隧道預(yù)支護(hù)課件

第三講

隧道預(yù)支護(hù)技術(shù)

超前預(yù)支護(hù)技術(shù)在破碎或松散地層、自穩(wěn)能力差的隧道施工中被廣泛采用。所謂的超前預(yù)支護(hù)，就是隧道開挖之前，在掌子面前方的自然地層設(shè)置一個(gè)像拱殼的連續(xù)體，使其既加固掌子面前方的自然地層，同時(shí)利用初期支護(hù)又保持自然地層的特性，從而保證掌子面及地層的穩(wěn)定，減少地表沉降量。早期的隧道施工，預(yù)支護(hù)的形式主要為打插鋼板、木板或型鋼，即所謂的插板法。現(xiàn)代常用的超前預(yù)支護(hù)方法有超前錨桿、超前小導(dǎo)管、水平旋噴注漿、機(jī)械預(yù)切槽法和超前管棚法。1超前錨桿

超前錨桿是沿隧道開挖面外輪廓鉆孔，插入鋼筋桿體并用水泥砂漿使桿體與圍巖固結(jié)成整體。超前錨桿(1)布置原則超前錨桿的安裝必須作為開挖循環(huán)的一個(gè)組成部分來完成，旨在作為超前預(yù)支護(hù)及加固巖體的作用。超前錨桿的設(shè)置充分考慮巖體的結(jié)構(gòu)面特性和圍巖地質(zhì)情況。超前錨桿外插角：10~30°。超前錨桿縱向兩排的水平投影應(yīng)有不小于100cm的搭接長度。超前錨桿尾端一般焊接在鋼拱架上，以增強(qiáng)共同支護(hù)作用。(2)施工工藝材料加工與錨孔布置：錨桿除銹調(diào)直；按設(shè)計(jì)標(biāo)孔位。鉆孔：準(zhǔn)確控制外插角，以防增加超欠挖。注漿：先用水和稀漿濕潤管路，再開始注漿。插入錨桿：迅速將錨桿插入眼孔，并用錘擊方法插至孔底，再用木楔堵塞孔口，防止砂漿流失。清洗整理注漿用具：除掉砂漿，以備下一循環(huán)使用。2超前小導(dǎo)管超前小導(dǎo)管與超前錨桿所不同的是將鋼筋桿體改為空心鋼管，通常管徑36~50mm，管壁預(yù)留注漿孔，管口止?jié){封面后，注入水泥漿。壓力注漿滲透擴(kuò)散管周較大的砂土體。管周注漿固結(jié)體形成一定厚度的隧道加固圈后，實(shí)現(xiàn)超前支護(hù)的目的。該方法工藝簡單，造價(jià)低，特別是砂、土質(zhì)松軟地層中，應(yīng)用十分廣泛。但因其一次施作距離短，預(yù)支護(hù)剛度小，在地層壓力大，地層位移控制要求嚴(yán)時(shí)，也限制了它的應(yīng)用。鉆孔15°小導(dǎo)管鋼支撐0.2ma<40cmrrb(取30cm)3.5~6.0m管箍(φ6鋼筋加焊)出漿孔1.5m不鉆孔0.2mφ25~35mm有縫鋼管注漿量確定：先計(jì)算出單孔注漿量，然后乘以注漿管數(shù)即可得：

