第18讲掌握隧道支护与衬砌.docx

1B414033掌握隧道支护与衬砌
一、隧道施工预支护技术
隧道施工过程中，当遇到软弱破碎围岩时，其自支护能力是比较弱的，经常采用的预支护措施有超前锚杆、插板、或小钢管；管棚；超前小导管注浆；开挖工作面及围岩预注浆等。
(一)超前锚杆（小钢管）施工技术要点
超前锚杆主要适用于地下水较少的软弱破碎围岩的隧道工程中，如土砂质地层、弱膨胀性地层、流变性较小的地层、裂隙发育的岩体、断层破碎带、浅理无显著偏压的隧道等，也适宜于采用中小型机械施工。
超前锚杆宜采用早强砂浆锚杆，锚杆可用不小于φ22的螺纹钢筋。

(二)管棚施工技术要点
管棚主要适用于围岩压力来得快、来得大，用于对围岩变形及地表下沉有较严格限制要求的软弱破碎围岩隧道工程中。如土砂质地层、强膨胀性地层、强流变性地层、裂隙发育的岩体、断层破碎带、浅埋有显著偏压等围岩的隧道中。此外，在一般无胶结的土及砂质围岩中，可采用插板封闭较为有效；在地下水较多时，则可利用钢管注浆堵水和加固围岩。
短管棚(长度小于lOm的小钢管)一次超前量小，基本上与开挖作业交替进行，占用循环时间较大，但钻孔安装或顶人安装较容易。
长管棚(长度为10—45m，直径较粗的钢管)一次超前量大，单次钻孔或打人长钢管的作业时间较长，但减少了安装钢管的次数，减少了与开挖作业之间的干扰。钻孔时如出现卡钻或塌孔，应注浆后再钻，有些土质地层则可直接将钢管顶人。

(三)超前小导管注浆施工技术要点
超前小导管注浆不仅适用于一般软弱破碎围岩，也适用于地下水丰富的松软围岩。但超前小导管注浆对围岩加固的范围和强度是有限的，在围岩条件特别差而变形又严格控制的隧道施工中，超前小导管注浆常常作为一项主要的辅助措施，与管棚结合起来加固围岩。自进式注浆锚杆(又称迈式锚杆)是将超前锚杆与超前小导管注浆相结合一种超前措施。它是在小导管的前端安装了一次性钻头，从而将钻孔和顶管同时完成，缩短了导管的安装时间，尤其适用于钻孔易坍塌的地层。

(四)预注浆加固围岩施工技术要点
预注浆一般可超前开挖面30～50m，可以形成有相当厚度的和较长区段的筒状加固区，从而使得堵水的效果更好，也使得注浆作业的次数减少，它更适用于有压地下水及地下水丰富的地层中，也更适用于采用大中型机械化施工。
预注浆加固围岩有洞内超前注浆、地表超前注浆和平导超前注浆三种方式。对于浅埋隧道，可以从地表向隧道所在区域打辐射状或平行状钻孔注浆；对于深埋长大隧道，可设置平行导坑，由平行导坑向正洞所在区域钻孔注浆。
二、初期支护
(一)喷射混凝土
喷射混凝土是用压力喷枪喷射混凝土的施工法。常用于灌筑隧道内衬、墙壁、顶棚等薄壁结构或其他结构的衬里以及钢结构的保护层。喷射混凝土的工艺流程有干喷、潮喷、湿喷和混合喷。
1．干喷法是将水泥、砂、石在干燥状态下拌合均匀，用压缩空气送至喷嘴并与压力水混合后进行喷射的方法。因喷射速度大，粉尘污染及回弹情况较严重，但施工机械简单，易于操作。
2．潮喷法是将骨料预加少量水，使之呈潮湿状，再加水泥拌合，送至喷嘴处并与压力水混合后进行喷射的方法。与干喷相比，上料、拌合及喷射时的粉尘少。目前施工现场较多使用的是潮喷工艺。潮喷和干喷混凝土强度可达到C20。
3．湿喷法是将水泥、砂、石和水在按比例拌合均匀，用湿喷机压送至喷嘴进行喷射的方法。湿喷法的粉尘和回弹量少，喷射混凝土的质量容易控制，但对喷射机械要求较高，机械清洗和故障处理较麻烦。软弱围岩特别是黄土隧道以及渗水隧道不宜使用潮喷而改用湿喷较好。
4．混合喷射采用两套搅拌机，在第一套搅拌机内将一部分砂加第一次水拌湿，在投入全部水泥强制搅拌，然后加第二次水和减水剂拌合成SEC砂浆，用砂浆泵压送到混合管；，在第二套搅拌机内将部分砂石和速凝剂强制搅拌均匀，用干喷机压送到混合管后经喷嘴喷出。湿喷和混合喷混凝土强度可达到C30一C35。
混合喷射工艺的粉尘和回弹率较干喷法有大幅度降低，但工艺复杂，使用机械多，机械清洗和故障处理很麻烦，一般只用在喷射混凝土量大和大断面隧道工程中。
在混凝土中加入一定量的钢钎维，从而制成钢纤维喷射混凝土。用钢纤维喷射混凝土作初期支护时可代替钢筋网喷射混凝土，并可提高喷射材料与岩壁的粘结强度，提高结构的耐久性，改善喷层的受力状态。
(二)锚杆
锚杆是用钢筋或其他高抗拉性能的材料制作的一种杆状构件。按照锚固形式可划分为全长粘结型、端头锚固型、摩擦型和预应力型四种。

