5.4新奥法及喷锚支护

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1、2021/8/615.4 5.4 新奥法及喷锚支护新奥法及喷锚支护2021/8/62小浪底水电站小浪底水电站水电站为地下厂房,其长、宽、高尺寸分别为2515m、262m和61.44m.2021/8/63广州抽水蓄能电站地下厂房广州抽水蓄能电站地下厂房 广州抽水蓄能电站广州抽水蓄能电站(下称广蓄电站下称广蓄电站)位于广东省从化市吕位于广东省从化市吕田镇田镇,总装机总装机2400MW,是目前世界上最大的抽水蓄能电是目前世界上最大的抽水蓄能电站。该工程分二期完成站。该工程分二期完成,每期工程均为每期工程均为4300MW。分。分别于别于1994年年3月和月和2000年年6月建成投产。月建成投产。广蓄电

2、站的土建工程主要是地下建筑广蓄电站的土建工程主要是地下建筑,其中地下厂房深其中地下厂房深埋于地面以下埋于地面以下450m,开挖尺寸开挖尺寸:长长146.5m,宽宽21m,高高44.54m。地下厂房等洞室群中。地下厂房等洞室群中,凡不过水洞室均采用喷凡不过水洞室均采用喷锚支护作为永久支护锚支护作为永久支护,过水隧洞的临时支护同样采用喷过水隧洞的临时支护同样采用喷锚支护。锚支护。2021/8/642021/8/65 一、一、新奥法新奥法n新奥法（新奥地利隧道施工法新奥法（新奥地利隧道施工法）（New Austrian Tunnelling Method）”（NATM）法，奥地利学者拉布西维兹教授于

3、二十世纪法，奥地利学者拉布西维兹教授于二十世纪50年代提出的年代提出的。n新奥法的主要原则：新奥法的主要原则：n（1）充分保护围岩，减少对围岩的扰动。）充分保护围岩，减少对围岩的扰动。n（2）充分发挥围岩的自承能力。）充分发挥围岩的自承能力。n（3）尽快使支护结构闭合。）尽快使支护结构闭合。n（4）加强监测，根据监测数据指导施工。）加强监测，根据监测数据指导施工。n可扼要地概括为可扼要地概括为“少扰动、早喷锚、快封闭、勤测量少扰动、早喷锚、快封闭、勤测量”n优点：较好利用岩体力学特性，充分发挥围岩的自身的承载能力，合优点：较好利用岩体力学特性，充分发挥围岩的自身的承载能力，合理设计支护结构和施

4、工顺序。理设计支护结构和施工顺序。2021/8/66 支护支护-围岩共同作用原理围岩共同作用原理 围岩既是生产支护荷载的主体，又是承受岩层围岩既是生产支护荷载的主体，又是承受岩层荷载的结构，支护荷载的结构，支护-围岩作为整体相互作用，共同围岩作为整体相互作用，共同承担围岩压力。摒弃了过去岩体作为对支护结构承担围岩压力。摒弃了过去岩体作为对支护结构的荷载采用厚衬砌的传统做法。的荷载采用厚衬砌的传统做法。围岩压力是变形压力和松动压力的组合，大部分围岩压力是变形压力和松动压力的组合，大部分压力压力(特别是变形压力特别是变形压力)由围岩自身承担，只有少部由围岩自身承担，只有少部分转移到支护结构上；支护

5、荷载既取决于围岩的分转移到支护结构上；支护荷载既取决于围岩的性质，又取决于支护结构的刚度和支护时间；围性质，又取决于支护结构的刚度和支护时间；围岩的松动区和围岩内的二次应力状态又与支护结岩的松动区和围岩内的二次应力状态又与支护结构的性质和支护时间有关。构的性质和支护时间有关。2021/8/67支护时间刚度早晚刚2021/8/68 柔性支护观点柔性支护观点 支护刚度不必太大，当支护做完后，能与支护刚度不必太大，当支护做完后，能与岩体一起产生一定的位移，释放部分变形能，岩体一起产生一定的位移，释放部分变形能，但又能使支护足以保持平衡，保持围岩稳定。但又能使支护足以保持平衡，保持围岩稳定。柔性支护，

