7.3 一般条件下的锚喷支护设计

Ⅰ 工程类比法设计

7.3.1、7.3.2 锚喷支护工程类比法设计适用于我国水利水电、公路、铁路、矿山、军工、市政、物资储存和城市交通等各类地下工程支护。本条就下列方面对原规范《锚杆喷射混凝土支护技术规范》GB 50086-2001关于工程类比法设计锚喷支护的应用范围,锚喷类型参数作了调整和补充。
    (1)根据我国二滩、三峡、龙滩、拉西瓦、瀑布沟、小湾等水电站的地下厂房(洞室跨度>30m,高跨比均大于2.0),采用锚喷支护的成功经验,将Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ级围岩按工程类比法设计的洞室跨度范围由原规范的25m(Ⅰ、Ⅱ级围岩)、20m(Ⅲ级围岩)均扩大至35m。
    (2)近十年来,由于地下洞室开挖断面不断扩大,锚杆施工机具也有了很大发展,地下工程中系统锚杆长度均有所增大。对二滩、三峡、龙滩、溪洛渡、锦屏Ⅰ级、小湾等数十个大中型水电地下工程的锚杆长度统计表明,大跨度地下洞室顶拱系统锚杆的长度一般为(0.25~0.30)B。当洞室高跨比(H/B)在0.8~1.2时,边墙系统锚杆的长度一般情况下与顶拱系统锚杆的长度相当。美国工程协会规定顶部系统锚杆的最小长度为0.25B,拱线以下部位锚杆长度宜为0.20H。为此,本规范表7.3.3-1和表7.3.2对系统锚杆长度均有所增大。表7.3.3-1中所列的>10m和>15m的长预应力锚杆主要用于H/B>2的大型洞室边墙部位,见表9。
    (3)本规范表7.3.3-1规定,对>25m(Ⅰ级围岩)、>20m(Ⅱ、Ⅲ级围岩)和>5m(Ⅳ、Ⅴ级围岩)的隧道洞室(尤其是拱顶)支护应采用低预应力(张拉型)锚杆和喷射钢纤维混凝土。这是因为低预应力锚杆是主动型锚杆,能在开挖后立即提供支护抗力,并改善围岩应力状态;喷射钢纤维混凝土则能在岩石开挖后立即施作(免除敷设钢筋网工序),且早期强度高,有利于阻止围岩的松动。

表9 H/B>2.0大型洞室边墙锚杆(锚索)长度与边墙高度统计表

    注:1 洞室跨度栏数值分别为吊车梁以上和以下的开挖跨度。
        2 H/B和L/H分别采用吊车梁以上开挖跨度B和较大的锚杆(索)深度L进行计算。

7.3.3 系统锚杆主要对围岩起整体加固作用。在岩面上,锚杆呈矩形或菱形布置,提供侧向较均匀支护抗力,有利于岩体中承载拱圈的形成。锚杆与岩体主结构面成较大角度布置,则能穿过更多的结构面,有利于提高结构面上的抗剪强度,使锚杆间的岩块相互咬合,以发挥锚杆对围岩的联锁加固作用。
    系统锚杆的间距,除受围岩稳定条件及锚杆长度制约外,在稳定性较差的岩体中,为使支护紧跟掘进工作面,锚杆的纵向间距还受掘进进尺度影响。所以,锚杆纵向间距的选定,还要与所采用的施工方法相适应。根据工程经验,为使一定深度的围岩形成承载拱,锚杆长度必须大于锚杆间距的两倍。因此,规定系统锚杆的间距不宜大于锚杆长度的1/2。但是,在Ⅳ、Ⅴ类围岩中,一般被节理分割的岩石块度较小,为防止锚杆间的岩块可能因咬合和联锁不良,而导致掉块或坠落。因此,还规定在Ⅳ、Ⅴ类围岩中,锚杆间距不得大于1.25m。
    两洞之间的岩柱,采用对拉预应力锚杆,可达到更好的支护效果。

Ⅱ 监控量测法

7.3.4 “围岩——锚喷支护”体系力学性态的监控量测是地下工程锚喷支护设计和施工满足工程安全可靠、经济合理要求所必须遵循的重要原则,是进行地下工程锚喷支护动态优化设计的基础。本条规定的现场监控量测选定原则与原规范《锚杆喷射混凝土支护技术规范》GB 50086-2001保持一致,即跨度较大和围岩较差的地下工程,应进行现场监控量测,围岩好或特别好的跨度又很大的地下洞室,宜在局部地段进行量测。

7.3.5 监测资料可反映各种自然因素和人为因素对围岩变形的影响,通过对监测资料的分析,可评价围岩稳定状态的综合影响,了解水文地质、工程地质的变化趋势,检验工程地质结论,验证初步设计支护参数的合理性,是进一步优化设计和保证工程安全的重要依据。锚喷支护监控量测设计包括:选择与围岩地质条件、洞室开挖尺寸及施工方法相适应的监控项目,包括但不限于多点位移计、锚杆应力计(测力计)、测缝计、声波测试和外表观察等;合理地布置监测系统,科学的量测方法;监测信息的分析与整理,监控信息反馈和支护参数与施工方法的修正。

7.3.6 由业主委托有安全监测资质的单位实施现场监控量测工作,有利于客观、公正、准确地获取监测信息,以满足监控量测法设计的顺利实施。

7.3.7 地质和支护状况观察,周边位移和顶拱下沉是洞室必须量测的项目。洞室开挖后应立即进行围岩状况的观察和记录,支护完成后应进行喷层表面的观察和记录。

7.3.8 对于城市浅埋隧洞等地下工程,由于行车路面、重要建筑物等对地表下沉数值有严格的要求,因此,本条款规定必须进行地表下沉的监控量测,并应及时进行信息反馈,以保证地面道路和建筑物的安全。

