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1、第四章坑道稳定性态与支护结构概论第1页，此课件共13页哦隧道工程力学原理体系中，地层既是承载结构的基本组成部分，又是造成荷载的主要来源，这种合二为一的作用机理与地面结构是完全不同的。在隧道工程这样的地下结构中，地层起主导作用。隧道工程的一切活动(包包括括：能能否否顺顺利利地地建建成成，使使用用中中是是否否会会出出现现问问题题，以以及及工工期期长长短短，投投资资多多少少等等等等)无一不与隧道所在区域的地层条件，也就是它所赋存的地质环境息息相关。了解和认识地质环境，研究它在工程建设活动中的变化，制定有力的工程措施，使这种变化不危及隧道的安全，乃是隧道工程勘测、设计和施工中的头等大事，应当受到充分重
2、视。隧道工程所赋存的地质环境的内涵很广，包括地层特征、地下水状况、地层中的原始地应力状态以及地温梯度等。对隧道工程来说，最关心的问题则是地层被挖成隧道后的稳定程度。第2页，此课件共13页哦隧道工程力学原理 地地层层被被挖挖成成隧隧道道后后的的稳稳定定程程度度称称为为隧隧道道围围岩岩的的稳稳定定性性，这这是是一一个个反反映映地地质质环环境境的的综综合合指指标标。所所以以说说，研研究究隧隧道道工工程程地地质质环环境境问问题题，归归根根到到底底就就是是研研究究隧隧道道围围岩岩的的稳稳定定性性问问题题，它它包包括括隧隧道道围围岩岩破破坏坏或或稳稳定定的的规规律律、影影响响围围岩岩稳稳定定的的主主要要因
3、因素素、标标志志围围岩岩稳稳定定性性的的指指标标和和判判断断准准则则、分分析析围围岩岩稳稳定定性性的的方方法法以以及及为为维维护护围围岩岩稳稳定定而而必必须须采采取取的的工工程程措措施施(如如施施工工程程序序和和方方法法、支支护护结结构构的的类类型型、数数量量和和架架设设时时间间等等)。对隧道工程地质环境的认识和处理，科科学学的的方方法法应应该该从从围围岩岩变变形形与与破破坏坏的的根根本本作作用用力力围岩的原始地应力出发，结合围岩的工程性质，施工对地层原始状态干扰和破坏的程度等进行综合研究，并根据围岩与支护结构共同作用，用围岩为主的观点来制定施工程序和进行支护结构设计。第3页，此课件共13页哦
4、隧道工程力学原理第二节 围岩失稳破坏性态与稳定程度 隧道围岩失稳破坏大致有以下五种情况：1脆性破裂 整体状和块状结构岩体，仅产生局部掉块或岩爆。2块状运动块状运动 块状或层状岩体，向临空面运动，逐渐形成块体塌落、滑动、转动、倾倒以及块体挤出等失稳破坏性态。3弯曲折断破坏 层状岩体尤其是有软弱夹层的互层岩体，易产生下沉弯曲鼓出，进而张裂、折断形成塌落体。4 4松动解脱 碎裂结构岩体，容易松动、溃散(解解脱脱)而而成成碎碎块块脱脱落、坍塌。落、坍塌。第4页，此课件共13页哦隧道工程力学原理 5塑性变形和剪切破坏 散体结构岩体或碎裂结构岩体，表现为坍方、边墙挤入、底鼓以及洞径缩小等等，而且变形的时间
5、效应比较明显。根据坑道开挖实践，坑道开挖后的稳定性大体上可分为以下几类：1)充分稳定的。坑道在长时间内有足够的自稳能力，无需任何人为支护而能维持稳定，无坍塌、偶尔有掉块。2)基本稳定的。坑道会因爆破、岩块结合松弛等而产生局部掉块，但不会引起坑道的坍塌，坑道是稳定的，层间结合差的平缓岩层顶板可能弯曲、断裂。此时应采取局部支护或轻型的支护。第5页，此课件共13页哦隧道工程力学原理 3)暂暂时时稳稳定定的的。大大多多数数坑坑道道是是属属于于这这个个类类型型的的。坑坑道道开开挖挖后后呈呈现现出出不不同同程程度度的的坍坍塌塌现现象象，坍坍塌塌后后的的坑坑道道呈呈拱拱形形而而处处于于暂暂时时稳稳定定状状态
6、态。在在外外界界（如如爆爆破破、重重新新更更换换支支撑撑等等）和和内内部部（如如地地下下水水等等）条条件件的的影影响响下下，坑坑道道如如不不及及时时支支护护，会会进进一一步步丧丧失失稳稳定定。因因此此，在在这这种种围围岩岩中中，必须采取各种类型的支护措施。必须采取各种类型的支护措施。4)不不稳稳定定的的。坑坑道道在在不不支支护护条条件件下下是是难难以以开开挖挖的的，随随挖挖随随坍坍，常常常常要要先先支支后后挖挖，坑坑道道的的坍坍塌塌发发生生迅迅速速、影影响响范范围围大大，有有时时可可坍坍塌塌到到地地表表，或或在在地地面面形形成成塌塌盆盆地地。在有水的情况下，土体流动造成极大的荷载。在这种情况下
7、，需要采取专门的支护措施和施工方法来保证坑道的稳定。第6页，此课件共13页哦隧道工程力学原理第三节第三节 支护结构的基本要求支护结构的基本要求 支护结构的基本作用在于：支护结构的基本作用在于：与与围围岩岩一一起起组组成成一一个个有有足足够够安安全全度度的的隧隧道道结结构构体体系，能承受可能出现的各种荷载；系，能承受可能出现的各种荷载；保持隧道断面的使用净空；保持隧道断面的使用净空；防止围岩质量的进一步恶化；提供空气流通的光滑表面。提供空气流通的光滑表面。支护结构的基本要求如下：支护结构的基本要求如下：1.1.与围岩牢固地面接触，即保证支护结构与围岩作为一个整体进行工作。第7页，此课件共13页哦