6、尽早支护，既及时封闭围岩，防柔性支护，尽早支护，既及时封闭围岩，防止风化，又能释放变形能，合理利用围岩与支止风化，又能释放变形能，合理利用围岩与支护共同承担应力调整过程中的所有作用。护共同承担应力调整过程中的所有作用。支护结构为闭合环，支护结构为闭合环，。2021/8/69 设计、施工、监测一条龙作业方式设计、施工、监测一条龙作业方式工程地质调查与相关实验工程开挖与支护设计施工与监测是否稳定返回2021/8/610二、二、压力拱理论计算围岩压力压力拱理论计算围岩压力（一）（一）普氏平衡拱理论普氏平衡拱理论 1 1、自然平衡拱（压力拱）的概念、自然平衡拱（压力拱）的概念 普洛托.季雅克诺夫202

7、1/8/6112 2、在松散体中形成压力拱的条件、在松散体中形成压力拱的条件 坑道埋深坑道埋深Z(2Z(22.5)b,b2.5)b,b为压力拱高度。为压力拱高度。2021/8/6123 3、普氏理论假设条件、普氏理论假设条件（1）将岩体视为松散体。式中：为岩体似内摩擦角。（2）洞顶岩体能够形成压力拱。（3）沿拱切线方向只作用有压应力，而不能承受拉应力。自然平衡拱以上的岩体重量通过拱传递到两帮，对拱内岩体不产生任何影响。即作用在支架上的顶压仅为拱内岩体重量，与拱外岩体和坑道埋深无关。tanfsin1cos210110tancfc2021/8/61310cf 式中式中c c 为岩石单轴抗压强度，为

8、岩石单轴抗压强度，MPa.MPa.也可按上式计算岩体似内摩擦角也可按上式计算岩体似内摩擦角k k ：4.4.采用坚固性系数采用坚固性系数f f（普氏系数（普氏系数 ）来表征岩）来表征岩体的强度体的强度sin1cos210110tancfc2021/8/6145、自然平衡拱的力学模型及相应的计算方法、自然平衡拱的力学模型及相应的计算方法模型1：假定坑道两帮岩体稳定（f2），而坑道顶部岩体不稳定，会发生冒落而形成自然平衡拱。模型2：假定坑道两帮岩体也不稳定（f2），发生剪切破坏，导致平衡拱的跨度扩大。2021/8/615（1）模型1 及相应的计算方法 A、平衡拱形状 平衡拱形状如图所示，为一条抛物

9、线，其方程为：22xaby B、平衡拱跨度 平衡拱跨度等于坑道跨度，即2a。C、平衡拱高度b:fab 2021/8/6162021/8/617 E、单位长度平衡拱内岩体重量W：faabAW23434F、单位长度坑道上作用在坑道支架上的顶压pv:faabWpv23434D、平衡拱面积：abdxxababydxabAaa3422220220 10cf 2021/8/618（2 2）模型）模型2 2 及相应的计算方法及相应的计算方法 当安全系数当安全系数22时，坑道两时，坑道两帮岩体会发生剪切破坏，导帮岩体会发生剪切破坏，导致平衡拱的跨度扩大。致平衡拱的跨度扩大。A A、平衡拱形状平衡拱形状 平衡拱

10、形状如图所示，为平衡拱形状如图所示，为一条抛物线，其方程为：一条抛物线，其方程为：221xaby k2021/8/619B B、平衡拱跨度平衡拱跨度 两帮岩体发生剪切破两帮岩体发生剪切破坏，其破裂面与水平面的坏，其破裂面与水平面的夹角为夹角为45450 0/2/2，此时平衡此时平衡拱跨度将增大至拱跨度将增大至2 2a a1 1。)245(222201kHctgaBCaa C C、平衡拱高度平衡拱高度b:b:k )245(101kHctgaffab 2021/8/620D D、单位长度坑道上作用在坑道支架上的顶压单位长度坑道上作用在坑道支架上的顶压p pv v:aqabpv22 支架受到的顶压近

