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地下工程重点整理

归档日期:07-14       文本归类:地下设施      文章编辑:爱尚语录

  地下工程重点整理_冶金/矿山/地质_工程科技_专业资料。第一章 绪论 1、地下工程、地下空间的基本含义 地下工程:地下工程是建造在地层环境中(岩体或土体)的工程结构物;有广义和狭义 地下工程。 地下空间:在岩层或土层中天然形成或经人工开发形成的空间称为地

  第一章 绪论 1、地下工程、地下空间的基本含义 地下工程:地下工程是建造在地层环境中(岩体或土体)的工程结构物;有广义和狭义 地下工程。 地下空间:在岩层或土层中天然形成或经人工开发形成的空间称为地下空间。 第二章 地下空间资源及开发利用价值 1、地下空间资源、城市地下综合体基本含义 地下空间资源: 包括三个方面的含义: 1)天然存在的资源蕴藏总量; 2)一定技术条件下可供合理开发的资源总量; 3)一定历史时期内可供有效利用的地下空间总量。 地下综合体指由城市中不同功能的地下空间建筑共同组合而形成的大型地下空间工程。 第三章 地下工程地质环境与围岩分级 1、岩体结构含义及类型 岩体结构:结构体和结构面在岩体内的排列、组合形式。 类型 1)整体、块状结构岩体 2)层状结构岩体 3)碎裂结构岩体 4)散体结构岩体 2、地应力的概念及其分类 地应力:指存在于地壳岩体中的原始应力,又叫天然应力。 分类 自重应力 构造应力 活动的 剩余的 变异及残余应力 感生应力 3、影响围岩稳定性的主要因素 (1)地质因素: 1 ) 岩体结构特征 2)结构面性质和空间的组合 3)岩石的力学性质 4)围岩的初始应力场 (2)工程活动所造成的人为因素: 1)地下洞室尺寸和形状 2)施工中采用的开挖方法 4、围岩分级(见书本 p50) 第四章 地下结构的设计方法和计算原理 1、地下结构的受力特点 主要特点:地下结构的围岩既是作用于支护结构上的荷载来源,又与支护结构共同构成承载 体系。 (1)除了承受使用荷载之外,地下结构还要承受周围岩土体和地下水的作用,而且后者往 往构成地下结构的主要荷载; (2)地下结构的围岩既是荷载的来源,又可以在某些情况下与结构共同作用形成承载体系; (3)地下水对结构的力学作用与岩土组成、地下水流场及结构防水系统等因素相关; (4)地下结构埋深足够大时,由于地层的成拱效应,结构承受的围岩竖向应力总是小于其 上覆地层自重压力; (5)地下结构的受力可能受到结构与围岩相互作用及施工过程的显著影响; (6)地下结构的荷载具有时空效应。 2、地下结构荷载计算的荷载—结构模型方法与地层—结构模型方法 1、荷载—结构模型 (1)特征 a)支护结构是承载主体,围岩作为荷载的来源和支护结构的弹性支撑,对支护结构的 变形起约束作用; b)支护结构与围岩的相互作用是通过弹性支撑对支护结构施加约束来体现,围岩的承 载能力则在确定围岩压力和弹性支撑的约束能力时间接地考虑。 (2)适用条件 主要适用于围岩因过分变形而发生松弛和坍塌,支护结构承担围岩松动压力的情况。 (3)需解决的关键问题 如何确定作用在支护结构上的主动荷载,即围岩所产生的松动压力,以及弹性支撑给支 护结构的弹性抗力。 (4)模型求解方法 结构力学方法:力法(矩阵力法)、位移法(矩阵位移法——一维杆系有限元法) 2、地层—结构模型 (1)特征 a)将支护结构与围岩视为一体,作为共同承载的结构体系; b)围岩是直接的承载单元,支护结构只是用来约束和限制围岩的变形。 (2)适用条件 是目前地下结构体系设计中力求采用或正在发展的模型。它符合当前的施工技术水平, 采用快速和早强的支护技术可以限制围岩的变形,从而阻止围岩松动压力的产生。 (3)需解决的关键问题 如何确定围岩的初始应力场,以及表示材料不连续、非线性特性的各种参数、岩体本构 模型。 (4)模型求解方法 解析法、数值法(主要为 FEM) 3、围岩压力的概念及其分类 围岩压力:是指引起地下开挖空间周围岩体和支护变形或破坏的作用力。它包括由地应 力引起的围岩应力以及围岩变形受阻而作用在支护结构上的作用力。