(三)钢支撑
钢支撑具有承载能力大的特点，常常用于软弱破碎或土质隧道中，并与锚杆、喷混凝土等共同使用。钢支撑按其材料的组成可分为钢拱架和格栅钢架。
1．钢拱架
钢拱架是工字钢或钢轨制造而成的刚性拱架。这种钢架的刚度和强度大，可作临时支撑并单独承受较大的围岩压力，也可设于混凝土内作为永久衬砌的一部分。钢拱架的最大特点是架设后能够立即承载。因此，多设在需要立即控制围岩变形的场合，在V、Ⅵ级软弱破碎围岩中或处理塌方时使用较多。钢拱架与围岩间的空隙难以用喷射混凝土紧密充填，与喷射混凝土粘结也不好，导致钢拱架附近喷射混凝土出现裂缝。

2．格栅
格栅是由钢筋经冷弯成形后焊接而成，其断面形状有圆形、门形、三边形、四边形等。格栅断面有3根和4根主筋组成的两种形式。断面高度应与喷射混凝土厚度相适应，一般为120～180mm；主筋和联系钢筋的连接方式较多，接头形式一般有连接板焊于主筋端部，通过螺栓将两段钢架连接板紧密地连在一起的螺栓连接板接头，以及套管螺栓直接套在主筋上，将两段钢架连接在一起的套管螺栓接头。
格栅能够很好地与喷射混凝土一起与围岩密贴，喷射混凝土能够充满格栅及其与围岩的空隙，且能和锚杆、超前支护结构连成一体，支护效果好。
(四)锚喷支护
锚喷支护是目前通常采用的一种围岩支护手段。包括锚杆支护、喷射混凝土支护、喷射混凝土锚杆联合支护、喷射混凝土钢筋网联合支护、喷射混凝土与锚杆及钢筋网联合支护、喷钢纤维混凝土支护、喷钢纤维混凝土锚杆联合支护，以及上述几种类型加设型钢(或钢拱架)而成的联合支护。作为初期支护，目前在隧道工程中使用最多的组合形式时锚杆(主要指系统锚杆)加喷射混凝土(素喷或网喷)。
锚喷联合支护的施工中各分次施作的支护彼此要牢固相连，如超前锚杆与系统锚杆及钢拱架的连接、钢筋网及钢拱架要尽可能多地与锚杆头焊连，以充分发挥联合支护效应；锚杆要有适量的露头。钢筋网及钢拱架要被喷射混凝土所包裹、覆盖，即喷射混凝土要将筋网和钢拱架包裹密实。
三、模筑混凝土衬砌
单层衬砌中的现浇整体式混凝土衬砌常用于II、III级围岩中。复合式衬砌中的二次衬砌，除了起饰面和增加安全度的作用外，也承受了在其施工后发生的外部水压，软弱围岩的蠕变压力，膨胀性地压，或者浅埋隧道受到的附加荷载等。
衬砌施工顺序，目前多采用由下到上、先墙后拱的顺序连续浇筑。在隧道纵向，则需分段进行，分段长度一般为8～12m。在全断面开挖成形或大断面开挖成形的隧道衬砌施工中，则应尽量使用金属模板台车灌注混凝土整体衬砌。
1．衬砌施工的准备工作
(1)组装式模板
对于先墙后拱法施工，拱架是架设在墙架的立柱上的。先拱后墙法施工时，拱架的架设是在复核检查中线及拱部净空无误后，在拱脚放线定位，直接支承在地层上，现场广泛采用38kg／m的旧钢轨弯制成的钢拱架。为了运输和拆装方便，每根钢拱架分成左右两片。
目前，现场亦多采用钢模板，但应注意在使用中尺寸型号要配套，并要经常将已有变形的钢模板予以修整，以保证衬砌尺寸准确、表面平顺光滑。
拼装式拱架模板常将整榀拱架分解为2～4节，进行现场组装。为减少安装和拆卸工作量，可以做成简易移动式拱架，即将几榀拱架连成整体，并安设简易滑移轨道。
(2)整体移动式模板台车
整体移动式模板台车采用大块曲模板、机械或液压脱模、背附式振捣设备集装成整体，并在轨道上走行，有的还设有自行设备，从而缩短立模时间，墙拱连续浇筑，加快衬砌施工速度。
整体移动式模板台车的生产能力大，可配合混凝土输送泵联合作业，是较先进的模板设备。我国较多的施工单位在现场自制简单的模板台车，效果也很好。

