成块块体体塌塌落、滑动、转动、倾倒以及块体挤出等失稳破坏性态。落、滑动、转动、倾倒以及块体挤出等失稳破坏性态。3 3弯曲折断破坏弯曲折断破坏 层状岩体尤其是有软弱夹层的互层岩体，易产生下沉弯曲鼓出，进而张裂、折断形成塌落体。4松动解脱松动解脱 碎碎裂裂结结构构岩岩体体，容容易易松松动动、溃溃散散(解脱)而而成成碎碎块块脱脱落、坍塌。落、坍塌。第四页，本课件共有13页隧道工程力学原理 5塑性变形和剪切破坏 散体结构岩体或碎裂结构岩体，表现为坍方、边墙挤入、底鼓以及洞径缩小等等，而且变形的时间效应比较明显。根据坑道开挖实践，坑道开挖后的稳定性大体上可分为以下几类：1)充分稳定的。坑道在长时间内有足够的自稳能力，无需任何人为支护而能维持稳定，无坍塌、偶尔有掉块。2)基本稳定的。坑道会因爆破、岩块结合松弛等而产生局部掉块，但不会引起坑道的坍塌，坑道是稳定的，层间结合差的平缓岩层顶板可能弯曲、断裂。此时应采取局部支护或轻型的支护。第五页，本课件共有13页隧道工程力学原理 3)3)暂暂时时稳稳定定的的。大大多多数数坑坑道道是是属属于于这这个个类类型型的的。坑坑道道开开挖挖后后呈呈现现出出不不同同程程度度的的坍坍塌塌现现象象，坍坍塌塌后后的的坑坑道道呈呈拱拱形形而而处处于于暂暂时时稳稳定定状状态态。在在外外界界（如如爆爆破破、重重新新更更换换支支撑撑等等）和和内内部部（如如地地下下水水等等）条条件件的的影影响响下下，坑坑道道如如不不及及时时支支护护，会会进进一一步步丧丧失失稳稳定定。因因此此，在在这这种种围围岩岩中中，必须采取各种类型的支护措施。必须采取各种类型的支护措施。4)4)不稳定的。坑道在不支护条件下是难以开挖的，随挖随坍，常常要先支后挖，坑道的坍塌发生迅速、影响范围大，有时可坍塌到地表，或在地面形成塌盆地。在有水的情况下，土体流动造成极大的荷载。在这种情况下，需要采取专门的支护措施和施工方法来保证坑道的稳定。第六页，本课件共有13页隧道工程力学原理第三节第三节 支护结构的基本要求支护结构的基本要求 支护结构的基本作用在于：与与围围岩岩一一起起组组成成一一个个有有足足够够安安全全度度的的隧隧道道结结构构体体系，能承受可能出现的各种荷载；系，能承受可能出现的各种荷载；保持隧道断面的使用净空；防止围岩质量的进一步恶化；提供空气流通的光滑表面。支护结构的基本要求如下：1.与与围围岩岩牢牢固固地地面面接接触触，即即保保证证支支护护结结构构与与围围岩岩作作为一个整体进行工作。为一个整体进行工作。第七页，本课件共有13页隧道工程力学原理 2.尽可能设初期支护，并使早期支护与永久支护相互配合，协调一致地工作。尽量不设临时支护。3.使使围围岩岩产产生生有有限限制制的的变变形形，以以充充分分发发挥挥围围岩岩的的承载能力。承载能力。采用柔性支护，使得接触压力分布均匀，支护结构中的弯矩较小。4.4.及时施作支护结构，即支护结构应在坑道围岩达到极限平衡之前发挥其承载作用。作用。支支护护过过晚晚会会使使围围岩岩暴暴露露、产产生生过过度度的的位位移移而而濒濒临临破坏破坏(极限平衡)。原则：控制变形的增长速度。5.5.围围岩岩变变则则支支护护变变。支支护护结结构构要要能能根根据据隧隧道道围围岩岩的的动动态态(位位移移、应应力力等等)，及时地进行调整和修改，以适应不断变化的围岩状态。