从狭义上来理解,围岩 压力是指围岩作用在支护结构上的压力。在工程中一般研究狭义的围岩压力。 围岩压力可分为围岩垂直压力、围岩水平压力及围岩底部压力。 围岩压力按作用力发生形态分为: ⑴松动压力 ⑵形变压力 ⑶膨胀压力 ⑷冲击压力 4、自然拱的形成及其范围大小受到哪些因素影响 自然拱的范围的大小受围岩地质条件、支护结构架设时间、刚度、它与围岩的接触状态、 隧道的形状和尺寸、隧道的埋深、施工因素 5、围岩压力的常用确定方法 围岩压力的确定目前常用有下列三种方法: ●直接量测法:是一种切合实际的方法,对隧道工程而言,也是研究发展的方向;但由 于受量测设备和技术水平的制约,目前还不能普遍常用。 ●经验法或工程类比法:是根据大量以前工程的实际资料的统计和总结,按不同围岩分 级提出围岩压力的经验数值,作为后建隧道工程确定围岩压力的依据的方法。是目前使用较 多的方法。 ●理论估算法:是在实践的基础上从理论上研究围岩压力的方法。由于地质条件的不确 定性,影响围岩压力的因素多,企图建立一种完善的和适合各种实际情况的通用围岩压力理 论及计算方法是困难的。 第五章 地下工程施工 第六章 1、地下工程基本作业包含哪些内容 基本作业〓开挖+支护+衬砌 2、常见地下工程施工方法 明挖法、盖挖法、新奥法与钻爆法、浅埋暗挖法、盾构法、全断面掘进机法、顶管法、 沉管法、沉井法 3、盖挖法、逆做法的基本含义 盖挖法:先用连续墙、钻孔桩等作为围护结构和中间桩,然后施工钢筋混凝土盖板,在 盖板、围护墙、中间桩的保护下进行土方开挖与结构施工。 逆做法:土方开挖与结构施工顺序均由上而下进行。 4、逆作法施工的优缺点 优点: 1)可使建筑物上部结构的施工和地下基础结构施工平行立体作业,在建筑规模大、上 下层次多时,大约可节省工时 1/3。 2)受力良好合理,围护结构变形量小,因而对邻近建筑的影响亦小。 3)施工可少受风雨影响,且土方开挖可较少或基本不占总工期。 4)最大限度利用地下空间,扩大地下室建筑面积。 5)一层结构平面可作为工作平台,不必另外架设开挖工作平台与内撑,这样大幅度削 减了支撑和工作平台等大型临时设施,减少了施工费用。 6)逆作结构的自身荷载由立柱直接承担并传递至地基,减少了大开挖时卸载对持力层 的影响,降低了基坑内地基回弹量。 缺点: 1)支撑位置受地下室层高的限制,无法调整高度,如遇较大层高的地下室,有时需另 设临时水平支撑或加大围护墙的断面及配筋。 2)挖土作业空间狭小,不利于规模机械化施工、土方施工困难 3)结构接头处理多 4)对围护结构施工精度要求高 5、浅埋暗挖法的含义及其施工技术原则 浅埋暗挖法是在距离地表较近的地下进行各种类型地下洞室暗挖快速施工的一种方法 浅埋暗挖施工技术原则 “管超前、严注浆、短开挖、强支护、快封闭、勤量测” ①管超前——在工作面开挖前,沿隧道拱部周边按设计打入超前小导管; ②严注浆——打设超前小导管后注浆加固地层,包括初支背后注浆和二衬背后注浆; ③短开挖——每次开挖循环进尺要短,开挖和支护时间尽可能缩短; ④强支护——采用格栅钢架和喷射混凝土进行较强的早期支护,以限制地层变形; ⑤早封闭——开挖后初期支护要尽早封闭成环,以改善受力条件; ⑥勤量测——对规定部位进行动态监测,绘制位移-时间曲线,掌握施工动态,调整施 工参数并设置各部位的变形警戒值,是浅埋暗挖法施工成败的关键。 6、盾构法的含义 盾构法是暗挖法施工中的一种全机械化施工方法,它是将盾构机在地层中推进,通过盾 构外壳和管片支承围岩防止发生往隧道内的坍塌,同时在开挖面前方用切削装置进行土体开 挖,通过出土机械运出洞外,靠千斤顶在后部加压顶进,并拼装预制混凝土管片,形成隧道 结构的一种机械化施工方法。 7、土压平衡盾构(EPB 盾构)、泥水平衡盾构工作原理 盾构推进时,其前端刀盘旋转掘削地层土体,切削下来的土体进入土舱。 当土体充满土舱时,其被动土压与掘削面上的土、水压基本相同,故掘削面实现平衡(即 稳定)。 刀盘旋转切削土体,同时液压千斤顶 5 将盾构机向前推进,并向密封仓内 3 加入塑流化 改性材料,与开挖面切削下来的土体经过充分搅拌,形成具有一定塑流性和透水性低的塑流 体。 