隧道超前預(yù)支護(hù)技術(shù)與應(yīng)用

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)：是指對尚未開挖的巖土體進(jìn)行預(yù)支護(hù)，預(yù)防其在開挖時的冒落或塌落。這些巖土體主要是指一些開挖后來不及支護(hù)就會發(fā)生破壞性事故，如流沙、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，代價相對比較高，但往往能收到很好的效果，比破壞后的修復(fù)省工省時，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)問題。6.1.2超前支護(hù)原理圍巖的破壞是有時間過程的，其原因包括開挖的端頭效應(yīng)和時間效應(yīng)：（1）端頭效應(yīng)。荷載并非同時全部地施加在端頭附近的圍巖上的，只有隨開挖向前推進(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，許多開挖工程常常是在開挖后的一段時間里會發(fā)生破壞性事故。（2）時間效應(yīng)。巖土的蠕變特性說明，圍巖存在一個對應(yīng)于某段時間的長期強(qiáng)度，當(dāng)應(yīng)力超過此強(qiáng)度值時，則圍巖在到達(dá)此時間后就會發(fā)生破壞。無限長時間的長時強(qiáng)度約為瞬時強(qiáng)度的70%。應(yīng)力越高，破壞的時間越短；因此，當(dāng)圍巖應(yīng)力低于瞬時強(qiáng)度，而高于長時強(qiáng)度時，就會在某個時間里發(fā)生破壞（如果不支護(hù)）。6.1.2超前支護(hù)原理因此，開挖后發(fā)生立即破壞或來不及支護(hù)的破壞，也是這兩個原因。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)超過強(qiáng)度，端頭的夾持效應(yīng)也不能阻止其破壞過程；另一個便是時間效應(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，圍巖隨變形的增加，其內(nèi)部就開始有破裂出現(xiàn)而降低巖體質(zhì)量。因此，過大的變形對圍巖后期的承載是不利的。有時盡管巖土體沒有冒落或坍塌，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，減少圍巖質(zhì)量在變形過程中的降低。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)管注漿支護(hù)；對于更嚴(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挖的部分，在開挖前對這部分圍巖進(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32～45

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)到控制開挖松弛、崩塌、沉降，從而提高了工作面的自穩(wěn)性。此項技術(shù)在軟弱圍巖的地下工程中獲得了廣泛的應(yīng)用。6.2.1適用范圍圍小導(dǎo)管注注漿方法法主要適用用于：自穩(wěn)時間間短的軟軟弱破碎碎帶、淺淺埋軟弱弱圍巖和和嚴(yán)重偏偏壓砂層層、砂卵卵石層、、斷層破破碎帶以以及大面面積淋水水或涌水水的隧道道與巷道道等。對結(jié)構(gòu)頂頂部處于于亞粘土土、粉細(xì)細(xì)砂、中中粗砂等等地質(zhì)松松軟、空空隙較大大的地層層更為適適用，效效果明顯顯。