隧道工程支护结构设计方法.ppt

1、支护结构支护结构的基本作用在于：与围岩一起组成一个有足够安全度的隧道结构体系，能承受可能出现的各种荷载；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。因此，任何一种类型的支护结构都应具有与上述作用相适应的构造、力学特性和施工的可能性。支护有：超前支护，初期支护，二次衬砌支护。隧道支护设计隧道支护设计 根据新奥法原理，软弱围岩隧道支护一般采用复合衬砌。复合衬砌由初期支护、二次衬砌两部分组成。隧道开挖后先实施喷射混凝土、锚杆、钢拱架等与围岩密贴的初期支护，约束围岩变形，并根据变形监控量测结果，适时施作二次衬砌。初期支护设计初期支护设计 初期支护是由喷射混凝土、锚杆、钢架

2、组成的联合支护体系，是复合衬砌隧道的主要承载结构。初期支护设计初期支护设计 -喷射混凝土喷射混凝土 喷射混凝土的作用 喷混凝土能及时、有效地防止开挖面岩层的松散、离层和掉落，是有效地保护围岩、防止坍方的重要手段。填充裂隙 界面附着防掉块 喷混凝土与围岩的粘附是发挥喷混凝土支护效果的保证，也是喷混凝土最主要的力学作用。喷混凝土设计及施工要点:喷混凝土应具有必要的早期强度，以尽快对围岩提拱支承力，24小时抗压强度不应低于10MPa。喷混凝土应有足够的后期强度，强度等级不应低于C25。与围岩应具有足够的粘附强度，使喷混凝土与围岩尽快形成整体，阻止围岩松动下滑，与围岩的粘结强度不应低于0.5MPa。软

3、弱围岩采用钢筋网喷混凝土，增强喷混凝土的抗剪强度、提高粘附性。喷混凝土施工要求做到：喷混凝土应采用湿喷工艺 湿喷法其喷射混合料进入喷射机前已经按规定加入水拌合均匀，因此较干喷工艺具有水灰比能准确控制，利于水泥的水化，施工粉尘小，回弹少，混凝土均质性好，强度高的优点。喷混凝土必须与岩面密贴，不可有空洞，以保证良好的共同受力状态喷混凝土必须快速、及时施作。初期支护设计初期支护设计 -锚杆锚杆 锚杆作为初期支护的另一主要构件，设计施工中是必不可少的，特别是在软弱围岩中，其对围岩的加固作用十分明显。1）围岩中锚杆的作用 在围岩中单凭喷射混凝土往往难以抵抗围岩的巨大形变压力，不能有效地保证支护的可靠性。

4、在这种情况下，需要将喷射混凝土与锚杆联合使用，并把锚杆作为主要的支护措施。围岩中锚杆的主要作用是通过形成具有一定厚度的“加固圈”来“加固围岩”。“加固圈”承担外层围岩传来的荷载，使得最后传到喷射混凝土层的荷载大为减小。2）围岩锚杆设计与施工要点：锚杆的布置一般沿洞室周边径向均匀布置，必要时底部也要加锚杆；为保证加固带有一定厚度，锚杆的长度与间距之比一般为2:1；为防止锚杆间围岩坍落，还应配合网喷混凝土，喷层主要承担锚杆间的局部坍塌荷载；为达到设计目的，软弱围岩锚杆施工中要求做到：锚杆锚固可靠，全长粘结；要用垫板，且垫板要求与岩面紧贴。初期支护设计初期支护设计 -钢架钢架 钢架分型钢钢架型钢钢架

5、与格栅钢架格栅钢架两种，一般应与锚杆、喷混凝土共同使用。钢架断面图1）钢架的作用钢架的作用有四点：一是喷混凝土发挥作用前支撑围岩；二是对喷射混凝土进行补强；三是作为超前支护的支点；四是与锚杆、喷射混凝土共同发挥初期支护的作用。2）钢架适用范围 钢架的最大特点是刚度大，架设后能够立即承载受力。因此，多用于软弱破碎或土质围岩中，需要控制围岩变形迅速发展的场合。如浅埋、偏压及土层隧道等。钢架的设计与施工要点：一般采用工字钢，或“八字结”形联系钢筋的格栅钢架；钢架间距一般为0.61.0m。为增加钢架的整体性，每榀钢架间应设纵向连接构件；钢架拱脚及墙脚应有控制钢架位移和下沉的措施。为达到设计目的，钢架的