2．混凝土的制备与运输
(1)配料
新拌合好的混凝土的塌落度，在边墙处为1～4cm，拱圈及其他施工不便之处为2～5cm。
(2)搅拌
混凝土的拌合，一般应采用机械搅拌。隧道工程中大多采用自落式鼓筒搅拌机.
(3)混凝土的运输
混凝土可在设于隧道洞口外的中心搅拌站制备；当隧道较长时，也可在洞内设；，临时搅拌站进行拌合工作。把混凝土输送到灌注地点的运输工具，可结合工地情况选用；常用的有斗车、手推车、自卸汽车、搅拌车、吊筒、吊斗、带式输送机，输送泵等。
3．混凝土的灌注
(1)混凝土衬砌在灌注以前，必须做好对灌注段的清理检查，灌注后还需切实做好捣固工作。认真做好这两项工作，才能保证衬砌混凝土的密实性和整体性，拆模后混凝土表面平整光滑，无蜂窝、麻面，内实外光，衬砌内轮廓线能满足净空限界要求。
灌注边墙混凝土时，要求两侧混凝土保持分层对称地均匀上升，以免两侧边墙模板受力不均匀而倾斜或移位。
(2)灌注拱圈混凝土时，应从两侧拱脚开始，同时向拱顶分层对称地进行，层面应保持辐射状。当灌注到拱顶时，．需要改为沿隧道纵向进行灌注，边灌注边铺封口模板，这种封顶叫“活封口”。当衬砌灌注到最后一个节段时，只能在拱顶中央留出一个50cmX50cm的缺口，进行“死封口”封顶。
在整体移动式模板台车的适当位置上设置的检查窗是为了确认混凝土的捣固状态，窗的大小在45cmx45cm以上。可从模板台车上的检查窗灌注边墙和拱下部(除拱顶部)混凝土，并从邻接的检查窗和上面的检查窗进行捣固。
在模板台车拱顶部设有仰角为450-600的向上灌注口，拱顶部的混凝土可从向上灌注口进行灌注。为了确实地充填拱顶部，可采用具有自充填性的材料难以离析的高流动性混凝土。
(3)混凝土捣固、养护与拆模
隧道衬砌混凝土施工中应用最多的是插入式振动器。为保证混凝土有良好的硬化条件，防止早期干缩产生裂纹，应在灌注后12h内，根据气候条件，使用适当的材料覆盖混凝土的外露面，洒水养护；并做好受冻害范围的防寒保温工作。
拱架、墙架和模板的拆除时间，应根据围岩压力、衬砌部位、环境温度、所用水泥品种和强度等级等因素确定，并应在满足有关的施工规则要求时方可拆模。
(4)衬砌灌注中若干问题的处理
要使衬砌灌注质量良好，还须处理好如下几个问题：
●衬砌灌注中墙拱接口的处理。先拱后墙法施工时，要注意墙顶与拱脚间的接口封填。如边墙用塑性混凝土灌注时，应在接近拱脚处留7～lOcm缺口，待24h后，使先灌的边墙充分收缩，经过施工间歇处理，再以较干的混凝土紧密填实。如边墙用干硬性混凝土灌注时，墙顶封口可连续完成。