7.3.10 表7.3.10中的洞室周边允许位移相对值(%)控制标准适用于高跨比0.80~1.20、埋深不超过500m,且对Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ级围岩中的洞室跨度分别不大于20、15、10m的地下工程。
    对于大跨度、高边墙地下工程或洞室群,应根据向洞内收敛位移、收敛比、收敛速率等指标进行综合分析评判和工程类比进行修正。图5为部分大型地下工程计算和实测周边位移相对值,其高跨比一般大于2.0,跨度大于20m。


图5 部分地下厂房边墙计算位移相对值
1-溪洛渡左岸;2-溪洛渡右岸;3-瀑布沟;4-锦屏Ⅰ级;5-长河坝;6-大岗山;
7-色尔古;8-大发;9-仁宗海;10-二滩;11-小湾;12-三峡;13-小浪底;
14-向家坝;15-龙滩;16-瑯琊山;17-广州抽水蓄能;18-渔子溪一级;19-大朝山;20-拉西瓦

    从图7.3.10可以看出,部分大中型地下厂房计算和实测周边位移相对值为0.30%~0.80%。
    本规范规定,若超过稳定标准,应立即作出预报,采用补强措施或调整施工程序及支护参数。当出现变形速率加快时,应采取紧急加强措施,同时,应加密监测并及时提供观测成果。

Ⅲ 理论验算法

7.3.13 隧洞与地下工程围岩稳定理论计算的各项基础资料和计算参数选择有很强的综合性,应收集的基础资料包括地形地貌资料、工程地质和水文地质资料、地应力实测资料、洞室布置和设计资料、初步拟定的开挖步序和支护方案、现场试验和实验室试验得到的岩体基本物理力学参数等。在地震烈度高于8度的地区,则需要抗震分析的地震资料。在缺乏试验条件的情况下,根据工程类比,可按经验确定相关的参数取值。
    上述资料应结合所采用的分析方法、适用条件、稳定评价指标和设计阶段深度要求进行必要的筛选、分析确定。科学、合理地确定锚喷岩体的工程地质力学模型和物理力学参数,对正确评价锚喷的支护作用与锚喷后地下工程的稳定性至关重要,必须高度重视。

7.3.14 由于计算机软硬件技术发展非常迅速,许多现实复杂的力学模型和边界条件都可以用计算机进行数值模拟计算。地下工程围岩稳定性数值分析法包括适用于连续介质的有限单元法(FEM)、边界单元法(BEM)、拉格郎日元法(FLAC)、无单元法(Element Free Method)等;用于非连续介质的关键块体理论(KBT)、离散元法(DEM)、不连续变形分析法(DDA),界面元法(Interface Stress Element Method),以及块体赤平解析法;可同时用于连续介质和非连续介质的数值流形法(NMM,Numerical Manifold Method)。上述各种方法之间的耦合方法、基于逆向思维而提出的上述各种方法的反演分析(Inverse Analysis)方法和与数学优化理论、人工智能、遗传算法相结合的反馈分析(Feedback Analysis)方法,目前也在地下洞室稳定分析中得到应用。
    国内用数值分析法进行地下工程围岩的整体稳定性验算,尤以有限元法和拉格朗日元法应用最为广泛,计算结果的稳定性也较好。
    需要强调的是对于地下工程围岩稳定和锚喷支护的任何理论分析方法都不能代替工程师的智慧和经验,有时甚至是直觉的判断。

7.3.15 由于围岩地质结构的复杂性,地应力、地下水、岩体力学参数的不确定性,因此,计算中不必过于追求高精度的模型和计算方法,而应选择能较好地反映地下工程的实际工作状态,简洁、实用的计算模型。
    锚喷支护条件下围岩整体稳定性验算,目前还缺乏合理有效的洞室围岩稳定分析及判别的方法,没有公认的量化安全指标,国内外尚无统一标准。围岩应力状态计算方法和力学模型也不统一,但岩土工程理论研究和工程实践经验较多地采用以弹塑性理论计算为依据,若只按弹性理论进行围岩稳定验算是不合理的,因为不让围岩进入塑性,违背了现代支护理论的基本原则,即无法充分发挥围岩的自承能力。事实表明,围岩出现一定范围的塑性区,只要不进入松散状态并不会失稳,反而有利于减小支护结构的负担,发挥围岩的自承能力。在实际工程计算中,一般根据岩体的地应力状态和岩性特征选择相适应的力学模型。

Ⅳ 抵抗局部危岩的锚杆与喷射混凝土支护设计

7.3.17~7.3.19 局部块体失稳是受软弱结构面控制的,采用锚喷支护阻止不稳定岩块失稳,宜用极限平衡法进行局部稳定性验算。拱腰以上即洞室顶部不稳定块体侧向约束较弱,一般呈现塌落的形式失去稳定,因而计算时不计结构面上的C、Φ值,按锚杆承担全部不稳定岩体重量考虑;由于洞室顶部不稳定块体的不确定性及危害程度更大,危岩的局部稳定安全系数K宜按上限选取。拱腰以下及边墙部位的不稳定块体,一般受底滑面和侧滑面约束,需考虑滑动面上的黏结力和摩擦力作用,计算时,可按锚杆力、黏结力和摩擦力共同作用承担不稳定岩体的滑动力考虑。