06-4松动圈支护理论与技术讲座-支护机理与设计方法

2 巷道支护设计方法现状-实验室模拟
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很多问题不清楚(原岩应力,岩体性质等), 需要试验手段先进。 综合研究方法，上述各种方法综合应用， 近代大型岩土工程无一不是采取此种方 法。
附：中国矿业大学巷道模拟实验系统
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附:中国矿业大学新真三轴巷道模拟实验系统
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2 围岩松动圈支护设计法
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3 围岩松动圈支护设计法-大松动圈设计
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3 围岩松动圈支护设计法-大松动圈设计
组合拱在大松动圈中 的成功依据 锚固体具有较大可缩 性，并且其强度基本 等于原岩体强度。这 刚好符合软岩支护的 要求。 其支护能力是U钢支 护的2—3倍。

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3 围岩松动圈支护设计法-大松动圈设计
一般锚杆作用机理有 悬吊原理、组合拱原理、 加固原理等每一种都只能 解释一些实际问题
1 巷道锚杆支护机理研究现状
地下工程锚杆支护机理问题研究现状－2
百花齐放 分析方法
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多用于特殊工程 的研究或重大工 程设计
锚杆设计
最广泛采用方法。推广锚杆作出 贡献。优点是设计成本低，技术 要求不高；缺点是针对性不强， 不能抓住实质。
主要内容

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1.巷道支护变形破坏现象和原因分析


2. 松动圈支护理论基本观点；
3.松动圈岩石分类方法 4 围岩松动圈研究与测试方法护设计法-中松动圈设计

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以锚杆为锚喷支护的主体构件。由于围岩松动圈厚度 小于常用锚杆长度，因此可采用锚杆悬吊作用机理来 设计支护参数，锚杆支护的最大荷载，可用下式表示：

P （支护力）≥Max{松动圈形成的碎胀变形力，松动
圈内岩石自重，弹塑性变形力}

P（支护力）＝{松动圈内岩石自重}

大松动圈：采用组合拱确定锚喷(注)网 支护形式:
喷射混凝土、锚喷、锚网、 锚喷网及锚注支护等。
3 围岩松动圈支护设计法-小松动圈设计
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（ 1 ） 小 松 动 圈 （L=0--40 cm ） 碎胀变形很小，支 护主要是危岩重量， 只用喷层支护即可。
3 围岩松动圈支护设计法-小松动圈设计

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按“撕开型”破坏验算喷层厚度


b≥1.7[G/(SRn)][Ko/E].
式中：b——喷层厚度，m； G——危石重量，一般由工程调查确定，N； Ko——岩体抗拉弹性抗力系数，Pa； E——喷射混凝土的弹性模量，Pa； S——危石与喷射混凝土接触面的周长，m； Rn——设计喷射混凝土的粘结强度，由试验确定， 一般可取0.2MPa；
( 1)支护-围岩共同作用原理 (2)柔性支护观点,锚喷网综合支护 (3)设计、施工、监测一条龙作业方式

优点：较好利用岩体力学特性，充分发挥围岩的自身的承载能 力，合理设计支护结构和施工顺序。
2 巷道支护设计方法现状
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工程类比法
理论计算法


信息反馈法
实验室模拟
2 巷道支护设计方法现状-工程类比法

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（2）巷道内部位移测试 通过在巷道围岩的内部（1～5m左右）设定固定点， 测定固定点与巷道表面的相对位移，评价巷道围岩的 松动和整体移动情况，并与巷道表面位移情况进行对 比分析，有助巷道局部和整体稳定性的评价。内部位 移测试主要用于各类巷道的两帮变形观测中。巷道内 部位移测试采用多点位移计。

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喷层厚度的确定

喷层只起局部支护作用，即锚杆间的表面支护、控制 锚杆间非锚固区危石的坠落以及防止围岩风化。 由于上述按活石重量的计算方法的科学性、准确性难 以确定，所以喷层厚度多依据工程类比法确定，中松 动圈条件下一般为50~100mm。

3 围岩松动圈支护设计法-大松动圈设计
（3）大松动圈软岩 （L>150cm） 碎胀变形很大，试 验 证明：用组合拱原理设 计锚喷网支护可以成功。

松动圈支护理论研究围岩的实际状态为出发点！而不是用常 规研究方法一开始就从假设条件。 从1978年开始这一研究， 在现场基础上，提出了松动圈理论。我们近年来进一步采取 了其他手段，进行了验证。
附：公路隧道支护理念-新奥法

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“新奥地利隧道施工法”（NATM）法，由奥地利学 派创始人之一米勒教授提出的。以既有隧道工程经验 为基础，将锚杆和喷混凝土组合在一起作为主动支护 手段的施工方法。新奥法的内涵就是保护围岩，调动 和发挥围岩的自承能力。

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锚杆支护组合拱的基本参数


组合拱的厚度可依据上图的几何关系，用下式计算：
b＝（L×tgα－a) /tgα＝L－a

式中：b—组合拱的厚度；L—锚杆的长度；a—锚杆 的间排距；α—锚杆对破裂岩体的压力角，经试验知 α接近450。
3 围岩松动圈支护设计法-大松动圈设计


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巷道断面形状的选择
3 围岩松动圈支护设计法-监测观测

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（1）巷道表面位移测试 通过在巷道的两帮及顶底板布置固定的测点，测定巷 道的两帮内挤量、顶板下沉量、底臌量、顶底板移近 量等参数。表面位移测试在各类巷道中均可布置测点。 测试时可采用位移计进行各种观测量的测试，其精确 度可达到0. 1mm。
3 围岩松动圈支护设计法-监测观测