●回填与压浆。隧道拱圈和边墙背后的空隙必须回填密实，并应与混凝土灌注工作同时进行。用先拱后墙法施工时，拱脚以上lm范围内，应用与拱圈同级的混凝土一起灌注。边墙基底以上lm范围内，宜用与边墙同级的混凝土一起灌注。其余部位的回填，应根据围岩稳定情况、空隙大小确定。
在浇筑衬砌混凝土时，虽然要求将超挖部分回填，但由于操作方法方面的原因，其中有些部位并不可能回填得很密实。这种情况在拱顶背后一定范围内较为明显。因此，这些部位应进行压浆处理，以使衬砌与围岩密贴，防止围岩进一步变形。压浆工作应在衬砌达到设计强度后或拱架拆除前及时进行，每段长度为20～30m，在衬砌两侧同时自下而上压注。
●仰拱的灌注。若设计无仰拱，则铺底通常是在拱墙修筑好且开挖完毕后进行，以避免与拱墙衬砌和开挖作业的相互干扰。若设计有仰拱，说明侧压和低压较大，则应及时修筑仰拱使衬砌环向封闭，避免边墙挤人造成开裂甚至失稳。但仰拱和底板施工占用洞内运输道路，因此应对仰拱和底板的施作时间、分块施工顺序和与运输的干扰问题进行合理安排。但仰拱和底板施工占用洞内运输道路，因此应对仰拱和底板的施作时间、分块施工顺序和与运输的干扰问题进行合理安排。
灌注仰拱时必须把隧道底部的虚碴、杂物及淤泥清除干净。仰拱超挖部分，若在允许范围内，应用与仰拱同级的混凝土回填。超出允许范围的部分，应用浆砌片石或片石混凝土回填密实。
真题解析：
一、单项选择题
1．盾构法最适合于在( )中建造隧道。（04考题）
A.硬岩地层
B．破碎岩层
C．完整岩层
D．松软地层
答案：D
2、不良地质地段的隧道开挖施工时，应采取的施工措施是（　　）。（06考点）
A．快衬砌　　
B．强爆破　　
C．长开挖　　
D．弱支撑
答案：A
3．采用预裂爆破法施工隧道时，其分区起爆顺序为（　　）。（06考点）
A．底板眼→辅助眼→掏槽眼→周边眼；
B．辅助眼→掏槽眼→周边眼→底板眼
C．掏槽眼→周边眼→底板眼→辅助眼；
D．周边眼→掏槽眼→辅助眼→底板眼
答案：D
4．盾构一次掘进长度相当于装配式衬砌的（）（06考点）
A 宽度
B长度
C 厚度
D 环周长
答案：A
5.下列支护方式中，不属于隧道初期支护的是（C）。（11考点）
A.喷射混凝土；
B.喷锚支护
C.管棚；
D.钢支护
6．采用新奥法施工的隧道，其开挖方法一般为（ ）。（07考点）
A．钻爆法
B．沉管法
C．盾构法
D．盖挖法
答案：A