式中，Q——注漿量(m3)；N——注漿管數(shù)量(個(gè))；

R——漿液擴(kuò)散半徑(m)；L——注漿長度(m)；

n——圍巖孔隙率(%)；

α——漿液充填系數(shù)，一般取0.7~0.9；

β——注漿材料損耗系數(shù)，常取0.1左右。各種漿材的適用范圍

(3)注漿孔口最高壓力應(yīng)嚴(yán)格控制在允許范圍內(nèi)，以防壓裂開挖面，注漿壓力一般為0.5~1.0MPa，止?jié){塞應(yīng)能經(jīng)受注漿壓力。注漿壓力與地層條件及注漿范圍要求有關(guān)，一般要求單管注漿能擴(kuò)散到管周0.5~1.0m的半徑范圍內(nèi)。要控制注漿量，即每根導(dǎo)管內(nèi)已達(dá)到規(guī)定注入量時(shí)，就可結(jié)束；若孔口壓力已達(dá)到規(guī)定壓力值，但注入量仍不足，亦應(yīng)停止注漿。注漿結(jié)束后，應(yīng)做一定數(shù)量的鉆孔檢查或用聲波探測儀檢查注漿效果，如未達(dá)到要求，應(yīng)進(jìn)行補(bǔ)注漿。注漿后應(yīng)視漿液種類，等待4h(水泥－水玻璃漿)~8h(水泥漿)方可開挖，開挖長度應(yīng)按設(shè)計(jì)循環(huán)進(jìn)尺的規(guī)定，以保留一定長度的止?jié){墻。超前小導(dǎo)管施工簡易，應(yīng)急速度快，比超前錨桿支護(hù)能力大；比管棚簡單易行、靈活、經(jīng)濟(jì)、施工速度快，但支護(hù)能力較弱；格柵內(nèi)空間被噴射混凝土充填，其表面被覆蓋，所形成的初期支護(hù)具有較強(qiáng)的承載能力，并有一定的防水性能；與圍巖緊密粘結(jié)，形成一個(gè)剛度較接近的共同變形體，易形成有效的壓力拱，使隧道結(jié)構(gòu)受力條件趨于合理。(4)特點(diǎn)3水平旋噴注漿噴射注漿法，又稱旋噴法，分為垂直和水平旋噴注漿兩種方法。水平旋噴注漿的施工原理類似于垂直旋噴注漿，只是一個(gè)為水平一個(gè)為垂直。其施工方法為，首先使用旋噴注漿機(jī)，沿著隧道掌子面周邊的設(shè)計(jì)位置旋噴注漿形成旋噴柱體，通過固結(jié)體的相互咬合形成預(yù)支護(hù)拱棚。一般每根旋噴體，首先通過水平鉆機(jī)成孔，鉆到設(shè)計(jì)位置以后，隨著鉆桿的退出，用水泥漿或水泥－水玻璃雙漿液旋噴注入鉆成的孔腔，通過高壓射流切割腔壁土體，被切割下的土體與漿液攪拌混合、固結(jié)形成直徑600mm左右的固結(jié)體，同時(shí)周圍地層受到壓縮和固結(jié)，其土體的物理力學(xué)性能得到一定程度的改善。（a）意大利產(chǎn)重型水平選噴鉆機(jī)（b）1983年研制的輕型水平選噴鉆機(jī)（c）三一重工2008年產(chǎn)中型水平選噴鉆機(jī)4械預(yù)切槽法機(jī)械預(yù)切槽法首次應(yīng)用于20世紀(jì)70年代法國巴黎快速軌道運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的一個(gè)車站的建造工程中。它是利用專業(yè)的切槽機(jī)械，沿隧道外輪廓切割一定深度的切槽。切槽方式有帶鋸式和排鉆式兩種。在硬巖地層中，利用該切槽，作為爆破振動(dòng)的隔振層，主要起隔振或減振的目的。在軟石或砂質(zhì)地層中，在切槽內(nèi)填筑混凝土，形成預(yù)支護(hù)拱，提高隧道穩(wěn)定性。在安全穩(wěn)定的作業(yè)環(huán)境下，用挖掘機(jī)或臂式掘進(jìn)機(jī)開挖前作業(yè)面。自卸汽車或翻斗車可穿行于預(yù)切槽機(jī)內(nèi)。必要時(shí)，作業(yè)面裝以玻璃纖維錨桿，以穩(wěn)定作業(yè)面。隨后在作業(yè)面上噴混凝土。緊隨其后，安裝隧道防水層，進(jìn)行二次襯砌。作業(yè)過程如下：用預(yù)切槽鋸沿隧道外廓弧形拱深切一寬15~30cm、長約5m的切槽。在切槽內(nèi)立即填充高強(qiáng)度噴射混凝土，形成長3~5m的整體連續(xù)拱，兩次連續(xù)拱的搭接長度為0.5~2.0m，視圍巖的不同而定。①可減輕在硬巖爆破時(shí)，振動(dòng)的擴(kuò)展；②在作業(yè)面開挖前，快速建成一臨時(shí)的整體弧形拱，從而減小圍巖變形與地表沉陷；③為人員和設(shè)備提供清潔、安全的工作條件；④有利于作業(yè)全過程的工業(yè)化及機(jī)械化，從而使進(jìn)度快速均衡，適應(yīng)性增強(qiáng)，大大節(jié)約了成本。機(jī)械預(yù)切槽法在硬巖地層中應(yīng)用的最大弱點(diǎn)是推進(jìn)速度慢，較適合用于市區(qū)隧道工程、松散地層和大斷面隧道。機(jī)械預(yù)切槽法的優(yōu)點(diǎn)