6.2.2設(shè)計原則則為保證工工作面開開挖時不不坍塌，，設(shè)計施施工時，，應(yīng)充分分考慮：：支護(hù)時間間、支護(hù)類型型和支護(hù)參數(shù)數(shù)的選擇，，且小導(dǎo)導(dǎo)管注漿漿超前支支護(hù)工藝藝也應(yīng)和和開挖工工序等相相結(jié)合等等。注意：（1）在臺階階掘進(jìn)中中，要保保證上臺臺階前方方不穩(wěn)定定土體的的穩(wěn)定，，小導(dǎo)管管打入土土體的長長度必須須穿過可可能形成成的破裂裂面以外外；（2）小導(dǎo)管管間距應(yīng)應(yīng)根據(jù)工工作面前前方地質(zhì)質(zhì)條件和和其自穩(wěn)穩(wěn)能力來來決定；；6.2.2設(shè)計原則則（3）小導(dǎo)管管的外插角（與隧道道開挖輪輪廓的夾夾角）應(yīng)應(yīng)考慮小小導(dǎo)管的的長度和和鋼架的的間距；；（4）考慮一一次掘進(jìn)進(jìn)進(jìn)尺及及前后小小導(dǎo)管之之間的搭搭接長度度。根據(jù)現(xiàn)場場試驗和和施工經(jīng)經(jīng)驗：小導(dǎo)管的的長度L以3～4.5m為宜，外插角以10o～20o為宜，小小導(dǎo)管間距通常按每每米3～4根布置，，導(dǎo)管之之間的搭接長度度不宜小于于1.0m。6.2.3小導(dǎo)管的的施工技技術(shù)（1）小導(dǎo)管管的加工工制作前端加工工成圓錐錐形并封封焊嚴(yán)實(shí)實(shí)；管身設(shè)若若干溢漿漿孔，孔孔徑Ф6～12mm；孔距20~30cm，按梅花花形排列列；后端1.0m范圍不設(shè)設(shè)溢漿孔孔，管尾尾設(shè)一加加固環(huán)，，并要保保持管身身順直。。6.2.3小導(dǎo)管的的施工技技術(shù)（2）小導(dǎo)管管施工工工藝布孔。根據(jù)小小導(dǎo)管施施工設(shè)計計和開挖挖斷面的的中線，，拱頂外外輪廓線線中心高高程和支支距進(jìn)行行布孔放放樣，并并以插釬釬為標(biāo)記記控制小小導(dǎo)管的的間距。。成孔。首先架架設(shè)方向向架，確確定打孔孔方向、、位置和和仰角。。然后依依據(jù)不同同地質(zhì)條條件，采采用不同同成孔設(shè)設(shè)備打孔孔：一般砂層層可用Φ20mm管以壓力力風(fēng)吹孔孔；粉細(xì)砂、、亞粘土土可采用用風(fēng)鎬推推進(jìn)導(dǎo)管管；粘土層可可采用煤煤電鉆鉆鉆孔；在土夾石石、風(fēng)化化巖可使使用液壓壓或風(fēng)槍槍打眼成成孔。孔孔方向要要求順直直，不得得彎曲和和塌孔等等。6.2.3小導(dǎo)管的施工工技術(shù)（2）小導(dǎo)管施工工工藝插管。安設(shè)小導(dǎo)管管時應(yīng)對準(zhǔn)管管孔的方向和和角度，必要要時使液壓或或風(fēng)動推進(jìn)器器將導(dǎo)管推入入，并力求導(dǎo)導(dǎo)管尾端在同同一剖面且外外露長度以30cm為宜。封口。噴混凝土50～80cm厚度，對管尾尾周圍應(yīng)加強(qiáng)強(qiáng)封閉。6.2.3小導(dǎo)管的施工工技術(shù)（3）小導(dǎo)管注漿漿設(shè)計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)報報，這對小導(dǎo)管管注漿參數(shù)的的確定和注漿漿效果起著重重要作用。對圍巖應(yīng)重視視調(diào)查其結(jié)構(gòu)特征外，還應(yīng)查明明：圍巖強(qiáng)度度、膠結(jié)程度度、顆粒成分分、空隙率和和物理力學(xué)性性能等；當(dāng)圍巖分層時時應(yīng)查清其：：互層狀況、、軟硬層次、、厚薄組合等等情況，以便便確定合理的的注漿方案。。