新奧法及噴錨支護谷風(fēng)詳析

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1、5.4 5.4 新奧法及噴錨支護新奧法及噴錨支護1特制分析小浪底水電站小浪底水電站水電站為地下廠房,其長、寬、高尺寸分別為2515m、262m和61.44m. 2特制分析廣州抽水蓄能電站地下廠房廣州抽水蓄能電站地下廠房 廣州抽水蓄能電站廣州抽水蓄能電站(下稱廣蓄電站下稱廣蓄電站)位于廣東省從化市呂位于廣東省從化市呂田鎮(zhèn)田鎮(zhèn),總裝機總裝機2400MW,是目前世界上最大的抽水蓄能電是目前世界上最大的抽水蓄能電站。該工程分二期完成站。該工程分二期完成,每期工程均為每期工程均為4300MW。分。分別于別于1994年年3月和月和2000年年6月建成投產(chǎn)。月建成投產(chǎn)。 廣蓄電站的土建工程主要是地下建筑廣蓄

2、電站的土建工程主要是地下建筑,其中地下廠房深其中地下廠房深埋于地面以下埋于地面以下450m,開挖尺寸開挖尺寸:長長146.5m,寬寬21m,高高44.54m。地下廠房等洞室群中。地下廠房等洞室群中,凡不過水洞室均采用噴凡不過水洞室均采用噴錨支護作為永久支護錨支護作為永久支護,過水隧洞的臨時支護同樣采用噴過水隧洞的臨時支護同樣采用噴錨支護。錨支護。3特制分析4特制分析 一、一、 新奧法新奧法n新奧法（新奧地利隧道施工法新奧法（新奧地利隧道施工法）（New Austrian Tunnelling Method） ”（NATM）法，奧地利學(xué)者拉布西維茲教授于二十世紀(jì)法，奧地利學(xué)者拉布西維茲教授于二十

3、世紀(jì)50年代提出的年代提出的 。n新奧法的主要原則：新奧法的主要原則：n（1）充分保護圍巖，減少對圍巖的擾動。）充分保護圍巖，減少對圍巖的擾動。n（2）充分發(fā)揮圍巖的自承能力。）充分發(fā)揮圍巖的自承能力。n（3）盡快使支護結(jié)構(gòu)閉合。）盡快使支護結(jié)構(gòu)閉合。n（4）加強監(jiān)測，根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)指導(dǎo)施工。）加強監(jiān)測，根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)指導(dǎo)施工。n可扼要地概括為可扼要地概括為“少擾動、早噴錨、快封閉、勤測量少擾動、早噴錨、快封閉、勤測量”n優(yōu)點：較好利用巖體力學(xué)特性，充分發(fā)揮圍巖的自身的承載能力，合優(yōu)點：較好利用巖體力學(xué)特性，充分發(fā)揮圍巖的自身的承載能力，合理設(shè)計支護結(jié)構(gòu)和施工順序。理設(shè)計支護結(jié)構(gòu)和施工順序。5特制

4、分析 支護支護- -圍巖共同作用原理圍巖共同作用原理 圍巖既是生產(chǎn)支護荷載的主體，又是承受巖層圍巖既是生產(chǎn)支護荷載的主體，又是承受巖層荷載的結(jié)構(gòu)，支護荷載的結(jié)構(gòu)，支護- -圍巖作為整體相互作用，共同圍巖作為整體相互作用，共同承擔(dān)圍巖壓力。摒棄了過去巖體作為對支護結(jié)構(gòu)承擔(dān)圍巖壓力。摒棄了過去巖體作為對支護結(jié)構(gòu)的荷載采用厚襯砌的傳統(tǒng)做法。的荷載采用厚襯砌的傳統(tǒng)做法。 圍巖壓力是變形壓力和松動壓力的組合，大部分圍巖壓力是變形壓力和松動壓力的組合，大部分壓力壓力( (特別是變形壓力特別是變形壓力) )由圍巖自身承擔(dān)，只有少部由圍巖自身承擔(dān)，只有少部分轉(zhuǎn)移到支護結(jié)構(gòu)上；支護荷載既取決于圍巖的分轉(zhuǎn)移到支護

