洞室锚喷支护设计（《岩石地下设计与施工》课程设计）.doc

1、目 录一、 设计任务书 3二、 工程概况 5三、 锚喷支护介绍 6四、 锚杆类型的确定与选取 7五、 锚杆施工工艺的流程13六、 混凝土参数的确定及工艺流程15七、 锚喷支护施工的作业组织和循环图表19八、 参考文献20九、 附图附图1 内锚头锚杆安装示意图21附图2 横断面锚杆布置图22附图3 洞室纵断面锚杆布置图23一、设计的目的与要求岩石地下建筑设计与施工是城市地下工程专业的一门重要的专业主干课程，本课程设计是在学生完成该门课程之后进行的。该课程设计主要针对工程实际，考查学生运用所学知识加深对本课程的理解与应用的能力，着重掌握基本的设计理论、方法，为学生的毕业设计奠定坚实的基础，同时也是

2、为了城市地下工程专业的学生适应工作的需要，所以有必要进行该门课程的课程设计。二、设计题目地下洞室锚杆喷支护设计三、课程设计资料某地下洞室围岩完整性差，裂隙发育良好，存在明显的地质构造，围岩渗透性强。洞室按新奥法原理进行设计，采用锚喷支护。洞室为直墙圆拱型的形状，其几何尺寸为拱高半径为 2.5 m，直墙高 5 m，洞室沿轴线方向的长度为20m，离地表距离为10m。拱顶喷射混凝土厚度，拱脚及边墙厚度，喷混凝土均采用C25号混凝土，混凝土容重，混凝土弹模。表1 围岩物理力学指标围岩类别比重抗拉强度(MPa）抗剪强度弹性模量10MPa泊松比普氏系数f弹性抗力系数k （kg/m）tgC(MPa)III2

3、.5101.426.04.00.186.40.810 部分锚杆设计参数为：直墙段锚杆沿洞室轴线方向的间距为2m，锚杆的层间距为1m；表2 学号对应参数表学号设计内容断面尺寸锚杆设计参数所选任务书圆拱半径m直墙高度m锚杆与直墙成锚杆长度m16地下洞室锚喷支护设计 2.5560角2.53四、课程设计要求一、工程概况二、锚杆类型的确定与选取三、锚杆施工工艺的流程四、混凝土参数的确定及工艺流程五、锚喷支护施工的作业组织和循环图表五、课程设计时间安排课程设计时间：2009.12.132009.12.26一、工程概述 1. 设计依据 某地下洞室围岩完整性差，裂隙发育良好，存在明显的地质构造，围岩渗透性强。

4、洞室按新奥法原理进行设计，采用锚喷支护。洞室为直墙圆拱型的形状，其几何尺寸为拱高半径为 2.5 m，直墙高 5 m，洞室沿轴线方向的长度为20m，离地表距离为10m。拱顶喷射混凝土厚度，拱脚及边墙厚度，喷混凝土均采用C25号混凝土，混凝土容重，混凝土弹模。2. 设计要求 （1）、确保地下洞室的顺利开挖，控制地下水，减少对围岩的扰动，尽量保持围岩原有的结构和强度，防止围岩的松动和破坏；（2）、根据工程要求及工程所在处地形地质条件，确定最佳锚杆类型和规格，确保围岩的稳定与开挖的安全；（3）、贯彻安全生产的方针，提出可靠的安全技术措施，确保施工安全。（4）、采用先进的科学技术，合理的选择参数，以达到

5、良好的支护效果。（5）、锚杆布置按照确保支护效果为先导，以经济、安全的锚杆布置达到支护的目的。 3. 洞室断面图（见图1）二、锚喷支护介绍1、锚喷支护概念锚喷支护方法是将岩体作为结构材料，通过调动和增加岩体自身强度实现岩体自身支撑，是一种符合现代岩石力学理论的岩层控制方法。为了区别于依靠人工材料和构建支撑岩块重量的传统支护方法，国际岩石力学界常称之为岩石加固技术。锚喷支护是锚杆与喷射混凝土联合支护的简称。锚杆与喷射混凝土都可以独立使用。2、锚杆的作用锚杆是用金属或其他高抗拉性能的材料制作的一种杆状构件。经使用某些机械装置，粘结介质，并通过一定的施工操作，将其安设在地下工程的围岩或其他工程体中，

