隧道支护与衬砌(概述、作用机理、施工要点及优越性)

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概述:
隧道施工在地层中开挖出导坑后,出现了岩壁临空面,改变了围岩的应力状态,产生了趋向隧道内的变形位移。同时,由于开挖扰动以及随时间推移的变形量的增长,又降低了围岩的强度。当围岩应力超过围岩强度时,围岩的变形发展过大,从而造成失稳;其表现通常为围岩向洞内的挤入、张裂、沿结构面滑动,甚至最后发生坍塌。
围岩的变形是个动态过程。对于坚硬稳固的围岩,开挖成洞后其强度足以承受重分布后的应力,因而不致失稳。但对于破碎、软弱围岩,开挖后随着暴露时间的增加,变形随着发展,就会造成失稳。尤其是在隧道拱部、洞口、交叉洞以及围岩呈大面积平板状且结构面发达的部位,更易失稳。

为了有效地约束和控制围岩的变形,增强围岩的稳定性,防止塌方,保证施工和运营作业的安全,必须及时、可靠地进行人工支护,人工支护通常又分为一次支护(初期支护)和二次支护(衬砌)两大类。按使用目的和时间又分为临时支护和永久支护,临时支撑的功能是作为辅助开挖结构,或作为过渡结构,特别是用于控制局部塌落等,当临时支撑的任务完成后常被拆除。永久支护一般是指混凝土衬砌。
有时仅仅采用喷混凝土、锚杆及钢支撑等一般人工支护方法不能保证坑道的稳定时,还需要采取辅助的支护措施,如小导管注浆、管棚、锁脚锚杆、围岩注浆等支护方式。这是提高围岩自支护能力的重要措施。一般说,这种人工支护的措施,多数是在地质条件差的情况时采取的。

支护的合理选用与围岩的稳固程度有关。一般说来,Ⅰ级围岩不需临时支护;Ⅱ级围岩采用锚杆支护;Ⅲ~IV级围岩采用喷射混凝土支护、锚杆喷混凝土联合支护、锚杆钢筋网喷混凝土联合支护;Ⅴ级围岩采用喷射混凝土钢支撑联合支护或其他支撑支护;Ⅵ级围岩采用木、钢、钢木混合支撑或钢筋混凝土支撑。对于Ⅰ~Ⅱ级围岩,可以先挖后支,支护距开挖面距离一般不宜大于5~10m;Ⅳ~Ⅴ级围岩随挖随支,支护需紧跟工作面;Ⅴ~Ⅵ围岩先支后挖。
施工过程中如条件合适,应尽量将临时支护与永久支护结合采用。

一、锚喷支护
锚喷支护:是一种组合支护,它是将喷射混凝土、锚杆、钢筋网喷射混凝土、钢纤维、钢拱架组合起来的支护形式。可以根据不同围岩的稳定状况,采用锚喷支护中的一种或几种结构的组合。锚喷支护是目前通常采用的一种围岩支护手段。采用锚喷支护可以充分发挥围岩的自承能力,并有效地利用洞内的净空,既提高了作业的安全性,又提高了作业效率;它能适应软弱岩层和膨胀性岩层中隧道的开挖;它能用于整治坍方和隧道衬砌的裂损。

锚喷支护包括:喷射混凝土支护、锚杆支护、喷射混凝土锚杆联合支护、喷射混凝土钢筋网联合支护、喷射混凝土与锚杆及钢筋网联合支护、喷钢纤维混凝土支护、喷钢纤维混凝土锚杆联合支护,以及上述几种类型加设型钢(或钢拱架)而成的联合支护。前五种为常用的基本类型,后两类较少使用。

锚喷支护优越性:
能及时支护和有效地控制围岩的变形 ,防止岩块坠落和坍塌的产生,充分发挥围岩的自承能力 ;
能大量节省混凝土、木材和劳动力,加快施工进度,工程造价可大幅度降低,并有利于施工机械化程度的改进和劳动条件的改善等。
是一种符合岩体加固原理的积极支护方法,加固体具有良好的物理力学性能。即它能及时地支护和加固围岩,与围岩密贴并封闭岩体的张性裂隙和节理,加固围岩结构面,有效地发挥和利用岩块问的镶嵌咬合和自锁作用,从而提高岩体自身的强度、自承能力和整体性。

支护结构柔性好,它能同围岩共同变形,构成一个共同工作的承载体系。在变形过程中,它能调整围岩应力,抑制围岩变形的发展,避免岩体坍塌的产生,防止过大的松散压力出现。锚喷支护结构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。

(一)喷射混凝土支护
喷射混凝土的作用与效果:

①支承围岩作用
由于喷层能与围岩密贴和粘结,并给围岩表面以抗力和剪力,从而使围岩处于三向受力的有利状态,防止围岩强度恶化。此外,喷层本身的抗冲切能力阻止不稳定块体的塌滑
②“卸载”作用
由于喷层属柔性,能有控制地使围岩在不出现有害变形的前提下,进入一定程度的塑性,从而使围岩“卸载”;同时喷层的柔性也能使喷层中的弯曲应力减小,有利于混凝土承载力的发挥