5、結(jié)構(gòu)上；支護荷載既取決于圍巖的性質(zhì)，又取決于支護結(jié)構(gòu)的剛度和支護時間；圍性質(zhì)，又取決于支護結(jié)構(gòu)的剛度和支護時間；圍巖的松動區(qū)和圍巖內(nèi)的二次應(yīng)力狀態(tài)又與支護結(jié)巖的松動區(qū)和圍巖內(nèi)的二次應(yīng)力狀態(tài)又與支護結(jié)構(gòu)的性質(zhì)和支護時間有關(guān)。構(gòu)的性質(zhì)和支護時間有關(guān)。6特制分析支護時間剛度早晚剛7特制分析 柔性支護觀點柔性支護觀點 支護剛度不必太大，當(dāng)支護做完后，能與支護剛度不必太大，當(dāng)支護做完后，能與巖體一起產(chǎn)生一定的位移，釋放部分變形能，巖體一起產(chǎn)生一定的位移，釋放部分變形能，但又能使支護足以保持平衡，保持圍巖穩(wěn)定。但又能使支護足以保持平衡，保持圍巖穩(wěn)定。 柔性支護，盡早支護，既及時封閉圍巖，防柔性支護，盡早支

6、護，既及時封閉圍巖，防止風(fēng)化，又能釋放變形能，合理利用圍巖與支止風(fēng)化，又能釋放變形能，合理利用圍巖與支護共同承擔(dān)應(yīng)力調(diào)整過程中的所有作用。護共同承擔(dān)應(yīng)力調(diào)整過程中的所有作用。 支護結(jié)構(gòu)為閉合環(huán)，支護結(jié)構(gòu)為閉合環(huán)，。8特制分析 設(shè)計、施工、監(jiān)測一條龍作業(yè)方式設(shè)計、施工、監(jiān)測一條龍作業(yè)方式工程地質(zhì)調(diào)查與相關(guān)實驗工程開挖與支護設(shè)計施工與監(jiān)測是否穩(wěn)定返回9特制分析二、二、 壓力拱理論計算圍巖壓力壓力拱理論計算圍巖壓力（一）（一）普氏平衡拱理論普氏平衡拱理論 1 1、自然平衡拱（壓力拱）的概念、自然平衡拱（壓力拱）的概念 普洛托.季雅克諾夫10特制分析2 2、在松散體中形成壓力拱的條件、在松散體中形成壓

7、力拱的條件 坑道埋深坑道埋深Z(2Z(22.5)b,b2.5)b,b為壓力拱高度。為壓力拱高度。11特制分析3 3、普氏理論假設(shè)條件、普氏理論假設(shè)條件（1）將巖體視為松散體。式中： 為巖體似內(nèi)摩擦角。（2）洞頂巖體能夠形成壓力拱。（3）沿拱切線方向只作用有壓應(yīng)力，而不能承受拉應(yīng)力。自然平衡拱以上的巖體重量通過拱傳遞到兩幫，對拱內(nèi)巖體不產(chǎn)生任何影響。即作用在支架上的頂壓僅為拱內(nèi)巖體重量，與拱外巖體和坑道埋深無關(guān)。 tanfsin1cos210110tancfc12特制分析10cf 式中式中c c 為巖石單軸抗壓強度，為巖石單軸抗壓強度，MPa.MPa.也可按上式計算巖體似內(nèi)摩擦角也可按上式計算巖

