御河隧道锚喷支护整体式衬砌毕业设计(论文).doc

御河隧道锚喷支护整体式衬砌 摘要 文章主要论述了锚喷支护整体式衬砌产生的客观条件以及复合式衬砌,现行整体式衬砌的区别。就这种概念的衬砌而言，在许多新建铁路工程中已得到了大量的运用，说明了锚喷支护整体式衬砌是可行的，并且是符合我国国情的。新的锚喷支护整体式衬砌对衬砌断面进行了合理的优化，达到了既安全又经济的目的。关键词 锚喷支护；整体式衬砌；优化前言 近年来，将锚喷支护与整体式衬砌相结合的衬砌新形式在我国已逐步推广使用，该种衬砌与复合式衬砌的最大区别就是不进行量测。与传统支护比较,锚喷支护大大减少了坍方,简化了施工工序,提高了施工进度,同时与复合式衬砌相比,由于不进行量测,降低了对施工队伍的技术要求,方便了施工,一般的承包单位都可以施作。中铁六局山西大同御河隧道采用锚喷支护整体式衬砌，并进行了系统的研究,结合锚喷支护的特点,对常用的整体式衬砌断面进行了优化,事实证明,运用锚喷支护整体式衬砌是经济合理的。1. 工程概况 御河隧道为双线隧道，进口里程为DK388+080、出口里程为DK388+849，全长769m。全隧道位于山西省大同市兴荣区境内。地貌单元为低山丘陵区,地形起伏，冲沟发育。隧道进口处自然坡度约30°41°，出口处约45°60°。DK388+509DK388+524处为一冲沟，冲沟内基岩裸露,沟底宽约1米，沟心距路肩约16米，且沟内坡度较缓,隧道埋深小于7米。隧道进口至DK388+225.88位于R-2000的缓和曲线上，其余洞身段位于直线上。隧道进口线间距4.133m，出口线间距4.0m。隧道内坡度分别为6.6、-3。隧道最大埋深48m，其基岩为片麻岩为主,未见崩塌、滑坡等不良地质现象，坡体较稳定。本隧道属寒冷气候，常年较干旱、少雨，区内年最大降雨量587.7 mm，平均气温为2.9。隧道进口采用翼墙式洞门型式，出口采用台阶式洞门型式。本隧道级围岩长度291m，占38%；级围岩长度191m，占25%；级围岩长度287m，占37%。其中：浅埋段长度为164m（15m埋深小于7m）。2.初期支护2.1 喷射混凝土施工采用TK-961型湿喷机及配套湿喷技术。混凝土采用强制式拌合机拌和，自动计量；由6m3搅拌运输车运到现场后，经湿喷机二次拌合，以高压风为动力，经喷头射至受喷面。施工程序见下图1。图1 喷砼施工程序图2.1.1 砼喷射前应认真检查隧道断面尺寸，清除杂物，冲洗受喷面。全面检查调试喷射作业系统。2.1.2 砼生产砼在洞外自动计量拌和站，采用分次投料工艺，按配比集中生产。砼中掺加高效减水剂改善砼性能，坍落度控制在815cm之间。搅拌时间不宜小于180s。2.1.3 喷射作业成品砼采用6m3砼搅拌运输车运至TK-961型湿喷机转子活塞凸轮喂料斗，TX-1型液态速凝剂在湿喷机专用入口添加，由计量泵将速凝剂通过胶管压入喷咀，依靠喷射管中压缩空气将速凝剂雾化与物料充分混合后喷出。湿喷机工作时要求系统风压不小于0.5Mpa，风量不小于10m3/min，工作风压一般控制在0.40.5Mpa。（1）分段、分片，由下而上喷射作业，每段长度不超过6m。（2）一次喷射厚度据设计厚度和喷射部位确定，初喷厚度4cm。初喷砼着重填平补齐，将小的凹坑喷圆顺。岩面有严重坑洼处采用锚杆吊模模喷砼处理。一次喷射砼厚度拱部不超过10cm，边墙不得超过15cm。（3）后一层喷射在前一层混凝土终凝后进行。