下坑隧道喷混凝土支护设计.ppt

下坑隧道喷混凝土支护设计赵尚林 刘良国（本文获湖北省1980年优秀论文一等奖） 下坑隧道位于皖赣线安徽省祁门县境内，隧道穿过极严重风化破碎的千枚岩，岩层层面摺曲显著，节理裂隙发育，岩体为灰黑色、绿色，强烈风化后为黄褐色，主要由泥质组成，遇水浸泡后很快软化，围岩属Ⅱ～Ⅲ类（f值等于1.0～2.0），呈碎片状，覆盖层仅20米。由部决定：在该隧道进行“软弱围岩中喷锚支护和光面爆破试验”；经协商，确定于该隧道 DK2945+080～DK2946+022共长42米为试 验段；1979年4月正式施工，测试工作基本上同时进行，同年10月，试验基本结束，有关专题，均作出试验报告，1980年5月10~17日，参加试验检查组，前往该隧道进行复查，结果是“各项量测的变化率，都比前一段期间大大减缓”。“进出口模注段，裂缝5条，长11米……锚喷网段未发现裂缝”。总的讲来，“支护可靠，状态良好”。通过下坑隧道的实践表明，对大多数岩体来说，采用光爆喷锚支护来改善围岩的稳定性是可行的，值得推广。为总结经验兹将设计情况阐述如下，谬误之处，在所难免，请不吝指教。 一、设计概况 隧道全长65米，全部处于线路曲线半径为400米的曲线上，线路纵坡为4.3‰，向出口方向为单向下坡，设计如图1所示。 两洞口端设置明洞及洞口加强衬砌，试验原分为三段：锚喷+模注段（甲式）；锚喷段（丁式）；锚喷网段（乙式）。后据施工状况取消锚喷段，故实际施工仅为甲式和乙式。原设计按工程类比法选用的主要设计参数为：1.甲式：第一次喷层厚8厘米，锚杆间距100厘米×100厘米，后作模注厚25厘米。2.乙式：第一次喷层厚8厘米，第二次喷层厚10厘米。共计喷层厚18厘米，锚杆间距100厘米×100厘米，钢筋网格20厘米×20厘米，钢筋直径纵向φ=6毫米，横向φ=12毫米。 二、柔性衬砌理论的初步应用 “新奥法”是建立在弹塑性理论基础上的，它首先假定： 1.视围岩为均质的、各向同性的连续介质； 2.只考虑自重造成的应力场； 3.坑道形状以圆形洞室为主； 4.坑道位于一定的深度，为无限体中的孔洞问题。 由于洞室处于符合弹性理论基本假定的围岩中，假定其开挖过程中的粘着力C及围岩中内摩擦角φ不变，则围岩应力状态符合莫尔——库伦理论，即认为当某点应力状态的应力圆与破坏包络线τ=C+σtgφ相切时，岩体进入塑性状态，如图3：由简单几何关系可得： 这就是松动范围与径向抗力的关系式，亦即与所谓Fener方程相似。 为得最小支护抗力，还必须了解松动范围和岩体压力的关系。仍取单元体的受力状态作分析（如图5）。 取Σσr=0 忽略高阶项得平衡方程： (10) 又由摩尔——库伦条件可得： (11) 将式（11）代入（10）经变换可得 当r=r0时σr即为作用在支护上的围岩压力Pa。假定松动范围的岩体C=0，φ仍与未松动时φ不变，上式简化为： 求最小抗力即求式（9）和式（12）两曲线之交点，如图6。 解上述方程是比较费事的，为简化计算，可以假定某些系数，使用图解法，使复杂的计算简单化。 令a1=C·ctgφ； a2=（P0+a）(1-sinφ); ∴Pimin=a3（1－M）　　　 　　（13） 取 　　　 再令　 本隧道计算中取C=4.5T/m2，Po=γh=50T/m2φ=25°， 则n=1.472，对M取0.1-1得f1（M）诸值作曲线如图7。 式中：PB1——第一次喷层支抗护力 τB——喷层抗剪强度（72小时抗压强度为142kg/cm2） φ——剪切面倾角（只考虑喷合取φ=0） α——岩体剪切角（由于滑移面与最大主应力迹线处 处成 ）（参见图８） d——第一次喷层厚８cm b——剪切区高度b＝2RCcosp=8.06米 ρ——滑移体与洞壁交点与纵轴所成圆心角，此时 ρ=α=32.5° PM=0.1SCπdL/et=10.7T/m2＞Pimin 式中：L——粘结长度（取200cm） d——锚杆孔直径（取3.4cm） SC——岩石单轴抗压强度（50kg/cm2） et——锚杆纵横间距（1×m2） 也就是说第一次喷层开裂后，岩层仍处于基本稳定状态。 作为永久支护，应以不产生裂纹为目的。设计中考虑锚喷网的共同作用。 图8表示圆形洞体滑移线与洞体的关系。