8、體似內(nèi)摩擦角k k ：4. 4. 采用堅固性系數(shù)采用堅固性系數(shù)f f（普氏系數(shù)（普氏系數(shù) ）來表征巖）來表征巖體的強度體的強度sin1cos210110tancfc13特制分析5、自然平衡拱的力學(xué)模型及相應(yīng)的計算方法、自然平衡拱的力學(xué)模型及相應(yīng)的計算方法模型1：假定坑道兩幫巖體穩(wěn)定（ f2），而坑道頂部巖體不穩(wěn)定，會發(fā)生冒落而形成自然平衡拱。模型2：假定坑道兩幫巖體也不穩(wěn)定（ f2），發(fā)生剪切破壞，導(dǎo)致平衡拱的跨度擴大。14特制分析（1）模型1 及相應(yīng)的計算方法 A、平衡拱形狀 平衡拱形狀如圖所示，為一條拋物線，其方程為：22xaby B、平衡拱跨度 平衡拱跨度等于坑道跨度，即2a。C、平衡拱

9、高度b:fab 15特制分析16特制分析 E、單位長度平衡拱內(nèi)巖體重量W： faabAW23434F、單位長度坑道上作用在坑道支架上的頂壓pv: faabWpv23434D、平衡拱面積：abdxxababydxabAaa3422220220 10cf 17特制分析（2 2）模型）模型2 2 及相應(yīng)的計算方法及相應(yīng)的計算方法 當(dāng)安全系數(shù)當(dāng)安全系數(shù)22時，坑道兩時，坑道兩幫巖體會發(fā)生剪切破壞，導(dǎo)幫巖體會發(fā)生剪切破壞，導(dǎo)致平衡拱的跨度擴大。致平衡拱的跨度擴大。 A A、平衡拱形狀平衡拱形狀 平衡拱形狀如圖所示，為平衡拱形狀如圖所示，為一條拋物線，其方程為：一條拋物線，其方程為：221xaby k18

10、特制分析B B、平衡拱跨度平衡拱跨度 兩幫巖體發(fā)生剪切破兩幫巖體發(fā)生剪切破壞，其破裂面與水平面的壞，其破裂面與水平面的夾角為夾角為45450 0/2/2，此時平衡此時平衡拱跨度將增大至拱跨度將增大至2 2a a1 1。 )245(222201kHctgaBCaa C C、平衡拱高度平衡拱高度b:b:k )245(101kHctgaffab 19特制分析D D、單位長度坑道上作用在坑道支架上的頂壓單位長度坑道上作用在坑道支架上的頂壓p pv v: : aqabpv22 支架受到的頂壓近支架受到的頂壓近似等于似等于DCCDDCCD部分部分巖體的重量，即巖體的重量，即 bq k20特制分析k 可按滑

11、動土體上有均布荷可按滑動土體上有均布荷載載q= b q= b 作用的擋土墻作用的擋土墻上主動土壓力公式計算，即上主動土壓力公式計算，即)245(tg021kaqqKp 式中式中k k為巖體換算內(nèi)摩擦角，為巖體換算內(nèi)摩擦角，k karctgf arctgf 。1p2pE、支架受到的總的側(cè)壓力支架受到的總的側(cè)壓力Qh:)245(tg)21()(2102221khqHHHppQ aKHqp)(2 21特制分析 實際上，自然平衡拱有各種形狀，在巖層傾斜的情況下，還會產(chǎn)生歪斜的平衡拱，如圖所示。22特制分析普氏平衡拱理論適用于深埋洞室。 可見：松脫壓力是有一定限度的，不是無限增大；采用傳統(tǒng)支護方法時，要

12、盡量使支護與圍巖緊密接觸，使支護更好地發(fā)揮作用，有效控制圍巖破壞。23特制分析（二）太沙基理論計算圍巖壓力（二）太沙基理論計算圍巖壓力 對于軟弱破碎巖體或土體，在巷道淺埋的情況下，對于軟弱破碎巖體或土體，在巷道淺埋的情況下，可以采用太沙基理論計算圍巖壓力?？梢圆捎锰郴碚撚嬎銍鷰r壓力。1 1、太沙基理論的基本假設(shè)、太沙基理論的基本假設(shè)（1 1）仍視巖體為具有一定粘結(jié)力的松散體，其強度服）仍視巖體為具有一定粘結(jié)力的松散體，其強度服從莫爾庫倫強度理論，即從莫爾庫倫強度理論，即 tg c（2 2）假設(shè)坑道開挖后，頂板巖體逐漸下沉）假設(shè)坑道開挖后，頂板巖體逐漸下沉 ，引起，引起應(yīng)力傳遞而作用在支架上