同时通过伺服控制盾构机推进千斤顶速度与螺旋输送机 6 向外排土的速度相匹配,经舱 内塑流体向开挖面传递设定的平衡压力,实现盾构机始终在保持动态平衡的条件下连续向前 推进。 泥水盾构系靠盾构机的推进力使泥水(水、粘土及添加剂的混合物)充满封闭式盾构的 密封舱(也称泥水舱),从而对掘削面上的土体施加一定的压力,该压力称为泥水压力。通 常取泥水压力大于地层的地下水压+土压,所以尽管盾构刀盘掘削地层,但地层不会坍落, 即处于稳态。 刀盘掘削下来的土砂进入泥水舱,经设置在舱内的搅拌装置拌和后成为含掘削土砂的高 浓度泥水,再经泥浆泵将其泵送到地表的泥水分离系统,待土、水分离后,再把滤除掘削土 砂的泥水重新压送回泥水舱。如此不断循环实现掘削、排土、推进。因靠泥水压力使掘削面 稳定故得名泥水加压盾构,简称泥水盾构。 泥水盾构机对于隧道面可被泥水加压所支撑的土质条件很理想,适用于应付各种困难地 层和控制地表沉降。挖出的土以泥水形式由管道运输,而砾石可压碎后被管道运输或在管道 输送中途被移走。 8、盾构机选型与地层渗透系数、颗粒级配、水压的关系 1、盾构类型与渗透性的关系 地层渗透系数对于盾构的选型是一个很重要的影响因素。根据欧美和日本的施工经验可 知: (1)当地层的透水系数10-7m/s 时,可以选用土压平衡盾构; (2)当地层的渗水系数在 10-7m/s 和 10-4m/s 之间时,既可以选用土压平衡盾构也可以 选用泥水式盾构; (3)当地层的透水系数大于 10-4m/s 时,宜选用泥水盾构。 2、盾构类型与颗粒级配的关系 一般来说,细颗粒含量多,碴土易形成不透水的塑流体,容易充满土仓,在土仓中可以 建立压力,平衡开挖面的土体。粗颗粒含量高的碴土塑流性差,实现土压平衡困难。 盾构类型与颗粒级配的关系如下: (1)淤泥粘土区,为土压平衡盾构适应范围; (2)粗砂、细砂区,既可使用泥水盾构,也可经土质改良后使用土压平衡盾构; (3)卵石砾石粗砂区,为泥水盾构适用的颗粒级配范围。 3、盾构类型与水压的关系 当水压大于 0.3MPa 时,适宜采用泥水盾构。如采用土压平衡盾构,螺旋输送机难以形 成有效的土塞效应,在螺旋输送机排土闸门处易发生碴土喷涌现象,引起土仓中土压力下降, 导致开挖面坍塌。 当水压大于 0.3MPa 时,如因地质原因需采用土压平衡盾构,则需增大螺旋输送机的长 度,或采用二级螺旋输送机。 9、TBM 施工方法的含义及其影响 TBM 选用的主要工程地质条件 用隧道掘进机破碎岩石、出碴与支护实行连续作业的施工方法,它是由盾构技术发展而 来的。 (1)影响 TBM 选用的地质因素 ① 隧道地压。是否存在塑性地压? 指标:围岩强度比(软岩);围岩抗剪强度比(似砂土软岩) 断层破碎带、软弱泥岩以及蛇纹岩等膨胀性岩层掘进困难 ② 涌水状态。涌水范围、大小与压力会造成工作面崩塌与承载力低下,应慎用。 (2)影响 TBM 效率的地质因素 ① 岩石强度。开挖难易一般用抗压强度来判定。刀具消耗应考虑岩石中石英粒范围、 大小与抗拉强度等判断。 ② 岩层裂隙。岩层节理、层理、片理对开挖效率影响极大。裂隙适度发育的岩层,即 使抗压强度大也能进行较为有效的开挖。 ③ 岩石硬度。一般地,对于 q<100MPa 的岩层,其石英含量较多、粒径较大,刀具磨 耗很大。 ④ 破碎带等恶劣条件。在破碎带、风化带等难于自稳的困难条件下进行机械开挖,均 需采取辅助施工方法配合施工。特别是在有涌水的条件下更为困难,拱顶崩塌、机 体下沉、支承反力降低等问题时有发生。 (3)TBM 适用范围 ① 一般只适用于圆形断面隧道,只有铣削滚筒式掘进机可在软岩中掘进非圆形断面隧 道。 ② 开挖隧道直径 1.8~12m 之间,以直径 3~6m 最为成熟。 ③ 一次性连续开挖长度不宜短于 1km,也不宜长于 10km,以 3~8km 最佳。 ④ 适用于中硬岩层,岩石单轴抗压强度介于 20~250MPa,尤以 50~100MPa 最佳。 ⑤ 地质条件对 TBM 掘进效率影响很大。在良好岩层中月进尺可达 500~600m,而在破 碎岩层中只有 100m 左右,在塌陷、涌水、暗河地段甚至需停机处理。 ⑥ 选用 TBM 开挖隧道应尽量避开复杂不良岩层。 