锚喷支护弹塑性设计理论及其工程应用_精品文档资料下载.pdf

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而解析解往往能提供一系列规律性的认识,所得结论不失其一般性,特别是在阐明围岩支护相互作用机理方面提供了有效方法,在解决某些实际工程问题时,通过解析解也能取得较为满意的结果。

本文基于隧道围岩弹塑性理论分析,结合隧道围岩稳定性,详细介绍了软弱破碎岩体中锚喷支护的解析设计方法,并将其结果运用于可类比性较差的西气东输管线隧道锚喷支护设计中,实现了定性与定量相结合的设计方法。

本文所介绍的锚喷支护的设计方法为该工程的施工提供了强有力的理论依据和科学预测,这已为实践所表明,同时也为推动解析理论方法在隧道锚喷支护设计中的应用做出有益尝试。

2围岩压力的计算隧洞开挖后由于应力重分布,洞周局部区域应力有可能超过岩土体弹性极限而进入塑性状态,处于塑性状态的岩土体在洞周形成一个塑性区,如图1所示,1、2区为塑性区,3、4区为弹性区。

1区为松动区;

2、3区为承载区;

4区为初始应力区图1弹塑性围岩应力状态分布对于轴对称问题,当不考虑体积力时,平衡方程为5r5r+r-r=0

（1）在塑性区应力除满足平衡方程外,尚需满足塑性条件。

取Mohr2Coulomb准则作为塑性条件,有支护时其表达式为pr+Ccotp+Ccot=1-sin1+sin

（2）支护与围岩界面（r=r0）上的应力边界条件为Pi=Pi,Pi为围岩压力,联立式

（1）和式

（2）,即得塑72铁道建筑技术RAILWAYCONSTRUCTIONTECHNOLOGY2002（5）隧道/地下工程性区中应力Pr=（Pi+Ccot）rr02sin1-sin-Ccot（3）P=（Pi+Ccot）1+sin1-sinrr02sin1-sin-Ccot（4）利用弹塑性界面上的应力协调条件及塑性条件,并将r=R0代入塑性区应力方程,可求得围岩压力（Pi）和塑性区半径（R0）关系的表达式1为Pi=（P+Ccot）（1-sin）r0R02sin1-sin-Ccot（5）式中R0=r0（P+Ccot）（1-sin）Pi+Ccot1-sin2sin。

洞周塑性区中围岩位移可由下式给出1uPr0=MR204Gr0（6）式中M=2Psin+2Ccos,G为围岩剪切模量。

当考虑围岩与支护结构的相互作用时,围岩压力和支护结构间的关系可以表示为Pi=KcMR204Gr0-u0（7）式中u0是与施工条件及岩性有关,它可由实际量测、经验估算或计算确定;

Kc为支护刚度系数,Kc=2Gc（r20-r21）r0（1-2uc）r20+2r21,Gc、uc为支护剪切模量和泊松比;

r1为支护内壁半径。

因此,围岩压力和洞周塑性位移关系为Pi=（P+Ccot）（1-sin）Mr04GuPr02sin1-sin-Ccot（8）作为工程设计的目的,不仅要按围岩与支护共同作用原理求出变形压力Pi,而且还希望能求得最小的围岩压力Pimin,以确定最佳的支护结构;

或按最小围岩压力,反算与其相应的围岩在支护前应释放的位移u0,以确定最佳的支护时间。

围岩中的塑性区应力可分为2部分:

塑性区外圈是应力高于初始应力的区域,它与围岩弹性区中应力升高部分合在一起称作围岩承载区;

塑性区内圈应力低于初始应力的区域称作松动区（见图1）。

松动区内应力和强度都有明显下降,当塑性滑移发展到一定程度时,若所提供的支护抗力不足以维持围岩的稳定,松动区中的岩土体就会在重力作用下松动塌落。

所以,要维持围岩稳定,既要维持围岩的极限平衡,还要维持松动区内滑移体的重力平衡。

据此,可把维持松动区内滑移体平衡所需要的抗力等于维持极限平衡状态的抗力,作为围岩出现松动塌落和确定Pimin的条件1,最小围岩压力可由下式给出Pimin=12r0Rminr0-1（9）式中为岩石的容重;