13、，形成坑道壓力。應(yīng)力傳遞而作用在支架上，形成坑道壓力。24特制分析2 2、太沙基圍巖壓力公式、太沙基圍巖壓力公式一般分坑道一般分坑道兩幫巖體穩(wěn)定兩幫巖體穩(wěn)定或或不穩(wěn)定不穩(wěn)定兩種情況考慮。兩種情況考慮。25特制分析1、坑道兩幫巖體穩(wěn)定、坑道兩幫巖體穩(wěn)定 坑道兩幫巖體穩(wěn)定，下沉僅限于頂板上部巖體，如圖，AD和BC為滑動面，并延伸至地表。 兩側(cè)巖體的剪力dF:dztgcdztgcdzdFvh)()( 式中：h，v為在深度Z處的水平應(yīng)力和垂直應(yīng)力，為側(cè)壓力系數(shù)， h/v26特制分析 若地表作用有均布荷載 p，則薄層dz在垂直方向的平衡方程為：dztgcdaadzavvvv)(2)(222 整理得：vv

14、ddzacatg )(acatgdzdvv 于是得：27特制分析 根據(jù)地表邊界條件求A:當(dāng)z=0時，v p，代入上式得： 則垂直應(yīng)力的計算公式為：1 captgA zatgzatgzatgvpeetgcaecaptgtgca )1()1(1 解微分方程得： zatgvAetgca 128特制分析 則垂直應(yīng)力的計算公式：當(dāng)z=H時，v就是 作用在坑道頂壓qv 。 zatgzatgzatgvpeetgcaecaptgtgca )1 ()1(1HatgHatgHzvvpeetgcaq )1()(29特制分析若H ，c0, p=0時，坑道頂壓： 單位長度坑道上的頂壓為： tgaqvv vvaqp2 H

15、atgHatgHzvvpeetgcaq )1()(30特制分析2 2、坑道兩幫巖體不穩(wěn)定、坑道兩幫巖體不穩(wěn)定 坑道兩幫巖體發(fā)生剪坑道兩幫巖體發(fā)生剪切破壞，形成直達地表的切破壞，形成直達地表的破裂面破裂面OCOC和和OCOC并引起巖并引起巖柱體柱體ABBAABBA下沉，產(chǎn)生垂下沉，產(chǎn)生垂直破裂面直破裂面ABAB和和AA BB。A A、坑道頂部下沉的跨度為：坑道頂部下沉的跨度為：H)245(2201hctgaa31特制分析HB、坑道頂壓 坑道頂壓計算方法同上，只需將以上各式中的a以a1代替即可。HatgHatgHzvvpeetgcaq11)1 (1)( 若H ，c0, p=0時，坑道頂壓： tga

16、qvv1 )245(2201hctgaa32特制分析 C、 單位長度坑道上的頂壓為：vvaqp2 D、支架受到的總的側(cè)壓力Qh: 可按滑動土體上有均布荷載q作用的擋土墻上主動土壓力公式計算，即)245(tg)21()(2102221hqhhPPQvh)245(tg021kvavqKqp avKhqp)(2H33特制分析 例題例題 某矩形巷道，寬度為某矩形巷道，寬度為 4 m, 高度為高度為3m，布置在泥，布置在泥質(zhì)頁巖中，巖石質(zhì)頁巖中，巖石的換算內(nèi)摩擦角的換算內(nèi)摩擦角k710，, 巖石重度巖石重度20 kN/m3，按普氏地壓理論試求：，按普氏地壓理論試求： （1）拱的跨度和高度）拱的跨度和高度