③填平补强围岩
喷射混凝土可射入围岩张开的裂隙,填充表面凹穴,使裂隙分割的岩块层面粘连在一起,保持岩块间的
咬合、镶嵌作用,提高其间的粘结力、摩阻力,有利于防止围岩松动,并避免或缓和围岩应力集中
④覆盖围岩表面
喷层直接粘贴岩面,形成防风化和止水的防护层并阻止节理裂隙中充填物流失
⑤阻止围岩松动
喷层是紧跟开挖,能及时进行支护,且早期强度较高,因而能及时向围岩提供抗力,阻止围岩松动
⑥分配外力
通过喷层把外力传给锚杆、网架等,使支护结构受力均匀

喷射混凝土的工艺与流程:有干喷、潮喷、湿喷和混合喷四种。它们之间的主要区别是:各工艺流程的投料程序不同,尤其是加水和速凝剂的时机不同。

喷射混凝土原料及配合比:
喷射混凝土的原材料包括:水泥、碎石或卵石(砾石)、砂、水和外加剂(速凝剂)等。
优先选用425号以上的普通硅酸盐水泥,其次是矿渣硅酸盐水泥和火山灰质硅酸盐水泥;在地质条件复杂的隧道中应用早强水泥;使用前均应做强度鉴定试验。
为防止喷射混凝土过程中的堵塞管道,减少回弹量及保证混凝土支护结构的强度,应采用坚固耐久的碎石或卵石,粒径不宜大于15mm(细卵石好)。

为保证喷射混凝土的强度和减少施工作业时的粉尘,以及减少混凝土硬化时的收缩裂纹,应采用坚硬耐久的中、粗砂,细度模数一般宜大于2.5,含水率宜控制在5%~7 %,若超过7%,喷射时易造成堵管。
为保证喷射混凝土正常凝结和硬化,保证强度和稳定性,饮用水可作喷射用水,不得使用污水以及PH值小于4的酸性水和含硫酸盐量(SO4计算)超过水量1%的水,也不得使用含有影响水泥正常凝结与硬化的有害物质的水。

外加剂主要是速凝剂,应采用符合质量要求,并对人体危害性很小的外加剂。掺外加剂之前,应做与水泥的相溶性试验及水泥净浆速凝效果试验,初凝不应大于5min,终凝不应大于10min,注意速凝剂平时保持干燥勿受潮变质。在喷射混凝土中添加速凝剂的目的是使喷射混凝土速凝,以减少回弹量及早强。因此,掺外加剂后的喷射混凝土性能必须满足设计要求。一般速凝剂最佳掺量约为水泥重量的2%~4%,实际使用时拱部可用2%~4%,边部可用2%,过多的掺量对喷射混凝土反而不利。

喷射混凝土的施工要点
喷射混凝土前要做相应的检查和准备工作。
喷射作业施工准备工作做好后,严格掌握规定的速凝剂掺量,并添加均匀。喷射时,喷射手应严格控制水灰比,使喷层表面平整光滑,无干斑或滑移流淌现象。
在未上混凝土拌和料之前,先开高压风及高压水, 对喷射机械进行调试。 喷射应分段、分部、分块,按先墙后拱、自下而上地进行喷射。喷嘴需对受喷岩面作均匀的顺时针方向的螺旋转动,一圈压半圈的横向移动,螺旋直径约为20~30cm,以使混凝土喷射密实。

为保证喷射混凝土质量,减少回弹量和降低粉尘,作业时还应注意以下事项:①喷射时应分段长度不超过6m,分部为先下后上,分块大小为2m×2m,并严格按先墙后拱,先下后上的顺序进行喷射,以减少混凝土因重力作用而引起滑动或脱落现象的发生;②掌握好喷嘴与受喷岩面的距离和角度,喷嘴至岩面的距离为0.8m~1.2m,过大或过小都会增加回弹量。喷嘴与受喷面垂直,并稍微偏向刚喷射的部位(倾斜角不宜大于100 ),则回弹量最小、喷射效果和质量最佳。对于岩面凹陷处应先喷和多喷,而凸出处应后喷和少喷。回弹混凝土不得再次利用。

风压与喷射质量有密切的关系,过大的风压会造成喷射速度太高而加大回弹量,损失水泥,风压过小会使喷射力减弱,则混凝土密实性差。因此,根据喷射情况应适当调整风压、输料管长度进行调节风压。
喷射作业应分层进行。一次喷射厚度不得太厚或太薄,它主要与喷射混凝土层与受喷面之间的粘结力和受喷部位等有关,并且应根据掺与不掺速凝剂、喷射效率,回弹损失率等因素而定。

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