a)管棚的環(huán)向布置b)管棚鋼管縱向錯(cuò)接c)鋼管端部橫向聯(lián)接鋼管型號的選擇：根據(jù)實(shí)際地層和技術(shù)經(jīng)濟(jì)因素分析，土體凝聚力較高的粘性土，可選取φ89mm；一般土層在多數(shù)情況下選取φ108mm型鋼管。間距的選擇：對于松散地層，鋼管間距應(yīng)適當(dāng)縮小，考慮鉆進(jìn)等因素，選擇間距在0.1~0.2m為宜；一般地層選擇間距為0.3~0.4m；土體凝聚力較高的粘性土也可適當(dāng)加大。(1)支護(hù)參數(shù)的選擇仰角的確定:因土層松軟及鉆桿重力，管棚在鉆進(jìn)過程中要發(fā)生向下彎曲，在開孔鉆進(jìn)時(shí)要有一定的上仰角度。如果上仰角度過小，管棚會(huì)因向下彎曲而進(jìn)入隧道區(qū)域，在隧道掘進(jìn)時(shí)需要將鋼管割去，從而嚴(yán)重影響隧道掘進(jìn)速度和安全；如果上仰角度過大，使管棚遠(yuǎn)離隧道外徑而失去支護(hù)作用，而且使管棚有效支護(hù)長度縮短。為此需要選擇合適的管棚上仰角度(一般1~5°)。工作室施工：隧道開挖至設(shè)計(jì)工作室里程后，將隧道標(biāo)準(zhǔn)斷面擴(kuò)大到管棚工作室斷面。預(yù)制導(dǎo)向架，安裝導(dǎo)向管：架立導(dǎo)向架，并按設(shè)計(jì)角度將導(dǎo)向管焊接到導(dǎo)向架上，確認(rèn)無誤后，封堵導(dǎo)向管管口加以保護(hù)，再用噴射混凝土將導(dǎo)向架與工作室構(gòu)成整體。工作面處理：掌子面上掛網(wǎng)噴混凝土，封閉掌子面，并作為注漿的止?jié){墻，確保管棚施工中工作面安全。(2)施工工藝鉆機(jī)就位：用儀器量測導(dǎo)向管，固定鉆桿轉(zhuǎn)軸，使之與鉆桿共線。鉆孔：用低檔開鉆，鉆到一定深時(shí)，接桿繼續(xù)鉆進(jìn)，經(jīng)常復(fù)核鉆孔角度，確保鉆孔方向，若發(fā)現(xiàn)偏斜，及時(shí)高速處理。插入導(dǎo)管：插前應(yīng)對每個(gè)鉆孔的管子配管編號，保證同一斷面上鋼管接頭數(shù)≤50%?？卓诿芊馓幚恚鹤{前對管口與孔口間空隙密封，防止水泥漿外滲。導(dǎo)管注漿：通過注漿，即可增強(qiáng)導(dǎo)管剛度，又可使?jié){液滲入周圍地層，加固地層。

大管棚剛度大、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高、所形成的拱棚承載能力強(qiáng)；一次支護(hù)長度大，可以減少超前支護(hù)的次數(shù)，縮短施工時(shí)間；由工程經(jīng)驗(yàn)得知，大管棚預(yù)注漿支護(hù)效果可靠，勞動(dòng)消耗量相對較少，雖然材料費(fèi)用要高些，但安全系數(shù)也能相對提高，可望能有效地保持隧道周邊圍巖的穩(wěn)定，提高施工安全。(3)技術(shù)特點(diǎn)6管幕預(yù)支護(hù)技術(shù)美國是最早采用管幕技術(shù)的國家，在1922~1947年間，美國采用管幕法累計(jì)完成鋪管工程830項(xiàng)，鋪管總長度16800m。20世紀(jì)50年代開始長距離管幕，20世紀(jì)70年代出現(xiàn)了小口徑管幕，以1977~1984年下水道敷設(shè)看，短距離、手挖式的一次頂進(jìn)方法占半數(shù)以上，長距離的管幕施工方法、半盾構(gòu)方法則逐漸增加。美國1990年以前是液壓管幕占主導(dǎo)，隨著氣動(dòng)鋼管頂打技術(shù)出現(xiàn)，迅速發(fā)展并取代液壓，液壓管幕已由1990年的80%迅速降為1994年的40%。