6.2.3小導(dǎo)管的施工工技術(shù)（3）小導(dǎo)管注漿漿設(shè)計2）注漿參數(shù)的的確定注漿擴(kuò)散半徑徑：可根據(jù)導(dǎo)管密密度和現(xiàn)場地地質(zhì)條件試驗驗確定。一般般應(yīng)考慮注漿漿范圍相互重重疊為原則。。小導(dǎo)管間距距按下式計算算注漿量的計算算：單根導(dǎo)管漿液液注入量可按按下式估算為簡化計算，，將α和β的乘積假定為為1，則上式可簡簡化為6.2.3小導(dǎo)管的施工工技術(shù)注漿壓力：在砂質(zhì)地層采采用水泥砂漿漿或水泥-水玻璃漿液注注漿時，注漿漿壓力一般為為0.5～0.9MPa，必要時在管管口尾部設(shè)置置止?jié){塞。粉細(xì)砂底層在在滿足注漿效效果的情況下下，注漿壓力力不宜過大，，一般注漿壓壓力為0.3～0.5MPa，并可按下式式計算3）注漿材料的的選擇注漿材料應(yīng)根根據(jù)地質(zhì)條件件經(jīng)反復(fù)試驗驗進(jìn)行選擇和和確定。后續(xù)注漿加固固部分將詳細(xì)細(xì)介紹。6.2.3小導(dǎo)管的施工工技術(shù)4）注漿工藝針對不同的地地層和不同的的注漿屬性，，選定合適的的注漿方法和和注漿工藝，，是實(shí)現(xiàn)注漿漿要求的重要要工作?？砂窗醋{工藝流流程要求進(jìn)行行。必要時，可進(jìn)進(jìn)行壓水試驗驗，然后再注注漿。5）注漿機(jī)具注漿機(jī)具可視視具體情況，，采取先查驗驗、后試用、、再推廣的方方法，以方便便實(shí)用和滿足足注漿效果為為原則。6）勞動力組織織根據(jù)不同地層層的相關(guān)參數(shù)數(shù)確定漿液配配比，計算出出所需原材料料用量，并事事先作好施工工準(zhǔn)備。注漿必須對注注漿導(dǎo)管的根根數(shù)、長度、、地質(zhì)參數(shù)調(diào)調(diào)查清楚，并并作好記錄。。注漿時有專專人測定pH值，專人掌握握止?jié){塞的壓壓力表并隨時時調(diào)整注漿壓壓力。注漿完完畢應(yīng)注意清清理機(jī)具和管管路，使其暢暢通。6.3管棚式超前支支護(hù)技術(shù)6.3.1管棚式超前支支護(hù)適用范圍圍6.3.2管棚式超前支支護(hù)設(shè)計6.3管棚式超前支支護(hù)技術(shù)管棚法：是沿開挖輪廓廓周線，鉆設(shè)設(shè)與隧道軸線線平行的鉆孔孔，而后插入入不同直徑的的鋼管，并向向管內(nèi)注漿，，固結(jié)管周邊邊的圍巖，并并在預(yù)定的范范圍內(nèi)形成棚棚架的支護(hù)體體系。它的主要作用是：提高管周周圍巖的抗剪剪強(qiáng)度，先行行支護(hù)圍巖，，把因開挖引引起的松弛控控制在最小范范圍之內(nèi)，其其效果可大致致歸納如下：：梁效應(yīng)：先行施設(shè)的的管棚，以工工作面和后方方支撐為支點(diǎn)點(diǎn)形成一個梁梁式結(jié)構(gòu)，防防止了圍巖的的松弛和崩塌塌。加固圍巖效果果：鋼管插入后，，向管內(nèi)注漿漿，加固了管管周的圍巖。。6.3管棚式超前支支護(hù)技術(shù)管棚式超前支支護(hù)和導(dǎo)管式式超前支護(hù)的的區(qū)別主要是：管棚式支護(hù)采采用更大直徑（80～100mm，甚至更大，，達(dá)100mm以上）的鋼管管，且鋼管更長（可以在10m以上）的超前前支護(hù)。管棚施工往往往要求插入的的鋼管自身形形成棚體結(jié)構(gòu)，如：根據(jù)需需要由鋼管形形成拱式、梁梁式或拱-墻式結(jié)構(gòu)；而而小導(dǎo)管可以以只設(shè)置在局局部危險區(qū)域域。因此，在設(shè)計計時要考慮管管棚的整體布布置外形（往往往和隧道或或其它工程的的外輪廓一致致），還要考考慮在管棚長長度方向的受受力情況。