10、TBM 机破岩能力的影响因素 破岩能力影响因素: ◆贯入深度 坚硬和裂隙很少岩石,一般为 2.5-3.5mm/转,中等坚硬和裂隙较多岩石中, 一般为 5-9mm/转。 ◆滚刀间距 滚刀间距太大,滚刀产生压力达不到与相邻滚刀的影响范围相接,从而使 开挖效率降低。反之,如果刀间距太小,则会浪费设备的功率。 ◆岩体的裂隙 掘进机施工不仅要注意岩石抗压强度,还应注意岩石磨蚀性和岩体裂隙 程度,当岩体节理裂隙面间距越大时,切割也就会越困难。 11、顶管法的含义 顶管:借助顶推设备将工具管或掘进机从工作坑(始发井)内穿过土层一直推到接收坑 (到达井)内,与此同时,把紧随工具管或掘进机后的管道埋设在两坑之间的一种非开挖施 工技术。 12、顶管法与盾构法的比较 相同点: (1)二者都属于暗挖法施工大口径(900 ㎜)地下工程的主要施工方法。 (2)二者都要开挖工作基坑(工作井和接收井)。 (3)二者工作面的开挖方法,出、进洞施工技术基本相似。 (4)二者都要注意接缝防水处理、地表沉降控制、周边环境保护等问题,都要进行注 压浆。 不同点: (1)盾构法的衬砌为管片,且每环管片要在盾构机的盾尾进行拼装,拼装好后一般不 会再移动;顶管法的衬砌为管节,且每环管节是一次预制成功的,由顶进装置依次顶进,直 至第一节管节到达接收井位置。 (2)盾构法施工的盾构千斤顶布置在盾构机的支撑环外沿,而顶管法施工的主顶进装 置布置在工作井内,如果顶力不足要加设中继间。 (3)盾构机内有拼装管片的拼装机,而顶管机内没有。 (4)盾构法主要用于大断面城市地下隧道、水工隧道、公路隧道的施工;顶管法主要 适用于断面稍小一些的城市地下管线、沉管法的含义及其优缺点 沉管法是预制管段沉放法的简称,是在水底建筑隧道的一种施工方法。沉管隧道就是将 若干个预制段分别浮运到海面(河面)现场,并一个接一个地沉放安装在已疏浚好的基槽内, 以此方法修建的水下隧道。 1. 优点 ① 对地质水文条件适应能力强(施工较简单、地基荷载较小) ② 可浅埋,与两岸道路衔接容易(无需长引道,线形较好) ③ 防水性能好(接头少漏水几率降低,水力压接滴水不漏) ④ 施工工期短(管段预制与基槽开挖平行施工,浮运沉放较快) ⑤ 造价低(水下挖土与管段制作成本较低,少于盾构隧道) ⑥ 施工条件好(水下作业极少) ⑦ 可做成大断面多车道结构(盾构隧道一般为两车道) 2. 缺点 ① 管段制作砼工艺要求严格,需保证干舷与抗浮系数; ② 车道较多时,需增加沉管隧道高度。导致压载混凝土量、浚挖土方量与沉管隧道引 道结构工程量增加。 ③ 14、了解沉管法的基本施工流程 1、干坞修筑 2、管段预制 3、基槽开挖 4、管段浮运 5、管段沉放 6、管段水下连接 2、第六章 基坑工程 3、1、了解基坑工程的功能要求 1)挡土功能 2)止水功能 3)作为地下结构外墙的使用功能 2)2、常用的基坑工程支护结构型式及其各自的含义 一、放坡开挖及简易支护 放坡开挖是选择合理的基坑边坡以保证在开挖过程中边 坡的稳定性,包括坡面的自立性和边坡整体稳定性。 二、水泥土重力式支护结构 体,保持基坑边坡稳定。 水泥土与其包围的天然土形成重力式挡墙支挡周围土 三、边坡稳定式支护结构 持开挖面的稳定 天然土体,通过打入锚杆土钉以抵抗墙后的土压力,保 四、悬臂式支护结构 悬臂式支护结构常采用钢筋混凝土桩排桩墙、木板桩、钢板桩、钢筋混凝土板桩、地下 连续墙等型式,依靠足够的入土深度和结构的抗弯能力来维持整体稳定和结构的安全 五、支、锚体系 3、土钉墙特点及其适用范围 土钉墙特点: (1)形成土钉复合体、显著提高边坡整体稳定性和承受边坡超载能力。 (2)施工设备简单,由于钉长一般比锚杆的长度小的多,不加预应力所以设备简单。 (3)随基坑开挖逐层分段开挖作业,不占或少占单独作业时间,施工效率高,占用周 期短。 (4)施工不需单独占用场地,对现场狭小,放坡困难,有相邻建筑物时显示其优越性。 (5)土钉墙成本费较其他支护结构显著降低。 (6)施工噪音、振动小,不影响环境。 (7)土钉墙本身变形很小,对相邻建筑物影响不大。 土钉墙适用条件: 地下水低于土坡开挖段或经过降水措施后使地下水位低于开挖层的情况;适用于有粘性 土、粉性土、含有 30%上粘土颗粒的砂土边坡;常用于开挖深度不大、周围相邻建筑或地 下管线对沉降与位移要求不高的基坑支护。 