6.1國外管幕技術(shù)的發(fā)展日本自20世紀(jì)70~80年代下水道敷設(shè)中，直徑1000~1850mm者大部分是管幕，直徑大于2000mm的多用襯砌盾構(gòu)施工法，頂進(jìn)施工法其施工管道長度占下水道總長度的6.3%，另外盾構(gòu)法占2.3%，而明挖施工法占36%。各種工法如鐵鼠掘進(jìn)機(jī)施工法、水平螺旋鉆施工法、鼴鼠式掘進(jìn)機(jī)施工法、土箭施工法應(yīng)運(yùn)而生。微型機(jī)械施工法能使原先不可能的小口徑管幕進(jìn)行長距離轉(zhuǎn)彎施工，且比較經(jīng)濟(jì)。施工機(jī)具主要分為壓入式、水平螺旋鉆機(jī)、水平鉆孔、泥漿加壓式施工，其中前兩種使用較多且可修正方向。20世紀(jì)90年代日本super-mini施工法協(xié)會(huì)開發(fā)的適于大、中口徑1600～3000mm的長距離管幕施工法，即覆膜管幕法又一次飛躍地提高了管幕一次頂進(jìn)的最大距離。日本還自行研制開發(fā)了閉水性、耐酸性好的鋼筋混凝土管、聚乙烯塑料管、鑄鐵管、增強(qiáng)塑料管等專用規(guī)范管材。英國管幕技術(shù)發(fā)展也較快，1980年從日本引進(jìn)泥水平衡式管幕機(jī)械與當(dāng)時(shí)西德合作施工的一條內(nèi)徑為2489mm，長度為3.2km的管道已獲成功，且曾達(dá)到不用中繼間最大頂距178m的記錄。德國在大口徑管頂進(jìn)方面技術(shù)比較先進(jìn)，一次頂進(jìn)最長2.2km，最大直徑4.4m，如VS864掘進(jìn)系統(tǒng)，用感應(yīng)式激光屏幕顯示頂進(jìn)位置，采用快速運(yùn)行的液壓千斤頂推頂，每天進(jìn)尺達(dá)40~50m。1970年的德國漢堡下水道管幕工程是世界上首次一次頂進(jìn)超千米的混凝土管幕工程，1987年完成的西柏林供熱水鋼筋混凝土管道，內(nèi)徑4.1m，一次頂進(jìn)1088m，工程總長3607m。在小口徑管幕方面：施密特克朗茨有限公司開發(fā)了一種新的PBA38型頂壓鉆進(jìn)設(shè)備可有效控制敷設(shè)接戶支管以及最大內(nèi)徑DN300mm的管道且目標(biāo)精度高，管接口為雙層密封。6.2國內(nèi)管幕技術(shù)的發(fā)展管幕施工法是中國最早使用的非開挖施工方法，1953年首次用于北京西郊行政區(qū)污水管工程，采用人工挖掘頂進(jìn)直徑900mm管徑的鑄鐵管。隨后，上海等城市也相繼采用這一技術(shù)，但都是手掘式管幕，設(shè)備也較簡陋。20世紀(jì)70年代，為適應(yīng)大口徑管道穿越江河的需要，我國開始發(fā)展長距離頂進(jìn)技術(shù)。1978年研制成功的三段雙鉸型工具管解決了百米管幕技術(shù)，同年，上海又成功開發(fā)適于軟粘土和淤泥質(zhì)粘土的擠壓法管幕，比普通手掘式管幕效率提高一倍以上。從20世紀(jì)80年代開始，管幕技術(shù)在中國有了很大發(fā)展。1981年在穿越甬江的管道工程中，第一次應(yīng)用中繼間獲得成功，頂進(jìn)長度達(dá)581m，成為當(dāng)時(shí)繼美國依里諾斯州一次頂進(jìn)585m之后，世界一次頂進(jìn)最長的管幕工程。20世紀(jì)90年代我國的管幕技術(shù)已處于世界先進(jìn)水平。1992年上海研制成功國內(nèi)第一臺加泥式φ1440mm土壓平衡掘進(jìn)機(jī)，在奉賢排污工程中，直徑DN1600mm鋼筋混凝土管一次頂進(jìn)1511m，創(chuàng)單向一次頂進(jìn)混凝土管的世界記錄。1996年底又設(shè)計(jì)成功可調(diào)換止水帶的中繼間在上海黃浦江上游引水工程中，將內(nèi)徑3500mm的鋼管，單向一次頂進(jìn)1743m，再創(chuàng)世界之最，該工程地面用微機(jī)監(jiān)控，采用無線電通訊手段傳達(dá)到地下，可隨時(shí)調(diào)整其偏差，減輕人工負(fù)擔(dān)且確保施工精度，目前我國管幕工程的管幕直徑之大、頂進(jìn)長度之長均屬世界領(lǐng)先水平，已具備一次頂進(jìn)3000m管道的能力。管幕技術(shù)顯著的優(yōu)越性使它得到了廣泛的應(yīng)用，在給排水工程、煤氣熱力工程、通信電纜和發(fā)電廠循環(huán)水冷卻系統(tǒng)中采用管幕施工法的愈來愈多，從經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益、環(huán)境效益，及三者綜合比較來看，管幕施工明顯具有實(shí)際的可用性。

