1、9 9 新奥法与锚喷支护新奥法与锚喷支护9.1 概述新奥法简介n奥地利学者L.V.Rabcewicz二十世纪60年代出提出了“新奥地利隧道施工法”。nNew Austrian Tunnelling Method简称为“新奥法”（NATM）。n“欧洲隧道掘进法”或“收敛约束法”（Convergence Confinement Method）。n新奥法：围岩本身具有“自承”能力，若采用正确的设计施工方法，最大限度地发挥这种自承能力，即可以使得经济效果达到最佳。要点：要点：n尽可能不扰动周边围岩，开挖之后及时进行一次支护，然后视需要进行二次支护。n支护都是柔性的，以适应围岩的变形。n目前采用经验统计
2、类比的方法做预设计，再在施工过程中不断监测围岩的应力、应变状况，按其发展规律来调整支护措施。9.1 概述适用条件及要求适用条件及要求n深埋、浅埋、中等埋深 均可；n勘测、设计、施工、控制各环节密切配合；n尽可能地发挥围岩的自承作用，采用控制爆破（光面爆破、预裂爆破）。9.1 概述新奥法的优点n（1）经济、快速。n若以面积A为100，设计衬砌量B和超挖量的面积C。可以看出，由于采用控制爆破、柔性n薄衬砌，新奥法的开挖量为老方法的73（110/151），衬砌量为老方法的20。此外，还可省去全部木模和40以上的混凝土，降低支护成本30以上 n2）安全、适应性强 表8-1 老方法与新奥法工程量对比老方
3、法新奥法有效使用面积A100100混凝土衬砌面积B367超挖面积C153B+C51109.1 概述新奥法的主要原则n（1）围岩是洞室的主要承载结构，而不是单纯的荷载，它具有一定的自承能力。n（2）尽量保持围岩原有的结构和强度；n（3）尽可能作到适时支护。n（4）支护本身应具有薄、柔、与围岩密贴和早强等特性，支护施工应及时快速，使围岩尽快封闭而处于三向受力状态。n（5）洞室尽可能为圆形断面，或由光滑曲线连接而形成的断面，以避免应力集中。n（6）良好的施工组织和施工人员的良好素质对洞室结构施工的安全、经济非常重要。锚喷支护锚喷支护n锚喷支护（Shotcrete and Bolting）是采用喷射混
4、凝土、钢筋网喷射混凝土、锚杆喷射混凝土或锚杆钢筋网喷射混凝土等在毛洞开挖后及时地对地层进行加固的结构。9.1 概述锚喷支护的优点n节省、加快施工进度；n符合岩体力学原理的积极支护方法；n柔性好，它能与围岩变形一致，从而与之构成一个共同工作的承载体系；n锚喷支护技术不再把围岩仅仅视作荷载（松散压力），同时还把它视为承载结构的组成部分。锚喷支护结构承受荷载的性质为围岩的形变压力。锚喷支护的适用条件及要求n配合光面爆破等控制爆破技术，使开挖断面轮廓平整、准确，便于锚喷成型，并减少回弹量；n减轻爆破对围岩的松动破坏，维持围岩强度和自承能力。新奥法与锚喷支护n不能将新奥法等同于锚喷支护；n既有密切联系又
5、有原则区别；n锚喷支护的快速有效的支护施工手段，才有可能使新奥法的基本原则得以实现。n不把围岩看成自承结构，不充分发挥围岩本身的作用，即使大量采用锚喷支护，也不能认为是应用了新奥法。9.2 隧道围岩压力的确定n9.2.1 围岩压力 n开挖隧道使围岩原有的平衡状态破坏了，对隧道周围一定范围内的围岩产生了不同程度的扰动。n支护结构要阻止围岩的移动、变形，支护结构就必然要受到围岩所施加的力，即围岩压力。初始应力 n平衡状态下的三向应力：HHzyxz1隧道开挖前后的变化 硬岩及软岩在隧道开挖后应力重新分布范围的大小与地质条件有关，一般为隧道开挖跨度的0.52.5倍。n在坚硬、完整岩体中，由于岩体强度高