若终凝后间隔1h以上且初喷表面已蒙上粉尘时，受喷面应用高压风水清洗干净。（4）作业开始时，先送风，后开机，再给料，待砼从喷嘴喷出后，再供给速凝剂；结束时，先关闭速凝剂计量泵，之后停止供料，待喷嘴残留的少量砼和速凝剂完全吹净后，再停风。喷射时，喷头距岩面距离以0.6m1.2m为宜，与受喷面基本垂直；喷射料束螺旋形运动，环形旋转水平移动并一圈压半圈，环形旋转直径0.3m。喷射行间搭接23cm；喷砼厚度用标志钢筋外露长度控制；表面平整度目测平顺为宜。（5）钢架喷射砼先喷钢架与壁面之间的混凝土，后喷钢架之间的混凝土，由两侧拱脚向上对称喷射，将钢架覆盖。喷射砼表面平整，无空鼓、裂缝、松酥。 喷砼终凝2h后，应喷水养护，养护时间不少于14d。2.2 系统锚杆施工本隧道系统锚杆拱部25CD反循环注浆锚杆和边墙20MnSi22药卷锚杆两种类型。施工采用凿岩机钻孔，人工将锚杆推送入孔内，注浆泵注浆。锚杆孔开孔偏差及钻孔角度偏差不得大于规范要求，以充分发挥锚杆的穿连和楔形分块的作用。锚杆钻孔应圆而直，孔口岩面整平，并使岩面与钻孔方向垂直。中空注浆锚杆的注浆压力控制在0.7Mpa1.0Mpa，持续15min终止。2.2.1 砂浆锚杆采用20MnSi22mm螺纹钢筋。检查锚杆类型、规格、质量及其性能是否与设计相符。 图2 砂浆锚杆安装图其安设步骤如下：(1)YT-28风钻开孔，方向垂直于岩层层面，开孔直径为50mm，并用吹管将砂石吹出（风压0.50.6Mpa）钻孔深度不小于锚杆设计长度。(2)检查孔内有无充填物，如有充填物，用吹管吹出或掏勾勾出。(3)锚固卷浸水前上端扎3-5个小孔(孔径1mm)。浸水后通过滤纸进入锚固卷中的水占据了锚固卷中的小空间，原微小空间的空气被挤出排出，直到小孔不冒泡即浸水结束，这时水灰比约为0.340.35最理想范围,立即取出安装使用。浸水时间为11.5min,浸水过少,水泥水化不完全,影响锚固力；浸水过多，水泥浆易流动，充实不足也影响锚固力。(4)将浸好的几个锚固卷装入眼内，用炮棍送至眼底，将锚杆插入。其位置尽量居中，端部外露长度为515cm。锚杆插入过程中，注意旋转，使粘结剂充分搅拌。锚杆安设后，其填充砂浆终凝后立即安装托板，柠紧螺帽。图3 砂浆锚杆施工工艺流程图合 格合 格定位施工准备钻孔吹洗检验配料插入锚杆和排气管注浆安装垫板螺帽锚杆抗拔力检查验收2.2.2 中空注浆锚杆A.中空注浆锚杆施工流程YT-28风钻钻孔、清孔锚杆插入锚孔锚杆尾端安装止浆塞、垫板、螺母连接锚杆尾端和注浆泵注浆B. 中空注浆锚杆构造杆尾：与YT-28风钻连接，可与注浆胶管套接。杆体：中空厚壁全螺纹杆体，外径25mm，内径15mm。可任意切割，便于安装配件，同时作为锚杆，齿峰凹槽进一步提高锚固力。联结套：使锚杆能边钻进边加长到设计长度，使用联结套接长到设计长度。C. 锚杆安装采用YT-28型风钻，孔眼间距、深度和布置符合设计参数的要求，其方向垂直于岩层层面。钻孔完成后，将中空锚杆打入岩体。D. 注浆用塑胶泥封堵杆体周围及孔口，工作面上的裂纹也用塑胶泥封堵塞。管端外露20cm，以便安装注浆管。注浆采用注浆泵进行。图4 25CD反循环注浆锚杆施工工艺流程图施工准备锚杆孔位布置钻锚杆孔、锚杆安装注 浆戴杆头封堵帽进入下道工序浆液配制不合格合格注浆质量综合检查3.整体式衬砌优化于复合式衬砌整体式衬砌相比复合式衬砌有以下优点：（1）整体式衬砌计算原理相对简单，按围岩压力考虑则可，而复合式衬砌则需要根据二次衬砌的施作时间，采用不同的计算方法。