Rmin为松动区半径,Rmin=r0（P+Ccot）（1-sin）（Pimin+Ccot）（1+sin）1-sin2sin,计算Rmin时,所用的C值应适当降低。

当有锚杆时,Ramin=r0（P+C1cot1）（Pimin）+Pa+C1cot1）1-sin12sin11-sin11+sin11-sin12sin1。

对于轴对称情况,则在洞周围岩两侧中间部位出现破裂楔体,同时破裂楔体位于围岩塑性区中应力集中系数最高的地方,也即位于应力降低和强度丧失最严重的地方。

设R为破裂区的最大半径,只要满足R0R,即可避免喷层沿破裂楔体的滑移线方向出现剪切破坏,所以把R0=R作为出现剪切破坏的条件。

而非轴对称情况下也可近似地按轴对称情况求解R0,因此,只要以R0=R代入式（5）中,即可求得保证喷层不出现剪切破坏时所需的支护抗力,也即保持围岩稳定的最小支护抗力,下面给出有锚杆时的表达式Pi=（P+C1cot1）（1-sin1）r0R2sin11-sin1-C1cot1（10）式中R=r0e（90-）tan45-2,P与原岩应力的静止侧压力系数的关系见表1。

表1与的关系01201445400140164035016018353082铁道建筑技术RAILWAYCONSTRUCTIONTECHNOLOGY2002（5）隧道/地下工程3锚喷支护力学性能分析311锚喷支护力学作用通过分析围岩与支护的相互作用,表明支护不仅承受来自围岩的压力,反过来也给围岩以压力（即支承作用）,从而改善围岩受力状态;

施作了锚喷支护后,可以提高围岩的强度指标（即加固作用）,进而提高围岩的承载能力。

此外,钢筋网还具有防止收缩裂缝,使喷层应力分布均匀,增强锚喷支护的整体性,增强喷层的柔性等作用;

钢架具有在锚喷等支护发挥作用前使围岩稳定,为超前支护提供支撑点,抑制地表下沉,提高支护的强度和刚性等作用。

图2喷层在切向应力作用下的破坏形式312锚喷支护的破坏形态在软弱破碎岩体中,喷层的破坏与原岩应力的静止侧压力系数有关。

当=1时,四周压力均匀,喷层由于四周受压而出现片状剥落或剪切破坏（图2）。

当1时,围岩塑性区位于隧道两侧,喷层在两侧出现剪切破坏,同时也可能由于四周受压而引起的压切破坏（图3）。

图3喷层破坏形态由此可见,软弱破碎岩体锚喷支护的计算应以防止喷层剪切破坏和压切破坏为原则。

313锚喷支护抗力计算23

（1）锚杆的支护抗力PaPa=NAKet（11）式中安全系数K可取为1115;

e、t为锚杆间、排距;

NA为锚杆设计轴向抗拉力,NA=FA,A为锚杆材料的设计抗拉强度,F为一根锚杆的面积。

若为砂浆锚杆,NA为锚杆的设计锚固力。

Pa应取上式中的较小值。

（2）钢筋网的支护抗力PsPs=2FssKAsbsin（45-/2）（12）式中:

Fs一根横向钢筋的面积;

s钢筋设计抗剪强度;

As钢筋网环向钢筋的间距。

（3）钢架的支护抗力PstPst=2FststKAstbsin（45-/2）（13）式中:

Fst一榀钢架的截面积;

st钢架材料设计抗剪强度;

Ast钢拱架间距。

（4）喷混凝土的支护抗力PcPc=Pi-Pa-Ps-Pst（14）式中表示该项可选。

4锚喷支护的计算与设计4111时锚喷支护的计算与设计无锚杆时,作用在喷层上的围岩压力由式（8）计算。

有锚杆时,取锚固区1=,C1=C+aFei,其中a为锚杆抗剪强度,取016Rst;