6、，影响范围小，岩体能承受周边急剧增大的应力，可使隧道保持稳定，一般只有弹性变形而不会破坏；n而在松软、破碎岩体中，由于岩体不能承受增大的应力，在一定范围内的岩石就要松动、破坏并向隧道内坍塌。n围岩压力类型有垂直压力、侧压力和底压力，9.2.2 隧道围岩压力的确定n1）深埋隧道围岩压力的确定ni为每增减1m时的围岩压力增减率。以B5.0m的围岩垂直均布压力为准，当B60MPa nV:呈大块状砌体结构硬质岩石,Rb30MPa nIV:呈块（石）碎（石）状镶嵌结构 nIII:略具压密或成岩作用的粘性土、砂性土nII:湿的一般碎、卵石土，圆砾、角砾土及黄土 nI：软塑状粘性土及潮湿的粉细砂等 表9-3
7、 各类围岩的重度围岩类别(kN/m3)25.527.424.526.522.524.518.621.616.719.614.716.7注：对类围岩的老黄土采用16.717.6kN/m3；对类围岩的新黄土采用14.7kN/m3。表9-4 围岩水平均布压力e围岩类别、e00.15q(0.150.3)q(0.30.5)q(0.51.0)q必须同时具备下列条件：n（1）H/B1.7，H为隧道开挖高度，B为隧道开挖宽度。n（2）不产生膨胀力的围岩及偏压不显著的隧道；n（3）采用钻爆法施工的隧道。2）浅埋隧道围岩压力的确定n按荷载等效高度的判定式为：n在新奥法施工的条件下，类围岩取 ，类围岩 。qphH)
8、5.20.2(qhqqphH5.2qphH0.2（1）埋深H小于或等于荷载等效高度hqn围岩压力完全由上覆岩（土）柱的重力产生，视为均布时，垂直压力和水平压力为：Hq)245()tg2(o2tHHe（2）埋深H大于hq、小于Hpn在这种情况下，隧道上覆土体下滑时要考虑滑面阻力的影响，否则计算出的压力值过大。（2）埋深H大于hq、小于HpEFHG岩（土）体下沉，带动两侧三棱土体（如图中FDB及ECA）下沉受到阻力T，整个土体ABDC下沉时，又要受到未扰动岩（土）体的阻力F；AC或BD表示假定的破裂面 与水平成 角；nT未知n三棱体ECA中，受到三个力：T F W运用正弦定理：sin22TWTWQ
9、浅tg211hhW)(90sin)sin(o1WT1o)(90sin)sin(WTcos212hT tgtg)tgtg(tg1 tgtgtg极限状态下可以求得破裂面的夹角n总垂直压力：n简化为：0ddtgtgtg)tg1(tgtg2tghWTWQ2sin2浅 tgHWQ2浅HBWt)(tgHBHQt浅竖向均布荷载和水平侧压力)1(tgBHHBQqtt浅浅heHe21)(2121eee9.3 锚喷支护结构n9.3.1 锚喷支护的设计步骤n5个步骤进行：n（1）调查地质和水文地质情况，分析围岩的稳定条件；n（2）用工程类比方法选择支护类型及设计参数，对锚喷支护进行受力分析和结构计算，并提出施工注意
10、事项；n（3）支护施工中，严密监测地质情况的变化，及时修改设计参数，变更施工工序；n（4）支护完成后，分析隧道的稳定状况，对其长期稳定性作出评价。必要时，可对支护变形和应力进行量测，包括施工阶段的监测；n（5）总结经验，改进设计与施工。掌握岩体变形、坍塌的规律之后，在恰当的时间，采用适当的办法进行支护。9.3.2 锚喷支护的受力分析和结构计算n影响因素比较复杂,多种计算方法,尚处于半经验半理论阶段.n锚杆支护结构；n喷射混凝土支护；1）锚杆支护结构n全长粘结型锚杆：普通水泥砂浆锚杆、早强水泥砂浆锚杆、树脂卷锚杆和水泥卷锚杆；n端头锚固型锚杆；机械锚固锚杆、树脂锚固锚杆、快硬水泥卷锚固锚杆；n摩
