【正文】 為了抑制圍巖大的變形而增加支護(hù)抗力時(shí)； （ 4） 當(dāng)需要施作超前支護(hù) ， 設(shè)置格柵作為超前錨扦 (或超前小鋼管等 )的支承構(gòu)件時(shí) 。 為增強(qiáng)格柵鋼架的整體性 ， 在各格柵間應(yīng)設(shè)置 縱向連接構(gòu)件 。 圖 8 接頭的各種形式 79 格柵段長 、 節(jié)間距在滿足隧道分部開挖 、 便于安裝的要求時(shí) ， 宜加大格柵分段長度以減少接頭 。 連接板焊于主筋上 。 主筋直徑 不宜小于 22mm， 并宜采用 20MnSi或 A3鋼筋 。 從格柵的斷面形式看 ， 有各種形式 ，如三邊形 、 四邊形等 。 圖 5 鋼支撐聯(lián)系構(gòu)件 76 格柵 我國是采用格柵最多的國家 ， 積累了豐富的經(jīng)驗(yàn) 。 在設(shè)計(jì)上 ， 接頭板要盡可能少地突出到二次襯砌中 ， 這是造成二次襯砌開裂的一個(gè)原因 。 因此 ， 多采用表列的 H型鋼和 U型鋼 。 鋼支撐的設(shè)計(jì) ， 主要包括鋼支撐的形狀 ， 斷面 、材質(zhì) 、 間距 、 接頭和聯(lián)系構(gòu)件等的設(shè)計(jì) 。 71 六、 鋼支撐和格柵 鋼支撐 鋼支撐很少單獨(dú)使用 ， 多數(shù)場合是與噴混凝土 、 錨桿等組合使用的 。 這些經(jīng)驗(yàn)式表明，從理論上決定錨桿的參數(shù)，目前還有一定困難，必須配合試驗(yàn)、經(jīng)驗(yàn)綜合判定。V 2) 日本道路公團(tuán) 錨桿長度： L=W/3~W/5或 L≥t 式中： L－錨桿長度； W－隧道開挖寬度； t－掌子面到完成支護(hù)地段的距離；設(shè)置間隔： ~。圍巖是否塑性化，其錨固長度和錨固力是不同的。 拉拔承載力通常是因圍巖和錨固材料間的摩擦力而產(chǎn)生的，受到圍巖條件、錨固方式、錨固材料、錨桿長度、孔徑、錨固后的經(jīng)過時(shí)間等的影響，故要充分考慮這些設(shè)計(jì)條件。 錨固方法有：一般是先向孔內(nèi)充填錨固材料，而后插入錨桿固定的充填方式和錨桿插入后壓注錨固材料固定的壓注方式。 錨固材料有砂漿、水泥漿、樹脂等。通常采用 φ25 (3~4m)左右。 圖 6 巖塊的懸吊 圖 7 初期支護(hù)的縫合 63 ? 內(nèi)壓效果和拱效果的場合 在隧道全周或除仰拱以外的全部周邊配置錨桿。決定錨桿間距時(shí)，應(yīng)考慮發(fā)揮鄰接錨桿的相互作用。 圖 5 墊板的形狀 61 4）配置和尺寸 錨桿的配置應(yīng)根據(jù)圍巖種類、強(qiáng)度、隧道斷面大小、形狀、開挖方法、裂隙間距、長度、有無涌水等決定。 60 錨桿接續(xù)施工時(shí)，要采用套管，但使用的套管應(yīng)具有良好施工的形狀和與錨桿同等的強(qiáng)度。 ? 以內(nèi)壓效果和拱效果為目的的錨桿 在一般圍巖中，原則上采用材質(zhì) SD29 22mm直徑的錨桿。 58 2）錨桿的材質(zhì) 錨桿的材質(zhì)在凈空位移不大的一般圍巖中，原則上采用SD295。 圖 4 鋼管膨脹型摩擦錨固式錨桿示意圖 57 表 2 鋼管膨脹型摩擦錨固式錨桿 壁厚 管徑 鉆孔徑 抗拉強(qiáng)度 標(biāo)準(zhǔn)型 增強(qiáng)型 超強(qiáng)型 26~41mm 36~54mm 36~54mm 32~39mm 43~52mm 43~52mm 110kN 140kN 200kN 鋼管膨脹型摩擦錨固式錨桿一般采用的長度是 3~6m，但也有采用 12m的。這種錨桿不需要灌漿是用鋼管膨脹后的管壁與孔壁的摩擦力錨固的。此外當(dāng)隧道埋深小，錨桿需導(dǎo)入預(yù)應(yīng)力時(shí)，頭部錨固是極為重要的。 頭部機(jī)械錨固， 壓注砂漿，施工 比較麻煩。 采用套管方式時(shí)，因強(qiáng)行插入比鉆孔大的錨桿，或采用膨脹型時(shí)，用高壓水壓注使鋼管膨脹，而獲得瞬時(shí)的支護(hù)功能。 