4、基坑工程中常用的止水帷幕型式 基坑工程中应用较多的止水帷幕有三种形式: ①深层搅拌法水泥土止水帷幕; ②高压喷射注浆法水泥土止水帷幕; ③素混凝土地下连续墙止水帷幕。 5、基坑工程中降低地下水位常见的降水措施及其各自的含义 一、明排水法 一般采用截、疏、抽的方法。 二、轻型井点降水 轻型井点是沿基坑四周将井点管埋入蓄水层内,利用抽水设备将地下水从井点管内不断抽 出,将地下水位降至基坑底以下。 三、管井井点降水 四、自渗井点降水 在降水场地的一定深度内,存在有两层以上的含水层,且下层的渗透能力大于上层, 在下层水位(或水头)低于降水深度的条件下,人为地沟通上下含水层,在水位差的作用下, 上层地下水就会通过井孔自然地流到下部含水层中,从而无需抽水即可达到降低地下水位的 目的。 五、喷射井点降水 采用高压水泵将压力工作水经供水管压入井点内外之间环形空间,并经过喷射器两边的侧孔 流向喷嘴。由于喷嘴截面的突然变小,喷射水流加快 六、电渗井点降水 以井点管作负极,打入的钢筋作正极,通入直流电后,土颗粒自负极向正极移动,水则 自正极向负极移动而被集中排出。 七、辐射井点降水 在降水场地设置集水竖井,于竖井中的不同深度和方向上打水平井点,使地下水通过水 平井点流入集水竖井中,再用水泵将水抽出,以达到降低地下水位的目的。 6、自渗井点降水的适用条件 适用条件: A.在降水范围内的地层结构为三层以上,含水层有两层以上,各含水层之间为相对隔水 层(以粉质粘土为主)或隔水层(以粘土为主)。下层含水层的埋深以距离基坑底 5~20m 为 宜。 B.下层含水层的水位(或水头)低于上部含水层水位,并低于基坑施工要求降低水位。 C.下层渗透系数大于上层含水层的渗透系数,且具有一定厚度(一般大于 2m),能消纳 的水量大于或等于降水深度内的基坑涌水量。 D.上层地下水的水质未受污染,符合引入下层地下水的要求。 7、了解各类降水方法的适用范围 一、明排水法 适用于土质好、地下水量不大的基坑排水。 二、轻型井点降水适用于渗透系数为 0.1~50m/d 的土层中 三、管井井点降水适用于降水深度 3~5m、渗透系数为 20~200m/d 的基坑中施工降水。 四、自渗井点降水 五、喷射井点降水 六、电渗井点降水 七、辐射井点降水适用条件:一般适用于渗透性能较好的含水层(如粉土、砂土、卵石土等) 中的降水,可以满足不同深度,特别是大面积的降水要求。 井点类型 岩性 渗透系数 m/d 降低水位深度 m 明沟 粘性土、砂土 0. 50 2 集水井 填土、粉土、粘性土、砂土 7~20 5 自渗井 填土、粘性土、砂土 0. 1~20 轻型井点 粉质粘土、粉土、细砂、中细砂 0.1~50 单级:3~6 多级:6~12 喷射井点 砂土、粉土 0.1~50 8~20 电渗井点 粘性土、淤泥质土、粉土 0.1 6 管井井点 砂土、碎石类土、岩石 3 不限 深井井点 粘性土、砂土、碎石类土 10~250 50 辐射井点 砂土、粉土、砾砂 0. 1~20 20 8、流砂的含义及其产生原因 在细砂或粉砂土层的基坑开挖时,地下水位以下的土在动水压力的推动下极易失去稳定, 随着地下水涌入基坑。称为流砂现象。 (1)内因 取决于土的性质,当土的孔隙比大、含水量大、粘粒含量少、粉粒多、渗透系数小、排 水性能差等均容易产生流砂现象。流砂现象极易发生在细砂、粉砂和亚粘土中,但是否发生 流砂现象,还取决于一定的外因条件。 (2)外因 当地下水位较高、基坑内排水所形成的水位差较大时,动水压力也愈大,当 GD≥γ(土的浮 重)时就会推动土壤失去稳定,形成流砂现象。 9、常用的流砂防治措施 1)防治原则 “治流砂必先治水”。流砂防治的主要途径一是减小或平衡动水压力;二是截住地下水流; 三是改变动水压力的方向。 2)防治方法 ⑴枯水期施工法 枯水期地下水位低,基坑内外水位差小,动水压力也小,在流砂地区的深基坑运用枯水 期施工法可避免或降低流砂的危害。 ⑵打板桩 将板桩沿基坑打入不透水层或打入坑底面一定深度,可以截住水流或增加渗流长度、改 变动水压力方向,从而达到减小动水压力的目的。 ⑶水中挖土 即不排水施工。使坑内外的水压相平衡,不致形成动水压力。如沉井施工不排水下沉、 进行水中挖土、水下浇筑砼。 ⑷人工降低地下水位法 即采用井点降水法截住水流,不让地下水流入基坑,不仅可防治流砂和土壁塌方,还可 改善施工条件。 ⑸抢挖并抛大石块法 分段抢挖土方,使挖土速度超过冒砂速度,在挖至标高后立即铺竹、芦席,并抛大石块, 以平衡动水压力,将流砂压住。此法适用于治理局部的或轻微的流砂。 此外,采用地下连续墙法、止水帷幕法、压密注浆法、土壤冻结法等,都可以阻止地下 水流入基坑,防止流砂发生。 10、基坑工程的典型失效模式类型 1、整体失稳 2、坑底隆起 3、围护结构倾覆失稳 4、围护结构滑移失稳 5、围护结构底部地基承载力失稳 6、“踢脚”失稳 7、止水帷幕功能失效和坑底渗透变形破坏 8、围护结构的结构性破坏 9、支、锚体系失稳破坏 第七章 矿山地下工程与井筒工程 1、立井井筒表土的普通施工方法与特殊施工方法 表土普通施工方法 1) 井圈背板施工法 2)吊挂井壁施工法 3)板桩法施工 表土施工的特殊方法(特殊凿井) ? 冻结法 ? 钻井法 ? 沉井法 2、冻结法含义及其冻结原理 含义:在井筒掘进之前,在井筒周围钻冻结孔,用人工制冷的方法将井筒周围的不稳定 表土层和风化岩层冻结成一个封闭的冻结圈,以防止水或流砂涌入井筒并抵抗地压,然后在 冻结圈的保护下掘砌井筒。 1、冻结原理 井筒周围的冻结圈,是由冷冻站制出的低温盐水在沿冻结管流动过程中,不断吸收孔壁 周围岩土层的热量,使岩土逐渐冷却冻结而成。盐水起传递冷量的作用,称为冷媒剂。 盐水的冷量是利用液态氨气化时吸收盐水的热量而制取的,所以氨叫做制冷剂。 被压缩的氨由过热蒸气状态变成液态过程中,其热量又被冷却水带走。 可见,整个制冷设备包括氨循环系统、盐水循环系统和冷却水循环系统三部分。 3、新奥法的含义及其施工原理 新奥法指的是在软弱岩层中修建隧道时,开挖后立即喷射水泥混凝土作为临时支撑(必要 时加锚杆)以稳定围岩,然后再进行衬砌的施工方法。 新奥法是充分利用围岩的自承能力和开挖面的空间约束作用,采用锚杆和喷射混凝土为 主要支护手段,对围岩进行加固,约束围岩的松弛和变形,并通过对围岩和支护的量测、监 控,指导地下工程的设计施工。 新奥法是在利用围岩本身所具有的承载效能的前提下,采用爆破技术,进行全断面开挖 施工,并以形成复合式内外两层衬砌来修建隧道的洞身,即以喷混凝土、锚杆、钢筋网、钢 支撑等为外层支护形式,称为初次柔性支护,系在洞身开挖之后必须立即进行的支护工作。 4、锚杆的支护作用机理 ⑴悬吊作用:锚杆杆作用机理是将直接顶板悬吊到坚硬岩层上。锚杆所受的拉力来自被 悬吊的岩层重量,并据此设计锚杆支护参数。 ⑵组合梁作用 一方面是依靠锚杆的锚固力增加各岩层间的摩擦力,防止岩石沿层面滑动,避免各岩层 出现离层现象;另一方面,锚杆杆体可增加岩层间的抗剪刚度,阻止岩层间的水平错动,从 而将巷道顶板锚固范围内的几个薄岩层锁紧成一个较厚的岩层(组合梁)。在上覆岩层载荷 的作用下,其最大弯曲应变和应力都大大减小,挠度亦减小,且组合梁越厚,梁内的最大应 力、应变和梁的挠度也就越小。 ⑶挤压加固拱作用 组合拱原理认为:在拱形巷道围岩的破裂区中,安装预应力锚杆时,在杆体两端将形成 圆锥形分布的压应力,如果沿巷道周边布置的锚杆间距足够小,各个锚杆的压应力锥体相互 交错,这样使巷道周围的岩层形成一种连续的组合带(拱)。 (4)围岩松动圈支护理论 松动圈理论由三部分组成: 1、围岩松动圈支护。开挖后,围岩应力超过围岩强度后在围岩中产生新的裂缝分布, 称为松动圈。松动圈主要属性为厚度,可通过超声测试仪探测。 2、围岩松动圈分类方法。根据松动圈厚度,将围岩分为 6 类。 3、围岩松动圈锚喷支护技术。分三种类型进行设计: a、小松动圈。Lp40cm。只进行喷混凝土支护或裸露巷道。 b、中松动圈。Lp=40~150cm。采用悬吊理论,悬吊点在松动圈之外。 c、大松动圈。Lp150cm。采用组合拱/梁理论。通常采准巷道用锚网支护,开拓巷道用 锚喷支护。 