隧道超前預(yù)支護(hù)技術(shù)與應(yīng)用

1、隧道超前預(yù)支護(hù)技術(shù)與應(yīng)用6 超前預(yù)支護(hù)技術(shù)6.1 概述6.1.1 超前支護(hù)的概念6.1.2 超前支護(hù)原理6.1.3 超前支護(hù)形式6.2 超前錨桿和小導(dǎo)管注漿超前支護(hù)技術(shù)6.2.1 適用范圍6.2.2 設(shè)計(jì)原則6.2.3 小導(dǎo)管的施工技術(shù)6.3 管棚式超前支護(hù)技術(shù)6.3.1 管棚式超前支護(hù)適用范圍6.3.2 管棚式超前支護(hù)設(shè)計(jì)6.4 超前預(yù)支護(hù)技術(shù)的應(yīng)用6.1 概述6.1.1 超前支護(hù)的概念6.1.2 超前支護(hù)原理6.1.3 超前支護(hù)形式6.1.1 超前支護(hù)的概念超前支護(hù)：是指對(duì)尚未開(kāi)挖的巖土體進(jìn)行預(yù)支護(hù)，預(yù)防其在開(kāi)挖時(shí)的冒落或塌落。這些巖土體主要是指一些開(kāi)挖后來(lái)不及支護(hù)就會(huì)發(fā)生破壞性事故，如流

2、沙、嚴(yán)重的破碎帶、松散的軟巖、高應(yīng)力圍巖等。超前支護(hù)的方法有許多，如開(kāi)挖前施工的各種護(hù)坡樁、注漿、超前錨桿及和各種形式的結(jié)合結(jié)構(gòu)。超前支護(hù)一般都是在迫不得已的情況下采用，代價(jià)相對(duì)比較高，但往往能收到很好的效果，比破壞后的修復(fù)省工省時(shí)，具有較好的經(jīng)濟(jì)效果。南京地鐵等風(fēng)化巖層中區(qū)間隧道主要采用超前支護(hù)技術(shù)配合錨桿、鋼拱架支護(hù)等技術(shù)解決掘進(jìn)和支護(hù)問(wèn)題。6.1.2 超前支護(hù)原理圍巖的破壞是有時(shí)間過(guò)程的，其原因包括開(kāi)挖的端頭效應(yīng)和時(shí)間效應(yīng)：（1）端頭效應(yīng)。荷載并非同時(shí)全部地施加在端頭附近的圍巖上的，只有隨開(kāi)挖向前推進(jìn)到超出端頭影響區(qū)以后，應(yīng)力才被全部施加，端頭的夾持作用也失去。因此，許多開(kāi)挖工程常常是在

3、開(kāi)挖后的一段時(shí)間里會(huì)發(fā)生破壞性事故。（2）時(shí)間效應(yīng)。巖土的蠕變特性說(shuō)明，圍巖存在一個(gè)對(duì)應(yīng)于某段時(shí)間的長(zhǎng)期強(qiáng)度，當(dāng)應(yīng)力超過(guò)此強(qiáng)度值時(shí)，則圍巖在到達(dá)此時(shí)間后就會(huì)發(fā)生破壞。無(wú)限長(zhǎng)時(shí)間的長(zhǎng)時(shí)強(qiáng)度約為瞬時(shí)強(qiáng)度的70%。應(yīng)力越高，破壞的時(shí)間越短；因此，當(dāng)圍巖應(yīng)力低于瞬時(shí)強(qiáng)度，而高于長(zhǎng)時(shí)強(qiáng)度時(shí)，就會(huì)在某個(gè)時(shí)間里發(fā)生破壞（如果不支護(hù)）。6.1.2 超前支護(hù)原理因此，開(kāi)挖后發(fā)生立即破壞或來(lái)不及支護(hù)的破壞，也是這兩個(gè)原因。即：一是雖然存在端頭效應(yīng)，但其圍巖內(nèi)的應(yīng)力已經(jīng)超過(guò)強(qiáng)度，端頭的夾持效應(yīng)也不能阻止其破壞過(guò)程；另一個(gè)便是時(shí)間效應(yīng)因素。6.1.2 超前支護(hù)原理實(shí)際上，圍巖的破壞是漸進(jìn)的。就是加載后，圍巖隨變形的增