頭部錨固方式，目前幾乎沒有采用。 53 錨桿設(shè)計(jì) 錨桿設(shè)計(jì)包括錨桿類型的選擇、錨桿的布置（長度、根數(shù)、間隔等）以及錨固材料的選擇等。 （ 3）土砂圍巖 在埋深小的土砂圍巖中，噴混凝土是有效果的，拱項(xiàng)附近的錨桿幾乎不受拉力而只發(fā)生壓力的情況時(shí)有發(fā)生。 圖 1 硬巖的錨桿作用效果 圖 2 最大錨桿軸力與最大凈空位移 52 （ 2）軟巖 在圍巖強(qiáng)度比小的軟巖中，隧道周邊圍巖發(fā)生塑性化，需以內(nèi)壓效果和形成平衡拱效果為主。 為發(fā)揮錨桿與圍巖形成一體的效果 ， 注意以下幾點(diǎn)： （ 1） 硬巖 圍巖強(qiáng)度比大 、 隧道周邊圍巖沒有塑性化的情況 ， 不需要內(nèi)壓效果 。 在膨脹性圍巖 這種會造成噴混凝土中產(chǎn)生很大應(yīng)力的情況和需防止噴混凝土破壞時(shí)剝落的情況 ， 為提高抗剪能力應(yīng)采用金屬網(wǎng) 。 要用釘子固定在圍巖和噴混凝土上 ， 結(jié)合部要搭接 12個(gè)網(wǎng)格 。 金屬網(wǎng)原則上采用φ 5 150 150的焊接金屬網(wǎng) 。 金屬網(wǎng)的作用主要是增強(qiáng)噴混凝土的抗剪能力 、 提高粘附性 、 防止破壞時(shí)噴混凝土的剝落 。 但在象膨脹性圍巖土壓很大 、 變形量很大的情況 、 承載能力和變形能力都小的未固結(jié)圍巖的情況以及埋深小 、 極力減少對周邊環(huán)境影響的情況 ， 為增加支護(hù)剛性控制位移 ， 需要噴射厚度比較大的噴混凝土 。 因?yàn)?， 采用更大厚度的噴混凝土 ， 已經(jīng)失去了初期支護(hù)的意義 。 因?yàn)?， 由于壁面的不平整 ， 噴混凝土厚度的離散性非常大 。 日本目前規(guī)定：回彈量不能大于 20%， 粉塵量不能大于 5mg/m3，否則 ， 噴混凝土質(zhì)量就是不合格 。 這一點(diǎn) ， 在設(shè)計(jì)上必須加以考慮 。 規(guī)范 軸心抗壓強(qiáng)度 彎曲抗壓強(qiáng)度 抗拉強(qiáng)度 彈性模量 鐵路 15 18 104 公路 14 104 噴錨 10 104 由表可以看出 ， 我國規(guī)定的基準(zhǔn)強(qiáng)度可能是最低的 。 SC30 30 作為低齡噴混凝土，不要求特別的條件。 企業(yè)名稱 噴混凝土種類 抗壓強(qiáng)度（ N/mm2） 3h 1d 28d 日本鐵道建設(shè)公團(tuán) 標(biāo)準(zhǔn)噴混凝土 — 8 18 高品質(zhì)噴混凝土 8 18 日本道路公團(tuán) 標(biāo)準(zhǔn)噴混凝土 — 5 18 高品質(zhì)噴混凝土 2 10 36 鋼纖維噴混凝土 2 10 36 分類 內(nèi)容 SCⅠ 沒有荷載作用的場合：對質(zhì)量和耐久性的要求較松，主要用于飾面、填平補(bǔ)齊，平整巖面 SCⅡ 有臨時(shí)荷載作用的場合：作為開挖的施工支護(hù)，其初期強(qiáng)度應(yīng)根據(jù)具體條件設(shè)定 SCⅢ 有永久荷載作用的場合：代替二次襯砌，作為永久支護(hù)使用，對強(qiáng)度和特殊性質(zhì)有嚴(yán)格要求。但日本最近幾年有向高強(qiáng)度噴混凝土發(fā)展的趨勢。在強(qiáng)度一定條件下，厚度則因圍巖而異，在多數(shù)場合是憑經(jīng)驗(yàn)決定的。 此外噴混凝土除力學(xué)效果外，還具有覆蓋的物理效果，如防止圍巖風(fēng)化，阻止?jié)B水等。 其次，噴混凝土的支護(hù)效果和發(fā)揮的程度與圍巖關(guān)系十分密切。 35 此外，如下圖所示，對局部的外力，如浮石某些塊體或偏壓等，噴混凝土的一部分可以作為板或梁，用其抗彎和抗剪能力發(fā)揮支護(hù)的作用，此時(shí)粘附點(diǎn)可以視為支持點(diǎn)。