办办法法：可可采采取取分分期喷喷射射砼砼、增增设设锚锚杆杆或或调调整整其其参参数数(间间距、距、锚锚杆直径和杆直径和长长度度)等方法来等方法来实现实现。第八页，本课件共有13页隧道工程力学原理 最最后后，支支护护结结构构还还要要满满足足易易于于架架设设、构构件件可可以以互互换换、断面、断面类类型型单单一、便于改一、便于改变刚变刚性等施工要求。性等施工要求。第四节 支护结构类型的选择和设计 根据其使用目的，支护结构可分为：根据其使用目的，支护结构可分为：防护型支护。适用于充分稳定的岩体。通常是采用喷浆、喷混疑土或单独锚杆来完成的。作用是封闭岩面，防止风化。构构造造型型支支护护。适用于基本稳定的岩体。通常采用喷混凝土、锚杆和金属网、模筑混凝土等支护构件。坑道开挖后可能出现局部掉块或崩塌。支护结构的参数只要满满足施工足施工及及构造上上的要求即可。承载型支护。适用于暂时稳稳定定或或不不稳稳定定的的岩岩体体。承承载载型型支支护护是是隧隧道道支支护护的的主主要要类类型型。视视隧隧道道围围岩岩的的力力学学动动态态，它它可可分分为为轻轻型型、中中型型及及重重型型等等。可采用喷混凝土、锚杆、金金属属网网及及钢钢拱拱架架等等作作为为初初期期支支护护，模筑混凝土作为二次支护。支护要通过计算确定。第九页，本课件共有13页隧道工程力学原理 按照支护的方式分有：外部支护，即从外部支撑着坑道的围岩（如模筑混凝土整体式衬砌、砖石衬砌、装配式衬砌、喷射混凝土支护等）；内部支护，即对围岩进行加固以提高其稳定性（如锚杆支护、压入浆液等）；混合支护，即内部与外部支护混合一起的衬砌（如喷锚支护）。第十页，本课件共有13页隧道工程力学原理 从从衬衬砌砌施施工工工工艺艺方方面面将将隧隧道道衬衬砌砌的的型型式式分分为为以以下下四四类：类：整体式模筑混凝土衬砌整体式模筑混凝土衬砌 装配式衬砌 喷锚支护 复合式衬砌 根据采用的材料和系统可分为：根据采用的材料和系统可分为：（1 1）木支撑 （2 2）钢支撑 （3 3）锚杆和金属网支护）锚杆和金属网支护 （4）混凝土和喷射混凝土 混凝土混凝土支护，包括支护，包括混凝土预制块支护混凝土预制块支护 喷射混凝土支护支护 （5）组合支护）组合支护 钢支撑加背板 喷射混凝土与锚杆 喷射混凝土、钢支撑和锚杆喷射混凝土、钢支撑和锚杆等。等。第十一页，本课件共有13页隧道工程力学原理 支护类型的选择主要根据下述条件决定：（1）对预计的主要岩体类型的评价 （2）对岩体类别变化的适应性 （3）对很大的或特殊地压的适应性 （4）对地下水性质的适应性 （5）经济 （6）作业时间消耗第十二页，本课件共有13页隧道工程力学原理 在设计支护结构时应注意：支护结构最好设计成封闭式的，一般都应有仰拱，封闭式结构具有最佳的抵抗变形的能力，即使在厚度较小时，亦能提供较大的支护阻力。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。首先，支护结构应尽量设计得薄一些，如果需要加强的话，亦不应增加其厚度，而应通过配筋来解决；其次，支护结构应设计成圆顺的，尽量接近圆形的断面，岩体愈差，围岩压力愈大就愈要这样做；再次，可以在支护结构中设置铰或纵向伸缩缝，增加支护结构的柔性，减少弯矩，但必须结合隧道的防水要求一并考虑。第十三页，本课件共有13页