6、即能形成承受荷载、阻止变形的围岩拱结构或其他复合结构物的锚杆支护。通常认为，锚杆具有悬吊作用，减跨作用，组合作用，加固作用，改善围岩周边应力状态作用等。3、几种主要锚杆介绍（1）楔缝式锚杆 楔缝式锚杆主要由杆体、楔块、垫板和螺母等组成。其工作原理如下：楔缝式锚杆安装到位后，在外锤击和风枪冲击作用下，楔块劈进杆体楔缝，使杆体楔缝凉意嵌入围岩钻孔孔壁，产生锚固力。当拧紧螺母后，锚杆即进入工作状态，能增强围岩的稳定和阻止围岩的变形。（2）、胀壳式锚杆 胀壳式锚杆主要由胀壳、锥形螺帽、杆体、垫块和螺母组成。其工作原理如下：胀壳式锚杆的工作原理与楔缝式锚杆的工作原理不同。它是靠旋转杆体，使锥形螺帽向下滑

7、动，迫使胀壳向左右张开，楔嵌入钻孔岩壁，且杆体的继续转动，越楔越牢，锚杆所穿越的围岩受到挤压，自稳能力增加，变形受到控制。(3)、树脂内锚头锚杆 树脂内锚头锚杆由药包式高分子合成树脂（通用型和不饱和聚脂树脂）为粘结的锚固剂，和具有反麻花头的杆体以及垫板、螺母组成。其工作原理如下：树脂内锚头锚杆的工作原理是当药包式高分子合成树脂锚固剂被麻花状杆体端搅破后，锚固剂中的不饱和聚脂树脂，加速剂和固化剂，在告诉旋转的杆体搅拌下，立即起化学反应，一般在五分钟左右的时间，很快就固化，把锚杆麻花状内端与岩体钻孔壁紧密地粘在一起，形成高锚固力内锚头。通过垫板的安装和拧紧螺母，对围岩起到支护作用。（4）、快硬水泥

8、卷内锚头锚杆 快硬水泥卷内锚头锚杆主要由快硬水泥和杆体、垫板和螺母组成，除快硬水泥卷的构造外，其余均与树脂内锚杆相同。其工作原理如下:快硬水泥卷锚杆是利用快硬水泥卷的水泥净浆，被锚杆杆体内端旋转挤进，钻孔岩壁裂隙，并将锚杆杆体与钻孔周边快速地胶结固结起来，且产生一定的体积膨胀，因而对围岩产生较大的锚固力，达到支护围岩的目的。（5）、早强砂浆内锚头锚杆 早强砂浆内锚头锚杆的组成同快硬水泥卷内锚头锚杆相似，不同的是锚固剂为TZ型药包。TZ型药包选用硫铝酸盐早强水泥干砂，TS速凝剂，亚硝酸阻锈剂，按一定的配比搅拌均匀，用聚酯薄膜包装成药包。当钻眼内水多时，药包内要加入水泥重量50%100%的干砂。其

9、工作原理是：早强砂浆内锚头锚杆是水泥净浆，被锚杆杆体内端旋转挤进，钻孔岩壁裂隙，并将锚杆杆体与钻孔周边快速地胶结固结起来，且产生一定的体积膨胀，因而对围岩产生较大的锚固力，达到支护围岩的目的。（6）、砂浆锚杆 砂浆锚杆由水泥砂浆、杆体、垫板和螺母组成。其工作原理如下：砂浆锚杆借助水泥砂浆凝固后的强度，将杆体与钻孔壁牢牢地连接在一起，让杆体牵制围岩的变形，以达到增强围岩稳定性的减少围岩变形的目的。（7）、缝管式锚杆 缝管式锚杆由前端冠部制成锥体的开缝钢管杆体、挡环以及垫板组成。其工作原理如下：由于缝管式锚杆的外径一般比软弱围岩钻孔直径大23mm，比硬质围岩钻孔直径大13mm，当缝管式锚杆被强行推