這是因?yàn)閲娀炷恋淖饔脵C(jī)理和噴混凝土是否能夠形成一個(gè)結(jié)構(gòu)體系來發(fā)揮作用還不十分清楚。膨脹壓力 ○ ○ ○ ○ ○ 掌子面穩(wěn)定對策（正面穩(wěn)定、腳部補(bǔ)強(qiáng)） 斷面要及早閉合，采用高強(qiáng)噴混凝土，考慮設(shè)置變形富裕量 土砂圍巖 松弛壓力 形變壓力 ○ ○ ○ △ 掌子面穩(wěn)定對策（正面、拱頂） 最好設(shè)置仰拱 軟巖 圍巖強(qiáng)度比大 掉落巖塊 埋深小的場合有時(shí)需要防止開挖影響到地表的情況，或不能期待拱效應(yīng)而把位移限制在最小限度之內(nèi)的場合，襯砌在開挖后要盡快施工，襯砌應(yīng)考慮承受全部埋深荷載。同時(shí)考慮到圍巖的不確定性和地下水等的作用對長期的圍巖性質(zhì)的影響，必須提高安全系數(shù)。 這三種支護(hù)的形態(tài)示于下表。 29 鋼支撐或格柵： 基本上與噴混凝土具有同樣的功能，可補(bǔ)充噴混凝土初期強(qiáng)度的不足，直接承受松弛荷載，與噴混凝土成為一體，給予內(nèi)壓，確保圍巖的一體化。錨桿可以一邊追隨圍巖的變形，一邊約束圍巖防止其崩落，確保圍巖一體化。 28 錨桿： 從深入圍巖支護(hù)這一點(diǎn)上看，在補(bǔ)強(qiáng)裂隙巖體薄弱部分和改良圍巖為均勻圍巖方面，是與其他支護(hù)不同的。 噴混凝土的問題是其材料強(qiáng)度和彈性系數(shù)的出現(xiàn)是需要一定時(shí)間的，因此，在設(shè)計(jì)上一定要強(qiáng)調(diào)噴混凝土的初期強(qiáng)度，其出現(xiàn)時(shí)間要有明確的規(guī)定，通常都規(guī)定 1d的強(qiáng)度值。長超前支護(hù) 圍巖與初期支護(hù) 27 初期支護(hù)的作用也是選擇支護(hù)類型的重要依據(jù)。噴混凝土 系統(tǒng)錨桿 形成內(nèi)壓，提供支護(hù)阻力 阻止巖塊滑移 飾面 從力學(xué)角度看，支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)根據(jù)圍巖開挖后的力學(xué)動態(tài)、支護(hù)結(jié)構(gòu)的支護(hù)作用來選定。超前支護(hù)，按日本的分類有短超前支護(hù)和長超前支護(hù)。當(dāng)然，作為支護(hù)結(jié)構(gòu)也要滿足易于施設(shè)、構(gòu)件可互換、斷面類型單一、便于改變剛性等施工性上的條件。 施工過程對結(jié)構(gòu)的安全也是有影響的。例如，當(dāng)初始位移達(dá)到 u0時(shí)再施設(shè)初期支護(hù)，就為時(shí)過晚。如圖同樣剛度的支護(hù)結(jié)構(gòu)，施設(shè)的時(shí)間不同，最后達(dá)成平衡的狀態(tài)也不同，如 2較 1所要求的支護(hù)阻力小，但這不等于說，支護(hù)參與工作的時(shí)間愈遲愈好。因此 ,應(yīng)在坑道圍巖達(dá)到極限平衡之前開始發(fā)揮作用。這要求在施工初期，要迅速地修筑支護(hù)結(jié)構(gòu)，但要具有一定柔性，使之與圍巖一起有控制地變形。 目前的支護(hù)結(jié)構(gòu)，其剛度相對地降低很多，即以采用柔性支護(hù)結(jié)構(gòu)為主，與過去的剛性支護(hù)結(jié)構(gòu) — 現(xiàn)灌混凝土襯砌相比，厚度有了大幅度減小。這就要求支護(hù)結(jié)構(gòu)具有良好的適應(yīng)性。因此，消除支撐頂替是對支護(hù)的一個(gè)重要要求。因此多采用鋼支撐或格柵，它在架設(shè)后不再拆除，而成為永久支護(hù)的一部分。噴射混凝土一錨桿支護(hù)就是一例。 過去在支護(hù)處理上，常分為臨時(shí)支護(hù)和永久支護(hù)兩種。 