6、施工要求做到：接头是整个钢架的薄弱环节，必须加强;钢架应直立安装，并用混凝土预制块与围岩顶紧；型钢钢架应预留注浆孔，及时对喷混凝土层后回填注浆，保证与围岩密贴；分部开挖钢架落底接长时，要注意防止失稳。2 2、二次衬砌设计、二次衬砌设计 隧道围岩中二次衬砌也是主要承载结构，二次衬砌与初期支护共同承担较大的后期围岩变形压力，应适时施作。二次衬砌设计二次衬砌设计 （1）二次衬砌的作用二次衬砌的主要作用：一是承载，二是安全储备，保障运营的安全。（2）二次衬砌的设计与施工要点二次衬砌原则上应适时施做。软弱围岩二次衬砌应带仰拱，与边墙应圆顺连接，减少应力集中。为达到设计目的，软弱围岩二次衬砌施工要求做到：

7、二次衬砌应先施工仰拱，分段整体浇注。二次衬砌背后空洞应回填密实。3 3、超前支护、超前支护 超前支护时保证隧道安全进洞，进洞后保证安全出洞。超前支护又叫预支护，对保证我们的安全尤其重要。超前支护包括：超前大管棚、中管棚、超前小导管、超前锚杆。超前支护超前支护 超前大管棚超前大管棚 管棚是利用导向架，沿着开挖外轮廓线，以较小的外插角，向开挖前方打入钢管，形成对开挖前方围岩的预支护。管棚施工工序有开挖管棚钻机工作室，导向墙施工，搭设平台，安装钻机，安装管棚钢管，注浆。套拱施工图管棚施工施工图超前支护超前支护 超前小导管超前小导管超前小导管注浆是在开挖掘进前，先用喷混凝土超前小导管注浆是在开挖掘进前

8、，先用喷混凝土将开挖面和隧道一定范围内的地段封闭，然后隧将开挖面和隧道一定范围内的地段封闭，然后隧道拱部轮廓线打人带孔的钢管，并向钢管内注浆，道拱部轮廓线打人带孔的钢管，并向钢管内注浆，浆液即由导管渗透到地层中，在隧道拱部形成固浆液即由导管渗透到地层中，在隧道拱部形成固结体并加固围岩。结体并加固围岩。超前小导管适用于自稳时间短的软弱破碎带、浅超前小导管适用于自稳时间短的软弱破碎带、浅埋段、洞口偏压段、砂层段、砂卵石段、断层破埋段、洞口偏压段、砂层段、砂卵石段、断层破碎带等地段的预支护。碎带等地段的预支护。小导管施工施工图超前支护超前支护 超前锚杆超前锚杆超前锚杆是沿开挖轮廓线，以一定的外角打入

9、开挖工作面，形成对前方围岩的预支护。主要适应于围岩应力较小，地下水较少、岩体软弱较破碎，开挖面有可能坍塌的隧道中，和钢架配合使用。隧道施工顺序示意图隧道施工超前地质预报是在隧道施工超前地质预报是在隧道施工超前地质预报是在隧道施工超前地质预报是在隧道洞内外地质调查、隧道洞内外地质调查、隧道洞内外地质调查、隧道洞内外地质调查、掌子面素描结果的基础上，根据隧道开挖揭示的掌子面素描结果的基础上，根据隧道开挖揭示的掌子面素描结果的基础上，根据隧道开挖揭示的掌子面素描结果的基础上，根据隧道开挖揭示的洞身围岩条件的变化趋势、洞内外构造相关分析洞身围岩条件的变化趋势、洞内外构造相关分析洞身围岩条件的变化趋势、

10、洞内外构造相关分析洞身围岩条件的变化趋势、洞内外构造相关分析结果；采用地球物理探测手段对隧道施工掌子面结果；采用地球物理探测手段对隧道施工掌子面结果；采用地球物理探测手段对隧道施工掌子面结果；采用地球物理探测手段对隧道施工掌子面进行探测，运用地质学、数学、物理学、逻辑学进行探测，运用地质学、数学、物理学、逻辑学进行探测，运用地质学、数学、物理学、逻辑学进行探测，运用地质学、数学、物理学、逻辑学等各学科知识结合预报人员经验，对隧道工程可等各学科知识结合预报人员经验，对隧道工程可等各学科知识结合预报人员经验，对隧道工程可等各学科知识结合预报人员经验，对隧道工程可能遇到的各种不良地质体及因此可能发生

11、的各种能遇到的各种不良地质体及因此可能发生的各种能遇到的各种不良地质体及因此可能发生的各种能遇到的各种不良地质体及因此可能发生的各种地质灾害的性质、分布位置、规模的判断和预报。地质灾害的性质、分布位置、规模的判断和预报。地质灾害的性质、分布位置、规模的判断和预报。地质灾害的性质、分布位置、规模的判断和预报。超前地质预报 隧道所在地区地质分析与宏观地质预报：采用传统的地质分析方法，辅以必隧道所在地区地质分析与宏观地质预报：采用传统的地质分析方法，辅以必要的物探技术等手段，主要是宏观的预报开挖面前方的围岩级别、稳定性，要的物探技术等手段，主要是宏观的预报开挖面前方的围岩级别、稳定性，随时提出修改设