二、多项选择题
1．复合式衬砌隧道现场监控量测的必测项目包括( )（09考点）
A．周边位移
B．拱顶下沉
C．钢支撑内力及外力
D．地质和支护状况观察
E．围岩弹性波测试
答案：A B D
解析：必测项目包括A B D和锚杆或锚索内力及抗拔力。
2．关于隧道浅埋段开挖施工技术的说法，正确的有( )。（10试题）
A．根据围岩及周围环境条件，可优先采用单侧壁导坑法或双侧壁导坑法
B．围岩完整性较好时，可采用全断面法开挖
C．开挖后应尽快施作锚杆、喷射混凝土、敷设钢筋网
D．V级以下围岩，宜待围岩稳定后再做衬砌
E．地质条件很差时，宜采用锚杆、超前小导管注浆加固围岩等辅助方法施工
答案:A C E
3.下列复合式衬砌隧道施工监控量测项目中，属于必测的有（AC）。（11试题）
A.周边位移；
B.围岩体内位移
C.拱顶下沉；
D.钢支撑内力及外力
E.围岩压力及两层支护间压力

三、案例分析题
(一) 背景资料（09考点）
某高速公路全长120km，设计行车速度l00km／h，双向四车道。其中有一座分离式隧道，隧道左线起讫桩号为ZK2+815～ZK3+880.全长1065m；右线起讫桩号为YK2+840～YK3+750，全长910m。隧道最大埋深400m，隧道沿纵向方向设人字坡，坡度1％。隧道进门段为浅埋段，设40m长的明洞。洞身围岩为II～IV级，岩层含少量地下水，
洞身掘进采用光面爆破，在爆破方案中有如下描述：在开挖面上适当部位掏出小型槽口(炮眼)，并沿隧道设计轮廓线布置另一种炮眼。
隧道施工实行安全责任目标管理，项目部决定由专职安全员对隧道的安全生产全面负责。爆破施工前，项目部招聘了6名员工，并立即由专职安全员进行培训，考核合格后安排从事爆破作业。同时严格实行安全技术交底制度和上下班交接制度，严防安全事故的发生。
隧道明洞施工工序为：①明洞路堑土石方开挖：②边、仰坡开挖及加固；⑧修筑坡顶排水系统：④修筑明洞；⑤回填。
问题
1．按地质条件和按地形划分，背景中所述的隧道分别属于哪种隧道?按长度划分，左右隧道分别属于哪种隧道?
2．说明爆破方案中所述两种炮眼的名称．应先起爆哪种炮眼?说明理由．
3．该隧道宜采用何种排水方式?说明理由．
4．指出明洞施工工序中应放在首位的工序，并说明理由．
参考答案：
1、按地质条件和按地形划分，背景中所述的隧道分别属于岩石隧道；按长度划分，左隧道属于长隧道，右隧道属于中隧道。
2、两种炮眼名称为掏槽眼和周边眼。应选起爆掏槽眼，因为这是光面爆破，光面爆破的起爆顺序为：掏槽眼→辅助眼→周边眼→底板眼。
3、应采用顺坡排水，其坡度应与线路坡度一致。因为隧道沿纵向方向设人字坡，可做到顺坡排水。
4、明洞施工工序中，“明洞路堑土石方开挖”应放在首位，因为明洞一般用明挖法施工。