6.3.1管棚式超前支支護(hù)適用范圍圍從國內(nèi)外的施施工實(shí)踐看，，管棚超前支支護(hù)特別適用用于在工程下下方進(jìn)行工程程施工的情況況，主要包括括下述場合：：1）作為公路、、鐵路下方修修建隧道的輔輔助工法；2）作為在地中中及地下結(jié)構(gòu)構(gòu)物下方修建建隧道的輔助助工法；3）作為修建大大斷面隧道施施工的輔助工工法：4）作為隧道洞洞口段施工的的輔助工法；；5）作為其它施施工的輔助工工法，如托底底、盾構(gòu)基地地防護(hù)等。管棚法主要適用于：第四紀(jì)覆蓋蓋地層、軟弱弱、矽礫地層層或軟巖、巖巖堆、破碎帶帶等易于崩塌塌、松弛、軟軟化的地層。。6.3.2管棚式超前支支護(hù)設(shè)計管棚超前支護(hù)護(hù)設(shè)計步驟：：首先結(jié)合地層層和結(jié)構(gòu)外形形情況，先確確定布置外形形；再計算承受總總壓力；設(shè)計管棚長度度；然后結(jié)合管徑徑按強(qiáng)度計算算間距（管棚棚數(shù)量）；并用穩(wěn)定性（（擾度）驗證證。6.3.2管棚式超前支支護(hù)設(shè)計（1）管棚布置管棚是在地下下工程輪廓外外形成的棚架架體系，要根根據(jù)圍巖性質(zhì)質(zhì)及地表、地地中結(jié)構(gòu)物的的特點(diǎn)，決定定管棚的配置置和形狀。6.3.2管棚式超前支支護(hù)設(shè)計（2）確定載荷按普氏或太沙沙基公式計算算。6.3.2管棚式超前支支護(hù)設(shè)計（3）管棚長度管棚長度首先先應(yīng)滿足鉆機(jī)機(jī)設(shè)備的工作作參數(shù)要求；；其次要穿過工工作面的土體體破裂面一定定長度，使土土壓力傳遞到到已封閉的支支護(hù)結(jié)構(gòu)上；；并考慮前后兩兩排管棚的搭搭接長度。即：L=A+2（B+C）6.3.2管管棚式超前前支護(hù)設(shè)計（4）管距和數(shù)量量鋼管的最小間間距，要視施施工精度來決決定。在水平鉆孔中中，鋼管彎曲曲量隨施工長長度而增加，，尤其是，長長度超過30m后，彎曲量會會急劇增加，，范圍在1/200～1/300。一般鋼管的間間距多采用（2～2.5）倍管徑。可按長梁計算算最大彎矩：：計算載荷作作為梁長度上上的均布載荷荷并平均分?jǐn)倲傇诿扛摴芄?。鋼棚架間距（（常為1.0m）作為鉸接點(diǎn)點(diǎn)的跨間距，，插入巖體一一端是固結(jié)點(diǎn)點(diǎn)；計算鋼管最大大應(yīng)力，比較較強(qiáng)度，并調(diào)調(diào)節(jié)間距和直直徑。6.3.2管管棚式超前前支護(hù)設(shè)計（5）擾度驗算鋼管的擾度不不能超過頂部部總允許下沉沉量，包括鋼鋼管施工前下下沉量。6.4超前預(yù)支護(hù)技技術(shù)的應(yīng)用馬鋼集團(tuán)姑山山鐵礦馬頭門冒頂區(qū)區(qū)處理方案6.4.1馬鋼姑山鐵礦礦馬頭門冒頂頂區(qū)處理方案案6.4.2金旗山小凈距距隧道超前注注漿小導(dǎo)管施施工（1）工程概述位于京福高速速公路福建省省三明市境內(nèi)內(nèi)，采用并行行雙線小凈距距隧道，隧道道雙洞軸線間間距17.519m，中間巖柱最最小凈寬5.079m。全長205m。隧道處于丘丘陵地區(qū)，洞洞口位于小山山谷旁。隧道所處地區(qū)區(qū)未見地下水水露頭，地下下水主要源于于基巖裂隙水水，賦存于基基巖裂隙和破破碎帶中隧道穿過的巖巖性單一，為為燕山早期侵侵入花崗巖，，未見有斷層層，僅在進(jìn)口口處見有一隱隱伏輝綠巖脈脈，對隧道無無影響。圍巖情況：Ⅲ類圍巖41m，Ⅳ類圍巖164m。支護(hù)與襯砌形形式分三種：：S12型33m（Ⅲ類圍巖淺埋段段）、S3型18m（