第四章坑道稳定性态与支护结构概论精选文档.ppt

第四章坑道稳定性态与支护结构概论本讲稿第一页，共十三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构是是完完全不同的。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(包包括括：能能否否顺顺利利地地建建成成，使使用用中中是是否否会会出出现现问问题题，以以及及工工期期长长短短，投投资资多多少少等等等等)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中的的头头等大事，等大事，应应当受到充分重当受到充分重视视。隧隧道道工工程程所所赋赋存存的的地地质质环环境境的的内内涵涵很很广广，包包括括地地层层特特征征、地地下下水水状状况况、地地层层中中的的原原始始地地应应力力状状态态以以及及地地温温梯梯度度等等。对对隧隧道道工工程程来来说说，最最关关心心的的问问题题则则是是地地层层被被挖挖成隧道后的成隧道后的稳稳定程度。定程度。本讲稿第二页，共十三页隧道工程力学原理 地地层层被被挖挖成成隧隧道道后后的的稳稳定定程程度度称称为为隧隧道道围围岩岩的的稳稳定定性性，这这是是一一个个反反映映地地质质环环境境的的综综合合指指标标。所所以以说说，研研究究隧隧道道工工程程地地质质环环境境问问题题，归归根根到到底底就就是是研研究究隧隧道道围围岩岩的的稳稳定定性性问问题题，它它包包括括隧隧道道围围岩岩破破坏坏或或稳稳定定的的规规律律、影影响响围围岩岩稳稳定定的的主主要要因因素素、标标志志围围岩岩稳稳定定性性的的指指标标和和判判断断准准则则、分分析析围围岩岩稳稳定定性性的的方方法法以以及及为为维维护护围围岩岩稳稳定定而而必必须须采采取取的的工工程程措措施施(如如施施工工程程序序和和方方法法、支支护护结构的类型、数量和架设时间等结构的类型、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，科科学学的的方方法法应应该该从从围围岩岩变变形形与与破破坏坏的的根根本本作作用用力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程序序和和进行支护结构设计。进行支护结构设计。本讲稿第三页，共十三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：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。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落、滑动、转动、倾倒以及块体挤出等失稳破坏性态。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 层层状状岩岩体体尤尤其其是是有有软软弱弱夹夹层层的的互互层层岩岩体体，易易产产生生下沉弯曲鼓出，进而张裂、折断形成塌落体。下沉弯曲鼓出，进而张裂、折断形成塌落体。4 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(解解脱脱)而而成成碎碎块块脱脱落落、坍塌。坍塌。本讲稿第四页，共十三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。本讲稿第五页，共十三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)不不稳稳定定的的。坑坑道道在在不不支支护护条条件件下下是是难难以以开开挖挖的的，随随挖挖随随坍坍，常常常常要要先先支支后后挖挖，坑坑道道的的坍坍塌塌发发生生迅迅速速、影影响响范范围围大大，有有时时可可坍坍塌塌到到地地表表，或或在在地地面面形形成成塌塌盆盆地地。在在有有水水的的情情况况下下，土土体体流流动动造造成成极极大大的的荷荷载载。在在这这种种情情况况下下，需需要要采采取取专专门门的的支支护护措措施施和和施施工工方方法法来来保保证证坑道的坑道的稳稳定。定。本讲稿第六页，共十三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：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系，能承受可能出现的各种荷载；体系，能承受可能出现的各种荷载；保持隧道断面的使用净空；保持隧道断面的使用净空；防止围岩质量的进一步恶化；防止围岩质量的进一步恶化；提供空气流通的光滑表面。提供空气流通的光滑表面。支护结构的基本要求如下：支护结构的基本要求如下：1.1.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。本讲稿第七页，共十三页隧道工程力学原理 2.2.尽尽可可能能设设初初期期支支护护，并并使使早早期期支支护护与与永永久久支支护护相相互互配合，协调一致地工作。配合，协调一致地工作。尽量不设临时支护。尽量不设临时支护。3.3.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承载能力。载能力。采采用用柔柔性性支支护护，使使得得接接触触压压力力分分布布均均匀匀，支支护护结结构中的弯矩较小。构中的弯矩较小。4.4.及及时时施施作作支支护护结结构构，即即支支护护结结构构应应在在坑坑道道围围岩岩达到极限平衡之前达到极限平衡之前发挥发挥其承载其承载作用。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(极限平衡极限平衡)。原则：原则：控制控制变变形的形的增长增长速度速度。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)，及及时时地地进进行行调调整整和和修修改改，以以适适应应不断不断变变化的化的围围岩状岩状态态。办办法法：可可采采取取分分期期喷喷射射砼砼、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。本讲稿第八页，共十三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：防防护护型型支支护护。适适用用于于充充分分稳稳定定的的岩岩体体。通通常常是是采采用用喷喷浆浆、喷喷混混疑疑土土或或单单独独锚锚杆杆来来完完成成的的。作作用用是是封封闭岩面，防止风化。闭岩面，防止风化。构构造造型型支支护护。适适用用于于基基本本稳稳定定的的岩岩体体。通通常常采采用用喷喷混混凝凝土土、锚锚杆杆和和金金属属网网、模模筑筑混混凝凝土土等等支支护护构构件件。坑坑道道开开挖挖后后可可能能出出现现局局部部掉掉块块或或崩崩塌塌。支支护护结结构构的的参参数数只只要要满满足施工足施工及及构造构造上上的要求的要求即可。即可。承承载载型型支支护护。适适用用于于暂暂时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。可可采采用用喷喷混混凝凝土土、锚锚杆杆、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，模模筑筑混混凝凝土土作为二次作为二次支支护护。支护要通过计算确定。支护要通过计算确定。本讲稿第九页，共十三页隧道工程力学原理 按照支护的方式分有：按照支护的方式分有：外外部部支支护护，即即从从外外部部支支撑撑着着坑坑道道的的围围岩岩（如如模模筑筑混混凝凝土土整整体体式式衬衬砌砌、砖砖石石衬衬砌砌、装装配配式式衬衬砌砌、喷喷射射混混凝凝土支护等）；土支护等）；内内部部支支护护，即即对对围围岩岩进进行行加加固固以以提提高高其其稳稳定定性性（如锚杆支护、压入浆液等）；（如锚杆支护、压入浆液等）；混混合合支支护护，即即内内部部与与外外部部支支护护混混合合一一起起的的衬衬砌砌（如喷锚支护）。（如喷锚支护）。本讲稿第十页，共十三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 装配式衬砌装配式衬砌 喷锚支护喷锚支护 复合式衬砌复合式衬砌 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）木支撑 （2 2）钢支撑）钢支撑 （3 3）锚杆和金属网支护）锚杆和金属网支护 （4 4）混凝土和喷射混凝土）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 喷射混凝土喷射混凝土支护支护 （5 5）组合支护）组合支护 钢支撑加背板钢支撑加背板 喷射混凝土与锚杆喷射混凝土与锚杆 喷射混凝土、钢支撑和锚杆喷射混凝土、钢支撑和锚杆等。等。本讲稿第十一页，共十三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）作业时间消耗本讲稿第十二页，共十三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。本讲稿第十三页，共十三页