3 围岩松动圈支护设计法-小松动圈设计
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当按照上述公式计算出喷射混凝土的
厚度小于50mm时，则为满足防止围岩 风化的要求，对于喷射混凝土一般喷 厚应大于50mm，考虑到地下工程的特 殊性一般喷层厚度为80~100mm。
3 围岩松动圈支护设计法-中松动圈设计
（2）中松动圈 （L=40~150cm） 碎胀变形较小，由 于锚杆可以穿过松 动圈厚度，用悬吊 原理设计锚喷支护。
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① 获得围岩松动圈值； ② 依据松动圈确定围岩类别； ③ 选定支护方法； ④ 进行支护参数设计；
⑤ 确定施工关键技术。
3 围岩松动圈支护设计法
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核心问题 如何依据松动圈值进行支护参数设计?
3 围岩松动圈支护设计法-围岩分类表
小松动圈：喷射混凝土支护
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中松动圈：悬吊理论确定锚杆支护参数
2 巷道支护设计方法现状-信息反馈法

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在传统的“设计—施工”模式中, 影响设计的因素 众多且复杂, 如设计参数难以准确确定以及设计方 法不够完善等等, 均影响着工程施工的质量和安全。 此模式常常使设计计算结果与实际工程状况产生 较大差异。 因此, 充分利用施工过程中的各项信息, 对设计 和施工进行动态调整及控制, 进而保证工程施工质 量及安全的新型施工方法应运而生。这种利用施 工过程中获取的信息指导施工的方法逐步发展成 信息化施工方法。 信息化施工-信息采集、处理、反馈和设计修正
3 围岩松动圈支护设计法-中松动圈设计
锚杆长度

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L＝L1＋Lp＋L2 式中：L——锚杆长度，mm； L1——锚杆的外露长度， 常取 L1＝50~100mm； Lp——围岩松动圈的值，mm； L2—— 锚 杆 锚 入 弹 塑 性 区 的 深 度 ， 一 般 为 300~400mm，围岩强度较小时取较大值，反之取较 小值。
《松动圈支护理论与技术》讲座之五
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第5部分
围岩松动圈支护设计方法
1巷道锚杆支护机理研究现状 2巷道支护设计方法现状 3围岩松动圈支护设计法
1 巷道锚杆支护机理研究现状
地下工程锚杆支护机理问题研究现状－1
锚杆支护 锚杆支护机理或理论 同样是一个 没有完全弄清的问题
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当今 支护结构中最为简单 经济和方便的支护结构
600mm~800mm范围内选用，这样锚杆 长度多为1.8m~2.2m。
为了提高组合拱的整体性，多选用全长锚
固锚杆。
3 围岩松动圈支护设计法-锚杆施工工艺

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锚杆施工工艺
二次支护：施工时一次，稳定后第二次。 施工工艺是组合拱支护技术的重要环节。首先 需采用光面爆破，然后应及时安设锚杆，并将 网片压在岩面上。 如果顶板岩石破碎，应先喷一层混凝土保证凿 锚杆孔时的安全和防止冒顶。 锚杆的安装顺序是先顶后帮，底部锚杆应尽量 及时安设，尽早使组合拱封闭。

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1.直接类比法 一般以巷道围岩强度、围岩完整性、巷道 埋深、断面尺寸等因素与已建工程类比，由此 确定支护类型和参数；
2.间接类比法 依据技术规范，按巷道围岩分类及其它有 关参数确定。它是目前常用的方法。

2 巷道支护设计方法现状- 理论计算法

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1.解析法： 它是指用数学方法，借助固体力学通过计算可以取得闭合 解的方法。使用时，要特别注意和岩体所处的物理状态相匹 配。 弹塑性状态可用弹塑性力学;如浅部工程。 围岩破裂状态则需要选用非连续体力学（块体力学）。 2.数值模拟法（再现）： 通常包括有限元、有限差分法、边界元、离散元、DDA、 流形元等，目前各类计算方法都得到了长足的进步。 例如原子弹爆炸模拟等，它还是各种科研工作，研究生论 文的必备内容。
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由于目前还不能定量的给出各类围岩碎胀
变形载荷，在此仅提供几个工业性试验的 经验数据：
当围岩岩石强度大于20MPa时，在Ⅳ类
围岩中，选用1.0m左右的组合拱厚度； 在Ⅴ类围岩中选用1.2m以上的组合拱。
3 围岩松动圈支护设计法-大松动圈设计
锚杆与间排距
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多采用较密的锚杆布置，其间排距一般在
3 围岩松动圈支护设计法-监测观测

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（3）锚杆受力测试 通过测试锚杆在支护过程中受力状态，评价锚杆的支 护特性，并可结合位移测试结果，对巷道支护结构的 稳定性作出评价。锚杆受力测试可直接采用测力锚杆 安装到围岩中，可反映锚杆杆体中不同位置的受力情 况，其精确度可达到1με，也可以采用锚杆测力计进 行测试，但锚杆测力计（液压枕）测试的是锚杆的端 锚锚固力。