如果二次衬砌是在初期支护的变形达到基本稳定后施作的，则计算的重点是确定初期支护的应力状态和围岩的稳定性；如果二次衬砌是在初期支护变形稳定前施作的，则二次衬砌将和初期支护共同承受围岩的后续变形所产生的形变压力。这样，不仅需要确定初期支护的应力状态和围岩的稳定性，还要确定二次衬砌的应力状态，在计算模式和参数的选取等方面存在很大的不确定性。（2）整体式衬砌不需要量测，只需一般的观察即可：而复合式衬砌必须量测，量测项目较多，分A类一般项目量测和B类特殊项目量测，测点的布置和量测频率随意性大，量测难度较大，对施工干扰较严重，在量测资料的利用上也存在一定的难度。这是整体式衬砌相比复合式衬砌的最大优点。(3)复合式衬砌需要更多的人力和物力，施工单位需配备专门的技术人员进行量测项目的规划，测点的布置，量测元件的埋设，量测结果的分析整理和反馈工作，而整体式衬砌则不需要。同时，从控制投资来说，也不可能将一条铁路的所有隧道都设计成复合式，除长大、重点隧道设计为复合式外，一般隧道都按整体式衬砌设计，整体式衬砌隧道的数量及长度远远大于复合式衬砌。作以上比较，并不是说复合式衬砌就没有优点，整体式衬砌就没有缺点，上述只是从实际出发而不是从理论上作比较。4.锚喷支护的优越性4.1 锚喷支护的作用 锚喷支护的出现，使人类对支护机理的认识以及克服不良地质的手段都跃上了一个新台阶。锚喷支护的作用机理简述如下（1） 喷混凝土的作用 喷混凝土能对节理、裂隙起充填作用，将不连续的岩层层面胶结起来，并产生楔效应而增加岩块间的摩擦系数，防止岩块沿软弱面滑移，促使表面岩块稳定，提高围岩的整体性能。 喷混凝土有一定的粘结力和抗剪强度，能做到与岩层密贴，共同变形，类似叠合梁结构，从而形成统一的承载体系。 喷混凝土能同时分层喷施，喷层虽薄，但具有较高的早期强度对围岩的变形能起到控制作用，能让围岩承担一部分初始应力，但又不至于产生过度的松弛，可有效地阻止坍塌的发生 喷混凝土能使坑道周边围岩尽早封闭，防止围岩风化，维护围岩的物力力学性能，对那些暴露在空气中即风化的围岩尤其有利。4.2 锚喷支护的特点 锚喷支护之所以比传统的支护优越，主要是由于它在机理和工艺上具有一些独特的性能，概括起来主要有及时性、粘贴性、深入性、灵活性。 及时性. 由于锚喷支护工艺本身的原因，使得它能作到支护及时迅速，甚至可在开挖前进行超前支护，加之喷混凝土的早强和全面密贴性能，因而更保证了支护的及时性和有效性 粘贴性. 喷混凝土周围围岩能全面密贴粘结，从结构观点来看，可以认为喷层与围岩是连续多点支座接触，在同样荷载作用下弯距植大为减少。 深入性. 所谓深入性是指锚杆能深入岩体内部一定深度加固围岩的特性，按一定方式和间距布置的系统锚杆，可以提高围岩锚固区的强度和整体性，改善围岩应力状态。 灵活性. 灵活性是锚喷支护十分重要的工艺特点，主要表现在锚喷支护的类型和参数，可根据各段不同的地质条件而随时调整施工工艺的可见性，广泛的适用性等。5.锚喷支护与整体式衬砌结合是可行的也是必然的5.1 在毛喷支护条件下，对现行整体式衬砌的优化（1）锚喷支护的类型已发展成多种多样，但应用最多的是常规锚喷支护，即混凝土为普通混凝土200号混凝土，锚杆为22普通砂浆锚杆。