1、下坑隧道喷混凝土支护设计 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，围岩属类（f值等于1.02.0），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+080DK2946+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1017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
2、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：
3、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=6毫米，横向=12毫米。二、柔性衬砌理论的初步应用二、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。22124.36cos()A DD CR cC DarctgA D米（虽然这种作法是不尽合理的，但是偏于安全的）ACD
4、B 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=C+tg相切时，岩体进入塑性状态，如图3：由简单几何关系可得：13132cos2sin21 sin1 sinCO D 此式亦即是“塑性判据”。在平面极坐标系中（图4）知有平衡方程：因为围岩为各向同性的均匀连续介质，岩体似处静水压力场，N=1则=0 得：（1）围岩处塑性状态时：(2)0 0rrdrdr2cos2sin1 sin1 sinrrC1010rrrrrrrrrrr(3)(4)(6)(5)(9)(7)(8)这就是松动范围与径
5、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r=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2sin()()02rrrddrrdrdrddr rdr dr()0rrdrrdrdr1sin()1sinrC ctgC ctg 当r=r0时r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，仍与未松动时不变，上式简化为：3sin2sin1 sin1 sin(1 sin)1()()1 3sinrrrrrC ctgC ctgRR 3sin11 si
6、n00(1 sin)1()3sin1rrPaR(12)式中：岩体容重（T/m3）R松弛区半径（m）P0初始应力（静水压力场P0=h）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=Cctg；a2=（P0+a）(1-sin);030(1 sin)a=3sin12sinn=;1 sinrrxRPimin=a3（1M）（13）取 再令 本隧道计算中取C=4.5T/m2，Po=h=50T/m2=25，则n=1.472，对M取0.1-1得f1（M）诸值作曲线如图7。132a+aaA32aaB 112()
7、;()=AB;nnf MMfMM13322a+aa0.825;0.545aaAB 式中：PB1第一次喷层支抗护力B喷层抗剪强度（72小时抗压强度为142kg/cm2）剪切面倾角（只考虑喷合取=0）岩体剪切角（由于滑移面与最大主应力迹线处处成）（参见图）d第一次喷层厚cmb剪切区高度b2RCcosp=8.06米滑移体与洞壁交点与纵轴所成圆心角，此时=32.521min2cos5.25sinBBidPTmPb图8l0PM=0.1SCdL/et=10.7T/m2Pimin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（1m2）也就
8、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。()2 1dtgrdydrddxrtgdr()1dytgctgctgdxctg tgdx=cosdr-rsinddy=sindr-rcosd又滑面的切线斜率：故 积分得 （14）对于=25的下坑千枚岩地层，如前所述，滑移面与最大主应力迹线处成，按（14）式作图9，再取L/RC=0.458交该曲线得=55，重复上述计算，则b=2RCcos=5.0米。4532.520,2drctgrrdr当drdctgr00(),2rr etgrr当()201tgler