4、加，其內(nèi)部就開(kāi)始有破裂出現(xiàn)而降低巖體質(zhì)量。因此，過(guò)大的變形對(duì)圍巖后期的承載是不利的。有時(shí)盡管巖土體沒(méi)有冒落或坍塌，但圍巖的破損可能發(fā)生在巖土體的內(nèi)部，圍巖的承載能力可能已經(jīng)有嚴(yán)重?fù)p失，以至在載荷進(jìn)一步發(fā)展后（端部開(kāi)挖），圍巖很快就失效。因此，超前支護(hù)就是提前提供約束，減少?lài)鷰r質(zhì)量在變形過(guò)程中的降低。6.1.3 超前支護(hù)形式超前支護(hù)一般可以分為兩種，即：超前錨桿（或預(yù)應(yīng)力錨桿）和帶注漿的超前錨桿。帶注漿的超前錨桿支護(hù)又分小導(dǎo)管注漿支護(hù)和管棚式支護(hù)。圍巖壓力大，容易冒落，最大空頂時(shí)間短，則可以采用超前錨桿支護(hù)形式；在破碎帶、淺埋軟弱破碎巖層或松軟的砂土層和工作面不易站立的巖土層中，可采用小導(dǎo)管注漿

5、支護(hù)；對(duì)于更嚴(yán)重的地層（如第四系表土、砂礫層等）或施工規(guī)模更大的工程，可采用管棚式支護(hù)。6.2 超前錨桿和小導(dǎo)管注漿超前支護(hù)技術(shù)6.2.1 適用范圍6.2.2 設(shè)計(jì)原則6.2.3 小導(dǎo)管施工技術(shù)6.2 超前錨桿和小導(dǎo)管注漿超前支護(hù)技術(shù)超前錨桿：主要是指在工作面向前方布置傾斜式錨桿，使錨桿伸到即將要開(kāi)挖的部分，在開(kāi)挖前對(duì)這部分圍巖進(jìn)行支護(hù)。小導(dǎo)管注漿超前支護(hù)：是指采用錨、注的形式進(jìn)行超前支護(hù)，可將破碎的圍巖固結(jié)和錨固成一個(gè)整體，從而顯著提高圍巖的自承載能力。它是沿初期支護(hù)外輪廓線，以一定仰角，向工作面施打直徑為3245 mm的帶泄?jié){孔的小導(dǎo)管并進(jìn)行注漿，利用漿液充分填充巖土體中的空隙，形成一定厚

6、度的結(jié)合體。小導(dǎo)管注漿的作用：穩(wěn)定工作面前方的巖土體，以達(dá)到控制開(kāi)挖松弛、崩塌、沉降，從而提高了工作面的自穩(wěn)性。此項(xiàng)技術(shù)在軟弱圍巖的地下工程中獲得了廣泛的應(yīng)用。6.2.1 適用范圍小導(dǎo)管注漿方法主要適用于：自穩(wěn)時(shí)間短的軟弱破碎帶、淺埋軟弱圍巖和嚴(yán)重偏壓砂層、砂卵石層、斷層破碎帶以及大面積淋水或涌水的隧道與巷道等。對(duì)結(jié)構(gòu)頂部處于亞粘土、粉細(xì)砂、中粗砂等地質(zhì)松軟、空隙較大的地層更為適用，效果明顯。6.2.2 設(shè)計(jì)原則為保證工作面開(kāi)挖時(shí)不坍塌，設(shè)計(jì)施工時(shí)，應(yīng)充分考慮：支護(hù)時(shí)間、支護(hù)類(lèi)型和支護(hù)參數(shù)的選擇，且小導(dǎo)管注漿超前支護(hù)工藝也應(yīng)和開(kāi)挖工序等相結(jié)合等。注意：（1）在臺(tái)階掘進(jìn)中，要保證上臺(tái)階前方不穩(wěn)定