第八章 地下工程施工监控量测 1、地下工程施工监控量测的主要内容 1)、工程地质与支护状况的观察 2)、地表沉降量测 3)、洞周收敛位移量测 4)、拱顶下沉量测 5)、围岩内部位移量测 6)、钢支撑应力量测 7)、喷层应力量测 8)、二衬应力量测 第九章 地下工程灾害与防护 1、建设期常见地下工程地质灾害类型 一、地下工程突水突泥灾害 二、岩溶隧道突水突泥灾害防护 。 三、塌方 四、软岩大变形 五、岩爆 六、高地温 七、瓦斯 八、城市地铁开挖导致的沉降与环境问题 计算题 二、深埋和浅埋地下结构的判定 1、《公路隧道设计规范》 隧道埋深不同,确定围岩压力的计算方法不同,应以隧道顶部覆盖层能否形成“自然拱” 为原则。 ●深埋、浅埋隧道的分界值,按等效荷载高度值划分: Hp=(2~2.5)hq 式中:Hp—深浅埋隧道分界深度; hq—荷载等效高度,按下式计算:hq=q/γ,其中:q—按深埋隧道计算的竖向均布压力 kN/m2;γ—围岩容重(kN/m2)。 在矿山法施工的条件下,I~III 级围岩取:Hp=2hq IV~VI 级围岩取:Hp=2.5hq 由此,当隧道覆盖层厚度 H≥Hp 时为深埋,H<Hp 时为浅埋 2、《铁路隧道设计规范》 铁路隧道覆盖厚度小于下表所列数值时为浅埋隧道: 围岩类别 Ⅲ Ⅳ 单线 当有不利于山体稳定的地质条件时,浅埋隧道覆盖厚度值应适当加大。 三、深埋地下结构围岩压力的确定 1、我国公/铁路隧道推荐方法—工程类比法 1)铁路双线隧道围岩压力按松散压力考虑: 其竖向均布压力 q 按下式计算: q = γh = γ ×0.45 ×2 s-1×ω (kN/m2) 式中 :γ—围岩容重,(kN/m3);h—围岩压力计算高度(m);S—围岩级别,如属 II 级, 则 S=2; ω=1+i(B-5)—宽度影响系数;B—隧道宽度,(m);i—以 B=5m 为基准,B 每增减 1m 时的围岩压力增减率;当 B5m,取 i=0.2;当 B5m,取 i=0.1。 铁路双线隧道围岩的水平均布压力 e 的确定,按下表中的经验公式计算: 围岩级别 I、II III IV V VI 水平均布压力 0 0.15q (0.15~0.3)q (0.3~0.5)q (0.5~1.0)q 其中 :q—围岩竖向均布压力。 ● 适用条件: ①高跨比小于 1.7; ②深埋隧道; ③不产生显著偏压力及膨胀力的一般隧道; ④采用钻爆法施工的隧道。 2)铁路单线隧道围岩压力按松散压力考虑: 竖向围岩压力 q 为: q=γ h= γ×0.41×1.79S 水平均布压力 e 为: 围岩级别 I、II III IV V VI 水平均布压力 0 0.15q (0.15~0.3)q (0.3~0.5)q (0.5~1.0)q 其中 :q—围岩竖向均布压力。 上述公式是根据全国铁路隧道 1046 个隧道塌方样本统计得出的经验公式,其中 S—规 范确定的围岩分级。 3)《公路隧道设计规范》规定: Ⅰ~Ⅳ级围岩中的深埋隧道,围岩压力为主要形变压力,其值按释放荷载计算;释放荷 载由有限元数值计算得到; Ⅳ~Ⅵ级围岩中深埋隧道的围岩压力视为松动荷载,其垂直、水平均布压力计算方法同 铁路双线、普氏理论——(理论估算法) 普氏认为,所有的岩体都不同程度地被节理、裂隙所切割,因此可视为散粒体,但其结 构面上仍存在着不同程度的粘结力。这种粘结力体现为摩擦力,以似摩擦系数 f 表示,又称 为“坚固性系数”。 天然拱的拱轴线为二次抛物线形,其尺寸(即它的高度和跨度)与岩体的 f 值有关: h* ? b * / f 式中:h*—自然拱的高度;b*—自然拱的半跨度;f—普氏系数,在实际应用中,可采 用经验计算公式求得 f 值: f ? Rc /10 。 考虑两类情况: h* h* ht ht 4 5 °+ φ / 2 2bt 2bt (a) b* (b) 1)在坚硬岩体中,侧壁较稳定,自然拱的跨度即为坑道跨度(图 a): b* ? bt 2)在松散和破碎岩体中,侧壁受到扰动而产生滑移,自然拱的跨度也相应加大(图 b);根据散体主动极限平衡理论,在有衬砌时洞室侧壁围岩塌落最多只能发展到与竖直方向 成(45-Φ/2)角度的斜面: b* ? bt ? ht tan(45 ? ? / 2) 作用在支护结构上的围岩压力就是自然拱内松散岩体的重力: 垂直均布松动压力为: q ? ? ? h * 围岩水平均布松动压力可按朗肯主动土压力公式计算: 洞顶的围岩侧向压力: e1 ? ? ? h *?tan2 (45 ? ? / 2) 洞底的围岩侧向压力: e2 ? ? ? (h * ?ht ) ? tan2 (45 ? ? / 2) 普氏理论是建立在两种假定基础上的,其一是假定硐室围岩为无内聚力的散体,另一是 假定硐室上方围岩中能够形成稳定的普氏压力拱。