9、 喷层支护抗力：式中各项符号意义同前，但d取二次喷层厚10厘米，B取28天抗压强度的10%为20T/m2，考虑锚喷网取 锚杆抗力：由于网格与锚杆焊接，只要锚杆在初期支护中未曾被破坏，锚杆不可能被单根拨出，图10可见，锚杆提供的抗力系平均承担剪切区高度b上的径向抗力，采用下式计算：22cos13.7/sinBBdPTmb22.524 式中：PM锚杆抗力 FM一根锚杆断面积0.00038m2 p锚杆抗拉强度38000T/m2 锚杆平均倾角=（90p）=17.5 et锚杆间距（米）a（如图10）其值 M22aFcos14.7/pMPT me t b()2.66180 2CR米 钢筋网抗力系指横向（环
10、向）钢筋的剪切区上提供的平均分配在剪切区高度上的抗剪力即：式中：Fy一根机工向钢筋断面12，Fy=0.000113米2 y钢筋抗剪强度23800T/m2 E钢筋横向间距取0.2米。其余符号同前。总支护抗力P=PB+PM+Py=37.65T/m2 本设计安全系数 22cos9.25/sinVFyyPT mE b min8.2iPnPa0.2WrnJJRQDQJJSRFnRQDJarJJWJSRF 拱部：B（隧道开挖宽度）=6.26米，h（隧道开挖高度）=7.16米，巴屯调查结果认为对铁路隧道ESR取1，即当量尺寸B/ESR=6.26，得支护类型为31型（4），又因为RQD/Jn=2.01.5，由
11、表1选用支护形式为S（mr）7.525厘米，较地质同志原推荐略有出入。注：RQD岩石质量指标，RQD=115-3.3JV,JV节理组数/立方米，下坑JV为27。Jn节理组数取12，Jr节理粗糙系数取20，Ja节理蚀变系数，取4JW节理含水析减系数取1；SRF应力析减系数，取5 对于边墙：巴屯调查认为，边墙和拱部有一定的关系，他们利用所谓“边墙质量”来调整这一关系，则对0.1Q10的边墙质量采用2.5Q，则“Q”=0.5，坏地层，当量尺寸为h/ESR=7.16，（h墙高），同理得推荐支护类型27型（4）,又 据h/ESR=7.1612由表1得支护形式为B（utg）1米+S（mr）57.5厘米，较
12、地质同志提供的亦不尽相同（utg灌浆锚杆）。可见，本设计理论检算是可行的，也基本符合巴屯提出的经验数字，设计是可以信赖的。可见如若由实验室得出p和c、的关系曲线后可据（15）式解得弹塑性边界R，再由（9）解得Pi后作Piua曲线，找其Pimin对应的ua，并取uaua（为控制变形值，应尽量不使Pi过大）本隧道依据上述方法，参照现场量测结果，在特定假设条件下（因未作三轴抗压试验）就支护抗力和塑性半径进行过试算，当采用变形为0.02米时Pi近似为4kg/cm2，此时R为6.4米，与原计算数据亦趋接近。关于“巴屯”方法，我们考虑在使用中尚应注意其图表和公式的一致性。本隧道在使用巴屯方法中，按其经验公
13、式计算有如下情况：或 而使用“巴屯”的“估计支护压力经验方法”（4）应为P拱顶=2.2-5.5kg/cm2可见以公式计算结果相差较大，故我们认为，采用此法在选用Jn及Jr值时应慎重。Q=+（Jr）Q=+（Jn）则 P拱顶=（Jr）或P拱顶=（Jn）为了说明问题，仍假定Q=0.2为定值推算Jr及Jn的取用范围 P拱顶=2.2-5.5 kg/cm21232.0P()1.71/rQkg cmJ拱顶11/2322P1.97/3nrjQkg cmJ拱顶 则2.2 5.5得0.622Jr1.555可取1.5 又由 5.5得8.38Jn52可取9、12或15，也就是说，当Q=0.2时Jr、Jn的值受到限制，
14、反之如若Jr、Jn选定Q值就受限制，因此在选用六个基本参数时应该全盘考虑，不可顾此失彼（边墙压力也同样有此问题，此处不赘述）。可见，巴屯方法的引用尚应进一步探讨。132.0rQJ11/2323nrJQJ 本隧道设计施工力求仿“新奥法”，经对乙式断面分析结果表明，据以施工的主要设计参数是可靠的，也属基本合理。如前所述，“新奥法”是以弹塑性理论为基础的，由于其假设条件与千变万化的围岩性质有着很大的差异，我们认为，在目前情况下作此类设计，似应以多种办法加以校核和适当加大安全系数的办法为好。参 考 资 料1西科所，圆形洞室软弱围岩弹塑性分析 1975.10289002部队“喷锚支护整体加固岩洞的设计方法”1977.93日本施工技术新奥法的支护理论隧道译丛 1979第一期4巴屯等隧道支护所需的岩体工程分类隧道译丛1975第6期1976第1期