12、计，调整支护类型；预报洞内涌水量大小和变化规律以及对随时提出修改设计，调整支护类型；预报洞内涌水量大小和变化规律以及对环境地质与工程的影响。环境地质与工程的影响。隧道洞身不良地质及灾害地质超前预报：在传统地质分析方法的基础上，结隧道洞身不良地质及灾害地质超前预报：在传统地质分析方法的基础上，结合施工方法、工艺、工期等要求，以先进的物探技术为主要探测手段，并辅合施工方法、工艺、工期等要求，以先进的物探技术为主要探测手段，并辅以必要的超前平行导坑预报法、超前水平钻孔法。主要预报掌子面前方岩性以必要的超前平行导坑预报法、超前水平钻孔法。主要预报掌子面前方岩性变化和不良地质体的范围、规模、性质，以及突

13、水、突泥、坍塌、岩爆、有变化和不良地质体的范围、规模、性质，以及突水、突泥、坍塌、岩爆、有害气体等灾害地质的发生概率，提出施工预防措施；预报断层的位置、宽度、害气体等灾害地质的发生概率，提出施工预防措施；预报断层的位置、宽度、产状、性质、破碎带物质状态、充水情况、稳定程度等，提出施工对策。产状、性质、破碎带物质状态、充水情况、稳定程度等，提出施工对策。重大施工地质灾害临警预报：在传统地质分析方法的基础上，结合施工方法、重大施工地质灾害临警预报：在传统地质分析方法的基础上，结合施工方法、工艺、工期等的要求，以超前平行导坑预报法、超前水平钻孔法为主，综合工艺、工期等的要求，以超前平行导坑预报法、超

14、前水平钻孔法为主，综合利用各种有效的物探手段，针对掌子面前方有可能引发的大规模突水、突泥、利用各种有效的物探手段，针对掌子面前方有可能引发的大规模突水、突泥、坍塌、冒落、变形、瓦斯爆炸等重大地质灾害建立临警预报系统，主要预报坍塌、冒落、变形、瓦斯爆炸等重大地质灾害建立临警预报系统，主要预报隧道洞身所通过的深大富水断裂、富水向斜的核部、富水砂层、软土、极软隧道洞身所通过的深大富水断裂、富水向斜的核部、富水砂层、软土、极软岩、煤系地层等，评判其危害程度，提出施工方案对策。岩、煤系地层等，评判其危害程度，提出施工方案对策。地质超前预报内容及应用原则地质超前预报内容及应用原则 超前水平钻孔法超前水平钻

15、孔法 用钻探设备向掌子面前方钻探，直接揭示隧道掌子面前方几十米的地用钻探设备向掌子面前方钻探，直接揭示隧道掌子面前方几十米的地层岩性、岩体结构、构造、地下水、岩溶洞穴充填物及其性质、岩体层岩性、岩体结构、构造、地下水、岩溶洞穴充填物及其性质、岩体完整程度等资料，还可通过岩芯试验获得岩石强度等定量指标，适用完整程度等资料，还可通过岩芯试验获得岩石强度等定量指标，适用于已经基本认定的主要不良地质区段。超前水平钻孔的方向控制和钻于已经基本认定的主要不良地质区段。超前水平钻孔的方向控制和钻探工艺有一定的技术难度，对施工干扰大。探工艺有一定的技术难度，对施工干扰大。TSPTSP超前预报系统超前预报系统

16、TSP202TSP202、TSP203TSP203超前预报系统由瑞士安伯格量测技术公司开发生产，超前预报系统由瑞士安伯格量测技术公司开发生产，具有适用范围广、预报距离长、时间短、对施工干扰小、费用少等优具有适用范围广、预报距离长、时间短、对施工干扰小、费用少等优点。其基本原理是点。其基本原理是:首先在洞内指定的震源点用小量炸药激发，产生首先在洞内指定的震源点用小量炸药激发，产生的地震波在岩石中以球面波的形式向前传播，当地震波遇到岩石物性的地震波在岩石中以球面波的形式向前传播，当地震波遇到岩石物性界面界面(即波阻抗界面，如断层、岩石破碎带、岩性突变等即波阻抗界面，如断层、岩石破碎带、岩性突变等)时，一部分时，一部分地震信号反射回来，一部分地震信号透射进入前方介质，反射的地震地震信号反射回来，一部分地震信号透射进入前方介质，反射的地震信号将被两个三维高灵敏度的地震检波器接收。通过对接收信号的运信号将被两个三维高灵敏度的地震检波器接收。通过对接收信号的运动学和动力学特征进行分析，可推断断层和岩石破碎带等不良地质体动学和动力学特征进行分析，可推断断层和岩石破碎带等不良地质体的位置、规模、产状及岩石动力参数。的位置、规模、产状及岩石动力参数。