考虑台阶法开挖，拱部混凝土比边墙厚，本次研究包括、类围岩，这几类围岩是常见的，本参数作为计算初始参数见表1表1 锚喷支护参数围岩类别支护参数喷混凝土/cm锚杆/ cm拱部钢筋网/cm拱12墙7拱部 L=300间距100墙顶8×625×25拱10墙7拱5拱部L=250间距120（2） 本次研究的围岩条件为深埋隧道为便于对比，围岩的物理力学参数采用规范中对结构不利的值，各类围岩物理力学参数指标见表2表2 各类围岩物理力学参数围岩类别各项系数重度/(kN/m3)变形系数/GPa泊松比内摩擦角/(°)粘结力/(kN/ m2)弹性抗力系数/（MPa/m）200.60.403025120221.00.3535100300255.00.3040400500将围岩按连续体，各项同性考虑，通过平面有限元分析，主要部位的位移见表3表3 各主要部位的位移比较施工方法围岩类别拱顶下沉拱腰收敛拱脚收敛墙中收敛无锚喷有锚喷无锚喷有锚喷无锚喷有锚喷无锚喷有锚喷全断面类围岩1.41.10.250.120.460.260.60.48类围岩5.91.43.30.565.12.06.54.3台阶法类围岩8.54.62.10.534.10.944.73.3主要有以下几点结论： 没有锚喷支护时，隧道周边一定范围内的围岩从表面上看，处在单向受压状态，且压力比围岩深处的大，围岩越差，差值越大。分析表明，隧道开挖后引起周边围岩应力重分布，临空面方向（径向）应力为零，切向应力增大。因为拱形结构为推力结构，所以拱脚附近增加幅度最大，这也说明了围岩易沿拱脚剪切滑出的原因。围岩中拱效应的存在，说明围岩在通常情况下确实为承载单元。 采用锚喷支护后，周边围岩由单向受压状态转化为双向受压状态，因支护约束了围岩的径向变形，给围岩提供了一定的径向应力，切向应力的增加幅度减小，拱脚附近尤其明显，切向应力向围岩深处转移。同时围岩中的不同方向应力趋于均衡，这些变化都将促使更好地利用围岩的自承能力。 在采用锚喷支护后，围岩的位移减小，围岩越差，减小的幅度越大，说明软弱围岩对支护的依赖性较强，施加锚喷支护后，能较大幅度地利用围岩的抗压性能，减小围岩强度的降低幅度。 类围岩处于不封闭隧底与封闭隧底两种情况下，封闭隧底时位移减小，支护内力略有降低，说明围岩承担的初始应力增大。因为支护封闭后，形成一个贯通的承力体系，周边围岩应力的相互传递和相互作用的性能增强，对更好地利用围岩的抗压能力，支护结构起到了“传力”的作用；同时，对围岩增加了约束。所以，越是软弱围岩，越应强调快速封闭成环的重要性和必要性。 从周边围岩应力重分布的范围来看，锚杆的长度是适合的，开挖对岩层扰动的范围一般在22.5范围；锚杆的应力表现为中间大或尾部大，与实际量测的锚杆应力趋势相同。混凝土的应力局部比较大。 类围岩可以自稳，能承担初始应力的全部；类和类围岩在施作锚喷支护后，虽然使周边围岩由单向受压状态转化为双向受压状态，但由于围岩的自身强度过低，承担不了因重力重分布引起的初始应力，普通锚喷支护抵抗围岩的变形能力有限，所以位移持续增长，在施作混凝土衬砌后位移收敛迅速。 台阶法开挖中，在开挖下半断面时，位移、应力有急剧变化。若采用先拱后墙衬砌，易使拱腰开裂和掉拱，并引发塌方。尽管洞口段、浅埋段和深埋段的围岩变形情况不同，但仍可以说明先拱后墙衬砌存在着明显的不足。类围岩在采取注浆等提高岩性的加固措施后，位移和应力减小，应在拱部采取超前支护、格栅钢架等措施，以保证开挖下半断面的安全。5.2锚喷支护整体式衬砌参数的确定 计算及实践表明,锚喷支护对围岩受力状态的改善是明显的,其本身的支护能力也是比较强的。