Rst为钢筋的抗拉强度设计值。

锚杆的有效长度,应不小于松动区厚度,故锚杆最小有效长度应满足lminRa-r0（15）式中Ra为有锚杆时最大松动区半径。

为保证加固区厚度,并防止锚杆间围岩塌落,锚杆长度和间距间的关系还应满足el12和il12。

喷混凝土的支护抗力由式（14）求得,求Pi时,只是要用C1、1、Ra0代替C、R0。

有锚杆时围岩塑性半径Ra0可按R0计算公式求得,除C、外,计算中同时要用Pi+Pa代替Pi。

当喷射混凝土表现为压切破坏时,喷混凝土的厚度为t=K1r011-2PcRc-1（16）式中安全系数K1可取112115;

Rc为混凝土轴心抗压强度。

作为合理的设计,要求Pc不过多大于Pimin,但要保持一定的安全度,因而引入维持围岩稳定的安92铁道建筑技术RAILWAYCONSTRUCTIONTECHNOLOGY2002（5）隧道/地下工程全系数K2,K2=PcPimin,K2可取38。

412018时锚喷支护的计算与设计围岩压力可由式（10）求得。

当喷射混凝土表现为剪切破坏时,喷混凝土的厚度为t=K3Pcbsin45-22c（17）式中K3可取为115210;

c为混凝土抗剪强度,c=012Rc;

b=2r0cos。

同时t也应满足式（16）,计算中取2式中较大值,其它项计算与前面相同。

5工程实例西气东输管道工程靖边至临汾段,管线在有些地段需要修建多条隧道穿越,现选取有代表性的一个隧道进行分析。

某黄土隧道洞身埋置深度为50m,转化为等代圆3后,开挖半径为215m。

围岩粘结力为0104MPa,静止侧压系数=016,容重为19kN/m3,内摩擦角为=25,锚杆的设计锚固力为150kN,喷混凝土设计轴心抗压强度Rc=15MPa,现进行锚喷支护设计。

（1）锚杆+喷混凝土支护时当=016时,由表1可知=35。

先求锚杆的支护抗力及围岩加固后的C值,假定锚杆直径为18mm,间距为0175m0175m,钢筋设计强度为335MPa,安全系数K=112,由式（11）计算得Pa=126kN松弛区C值按降低50%计,粘结力提高值C1=C+aFei=110kPa。

由式（10）可得Pi=465kPa;

R=414m。

因此,锚杆长度可取为为2m。

由式（14）可得Pc=229kPa。

把Pc=229kPa代入式（16）和式（17）,并令K1=K3=115,取计算较大值得喷层厚度,则t=1216cm。

（2）锚杆+喷混凝土+钢筋网支护时令钢筋网直径为6mm,间距为20cm20cm,由式（12）可得钢筋网的支护抗力为Ps=2518kPa。

由式（14）可得Pc=20312kPa,代入式（16）和式（17）,计算后取最大喷层厚度,则t=10cm。

综合以上计算结果,该隧道锚喷支护设计参数为:

厚10cmC20喷混凝土;

锚杆采用直径18mm、间距0175m0175m、长2m的级钢筋;

钢筋网采用直径6mm、间距20cm20cm的级钢筋。

6结论及建议

（1）不管是理论分析还是该工程的施工实践都表明了本文的设计参数是合理可行的,为定量与定性相结合的锚喷支护参数设计提供了理论依据。

（2）理论分析法设计应该成为喷射混凝土支护设计的重要组成部分,它为阐明喷射混凝土支护的作用机理提供了有效方法。

（3）合理的设计要求喷层具有合适的厚度,以保证喷层柔性的特点,充分发挥围岩的自承作用。

原则上锚杆仍应全断面配置,但在围岩破裂区部位,锚杆应加长加密,其它部位则可适当减短减稀,尤其是底部,如果没有底鼓现象发生,也可不设锚杆。

侧向锚杆长度应大于破裂楔体长度。

参考文献1于学馥,郑颖人.地下工程围岩稳定分析.北京:

煤炭工业出版社,19832关宝树.隧道力学概论.成都:

西南交通大学出版社,19933李世辉.隧道支护设计新论.北京:

科学出版社,19994