11、擦型锚杆；缝管锚杆、楔管锚杆、水胀锚杆；n预应力锚杆；n自钻式锚杆。（1）锚杆的设计计算n锚杆的轴向拉力标准值、设计值cos/tkakHNakQaNNn锚杆钢筋截面面积yasfNA21.12锚杆抗拉工作条件系数，永久性锚杆取0.69，临时性锚杆取0.92；锚杆锚固体与地层的锚固长度rbakaDfNl1锚杆钢筋与锚固砂浆之间的锚固长度n 钢筋与锚固砂浆之间的粘结强度设计值（kPa），应由试验确定，当缺乏试验资料时可按表4-9取值；n 钢筋与砂浆粘结强度工作条件系数，对永久性锚杆取0.60，对临时性锚杆取0.72。baadfnNl31.1bf3n锚杆支护可以根据不同围岩的岩层产状和稳定状况灵活进行
12、。n其作用原理主要有联结作用、组合作用和整体加固作用。（2）锚杆的联结作用n用锚杆将它们联合起来，并将锚杆尽可能深入到稳定的岩层中，考虑锚杆承担全部不稳定岩块的重量。n锚杆承载力计算sin)sin(sinsin00iiGNGQ建筑边坡工程技术规范（GB 503302002）规定：n用锚杆加固局部不稳定块体时，锚杆抗力应满足下列要求：na.加固受拉破坏的不稳定危岩块体，锚杆抗拉承载力应满足：nb.加固受剪破坏的不稳定危岩块体，锚杆抗剪承载力应满足：021.1GfAQys121.1)tg(GAcGfAQssvsv构造n土层锚杆的锚固段长度不应小于4m，且不宜大于10m；n岩石锚杆的锚固段长度不应小
13、于3m，且不宜大于45D（D为锚固体直径）和6.5m，或55D和8m（对预应力锚索）；（3）锚杆的组合作用n锚杆的组合作用是依靠锚杆将数层薄层的岩层组合在一起，形成组合拱或组合梁，以提高岩层整体的抗剪、抗弯的能力。n锚杆提供的抗剪力、抗拉力，以及锚杆的锚固力使将要滑动的岩块得以稳定，阻止层面的互相错动。n锚杆应按与岩层层面垂直的方向设置。如对锚杆施加预应力，可提高其支护效果。（4）锚杆的整体加固作用n通过有规律布置的一系列锚杆，将邻近的岩体联结在一起，能阻止不稳定岩石的滑移，促使岩石之间的间隙面压紧，同时使隧道四周一定范围内的围岩组成一个承载环。由于锚杆支护力的作用，压缩带获得径向支护力，使压
14、缩带中的岩体处在三向受压状态。r 砂浆锚杆的加固作用砂浆锚杆的承载力可用下式表示)tg(s1stscDLPn当围岩产生位移时，锚杆单位长度上的承载力Ps/L1与 的合力阻止围岩位移的发展，产生支护力，并使在锚杆间的围岩产生压缩和成拱作用，提高了围岩强度并缩小了围岩的承载跨度（等于锚杆间距），从而达到稳定和加固围岩的目的。t2）喷射混凝土支护结构n两个方面起支护作用：n（1）局部稳定原理n（2）整体稳定原理n喷射混凝土的设计强度等级不应低于C20；喷射混凝土1d龄期的抗压强度不应低于5MPa。（1）局部稳定原理n喷射混凝土支护结构及时封闭岩层表面的节理、裂隙，填平或缓和表面的凹凸不平，使隧道内的
15、轮廓较为平顺，从而提高围岩节理、裂隙间的粘结力、摩阻力和抗剪强度，并减少应力集中现象。n喷射混凝土关键是控制冠石，此时，喷射混凝土需能承受冠石的重量。喷层对局部不稳定危岩块体的抗拉承载力应按下式验算（冲切）n 喷层工作条件系数，取0.6；n ft喷射混凝土抗拉强度设计值（kPa）；nh喷层厚度nur不稳定危岩块体出露面的周边长度 01.16.0GhufQrtcca）按冲切破坏计算；b）按撕开破坏计算整体稳定原理n喷射混凝土与围岩表面紧密贴合，形成组合结构共同工作。n一方面在与围岩共同承载和变形过程中对围岩提供支护力，使围岩变形得到控制，应力得以调整；n另一方面承受来自围岩变形引起的形变压力，从