正是因为这两种假定,才使得围岩压力的 计算大为简化。 但是,普氏理论仍然存在以下问题: (1)普氏理论将岩体看作为散体,而绝大多数岩体的实际情况并非如此;只是某些断裂 破碎带或强风化带中的岩体才勉强满足这种假定条件; (2)在普氏理论中,引进了岩体的坚固系数 f 的概念,f 为正应力 σ 的函数,而并非岩体 的特性参数,此外也无法通过实验来确定 f 值; (3)据普氏理论,硐室顶部中央围岩压力最大,但是许多工程的实际情况不是这样的, 其最大顶压常常偏离拱顶; (4)普氏理论表明,硐室围岩压力只与其跨度有关,而与断面形式、上覆岩层厚度,以 及施工的方法、程度和进度等均无关,这些均与事实不相符。 3、Terzaghi 理论——(理论估算法) Terzaghi 也将岩体视为散粒体。 支护结构受到上覆地压作用时,支护结构发生挠曲变形,随之引起地层移动;滑移面从 隧道底面以(45-Φ/2)的角度倾斜,到硐顶后以适当的曲线 AE 和 BI 到达地表面;实际上 推算 AE 和 BI 曲线不容易且计算很复杂,故近似地假定为 AD、BC 两条垂直线。 垂直均布松动压力为: q ? ? ? b k ? tan? 式中:b—松动围岩的半跨度;k—水平压力与竖直压力的比值,Terzaghi 根据试验结果, 取 k=1~1.5。 当 k=1,则与普氏公式完全一致。 围岩水平均布松动压力可按朗肯主动土压力公式计算: 洞顶的围岩侧向压力: e1 ? q ? tan2 (45 ? ? / 2) 洞底的围岩侧向压力: e2 ? (q ? ? ? ht ) ? tan2 (45 ? ? / 2) 4、浅埋隧道围岩压力的确定--公路隧道设计规范 1)埋深(H)≤等效荷载高度(hq)时, 荷载视为均布竖向压力 q: q=γH 式中:γ—隧道上覆围岩容重;H—隧道埋深,隧道顶至地面的距离。 侧向压力 e,按均布考虑时,其值为: e ? ? (H ? 1 ) tan2 (45 ? ?c ) 2Ht 2 式中:e—侧向均布压力;γ—围岩容重,以 kN/m3 计;H—隧道埋深,以 m 计;Ht—隧 道高度,以 m 计;Φc—围岩计算摩擦角,可查规范。 2)等效荷载高度 hq﹤埋深 H≤浅埋隧道分界深度 Hp 时 假定土体中形成的破裂面是一条与水平面夹角为 β 的斜直线,采用松散介质极限平衡理 论进行分析,即: 围岩松动压力=滑动岩体重量-滑面上的阻力 作用在支护结构上的均布荷载分布如图: ??q浅 ? ? ? H(1???e1 ? ? ? H ? ? H Bt ? tan? ) ??e2 ? ? ? h ? ? ?? 式中:γ—围岩容重,kN/m3;H—隧道埋深,m;Bt—隧道宽度,m;h—隧道底部到地面 的距离,m;Φc—围岩计算摩擦角; θ—假定滑面的摩擦角; 围岩级别 Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ Ⅳ Ⅴ Ⅵ Θ值 0.9 φc (0.7~0.9) φc (0.5~0.7) φc (0.3~0.5) φc β—破裂面与水平面的夹角; tan ? ? tan?c ? (tan2 ?c ? 1) tan?c tan?c ? tan? λ—侧压力系数, ? ? tan ? ? tan?c tan ?[1? tan ? (tan?c ? tan? ) ? tan?c tan? 5、偏压隧道围岩压力的计算方法 位于斜坡地带的浅埋隧道,从隧道的横断面看,作用于隧道拱顶衬砌上的荷载将出现偏 压。假定偏压分布图形与地面坡形一致(如图),则作用于隧道拱顶的垂直压力。

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