17、 ； （2）自然平衡拱的方程式；）自然平衡拱的方程式； （3）支架）支架所受的頂所受的頂壓等于多少？壓等于多少？ 解：解：2a = 4 m , f = tg71=2.9, 20 kN/m3(1) 壓力拱跨度壓力拱跨度 2 a = 4(m) 壓力拱高度壓力拱高度 b =a/f =2/2.9=0.69 (m)(2) 壓力拱方程式：壓力拱方程式： y x2 b/a2 = 0.172 x2 (3) 總頂壓力總頂壓力(kN/m)78.36342 faQv 34特制分析三、三、 坑道支護坑道支護 巖體作為支護結(jié)構(gòu)的組成部分，與支護巖體作為支護結(jié)構(gòu)的組成部分，與支護結(jié)構(gòu)組成共同存載體，它們之間互相依存，結(jié)構(gòu)

18、組成共同存載體，它們之間互相依存，互相制約，協(xié)調(diào)變形，共同承擔(dān)全部圍巖壓互相制約，協(xié)調(diào)變形，共同承擔(dān)全部圍巖壓力。力。35特制分析（一（一 ）離壁式支護的力學(xué)作用）離壁式支護的力學(xué)作用特點：離壁式支護結(jié)構(gòu)如木支架、鋼支架、混凝土砌碹以及鋼筋混凝土支架等與圍巖部分點接觸和部分面接觸。 1、被動承受圍巖壓力。 2、支護及時時，圍巖變形還未達到極限的情況下，在點接觸或面接觸處承受圍巖所產(chǎn)生的壓力（變形壓力）。 3、在完全不接觸的情況下，或支護不及時時，圍巖已發(fā)生松脫，則只承受松脫壓力。 36特制分析（二）噴錨支護（二）噴錨支護 噴錨支護噴錨支護【shotcrete-bolt support】指的是借

19、高壓指的是借高壓噴射水泥混凝土和打入巖層中的金屬錨桿的聯(lián)合作用噴射水泥混凝土和打入巖層中的金屬錨桿的聯(lián)合作用(根據(jù)根據(jù)地質(zhì)情況也可分別單獨采用地質(zhì)情況也可分別單獨采用)加固巖層，分為臨時性支護結(jié)加固巖層，分為臨時性支護結(jié)構(gòu)和永久性支護結(jié)構(gòu)。構(gòu)和永久性支護結(jié)構(gòu)。 噴混凝土是利用噴漿設(shè)備向地下洞室開挖面噴一定厚噴混凝土是利用噴漿設(shè)備向地下洞室開挖面噴一定厚度的混凝土層，借以支護圍巖。由于混凝土噴層密貼圍巖，度的混凝土層，借以支護圍巖。由于混凝土噴層密貼圍巖，并具柔軟性等特點，所以能承受較大荷載，并能控制圍巖并具柔軟性等特點，所以能承受較大荷載，并能控制圍巖變形，充填膠結(jié)巖體表層裂隙，保護和發(fā)揮巖體

20、的潛力。變形，充填膠結(jié)巖體表層裂隙，保護和發(fā)揮巖體的潛力。噴混凝土可以作為洞室圍巖的初期支護，也可以作為永久噴混凝土可以作為洞室圍巖的初期支護，也可以作為永久性支護。噴錨支護是使錨桿、混凝土噴層和圍巖形成共同性支護。噴錨支護是使錨桿、混凝土噴層和圍巖形成共同作用的體系，防止巖體松動、分離。把一定厚度的圍巖轉(zhuǎn)作用的體系，防止巖體松動、分離。把一定厚度的圍巖轉(zhuǎn)變成自承拱，有效地穩(wěn)定圍巖。當(dāng)巖體比較破碎時，還可變成自承拱，有效地穩(wěn)定圍巖。當(dāng)巖體比較破碎時，還可以利用絲網(wǎng)拉擋錨桿之間的小巖塊，增強混凝土噴層，輔以利用絲網(wǎng)拉擋錨桿之間的小巖塊，增強混凝土噴層，輔助噴錨支護。助噴錨支護。 37特制分析38