10、入围岩钻孔后，管体受到挤压，对围岩钻孔壁产生弹性抗力，从而使钻孔岩壁与锚杆杆体之间产生轴向静摩擦力，阻止围岩的松动、变形，围岩增加稳定性；其次，由于安装推进锚杆时，垫板紧压孔口岩石，使锚杆下段围岩形成区域梨形应力体，围岩在一定范围内产生“三向压力区”，提高围岩自承能力。三、锚杆类型的确定与选取1、 锚杆类型的确定根据本洞室高强度支护的要求，结合市场锚杆行情，经综合分析考虑，决定在本工程中采用20MnSi左旋无纵筋螺纹钢树脂内锚头锚杆，它是一种经特殊加工工艺制作的锚杆，螺纹段强度大于杆体的强度，螺纹段抗弯抗剪性能良好，是井巷高强度支护的新型锚杆。 左旋无纵肋螺纹钢式树脂锚杆锚杆强度高，结构合理，

11、预紧力大，能够自动调整受力方向，增大对围岩的约束力，能实现机械化快速安装。可端锚、加长锚和全锚，主要用于高地压矿井大变形巷道的高强度支护，同时也可用于铁路、水电等各类工程的高强度，永久性巷道支护。其表面有凹凸纹理，不需要作任何处理即能保证锚杆与锚固剂之间较高的粘结强度。20MnSi左旋无纵筋螺纹钢锚杆性能参数见表3-1： 表3-1 左旋无纵筋螺纹钢锚杆性能参数表规格屈服强度（Mpa）抗拉强度（Mpa）延伸率（）破断荷载（KN/m）理论重量（KG/m）16335490161001.618335490161262.020335490161562.522335490161893.0锚杆参数的计算简图

12、如下： 2、 锚固岩层厚度m的计算 如果能调查清楚易碎直接顶时，则m易碎直接顶厚度； 按冒落拱的高度1.31.5倍为基础；锚固岩层厚度的计算公式如下： mk b式中： k 为安全系数，取k1.31.5 b为自然冒落高度，b B为巷道掘进跨度； f 为岩石坚固性系数。 故本工程中有： mk bk =1.5 =0.586 m （安全系数k 取1.5）3、直墙部分锚杆计算时，锚固力计算简图如下：4、直墙部分锚杆锚固力计算 式中：为安全系数，取=1.5； 为锚杆间距，为2m， 为锚固岩层厚度； 岩石容重。 故有本工程中： 1.5220.586252175.8KN4、锚杆直径的确定 各种锚杆的锚固力必须

13、与杆体本身的抗拉强度相适应；即锚杆的实际锚固力要等于杆体的抗拉极限，这样才能充分发挥锚杆材料的作用。因此，锚杆体直径，按照杆体的抗拉力等于锚杆实际锚固力的原则确定。 由 得 式中： 为锚杆杆体材料的抗拉力； 为锚杆杆体材料的设计抗拉强度； 为锚杆的锚固力； 为锚杆直径。故有本工程中： 1.130.01894 0.0214m 取 22mm5、的确定： 按经验公式取l20.20.3m； 根据杆体材料设计抗拉强度等于锚固端部的粘结力，求l2的计算公式如下： 式中： d为锚杆直径； 为杆体材料设计抗拉强度； 为锚杆与砂浆的粘结强度，对于螺纹钢，取5.0MPa。故有本工程中： 2.156 m 6、的确定

14、由于本工程采用150mm厚喷射混凝土支护，故锚杆露在锚杆眼外的长度部分应与钢筋网连接焊固，取130mm。 7、直墙部分锚杆的总长度2.156+0.586+0.132.872m。 8、拱顶部分锚杆间距计算： =0.8870.022149.33 =2.86m为方便施工，锚杆间距取2m。 9、拱顶部分锚杆长度计算： 故有本工程中： 2.156 m故拱顶部分锚杆的总长度2.156+0.586+0.132.872m。10、锚杆受剪验算： 根据摩尔库伦公式，岩石的抗剪强度为： 式中 ： 为作用在破坏面上的正应力； 为岩石的内摩擦角；为岩石的内聚力。故有本工程中， =101.42+6.0 =20.2MPa对