8、隧道工程力学原理 2.尽尽可可能能设设初初期期支支护护，并并使使早早期期支支护护与与永永久久支支护护相相互配合，协调一致地工作。互配合，协调一致地工作。尽量不设临时支护。尽量不设临时支护。3.3.使围岩产生有限制的变形，以充分发挥围岩的承载能力。采采用用柔柔性性支支护护，使使得得接接触触压压力力分分布布均均匀匀，支支护护结结构构中中的弯矩较小。的弯矩较小。4.4.及及时时施施作作支支护护结结构构，即即支支护护结结构构应应在在坑坑道道围围岩岩达达到到极限平衡之前极限平衡之前发挥发挥其承载其承载作用。作用。支护过晚会使围岩暴露、产生过度的位移而濒临破坏(极限平衡极限平衡)。原则：控制控制变变形的形
9、的增长增长速度速度。5.围围岩岩变变则则支支护护变变。支支护护结结构构要要能能根根据据隧隧道道围围岩岩的的动动态态(位位移移、应应力力等等)，及时地进行调整和修改，以适应不断变化的围岩状态。办办法法：可采取分期期喷喷射射砼、增设锚杆或调整其参数(间间距、距、锚锚杆直径和杆直径和长长度度)等方法来实现。第8页，此课件共13页哦隧道工程力学原理 最后，支护结构还要满足易于架设、构件可以互换、断面类型单一、便于改变刚性等施工要求。第四节 支护结构类型的选择和设计 根据其使用目的，支护结构可分为：根据其使用目的，支护结构可分为：防防护护型型支支护护。适适用用于于充充分分稳稳定定的的岩岩体体。通通常常是
10、是采采用用喷喷浆浆、喷喷混混疑疑土土或或单单独独锚锚杆杆来来完完成成的的。作作用用是是封封闭闭岩岩面面，防止风化。防止风化。构构造造型型支支护护。适适用用于于基本稳定的岩体。通通常常采采用用喷喷混混凝凝土土、锚锚杆杆和和金金属属网网、模模筑筑混混凝凝土土等等支支护护构构件件。坑道道开开挖挖后后可可能能出出现现局局部部掉掉块块或或崩崩塌塌。支支护护结结构构的的参参数数只只要要满足施工及及构造构造上的要求即可。承承载载型型支支护护。适用于暂时稳定或或不不稳稳定定的岩体。承承载载型型支支护护是是隧隧道道支支护护的的主主要要类类型型。视视隧隧道道围围岩岩的的力力学学动动态态，它它可可分分为为轻轻型型、
11、中中型型及及重重型型等等。可可采用喷混凝土、锚杆、金金属属网网及钢拱架等作为初期支护，模模筑筑混混凝凝土土作作为二次为二次支支护护。支护要通过计算确定。支护要通过计算确定。第9页，此课件共13页哦隧道工程力学原理 按照支护的方式分有：按照支护的方式分有：外外部部支支护护，即即从从外外部部支支撑撑着着坑坑道道的的围围岩岩（如如模模筑筑混混凝凝土土整整体体式式衬衬砌砌、砖砖石石衬衬砌砌、装装配配式式衬衬砌砌、喷喷射射混混凝凝土土支支护等）；护等）；内内部部支支护护，即即对对围围岩岩进进行行加加固固以以提提高高其其稳稳定定性性（如锚杆支护、压入浆液等）；（如锚杆支护、压入浆液等）；混合支护，即内部与
12、外部支护混合一起的衬砌（如喷锚支护）。第10页，此课件共13页哦隧道工程力学原理 从衬砌施工工艺方面将隧道衬砌的型式分为以下四类：整体式模筑混凝土衬砌 装配式衬砌装配式衬砌 喷锚支护喷锚支护 复合式衬砌复合式衬砌 根据采用的材料和系统可分为：（1 1）木支撑 （2 2）钢支撑 （3 3）锚杆和金属网支护）锚杆和金属网支护 （4）混凝土和喷射混凝土）混凝土和喷射混凝土 混凝土混凝土支护，包括混凝土预制块支护混凝土预制块支护 喷射混凝土喷射混凝土支护支护 （5 5）组合支护 钢支撑加背板 喷射混凝土与锚杆 喷射混凝土、钢支撑和锚杆喷射混凝土、钢支撑和锚杆等。第11页，此课件共13页哦隧道工程力学原
13、理 支护类型的选择主要根据下述条件决定：（1）对预计的主要岩体类型的评价 （2）对岩体类别变化的适应性 （3）对很大的或特殊地压的适应性 （4）对地下水性质的适应性 （5）经济 （6）作业时间消耗第12页，此课件共13页哦隧道工程力学原理 在设计支护结构时应注意：支护结构最好设计成封闭式的，一般都应有仰拱，封闭式结构具有最佳的抵抗变形的能力，即使在厚度较小时，亦能提供较大的支护阻力。对于抗拉性能较差的混凝土类支护结构，应尽量避免受弯矩作用。首先，支护结构应尽量设计得薄一些，如果需要加强的话，亦不应增加其厚度，而应通过配筋来解决；其次，支护结构应设计成圆顺的，尽量接近圆形的断面，岩体愈差，围岩压力愈大就愈要这样做；再次，可以在支护结构中设置铰或纵向伸缩缝，增加支护结构的柔性，减少弯矩，但必须结合隧道的防水要求一并考虑。第13页，此课件共13页哦