現(xiàn)代支護(hù)理論的研究多數(shù)是以全面接觸為出發(fā)點(diǎn)的。設(shè)計(jì)條件與受力實(shí)踐是不符的。 A類接觸，由于接觸點(diǎn)的不確定，圍巖壓力極不均勻。在噴混凝土施工中，支護(hù)結(jié)構(gòu)與圍巖是全面而牢固地接觸，這與模筑混凝土與圍巖的接觸狀態(tài)是完全不同的，因而，支護(hù)效果也有顯著差異。因此，任何一種類型的支護(hù)結(jié)構(gòu)都應(yīng)具有與上述作用相適應(yīng)的構(gòu)造、力學(xué)特性和施工可能性。但從結(jié)構(gòu)受力角度看，多數(shù)國家，不管圍巖好壞，一律采用曲壁的凈空斷面。監(jiān)視員通道設(shè)在隧道側(cè)部、其上部步行空間示于圖。鋪裝構(gòu)造為混凝土板 25cm、鋪裝路面 20cm ，中央排水管無有孔塑料管或高密度管（直徑 300mm）。 8 日本標(biāo)準(zhǔn)凈空斷面 設(shè)定的基本方法有明確規(guī)定，對我們編制公路隧道的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)有一定的參考價(jià)值。 公路隧道不僅要提供汽車行駛的空間，還要滿足舒適行駛、交通安全、防災(zāi)等服務(wù)的空間。 內(nèi)裝； 修正設(shè)計(jì)則著重在表中的⑤以下的項(xiàng)目，并修正預(yù)設(shè)計(jì)決定的項(xiàng)目。1 主講 : 譚忠盛 隧道工程設(shè)計(jì)與施工 北京交大隧道系 2 第五部分 隧道預(yù)設(shè)計(jì) 3 隧道設(shè)計(jì)分為：預(yù)設(shè)計(jì)和修正設(shè)計(jì)二類。 預(yù)設(shè)計(jì)以大致掌握安全性、施工性、對周邊的影響等為主要目的，其設(shè)計(jì)項(xiàng)目以下表中的① ④ 為主要對象。 從公路隧道的功能出發(fā)，隧道凈空斷面應(yīng)確保以下必要的空間，而且要考慮穩(wěn)定性、施工性及車輛的走行性，確定合理的斷面形狀和尺寸。 通風(fēng)設(shè)備； 7 這里所指的隧道凈空斷面是隧道襯砌和基底圍巖或仰拱所包圍的內(nèi)側(cè)部分的大小和形狀。但從降低造價(jià)方面看，以采用簡明、單純的單心圓斷面為宜。 基底圍巖和鋪裝路面，如圖所示，要設(shè)置 %以上的中央排水管。 （ 6）內(nèi)裝 設(shè)置在不影響凈空斷面的高度以下。 從建筑限界看，隧道的凈空斷面可以是直壁的，也可以是曲壁的。 13 三、 支護(hù)結(jié)構(gòu)的功能和作用機(jī)理 對支護(hù)結(jié)構(gòu)的基本要求 支護(hù)結(jié)構(gòu)的基本作用：保持坑道斷面的使用凈空；防止圍巖質(zhì)量的進(jìn)一步惡化；承受可能出現(xiàn)的各種荷載；使坑道支護(hù)體系有足夠的安全度。 例如在通常礦山法中 ,早期臨時(shí)支護(hù)多采用木支撐，它與圍巖形成點(diǎn)的、任意部位的接觸，而鋼支撐雖然也是點(diǎn)接觸， 14 但位置是固定的，因而支護(hù)效果比木支撐優(yōu)越。同時(shí)也改善了結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)，支護(hù)效果較佳。最多是 C類，有時(shí)甚至是 A類。這在建立某一種計(jì)算方法時(shí)是必須解決的。 17 （ 2）重視初期支護(hù)的作用，并使初期支護(hù)與永久支護(hù)相互配合，協(xié)調(diào)一致地工作。目前隨著支護(hù)技術(shù)的發(fā)展，逐步把臨時(shí)支護(hù)與永久支護(hù)合并考慮，臨時(shí)支護(hù)亦作為永久支護(hù)的一個(gè)重要部分。這種拆除或頂替已承載支撐的作業(yè)，會造成圍巖的過度松弛及應(yīng)力的第二次分配。噴射混凝土 — 錨桿支護(hù)的這個(gè)特