15、于钢材的抗剪强度，有取小值得： 故采用直径为22的20MnSi左旋无纵筋螺纹钢树脂内锚头锚杆能满足本工程中抗剪的要求。 11、树脂卷粘结端长度 根据相应规范，树脂卷粘结端长度取250mm。 12、孔径选择 规范规定：树脂锚杆和快硬水泥卷锚杆孔径宜为 4250mm小直径锚杆孔直径宜为 2832mm。本工程采用孔径为45mm的机械钻孔。 13、锚杆布置 （1）洞室横断面锚杆布置图见图1： 图1 洞室横断面锚杆布置图（2）洞室纵断面锚杆布置图见图2： 图2 洞室纵断面锚杆布置图四、锚杆施工工艺的流程1、 锚杆施工前，应对下列事实进行调查核实：（1）工程计划、设计图等基础资料是否齐备； （2）洞室施工

16、用水水质，地下水对钻孔、注浆的影响；（3）对巷道周边设物和设置物核实、复查； （4）调查锚固工程周边状态岩层的处理； （5）作业限制、环保规则、矿山法令等对工程的影响2、 锚杆孔的施工应遵守下列规定： （1）钻锚杆孔前，应根据设计要求和围岩情况，定出孔位，做出标记。 （2）锚杆孔距允许偏差为150mm。 （3）树脂锚杆和快硬水泥卷锚杆孔洞深度不应小于杆体有效长度，且不应大于杆体有 效长度30mm。 （4）锚杆原材料型号规格品种以及锚杆各部件质量和技术性能应符合设计要求。 （5）锚杆孔位孔径孔深及布置形式应符合设计要求。 （6）孔内积水和岩粉应吹洗干净。 3、锚杆尾端的托板应紧贴壁面未接触部位必

17、须楔紧锚杆杆体露出岩面的长度不应大于喷射混凝土的厚度。 4、树脂锚杆的树脂卷贮存和使用应遵守下列规定： (1) 树脂卷宜存放在阴凉干燥和温度在+525的防火仓库中（2）树脂卷应在规定的贮存期内使用使用前应检查树脂卷质量变质者不得使用超过使用期者应通过试验合格后方可使用。5、树脂锚杆的安装应遵守下列规定:（1）锚杆安装前施工人员应先用杆体量测孔深做出标记然后用锚杆杆体将树脂卷送至孔底。（2）搅拌树脂时应缓慢推进锚杆杆体。（3）树脂搅拌完毕后应立即在孔口处将锚杆杆体临时固定。（4）安装托板应在搅拌完毕 15min 后进行当现场温度低于 5时安装托板的时间可。 6、锚杆安装的施工操作如下： （1）安

18、装工具：电钻一部，12寸和14寸扳手一把，连接头数个；或采用“TJ9型”风动搅拌器，连接器采用短钎断面打磨平后，对中焊上螺母；（2）检查锚固剂出厂日期，若锚固剂包装袋破裂、内部结块发硬等情况均不能使用。杆体内端麻花状结构应去锈、擦刷干净；（3）安装时先需用杆体插入锚孔量眼深，合格后，拔出杆体，将锚固剂放进钻孔，用杆体徐徐推送至眼底。（4）用搅拌器搅拌树脂时应缓缓推进杆体，搅拌时间一般为30S。搅拌完毕后将孔口处杆件临时固定，15分钟后可安装托板。7、左旋无纵筋螺纹钢树脂内锚头锚杆安装示意图如下五、混凝土参数的确定及工艺流程 1、混凝土层厚度验算 取单位宽度的的喷射混凝土层进行计算，喷射混凝土层

19、可视为以锚杆为支撑的梁，梁上的荷载为洞室上岩层自重压力和两锚杆之间不稳定岩层的重量以及喷射混凝土层的重量。则单位面积上的荷载为： 式中： 为岩石容重； 为锚固岩层厚度即不稳定岩层厚度； 为喷射混凝土容重； 为喷射混凝土厚度。 故有： 单位面积上的喷射混凝土层按四周固定的板计算，跨中最大弯矩为： =0.20518.25KPa1m = 3.74125KNm 喷射混凝土层的断面抗弯矩为： 喷射混凝土层的弯曲应力为 =0.998MPa根据规范，不同强度等级喷射混凝土设计强度按表51取得： 表51 喷射混凝土强度设计值（MPa） 喷射混凝土强度强度种类 等级 C15C20C25C30轴心抗压7.510.