11、支架受到的顶压近似等于似等于DCCDDCCD部分部分岩体的重量，即岩体的重量，即 bq k2021/8/621k 可按滑动土体上有均布荷可按滑动土体上有均布荷载载q=b q=b 作用的挡土墙作用的挡土墙上主动土压力公式计算，即上主动土压力公式计算，即)245(tg021kaqqKp 式中式中k k为岩体换算内摩擦角，为岩体换算内摩擦角，k karctgf arctgf。1p2pE、支架受到的总的侧压力支架受到的总的侧压力Qh:)245(tg)21()(2102221khqHHHppQ aKHqp)(2 2021/8/622 实际上，自然平衡拱有各种形状，在岩层倾斜的情况下，还会产生歪斜的平衡拱

12、，如图所示。2021/8/623普氏平衡拱理论适用于深埋洞室。可见：松脱压力是有一定限度的，不是无限增大；采用传统支护方法时，要尽量使支护与围岩紧密接触，使支护更好地发挥作用，有效控制围岩破坏。2021/8/624（二）太沙基理论计算围岩压力（二）太沙基理论计算围岩压力 对于软弱破碎岩体或土体，在巷道浅埋的情况下，对于软弱破碎岩体或土体，在巷道浅埋的情况下，可以采用太沙基理论计算围岩压力。可以采用太沙基理论计算围岩压力。1 1、太沙基理论的基本假设、太沙基理论的基本假设（1 1）仍视岩体为具有一定粘结力的松散体，其强度服）仍视岩体为具有一定粘结力的松散体，其强度服从莫尔库伦强度理论，即从莫尔库

13、伦强度理论，即 tg c（2 2）假设坑道开挖后，顶板岩体逐渐下沉）假设坑道开挖后，顶板岩体逐渐下沉 ，引起，引起应力传递而作用在支架上，形成坑道压力。应力传递而作用在支架上，形成坑道压力。2021/8/6252 2、太沙基围岩压力公式、太沙基围岩压力公式一般分坑道一般分坑道两帮岩体稳定两帮岩体稳定或或不稳定不稳定两种情况考虑。两种情况考虑。2021/8/6261、坑道两帮岩体稳定、坑道两帮岩体稳定 坑道两帮岩体稳定，下沉仅限于顶板上部岩体，如图，AD和BC为滑动面，并延伸至地表。两侧岩体的剪力dF:dztgcdztgcdzdFvh)()(式中：h，v为在深度Z处的水平应力和垂直应力，为侧压力

14、系数，h/v2021/8/627 若地表作用有均布荷载 p，则薄层dz在垂直方向的平衡方程为：dztgcdaadzavvvv)(2)(222 整理得：vvddzacatg )(acatgdzdvv 于是得：2021/8/628 根据地表边界条件求A:当z=0时，v p，代入上式得：则垂直应力的计算公式为：1 captgA zatgzatgzatgvpeetgcaecaptgtgca )1()1(1 解微分方程得：zatgvAetgca 12021/8/629 则垂直应力的计算公式：当z=H时，v就是 作用在坑道顶压qv。zatgzatgzatgvpeetgcaecaptgtgca )1()1(

15、1HatgHatgHzvvpeetgcaq )1()(2021/8/630若H，c0,p=0时，坑道顶压：单位长度坑道上的顶压为：tgaqvv vvaqp2 HatgHatgHzvvpeetgcaq )1()(2021/8/6312 2、坑道两帮岩体不稳定、坑道两帮岩体不稳定 坑道两帮岩体发生剪坑道两帮岩体发生剪切破坏，形成直达地表的切破坏，形成直达地表的破裂面破裂面OCOC和和OCOC并引起岩并引起岩柱体柱体ABBAABBA下沉，产生垂下沉，产生垂直破裂面直破裂面ABAB和和AA BB。A A、坑道顶部下沉的跨度为：坑道顶部下沉的跨度为：H)245(2201hctgaa2021/8/632H

