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同学们好

通过前面几节课的学习

我们知道水工隧洞属于地下结构

受围岩和地下水等条件的影响较大

而围岩既是荷载

又是承载物

其稳定性与地质条件密切相关

也与衬砌等支护措施有关

那么

围岩的应力状态及稳定性如何

为提高围岩的稳定性

又需要采取哪些支护措施呢

这是本节课将要学习的主要内容

我们知道

地下岩体因自重作用

任何一点都处于受力状态中

在洞室开挖之前

岩体中承受初始地应力

而在岩体中开挖洞室

破坏了洞室周围岩体原有的应力平衡状态

引起围岩应力重分布

在洞室周边及其附近出现应力集中

对围岩稳定不利

特别是在某些高地应力地区的脆硬性岩体

集聚着大量的弹性变性能

一旦开挖

出现自由边界

引起切向应力急剧增加

能量进一步集中

在高应力作用下

发生岩块的突发性脆性断裂、飞散

伴随着巨大的响声

形成“岩爆”现象

危及人身安全影响施工

因此

在高地应力部位开挖水工隧洞

需要采取锚杆、喷混凝土

超前预钻释放应力等工程措施

以防止或削弱岩爆的发生

开挖后的洞室围岩的稳定

与开挖时的应力重分布及围岩强度有关

而应力重分布状态则

主要取决于初始地应力的特征

洞室断面的形状和尺寸、岩体性质等

初始应力的大小和方向是

围岩变形和稳定的决定性因素

经验表明

在低地应力区

围岩的变形失稳具有自重滑塌特征

而高地应力地区

则表现为强烈的挤压

塑性变形或岩爆现象

洞室的断面形状和尺寸

也影响围岩的应力重分布

当初始应力的铅直分力较大时

应采用高宽比较大的具有顶拱的断面型式

当水平向分力较大时

应采用高宽比较小的近似椭圆的断面

以减轻围岩的应力集中程度

岩体的结构及岩体特性

对围岩应力也有重要影响

特别是岩体中节理的存在

使得岩体成为不连续介质

节理面的抗剪强度较低且不能承受拉应力

使得围岩应力产生较大的变化

除此之外

影响围岩稳定的因素

还有地下水的情况、施工方法和支护方式等

各种因素错综复杂

因此

目前对于围岩稳定性的判断

还不能完全依靠理论计算

尚需借助经验或现场量测做出判断

特别是现场量测

对指导施工、改进设计具有重要的作用

在隧洞施工过程中应优先采用

在施工期

主要利用位移计测量个点的位移和相对位移

通过分析位移时程曲线

判定围岩的稳定情况

当位移量超过允许值

或位移曲线有突然变化时

表明围岩的稳定性恶化

将要失稳

据此可以确定支护的时间

或修正支护措施及支护参数

此外

还可以利用现场实测数据

进行反演分析

推算围岩应力及岩体的力学参数

进行围岩稳定性的预测分析

更好的控制围岩稳定

显然

对于可能发生失稳的洞室围岩

需要采取支护措施

以保证围岩的稳定性

在水工地下洞室工程中

常采用喷锚支护

所谓喷锚支护

即喷混凝土支护与锚杆支护的总称

根据不同的工程地质条件和对支护的要求

可以单独或联合使用

也可以在喷混凝土层中铺设钢筋网

喷锚支护的优点很多

能及时支护

喷层较薄

柔性大

能与围岩紧贴

充分发挥围岩的自承作用

节省材料

降低造价

但也存在喷层薄

随开挖面的糙率大

大面积喷射混凝土的施工质量难以控制等缺点

喷锚支护的类型有以下几种

1、喷混凝土支护

洞室开挖之后

如图所示

及时喷射混凝土使其与围岩紧密结合

混凝土在喷射压力下

部分砂浆渗入围岩的节理、裂隙

胶结松动岩块

能起到加固围岩、堵塞漏水通道

填补缺陷的作用

并可以有效地限制围岩的变形发展

发挥围岩的自承能力

改善支护的受力条件

喷混凝土时应分层进行

一般每层3~8cm

在喷第一层之前应先喷一层厚度约1cm的水泥砂浆

喷混凝土层的总厚度一般为5~20cm

对于抗冲刷、抗磨损有较高要求的部位

也可以在喷混凝土中掺入1%~2%重量的钢纤维

可以明显提高其抗压、抗拉强度和抗磨蚀能力

2、锚杆支护

对于节理发育的块状围岩

利用如图所示的锚杆

可将不稳定的岩块锚固于稳定的岩体上

也可以加固节理、裂隙和软弱面

使围岩变形受到约束

达到围岩自承状态

常用的锚杆有楔缝式锚杆和砂浆锚杆

楔缝式锚杆采用端头冲击后

张开的鱼尾叉嵌固于岩石中

也可以灌入水泥砂浆

进行永久性支护

砂浆锚杆无楔缝式锚头

是在锚杆与孔壁之间填充水泥砂浆

凝固后限制围岩的变形

是一种构造简单、经济、使用广泛的锚杆

锚杆的直径一般16~25mm

长度1.5~4.0m

当围岩条件较好、洞泾较小时

采用较小值

锚杆一般采用梅花形布置

打入方向应尽量垂直于围岩的层面和节理面

以提高支护效果

3、喷混凝土和锚杆联合支护

用于强度不高和稳定性较差的岩体

两者联合使用可以加固锚杆之间的不稳定岩块

达到稳定岩体、保证洞室安全运行的目的

4、喷锚加钢筋网支护

对于软弱、碎裂的围岩

采用喷锚支护的效果不足时

可以加设一层钢筋网

以改善围岩应力

使支护受力趋于均匀

提高喷混凝土层的整体性和强度

并可以减少温度裂缝

对于钢筋网

一般钢筋直径为6~12mm

网格间距15~30cm

钢筋网应在喷完一层混凝土之后随喷层起伏铺设

并焊接于锚杆之上

钢筋网的保护层厚度应不小于5cm

上述喷锚支护措施在水工地下洞室工程中

得到了广泛应用

并取得了大量的工程实践经验

技术已趋于成熟

随着施工技术的发展及机械制造水平的进步

在目前地下工程建设中

TBM即全断面隧洞掘进机技术

得到了越来越多的应用

如图所示

TBM是集机械、电子、液压、激光

控制等技术于一体的高度机械化

和自动化的大型隧道开挖衬砌成套设备

通过安装在刀盘上的滚刀挤压剪切破碎岩体

将石渣通过皮带机向后送出

并对围岩进行即时支护

采用掘进、支护、出渣并行连续作业方式

使隧道断面一次成型

TBM技术具有自动化程度高、施工速度快

节约人力、安全经济

一次成型、综合效益高等优点

可实现传统钻爆法难以

实现的复杂深埋长隧洞的施工

是隧道掘进中最有发展潜力的机械设备

在水利水电地下洞室工程中也将大有用武之地

希望同学们课后能广泛查阅文献资料

增强对这些新的建设技术的了解和认识

到此

本章水工隧洞的全部内容我们已经学习完毕

本章重点内容包括水工隧洞

不同于其他水工建筑物的特点

以及水工隧洞的进口段

洞身段和出口段的结构和水力设计要点

并需要掌握洞身衬砌及

围岩稳定和支护等方面的内容

本章就到这里

谢谢大家