21、特制分析n噴錨支護在洞室開挖后，噴錨支護在洞室開挖后， 支護及時，與圍巖密支護及時，與圍巖密貼，柔性好，有良好的物理力學(xué)性能。它能侵貼，柔性好，有良好的物理力學(xué)性能。它能侵入圍巖裂隙，封閉節(jié)理，加固結(jié)構(gòu)面和層面，入圍巖裂隙，封閉節(jié)理，加固結(jié)構(gòu)面和層面，提高圍巖的整體性和自承能力，抑制變形的發(fā)提高圍巖的整體性和自承能力，抑制變形的發(fā)展。在支護與圍巖的共同工作中，有效地控制展。在支護與圍巖的共同工作中，有效地控制和調(diào)整圍巖應(yīng)力的重分布，避免圍巖松動和坍和調(diào)整圍巖應(yīng)力的重分布，避免圍巖松動和坍塌，加強圍巖的穩(wěn)定性。它不象傳統(tǒng)的模筑混塌，加強圍巖的穩(wěn)定性。它不象傳統(tǒng)的模筑混凝土襯砌那樣，只是在洞室開挖

22、后被動地承受凝土襯砌那樣，只是在洞室開挖后被動地承受圍巖壓力，而是主動地加固圍巖。目前，對噴圍巖壓力，而是主動地加固圍巖。目前，對噴錨支護作用原理的研究還不完善，有待進一步錨支護作用原理的研究還不完善，有待進一步探索和改進。探索和改進。39特制分析1、噴射混凝土的力學(xué)作用（1）加固圍巖。（2）改善圍巖的應(yīng)力狀 態(tài)。40特制分析2、錨桿支護的力學(xué)作用41特制分析2、錨桿支護的力學(xué)作用42特制分析2、錨桿支護的力學(xué)作用43特制分析2、錨桿支護的力學(xué)作用44特制分析2、錨桿支護的力學(xué)作用45特制分析端部錨固式錨桿錨桿的受力狀態(tài)如圖所示。 設(shè)錨桿預(yù)拉力為Q，巖體變形所產(chǎn)生的拉力為Q，則錨桿的拉應(yīng)力為：

23、224) (4dQQQd 式中：d為錨桿的直徑。 QQQ Q為錨桿所需的最小錨固力，由拉拔試驗確定。46特制分析全長錨固式錨桿錨桿的受力狀態(tài)如圖所示。 錨桿設(shè)計必須滿足下式：QddLt 421式中：d錨桿的直徑； t錨桿材料抗拉強度； Q錨桿變形或移動所產(chǎn)生的最大拉力即最小錨固力，由拉拔試驗確定； 粘結(jié)材料與錨桿和孔壁之間的粘結(jié)強度。 47特制分析（2）錨桿群的力學(xué)作用 C、擠壓加固作用 A、懸吊作用 B、組合作用 48特制分析2、錨桿支護的力學(xué)作用49特制分析3、噴錨聯(lián)合支護的力學(xué)作用（1）開挖后，在坑道周邊形成松動圈和塑性變形區(qū)。噴射混凝土支護，一方面水泥砂漿的膠結(jié)作用提高了松動圈的整體穩(wěn)定性，另一方面噴射混凝土層的柔性，允許圍巖發(fā)生較大的位移而不發(fā)生松脫，能充分發(fā)揮圍巖的自支承能力。（2）錨桿的擠壓加固與圍巖變形的相互作用，進一步加固圍巖，提高其整體承壓能力。 噴錨聯(lián)合支護是軟弱破碎巖體的一種最有效的支護形式，具有主動加固圍巖、充分發(fā)揮圍巖的自支承能力、良好的抗震性能等優(yōu)點。50特制分析錨桿作用試驗51特制分析復(fù)習(xí)思考題復(fù)習(xí)思考題1、什么是原巖應(yīng)力？2、什么是巖爆？什么條件下會產(chǎn)生巖爆？3、什么是圍巖、二次應(yīng)力？4、什么是新奧法？簡述其要點？5、噴錨支護的力學(xué)作用機理是什么？6、什么是圍巖位移和支護特性曲線？支護特性曲線的主要作用是什么？52特制分析