6.3管幕預(yù)支護(hù)技術(shù)考慮到流塑狀淤泥質(zhì)含水地層，淺埋和城市環(huán)境(周邊建筑物和地下管線)等因素，把隧道暗挖施工對環(huán)境安全、對地面交通和既有建筑物的干擾減少到最低程度，超前預(yù)支護(hù)是一項(xiàng)重要的工程技術(shù)措施。傳統(tǒng)的超前預(yù)支護(hù)剛度較小、一次施作距離短，而管幕預(yù)支護(hù)中的鋼管一般直徑為200~2500mm，一次施作距離長，這種支護(hù)鋼管可作為整個(gè)支護(hù)結(jié)構(gòu)的一部分，因此又稱為結(jié)構(gòu)性管棚。6.3.1管幕用作隧道預(yù)支護(hù)應(yīng)用現(xiàn)狀北京地鐵五號線崇文門站總長202.9m，兩端為兩層三拱結(jié)構(gòu)，中間下穿既有環(huán)線地鐵區(qū)間段，為單層三拱結(jié)構(gòu)，既有線區(qū)間結(jié)構(gòu)底板與車站單層斷面頂部凈距2.858m。由于既有區(qū)間地鐵軌道允許沉降小，傳統(tǒng)的超前支護(hù)技術(shù)不能控制車站暗挖施工引起的過量地層位移。因此，采用了雙排φ600大直徑鋼管，長28m一次施作；振動(dòng)錘夯入，螺旋鉆出土的施工方法，取得了工程的預(yù)期效果。(1)北京地鐵五號線崇文門站穿越既有地鐵段北京地鐵五號線東四站穿越朝內(nèi)菜市場段，為嚴(yán)格控制暗挖施工沉降，采用φ159長50.54m、間距0.5m拱部大管棚預(yù)支護(hù)。由于該區(qū)段管棚一次施作長度大，普通鉆機(jī)無法施作，采用地質(zhì)鉆機(jī)引孔、振動(dòng)錘夯入、管內(nèi)高壓水出土的施工方法，也取得了工程的預(yù)期效果。(2)北京地鐵五號線東四站穿越地面建筑物段6.3.2管幕預(yù)支護(hù)的特點(diǎn)因管幕鋼管頂入時(shí)，正面土體封閉形式、開挖方法和出土方式的不同，形成了不同類別的管幕施工方式，但均遵循一個(gè)共同的原理，即無論是否使用工具管，首節(jié)切入管均是切土頂進(jìn)，切入段的長度視地層松軟和穩(wěn)定性的不同而不同，如采用全長切土頂入。因此，管幕施工自身對地層擾動(dòng)極小，施工安全可靠。管幕作為隧道施工的預(yù)支護(hù)，管幕自身施工遵守著預(yù)支護(hù)原理。因此：(5)高精度的管幕機(jī)研制或購置費(fèi)用較高，但作為隧道預(yù)支護(hù)一次頂進(jìn)長度較短時(shí)，其精度要求相對較低，也可采用較為簡單的正面土體開挖方法和出土方式。(2)可以在不采用氣壓振動(dòng)條件下，使鋼管頂入，不擾動(dòng)砂土和淤泥地層；(3)可以在既有建筑物鄰近施工，小直徑管自身頂入施工引起的地表沉降通?？煽刂圃?mm以內(nèi)，一般不需對建筑進(jìn)行基礎(chǔ)托換和地下管線改移；(4)預(yù)支護(hù)鋼管埋入土體不能再回收，成本較高；(1)該工法施工時(shí)無噪音和震動(dòng)，不影響城市道路交通；6.3.3施工步驟(1)工作面封閉或加固處理對待預(yù)支護(hù)的隧道或?qū)Э庸ぷ髅孢M(jìn)行封閉。(2)推進(jìn)基坑或反力座準(zhǔn)備根據(jù)所采用推進(jìn)設(shè)備的作業(yè)要求，鋪設(shè)推進(jìn)機(jī)作業(yè)軌道或修筑頂力后背，以及頂入管的安裝，存放場地。(3)推管利用推進(jìn)設(shè)備，將整長或分節(jié)管推入地層，形成管幕的預(yù)支護(hù)拱。(4)隧道開挖在管幕的超前支護(hù)下，進(jìn)行隧道開挖。6.3.4大剛