在此基础上,借鉴复合式衬砌的成功经验,对现行整体式衬砌进行优化是可能的,也是现实的。 锚喷支护整体式衬砌要求衬砌紧跟,而不是等待支护收敛,所以支护参数可以比复合式衬砌的初期支护弱(因为荷载来不及释放,山体压力小)。而模筑衬砌承受的不是坍方荷载,故可比传统整体式衬砌要薄。经过计算比较和根据专家评议,最后确定的锚喷支护整体式衬砌参数如表4、表5所示。锚杆采用中空注浆锚杆，并将该种型式的衬砌称为锚喷支护整体式衬砌。采用上述参数的锚喷支护整体式衬砌，可以达到既安全又经济的目的。表4 整体式衬砌参数部位围岩类别类围岩、直墙/ cm类围岩曲墙/ cm类围岩直墙/ cm类围岩/ cm拱顶25355040拱脚25355040墙中25355040表5 锚喷支护参数围岩类别支护参数喷混凝土/cm钢架中空注浆锚杆/cm钢筋,网格/cm拱15,墙15拱墙设置拱墙顶:L=300,间距100拱部: 8×625×25拱15,墙15必要时设置拱部:L=250,间距1008×625×25拱5局部:L=2505.3 锚喷支护整体式衬砌的要求5.3.1 对施工工序的要求 重视爆破设计,使开挖轮廓线平整圆滑,尽量采用先墙后拱衬砌;对台阶法施工开挖,在拱部稳定或接近稳定时,才能开挖下半断面;对类围岩,下半断面拉槽长度不得过长,以满足施作衬砌的场地条件为宜,混凝土衬砌应紧跟;对衬砌背后超挖部分,应用同级混凝土回填密实;在上部结构完成后,应及时施作仰拱,条件允许应优先施作仰拱。5.3.2施工中的观察项目施工期间应经常仔细地观察开挖面围岩稳定状态及已施工地段的支护衬砌情况。(1) 开挖面观察内容： 岩层种类和分布情况，岩层强度、风化和变质情况、节理裂隙发育程度和方向性及填充物的性态，断层的位置、走向和破碎程度。开挖面稳定状态，拱部有无围岩剥落和坍塌现象。涌水位置，涌水量，涌水压力（2）以施工段观察内容：有无锚杆拉断，垫板松动或陷入围岩的现象。喷混凝土是否产生裂缝、剥离和剪切破坏。钢架变形、开裂和破坏情况，漏水范围和大小，有无底鼓现象。通过上述观察，可大致判断采用何岩的稳定情况，以便及时调整支护参数。种锚喷支护参数以及施作后锚喷支护和围结论 我国有70%左右的国土为山区，交通建设过程中必然出现大量的隧道工程，不仅隧道大小、长短都采用复合式衬砌是不现实的，整体式衬砌必将长期存在，同时，锚喷支护的优越性无庸置疑，已完全替代了传统支护，将锚喷支护与整体式相结合是必然的，由此而产生的锚喷支护整体式衬砌是符合我国国情的明智选择。实际上，该种概念的衬砌形式已在多条铁路隧道中付诸实施。锚喷支护整体式衬砌的经济效益与社会效益是非常好的，通过有限元荷载结构模式分析，本优化衬砌在锚喷支护先墙后拱衬砌的施工条件下是合适的，满足“经济合理，使用安全”的要求。参考文献1. 隋修志，高少强主编 . 隧道工程 . 石家庄：石家庄铁路职业技术学院.20032. 铁道部第二勘测设计院主编 . 铁路工程设计手册隧道.北京：中国铁道出版社，19953. 铁道部第二工程局主编 . 铁路工程施工技术手册隧道.北京：中国铁道出版社，19954. 陈豪雄，殷杰主编 . 隧道工程 . 北京：中国铁道出版社，19955. 铁二院主编 . 铁路隧道设计规范 . （1996年局部修订版）6. 张祉道 . 当前隧道工程中锚杆应用状况 . 世界隧道增刊 . 成都 ， 20007. 谭成中 . 单线铁路隧道锚喷施工支护整体式衬砌研究报告 . 1999