(二)背景资料（10试题）
某高速公路上下行分离式隧道，洞口间距40m，左线长3216m，右线长3100m，隧道最大埋深500m，进出口为浅埋段，Ⅳ级围岩。洞身地质条件复杂，地质报告指出，隧道穿越地层为三叠系底层，岩性主要为炭质泥岩、砂岩、泥岩砂岩互层，且有瓦斯设防段、涌水段和岩爆段， I、Ⅱ、Ⅲ级围岩大致各占1／3，节理裂隙发育，岩层十分破碎，且穿越一组背斜，在其褶曲轴部地带中的炭质泥岩及薄煤层中并存有瓦斯等有害气体，有瓦斯聚集涌出的可能，应对瓦斯重点设防，加强通风、瓦斯监测等工作。
技术员甲认为全断面开挖法的特点是工作空间较小、施工速度快、便于施工组织和管理；且全断面开挖法具有较小的断面进尺比，每次爆破震动强度较小，爆破对围岩的震动次数少，有利于围岩的稳定。考虑到该隧道地质情况与进度要求，所以该隧道应采用全断面开挖。同时针对该隧道采用的新奥法施工，提出了“勤量测、紧封闭”的基本原则。
隧道施工过程中为防止发生塌方冒顶事故，项目部加强了施工监控量测，量测项目有地质和支护状况、锚杆或锚索内力及抗拔力、地表下沉、围岩体内位移、支护及衬砌内应力。项目部还实行安全目标管理，采取了一系列措施，要求进入隧道施工现场的所有人员必须经过专门的安全知识教育，接受安全技术交底；电钻钻眼应检查把手胶套的绝缘是否良好，电钻工应戴棉纱手套，穿绝缘胶鞋；爆破作业人员不能着化纤服装，炸药和雷管分别装在带盖的容器内用汽车一起运送；隧道开挖及衬砌作业地段的照明电器电压为110～220V。同时加强瓦斯等有毒有害气体的防治，通风设施由专职安全员兼管。
隧道施工完成后，进行了供配电、照明系统设施的安装，其中变压器为油浸变压器，由于工期延误，变压器运到现场100天后才进行安装。电缆敷设在沟内时遵循了低压在上、高压在下的原则，敷设时还要求金属支架、导管必须接地(PE)或接零(PEN)可靠。
在交通监控方面，隧道由监控分中心统一监控，监控中心设有完善的子系统，包括交通信号监控系统、视频监控系统、供配电监控系统、隧道照明控制系统、调度指令电话系统、有线广播系统等。
问题
1．改正技术员甲对全断面开挖法特点阐述的错误之处。本项目采用新奥法施工还应遵循的两条基本原则是什么?
2．补充本项目施工监控量测的必测项目，并指出隧道监控量测时出现冒顶塌方的危险信号(征兆)有哪些?
参考答案：
1、“工作空间较小”错误，应为：工作空间较大。“全断面开挖法具有较小的断面进尺比”错误，应为：全断面开挖法具有较大的断面进尺比。新奥法还应遵循的原则：少扰动，早喷锚。
2、本项目施工监控量测的必测项目还有：周边位移、拱顶下沉。冒顶征兆：支护失效、地面沉陷、异常声响、位移——时间曲线出现反弯点等。

（三）背景资料（11试题）
某高速公路左右线隧道，洞口间距42 m，左长线3316 m，右线长3200 m，隧道最大埋深460 m，净空宽度9.64 m，净空高度6.88 m，净空面积为58.16m2，设计车速100km/h，开工日期为2008年7月，2010年7月竣工。
该地段地质条件复杂，勘探表明其围岩主要为弱风化硬质页岩，属IV~V 级围岩，稳定性差。由于地下水发育，特别断层地带岩石破碎，裂隙发育，为保证施工安全，施工单位在该遂道施工中采用了超前地质预报，并进行监控量测。根据该隧道的地质条件和开挖断面，施工单位在施工组织设计中拟采用二台阶法施工，左线隧道施工工序划分如图1、图2所示。

针对开挖时右侧围岩相对左侧围岩较弱的特点，施工单位拟按→→→→→→→→→→→→→顺序组织施工。
2009年6月6日上午，隧道开挖时，量测人员在处理量测数据中，发现“周边位移——时间曲线”出现反弯点，但未及时告知作业班组潜在的危险，当日下午发生较大塌方，当场死亡5人，重伤12人。经补报并核实，截止2009年7月6日，确认累计死亡人数达10人。
事故发生后，施工单位根据交通运输部对隐患排查治理提出的“两项达标”、“四项严禁”、“五项制度”的总目标，认真总结事故教训，开展了安全生产事故隐患排查治理活动，编制了安全专项方案和应急救援预案，尤其注重落实“五项制度”中的“施工现场危险告知制度”。
问题
1.给出③→⑩、→正确的施工顺序，说明理由。
2.施工单位采用台阶法施工是否合理？说明理由。
3.本隧道课采用哪几种超前地质预报方法？
4.监控量测数据处理中，发现的“周边位移—时间曲线”出现反弯点说明什么问题？应如何处理？
参考答案：
1.顺序5-6-3-4-9-10-7-8,右侧围岩较左侧更差，先开挖。13-12-14,软弱围岩，尽快施工二衬，稳定拱部。
2.不合理。围岩的完整性较好时，可采用多台阶法开挖，本题围岩软弱，地下水丰富，隧道断面尺寸大，优先采用单侧壁、双侧壁导坑法。
3.超前钻孔法、地质雷达法、TSP法、TGP法、TRT法。
4.当位移一时间曲线出现反弯点时，则表明围岩和支护已呈不稳定状态，此时应密切监视围岩动态，并加强支护，必要时暂停开挖。