16、B、坑道顶压 坑道顶压计算方法同上，只需将以上各式中的a以a1代替即可。HatgHatgHzvvpeetgcaq11)1(1)(若H，c0,p=0时，坑道顶压：tgaqvv1 )245(2201hctgaa2021/8/633 C、单位长度坑道上的顶压为：vvaqp2 D、支架受到的总的侧压力Qh:可按滑动土体上有均布荷载q作用的挡土墙上主动土压力公式计算，即)245(tg)21()(2102221hqhhPPQvh)245(tg021kvavqKqp avKhqp)(2H2021/8/634 例题例题 某矩形巷道，宽度为某矩形巷道，宽度为 4 m,高度为高度为3m，布置在泥，布置在泥质页岩中

17、，岩石质页岩中，岩石的换算内摩擦角的换算内摩擦角k710，,岩石重度岩石重度20 kN/m3，按普氏地压理论试求：，按普氏地压理论试求：（1）拱的跨度和高度）拱的跨度和高度；（2）自然平衡拱的方程式；）自然平衡拱的方程式；（3）支架）支架所受的顶所受的顶压等于多少？压等于多少？解：解：2a=4 m,f=tg71=2.9,20 kN/m3(1)压力拱跨度压力拱跨度 2 a=4(m)压力拱高度压力拱高度 b=a/f=2/2.9=0.69(m)(2)压力拱方程式：压力拱方程式：y x2 b/a2=0.172 x2(3)总顶压力总顶压力(kN/m)78.36342 faQv 2021/8/635三、三

18、、坑道支护坑道支护 岩体作为支护结构的组成部分，与支护岩体作为支护结构的组成部分，与支护结构组成共同存载体，它们之间互相依存，结构组成共同存载体，它们之间互相依存，互相制约，协调变形，共同承担全部围岩压互相制约，协调变形，共同承担全部围岩压力。力。2021/8/636（一（一）离壁式支护的力学作用）离壁式支护的力学作用特点：离壁式支护结构如木支架、钢支架、混凝土砌碹以及钢筋混凝土支架等与围岩部分点接触和部分面接触。1、被动承受围岩压力。2、支护及时时，围岩变形还未达到极限的情况下，在点接触或面接触处承受围岩所产生的压力（变形压力）。3、在完全不接触的情况下，或支护不及时时，围岩已发生松脱，则只

19、承受松脱压力。2021/8/637（二）喷锚支护（二）喷锚支护 喷锚支护喷锚支护【shotcrete-bolt support】指的是借高压指的是借高压喷射水泥混凝土和打入岩层中的金属锚杆的联合作用喷射水泥混凝土和打入岩层中的金属锚杆的联合作用(根据根据地质情况也可分别单独采用地质情况也可分别单独采用)加固岩层，分为临时性支护结加固岩层，分为临时性支护结构和永久性支护结构。构和永久性支护结构。喷混凝土是利用喷浆设备向地下洞室开挖面喷一定厚喷混凝土是利用喷浆设备向地下洞室开挖面喷一定厚度的混凝土层，借以支护围岩。由于混凝土喷层密贴围岩，度的混凝土层，借以支护围岩。由于混凝土喷层密贴围岩，并具柔软

20、性等特点，所以能承受较大荷载，并能控制围岩并具柔软性等特点，所以能承受较大荷载，并能控制围岩变形，充填胶结岩体表层裂隙，保护和发挥岩体的潜力。变形，充填胶结岩体表层裂隙，保护和发挥岩体的潜力。喷混凝土可以作为洞室围岩的初期支护，也可以作为永久喷混凝土可以作为洞室围岩的初期支护，也可以作为永久性支护。喷锚支护是使锚杆、混凝土喷层和围岩形成共同性支护。喷锚支护是使锚杆、混凝土喷层和围岩形成共同作用的体系，防止岩体松动、分离。把一定厚度的围岩转作用的体系，防止岩体松动、分离。把一定厚度的围岩转变成自承拱，有效地稳定围岩。当岩体比较破碎时，还可变成自承拱，有效地稳定围岩。当岩体比较破碎时，还可以利用丝