7、土體的穩(wěn)定，小導(dǎo)管打入土體的長(zhǎng)度必須穿過(guò)可能形成的破裂面以外；（2）小導(dǎo)管間距應(yīng)根據(jù)工作面前方地質(zhì)條件和其自穩(wěn)能力來(lái)決定；6.2.2 設(shè)計(jì)原則（3）小導(dǎo)管的外插角（與隧道開(kāi)挖輪廓的夾角）應(yīng)考慮小導(dǎo)管的長(zhǎng)度和鋼架的間距；（4）考慮一次掘進(jìn)進(jìn)尺及前后小導(dǎo)管之間的搭接長(zhǎng)度。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和施工經(jīng)驗(yàn)：小導(dǎo)管的長(zhǎng)度 L 以34.5 m為宜，外插角以1020為宜，小導(dǎo)管間距通常按每米34 根布置，導(dǎo)管之間的搭接長(zhǎng)度不宜小于1.0 m。6.2.3 小導(dǎo)管的施工技術(shù)（1）小導(dǎo)管的加工制作前端加工成圓錐形并封焊嚴(yán)實(shí)；管身設(shè)若干溢漿孔，孔徑612 mm；孔距2030 cm，按梅花形排列；后端1.0 m范圍不設(shè)溢漿孔

8、，管尾設(shè)一加固環(huán)，并要保持管身順直。6.2.3 小導(dǎo)管的施工技術(shù)（2）小導(dǎo)管施工工藝布孔。根據(jù)小導(dǎo)管施工設(shè)計(jì)和開(kāi)挖斷面的中線，拱頂外輪廓線中心高程和支距進(jìn)行布孔放樣，并以插釬為標(biāo)記控制小導(dǎo)管的間距。成孔。首先架設(shè)方向架，確定打孔方向、位置和仰角。然后依據(jù)不同地質(zhì)條件，采用不同成孔設(shè)備打孔：一般砂層可用20 mm管以壓力風(fēng)吹孔；粉細(xì)砂、亞粘土可采用風(fēng)鎬推進(jìn)導(dǎo)管；粘土層可采用煤電鉆鉆孔；在土夾石、風(fēng)化巖可使用液壓或風(fēng)槍打眼成孔?？追较蛞箜樦?，不得彎曲和塌孔等。6.2.3 小導(dǎo)管的施工技術(shù)（2）小導(dǎo)管施工工藝插管。安設(shè)小導(dǎo)管時(shí)應(yīng)對(duì)準(zhǔn)管孔的方向和角度，必要時(shí)使液壓或風(fēng)動(dòng)推進(jìn)器將導(dǎo)管推入，并力求導(dǎo)管尾

9、端在同一剖面且外露長(zhǎng)度以30 cm為宜。封口。噴混凝土5080 cm厚度，對(duì)管尾周?chē)鷳?yīng)加強(qiáng)封閉。6.2.3 小導(dǎo)管的施工技術(shù)（3）小導(dǎo)管注漿設(shè)計(jì)1）地質(zhì)調(diào)查施工前的地質(zhì)調(diào)查或地質(zhì)超前預(yù)報(bào)，這對(duì)小導(dǎo)管注漿參數(shù)的確定和注漿效果起著重要作用。對(duì)圍巖應(yīng)重視調(diào)查其結(jié)構(gòu)特征外，還應(yīng)查明：圍巖強(qiáng)度、膠結(jié)程度、顆粒成分、空隙率和物理力學(xué)性能等；當(dāng)圍巖分層時(shí)應(yīng)查清其：互層狀況、軟硬層次、厚薄組合等情況，以便確定合理的注漿方案。 6.2.3 小導(dǎo)管的施工技術(shù)（3）小導(dǎo)管注漿設(shè)計(jì)2）注漿參數(shù)的確定注漿擴(kuò)散半徑：可根據(jù)導(dǎo)管密度和現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)條件試驗(yàn)確定。一般應(yīng)考慮注漿范圍相互重疊為原則。小導(dǎo)管間距按下式計(jì)算注漿量的計(jì)算：

10、單根導(dǎo)管漿液注入量可按下式估算 為簡(jiǎn)化計(jì)算，將 和的乘積假定為 1，則上式可簡(jiǎn)化為6.2.3 小導(dǎo)管的施工技術(shù)注漿壓力：在砂質(zhì)地層采用水泥砂漿或水泥-水玻璃漿液注漿時(shí)，注漿壓力一般為0.50.9 MPa，必要時(shí)在管口尾部設(shè)置止?jié){塞。粉細(xì)砂底層在滿足注漿效果的情況下，注漿壓力不宜過(guò)大，一般注漿壓力為0.30.5 MPa，并可按下式計(jì)算3）注漿材料的選擇注漿材料應(yīng)根據(jù)地質(zhì)條件經(jīng)反復(fù)試驗(yàn)進(jìn)行選擇和確定。后續(xù)注漿加固部分將詳細(xì)介紹。6.2.3 小導(dǎo)管的施工技術(shù)4）注漿工藝針對(duì)不同的地層和不同的注漿屬性，選定合適的注漿方法和注漿工藝，是實(shí)現(xiàn)注漿要求的重要工作?？砂醋{工藝流程要求進(jìn)行。必要時(shí)，可進(jìn)行壓水