16、而使围岩保持稳定。3）新奥法中锚喷联合支护的应用（1）新奥法与锚喷支护 n较好的围岩（如类以上围岩），可以喷射混凝土为主，锚杆加固以辅；n较差的围岩，则以锚杆，尤其是预应力锚杆作为主要的岩体加固手段，并与喷射混凝土、钢筋网喷射混凝土或加钢拱的钢筋网喷射混凝土配合使用。施工步骤n新奥法以及时的锚喷作为临时支护，称为第一次衬砌。n第一次衬砌可以起到稳定围岩，控制围岩应力和变形，防止围岩松驰、坍塌等作用。n待其基本稳定后，再加做模注混凝土二次衬砌。n原来的临时支护（锚喷支护）成为永久衬砌的一个组成部分。n二次衬砌基本上不承受荷载或承受很小的荷载，主要是为了满足隧道结构物的安全、耐久、防水和饰面等的需
17、要。（2）新奥法中支护与围岩共同作用的力学原理n支护结构的设计原理是围岩和柔性支护共同变形、破坏的弹塑性理论。n围岩为均质、各向同性的连续弹塑性体，岩体在塑性变形、剪切破坏后仍有残余强度；隧道初始应力场为自重应力场，侧压力系数1；隧道断面形状为圆形；在一定的埋深条件下，将隧道看作无限体中的孔洞问题。“莫尔-库伦”准则作为“塑性判据”sin1cos2sin1sin131c 围岩的弹塑性状态1弹塑性状态应力分布曲线；2弹性状态应力分布曲线弹性区中任一点的应力为 n 弹性区中任一点的径向应力；n 弹性区中任一点的切向应力；n r弹性区中任一点到隧道中心的径向距离。nP0原岩应力2222022220)
18、1()1(rRrRprRrRpReRerere塑性区中任一点的应力公式为 n 塑性区中靠近隧道内缘的应力，因满足塑性条件而相对减小，成为“应力降低区”，而最大的应力发生在围岩中塑性区与弹性区的交界面上。ctg)sin1sin1()(ctg(ctg)(ctg(sin1sin20sin1sin20crrcpcrrcpipipr在弹性区与塑性区的交界面上（r=R处）n令两式分别相等，整理后可得：n支护力pi越小，则围岩中出现的塑性区半径nR越大；n围岩中出现的塑性区半径R越大，则围岩对支护的形变压力pa（与支护力pi相平衡）越小。ctg)(sin1)(ctg(sin1sin200cRrcppisin
19、2sin100ctg)sin1)(ctg(cpcprRin岩体的原岩应力p0越大，则塑性半径R就越大。np0反映围岩强度性质的两个指标，即粘聚力c和内摩擦角越小，岩体强度越低，则塑性半径R就越大。n新奥法柔性支护理论的出发点，是设计、施工中采取支护措施时要积极利用的，以便使支护受到尽可能小的形变压力。隧道周边的径向位移u n隧道周边径向位移u的大小，主要取决于支护力pi。当pi减小时，u增大；反之，u减小。n围岩位移曲线)11(0Arusinsin1000ctgctg)sin1()ctg(sin12)ctg(sin1cpcpcpEcpEAi)(ipfu 围岩位移、支护特性曲线kupa02200
20、11aarEkn隧道开挖后，若支护非常快，且支护刚度又很大，隧道周边围岩没有变形或变形很小，图中A点取得平衡，支护需提供很大支护力pmax；围岩仅负担产生弹性变形u0的压力；n假如平衡位置由A点移至C点、E点，则形变压力由pmax减至 、。CpEpn若隧道开挖后不加支护，或支护很不及时，即允许围岩自由变形。表现为曲线DB。这时，隧道周边位移达到最大值umax，形变压力pa很小或接近于零。n围岩已经出现松驰、坍塌，围岩对支护的压力就是松散压力，只能按传统施工方法施作模注混凝土衬砌。n较佳的支护工作点应当在D点以左附近，如图中E点。在该点上，围岩既可产生较大的变形 ，以较多地分担岩体压力（），而由