20、012.515.0弯曲抗压8.511.013.516.5抗 拉0.91.11.301.5本工程采用C25混凝土，轴心抗压强度=12.5MPa； 弯曲抗压强度=13.5 MPa； 抗拉强度 =1.30 MPa。，所以本工程中喷射混凝土厚度采用150mm是安全的。2、钢筋网的选择 喷射混凝土能有效控制锚杆间的活石，但其本身性脆，当岩体变形量大时，易开裂剥落。解决办法是采用钢纤维喷射混凝土或者在喷射混凝土前敷设金属网，（通常用直径68mm的细圆钢制成150mm150mm或200mm200mm的网格，喷后成钢筋混凝土层，改善了喷层的抗拉性能，这称之为“锚喷网”联合支护。本工程采用8圆钢，制成200mm

21、200mm的网格，钢筋保护层厚度为40mm。制作前进行校直、除锈及油污等，确保施工质量，按每循环进尺长度在洞外制作成2m2m的网片网片，运输车运至工作面现场安装。3、喷射混凝土的施工工艺（1）原材料的选择要求 应优先选用硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥也可选用矿渣硅酸盐水泥或火山灰质硅酸盐水泥必要时采用特种水泥水泥强度等级不应低于 32.5MPa； 应采用坚硬耐久的中砂或粗砂细度模数宜大于 2.5干法喷射时砂的含水率宜控制在 5%7%当采用防粘料喷射机时砂含水率可为 7%10%； 应采用坚硬耐久的卵石或碎石粒径不宜大于 15mm当使用碱性速凝剂时不得使用含有活性二氧化硅的石材； 应采用符合质量要求的

22、外加剂掺外加剂后的喷射混凝土性能必须满足设计要求，在使用速凝剂前应做与水泥的相容性试验及水泥净浆凝结效果试验初凝不应大于5min，终凝不应大于 10min在采用其他类型的外加剂或几种外加剂复合使用时也应做相应的性能试验和使用效果检验。 当工程需要采用外掺料时掺量应通过试验确定加外掺料后的喷射混凝土性能必须满足设计要求。 混合水中不应含有影响水泥正常凝结与硬化的有害杂质不得使用污水及 pH 值小于 4 的酸性水和含硫酸盐量按 SO-4 计算超过混合用水重量 1%的水。 （2）施工机具的要求干法喷射混凝土机的性能应符合下列要求: 密封性能良好输料连续均匀； 生产能力(混合料)为 35m3/h允许输

23、送的骨料最大粒径为 25mm； 输送距离(混合料)水平不小于 100m垂直不小于 30m。 湿法喷射混凝土机的性能应符合下列要求: 密封性能良好输料连续均匀； 生产率大于 5m3/h允许骨料最大粒径为 15mm； 混凝土输料距离水平不小于 30m垂直不小于 20m； 机旁粉尘小于 10mg/m3。其他要求： 选用的空压机应满足喷射机工作风压和耗风量的要求当工程需要选用单台空压机； 工作时其排风量不应小于 9m3/min压风进入喷射机前必须进行油水分离； 混合料的搅拌宜采用强制式搅拌机； 输料管应能承受 0.8MPa 以上的压力并应有良好的耐磨性能； 干法喷射混凝土施工供水设施应保证喷头处的水压

24、为 0.150.20MPa50%60%。（3）混合料配合比及拌制 干法喷射水泥与砂石之重量比宜为 1.0：4.01.0：4.5，水灰比宜为0.400.45， 湿法喷射水泥与砂石之重量比宜为 1.0：3.51.0：4.0， 水灰比宜为0.420.50砂率宜为 50%60%。 外掺料的添加量应符合有关技术标准的要求并通过试验确定。 原材料按重量计称量的允许偏差为：水泥和速凝剂均为2% ，砂石均为3% 。 混合料搅拌时间应遵守下列规定:采用容量小于 400L 的强制式搅拌机时搅拌时间不得少于 60； 采用自落式或滚筒式搅拌机时搅拌时间不得少于 120s； 采用人工搅拌时搅拌次数不得少于 3 次； 混