11、試驗(yàn)，然后再注漿。5）注漿機(jī)具注漿機(jī)具可視具體情況，采取先查驗(yàn)、后試用、再推廣的方法，以方便實(shí)用和滿足注漿效果為原則。6）勞動(dòng)力組織根據(jù)不同地層的相關(guān)參數(shù)確定漿液配比，計(jì)算出所需原材料用量，并事先作好施工準(zhǔn)備。注漿必須對(duì)注漿導(dǎo)管的根數(shù)、長(zhǎng)度、地質(zhì)參數(shù)調(diào)查清楚，并作好記錄。注漿時(shí)有專(zhuān)人測(cè)定pH值，專(zhuān)人掌握止?jié){塞的壓力表并隨時(shí)調(diào)整注漿壓力。注漿完畢應(yīng)注意清理機(jī)具和管路，使其暢通。6.3 管棚式超前支護(hù)技術(shù)6.3.1 管棚式超前支護(hù)適用范圍6.3.2 管棚式超前支護(hù)設(shè)計(jì)6.3 管棚式超前支護(hù)技術(shù)管棚法：是沿開(kāi)挖輪廓周線，鉆設(shè)與隧道軸線平行的鉆孔，而后插入不同直徑的鋼管，并向管內(nèi)注漿，固結(jié)管周邊的圍巖

12、，并在預(yù)定的范圍內(nèi)形成棚架的支護(hù)體系。它的主要作用是：提高管周?chē)鷰r的抗剪強(qiáng)度，先行支護(hù)圍巖，把因開(kāi)挖引起的松弛控制在最小范圍之內(nèi)，其效果可大致歸納如下：梁效應(yīng)：先行施設(shè)的管棚，以工作面和后方支撐為支點(diǎn)形成一個(gè)梁式結(jié)構(gòu)，防止了圍巖的松弛和崩塌。加固圍巖效果：鋼管插入后，向管內(nèi)注漿，加固了管周的圍巖。6.3 管棚式超前支護(hù)技術(shù)管棚式超前支護(hù)和導(dǎo)管式超前支護(hù)的區(qū)別主要是：管棚式支護(hù)采用更大直徑（80100 mm，甚至更大，達(dá)100 mm以上）的鋼管，且鋼管更長(zhǎng)（可以在10 m以上）的超前支護(hù)。管棚施工往往要求插入的鋼管自身形成棚體結(jié)構(gòu)，如：根據(jù)需要由鋼管形成拱式、梁式或拱-墻式結(jié)構(gòu)；而小導(dǎo)管可以只設(shè)

13、置在局部危險(xiǎn)區(qū)域。因此，在設(shè)計(jì)時(shí)要考慮管棚的整體布置外形（往往和隧道或其它工程的外輪廓一致），還要考慮在管棚長(zhǎng)度方向的受力情況。6.3.1 管棚式超前支護(hù)適用范圍從國(guó)內(nèi)外的施工實(shí)踐看，管棚超前支護(hù)特別適用于在工程下方進(jìn)行工程施工的情況，主要包括下述場(chǎng)合：1）作為公路、鐵路下方修建隧道的輔助工法；2）作為在地中及地下結(jié)構(gòu)物下方修建隧道的輔助工法；3）作為修建大斷面隧道施工的輔助工法：4）作為隧道洞口段施工的輔助工法；5）作為其它施工的輔助工法，如托底、盾構(gòu)基地防護(hù)等。管棚法主要適用于：第四紀(jì)覆蓋地層、軟弱、矽礫地層或軟巖、巖堆、破碎帶等易于崩塌、松弛、軟化的地層。6.3.2 管棚式超前支護(hù)設(shè)計(jì)管