21、支护分担的形变压力较小（）；)(0Euu Epp 0Epn最重要的便是如何掌握好施作时间（以围岩的变形来判断）和支护刚度k（支护特性曲线的斜率）。n两次支护：n首先在隧道开挖后，及时地进行初期支护和封闭；n通过对围岩变形的监测，掌握隧道周边围岩和支护的变形情况，待变形基本趋于稳定时，即达到图中i点附近时，再进行第二次支护。n如作内层二次衬砌，所承受的形变压力就更小，或为零。n通过上述两次支护的手段，便可以达到支护衬砌结构的合理、经济、安全的目的。（3）新奥法锚喷支护的结构计算和支护监控n新奥法支护设计的主要方法有：na.以工程类比为基础的经验法；nb.以现场测量为基础的监控法；nc.以理论分析
22、为基础的计算法；nd.以上3种方法相结合的综合法。n新奥法锚喷柔性支护中，支护和围岩紧密贴合，共同工作，支护和围岩发生的破坏主要为剪切破坏。n其稳定的丧失常常是由围岩中产生塑性剪切滑移楔体开始的。而锚喷支护则和其加固的岩体承载环三者的联合作用所提供的支护力pi来阻止围岩中剪切楔体沿滑动面向隧道位移。剪切滑动面 曲线方程n新奥法中锚喷支护的结构计算是按锚喷支护对隧道围岩的加固作用和支护作用进行计算。n隧道侧壁岩体的滑移面,以极坐标表示，该曲线的方程为cos20)(0rberr莫尔应力圆与莫尔滑动包络线 锚杆、喷层和岩体的联合作用支护力的构成n沿喷层A处剪切面的抗剪阻力，即喷层给剪切体的水平推力n
23、喷层内如设有钢筋网（或钢拱支撑），喷层将增加抗剪支护力n锚杆所提供的支护力计算n支护结构所提供的支护力n岩体沿滑面S上提供的支护阻力喷层A水平推力sibdpsin2ssstststibdpsin2sipstips 喷层破坏剪切角(与竖向夹角)；d喷层厚度；s喷层的抗剪强度；b剪切体总高度。锚杆ettqststAiAip按锚杆体抗拉强度计算，锚杆的径向平均支护力：砂浆锚杆，可能沿孔壁粘结面破坏，宜用下式计算 etPqbAicos2AiAiaqpb)(00 raa 剪切滑面在隧道壁面上的投影 n将 的作用面转换成垂直面上的投影，并同 取得平衡，则AiqAipcos)cos(cos0AiAiqp支护
24、结构所提供的支护力n根据力的平衡，认为 等于支护结构所提供的支护力 。Aistiiispppps3tsp岩体沿滑面S上提供的支护阻力 n尚有剪切体滑面S长度上的抗剪应力和正应力的水平分力，其和为 图形 :ipipbSbSpRnRisin2cos2岩体剪切滑面与水平面之平均倾角20剪应力和正应力 总的支护力sin22cos2313131RnRcossin1)tg(2331ciAistisiipppppn实际工作中，支护设计标准的确定，包括支护时间和支护类型的确定，支护后变形数值的判定标准，是否进行二次支护，以及何时进行二次支护等往往要依靠经验确定。新奥法支护变形监控1-喷射混凝土；2-设锚杆；3-设模注内层二次衬砌；4-测线图4-17 新奥法支护变形监控标准n采用两次支护的地下工程，后期支护的施作，应在同时达到下列3项标准时进行：n隧道周边水平收敛速度小于0.2mm/d；拱顶或底板垂直位移速度小于0.1mm/d；n隧道周边水平收敛速度，以及拱顶或底板垂直位移速度明显下降；n隧道位移相对值已达到总相对位移量的90%以上。n隧道稳定的判据是后期支护施作后位移速度趋近于零，支护结构的外力和内力的变化速度也应趋近于零。