25、合料掺有外加剂或外掺料时搅拌时间应适当延长。 混合料在运输存放过程中应严防雨淋滴水及大块石等杂物混入 装入喷射机前应过筛； 干混合料宜随拌随用无速凝剂掺入的混合料存放时间不应超过 2h干混合料，掺速凝剂后存放时间不应超过 20min。 用于湿法喷射的混合料拌制后应进行坍落度测定其坍落度宜为 812cm。 （4）喷射前的准备工作 拆除作业面障碍物清除开挖面的浮石和墙脚的岩渣堆积物； 用高压风水冲洗受喷面对遇水易潮解泥化的岩层则应用压风清扫岩面； 埋设控制喷射混凝土厚度的标志； 喷射机司机与喷射手不能直接联系时应配备联络装置； 作业区应有良好的通风和足够的照明装置； 喷射作业前应对机械设备风水管路

26、输料管路和电缆线路等进行全面检查及试运转； 受喷面有滴水淋水时喷射前应按下列方法做好治水工作。 （5）钢筋网喷射混凝土施工 钢筋使用前应清除污锈； 钢筋网宜在岩面喷射一层混凝土后铺设钢筋与壁面的间隙宜为 30mm； 采用双层钢筋网时第二层钢筋网应在第一层钢筋网被混凝土覆盖后铺设； 钢筋网应与锚杆或其他锚定装置联结牢固喷射时钢筋不得晃动； 开始喷射时应减小喷头与受喷面的距离并调节喷射角度以保证钢筋与壁面之间混凝土的密实性； 喷射中如有脱落的混凝土被钢筋网架住应及时清除。（6）喷射混凝土的养护 喷射混凝土终凝 2h 后应喷水养护养护时间一般工程不得少于 7d重要工程不得少于 14d； 气温低于+5

27、时不得喷水养护。六、锚喷支护施工的作业组织和循环图表1、工程量清单分项工程计算式工程量锚 杆1010104140个直 墙0.15 m20m5m230.00拱 顶0.15 m20m7.85m23.55直墙衬砌0.30 m20m5m260.00喷混凝土20 m5m3.142.5m20 m3172、各道工序所需工日表分项工程计算式工日（个）锚 杆140/1014钢筋网制作317/507钢筋网安装317/507衬砌施工60.00/1.540第一层喷射混凝土0.05（2052207.85）/400.5一层养护2第二层喷射混凝土0.1（2052207.85）/401二层养护23、施工人员配置： 组织混凝土

28、、锚杆、钢筋三个班组进行流水施工。其中混凝土班组下辖泥工、喷射砼操作工，锚杆班组下辖钻孔工、安装工两个人员设置泥工喷射砼施工电工锚杆工钢筋工合计人数102177274、施工进度安排： 锚喷支护总工期为20天，施工进度安排表如下：时间（天）施工进度14施工准备57第一层50mm喷射混凝土施工、养护2日、钢筋网制作89锚杆钻孔与安装10钢筋网安装11第二层100mm喷射混凝土施工1214第二层混凝土养护1518直墙衬砌施工1920机动时间七、 参考文献1、中华人民共和国建设部. 锚杆喷射混凝土支护技术规范. GB50086-2001，北京：中国建筑工业出版社。2、 中华人民共和国建设部. 优质结构钢冷拉钢材标准.GB3078-2008，北京：中国建筑工业出版社。3、 中华人民共和国建设部. 混凝土外加剂标准.GB8076-2008，北京：中国建筑工业出版社。 4、 李夕兵、冯涛.岩石地下建筑工程.长沙：中南工业大学出版社。 5、沈明荣、陈建峰.岩体力学.上海：同济大学出版社，2008. 6、李慧明. 建筑工程经济与项目管理.北京：冶金工业出版，2002.八、附图附图1 内锚头锚杆安装示意图附图2 横断面锚杆布置图附图3 洞室纵断面锚杆布置图19