14、棚超前支護(hù)設(shè)計(jì)步驟：首先結(jié)合地層和結(jié)構(gòu)外形情況，先確定布置外形；再計(jì)算承受總壓力；設(shè)計(jì)管棚長(zhǎng)度；然后結(jié)合管徑按強(qiáng)度計(jì)算間距（管棚數(shù)量）；并用穩(wěn)定性（擾度）驗(yàn)證。6.3.2 管棚式超前支護(hù)設(shè)計(jì)（1）管棚布置管棚是在地下工程輪廓外形成的棚架體系，要根據(jù)圍巖性質(zhì)及地表、地中結(jié)構(gòu)物的特點(diǎn)，決定管棚的配置和形狀。6.3.2 管棚式超前支護(hù)設(shè)計(jì)（2）確定載荷按普氏或太沙基公式計(jì)算。6.3.2 管棚式超前支護(hù)設(shè)計(jì)（3）管棚長(zhǎng)度管棚長(zhǎng)度首先應(yīng)滿足鉆機(jī)設(shè)備的工作參數(shù)要求；其次要穿過(guò)工作面的土體破裂面一定長(zhǎng)度，使土壓力傳遞到已封閉的支護(hù)結(jié)構(gòu)上；并考慮前后兩排管棚的搭接長(zhǎng)度。即：L= A + 2（B + C）6.3

15、.2 管棚式超前支護(hù)設(shè)計(jì)（4）管距和數(shù)量鋼管的最小間距，要視施工精度來(lái)決定。在水平鉆孔中，鋼管彎曲量隨施工長(zhǎng)度而增加，尤其是，長(zhǎng)度超過(guò)30 m后，彎曲量會(huì)急劇增加，范圍在1/2001/300。一般鋼管的間距多采用（22.5）倍管徑。可按長(zhǎng)梁計(jì)算最大彎矩：計(jì)算載荷作為梁長(zhǎng)度上的均布載荷并平均分?jǐn)傇诿扛摴?。鋼棚架間距（常為1.0 m）作為鉸接點(diǎn)的跨間距，插入巖體一端是固結(jié)點(diǎn)；計(jì)算鋼管最大應(yīng)力，比較強(qiáng)度，并調(diào)節(jié)間距和直徑。6.3.2 管棚式超前支護(hù)設(shè)計(jì)（5）擾度驗(yàn)算鋼管的擾度不能超過(guò)頂部總允許下沉量，包括鋼管施工前下沉量。6.4 超前預(yù)支護(hù)技術(shù)的應(yīng)用馬鋼集團(tuán)姑山鐵礦馬頭門(mén)冒頂區(qū)處理方案6.4.1

16、馬鋼姑山鐵礦馬頭門(mén)冒頂區(qū)處理方案6.4.2 金旗山小凈距隧道超前注漿小導(dǎo)管施工 （1）工程概述位于京福高速公路福建省三明市境內(nèi)，采用并行雙線小凈距隧道，隧道雙洞軸線間距17.519 m，中間巖柱最小凈寬5.079 m。全長(zhǎng)205 m。隧道處于丘陵地區(qū)，洞口位于小山谷旁。隧道所處地區(qū)未見(jiàn)地下水露頭，地下水主要源于基巖裂隙水，賦存于基巖裂隙和破碎帶中隧道穿過(guò)的巖性單一，為燕山早期侵入花崗巖，未見(jiàn)有斷層，僅在進(jìn)口處見(jiàn)有一隱伏輝綠巖脈，對(duì)隧道無(wú)影響。圍巖情況：類(lèi)圍巖41 m，類(lèi)圍巖164 m。支護(hù)與襯砌形式分三種：S12型33 m（類(lèi)圍巖淺埋段）、S3型18 m（類(lèi)圍巖深埋段）、S4型144 m（類(lèi)圍巖深埋段）、削竹式洞門(mén)結(jié)構(gòu)10 m。6.4.2 金旗山小凈距隧道超前注漿小導(dǎo)管施工 （2）小導(dǎo)管施工方案與參數(shù)類(lèi)圍巖淺埋段采用超前注漿小導(dǎo)管加固拱部，小導(dǎo)管50 mm5 mm，熱軋無(wú)縫鋼管制作，單根長(zhǎng)度5 m，環(huán)向間距800 mm，排間距3 m。管壁每隔100200 mm交錯(cuò)鉆眼，眼孔直徑8 mm。注漿漿液為水泥-水玻璃雙液漿（水泥：水玻璃=1 : 0.5）。沿隧道縱向開(kāi)挖輪廓線以20外插角鉆孔，將小導(dǎo)管打入地層。6.4.2 金旗山小凈距隧