21、网拉挡锚杆之间的小岩块，增强混凝土喷层，辅以利用丝网拉挡锚杆之间的小岩块，增强混凝土喷层，辅助喷锚支护。助喷锚支护。2021/8/6382021/8/639n喷锚支护在洞室开挖后，喷锚支护在洞室开挖后，支护及时，与围岩密支护及时，与围岩密贴，柔性好，有良好的物理力学性能。它能侵贴，柔性好，有良好的物理力学性能。它能侵入围岩裂隙，封闭节理，加固结构面和层面，入围岩裂隙，封闭节理，加固结构面和层面，提高围岩的整体性和自承能力，抑制变形的发提高围岩的整体性和自承能力，抑制变形的发展。在支护与围岩的共同工作中，有效地控制展。在支护与围岩的共同工作中，有效地控制和调整围岩应力的重分布，避免围岩松动和坍和

22、调整围岩应力的重分布，避免围岩松动和坍塌，加强围岩的稳定性。它不象传统的模筑混塌，加强围岩的稳定性。它不象传统的模筑混凝土衬砌那样，只是在洞室开挖后被动地承受凝土衬砌那样，只是在洞室开挖后被动地承受围岩压力，而是主动地加固围岩。目前，对喷围岩压力，而是主动地加固围岩。目前，对喷锚支护作用原理的研究还不完善，有待进一步锚支护作用原理的研究还不完善，有待进一步探索和改进。探索和改进。2021/8/6401、喷射混凝土的力学作用（1）加固围岩。（2）改善围岩的应力状 态。2021/8/6412、锚杆支护的力学作用2021/8/6422、锚杆支护的力学作用2021/8/6432、锚杆支护的力学作用20

23、21/8/6442、锚杆支护的力学作用2021/8/6452、锚杆支护的力学作用2021/8/646端部锚固式锚杆锚杆的受力状态如图所示。设锚杆预拉力为Q，岩体变形所产生的拉力为Q，则锚杆的拉应力为：224)(4dQQQd 式中：d为锚杆的直径。QQQ Q为锚杆所需的最小锚固力，由拉拔试验确定。2021/8/647全长锚固式锚杆锚杆的受力状态如图所示。锚杆设计必须满足下式：QddLt 421式中：d锚杆的直径；t锚杆材料抗拉强度；Q锚杆变形或移动所产生的最大拉力即最小锚固力，由拉拔试验确定；粘结材料与锚杆和孔壁之间的粘结强度。2021/8/648（2）锚杆群的力学作用 C、挤压加固作用 A、悬

24、吊作用 B、组合作用 2021/8/6492、锚杆支护的力学作用2021/8/6503、喷锚联合支护的力学作用（1）开挖后，在坑道周边形成松动圈和塑性变形区。喷射混凝土支护，一方面水泥砂浆的胶结作用提高了松动圈的整体稳定性，另一方面喷射混凝土层的柔性，允许围岩发生较大的位移而不发生松脱，能充分发挥围岩的自支承能力。（2）锚杆的挤压加固与围岩变形的相互作用，进一步加固围岩，提高其整体承压能力。喷锚联合支护是软弱破碎岩体的一种最有效的支护形式，具有主动加固围岩、充分发挥围岩的自支承能力、良好的抗震性能等优点。2021/8/651锚杆作用试验2021/8/652复习思考题复习思考题1、什么是原岩应力？2、什么是岩爆？什么条件下会产生岩爆？3、什么是围岩、二次应力？4、什么是新奥法？简述其要点？5、喷锚支护的力学作用机理是什么？6、什么是围岩位移和支护特性曲线？支护特性曲线的主要作用是什么？部分资料从网络收集整理而来，供大家参考，感谢您的关注！