隧道施工方法与技术.ppt

2024/5/21 周二 隧道施工方法与技术1概 述 隧道施工是指修建隧道及地下洞室的施工方法、施工技术和施工管理的总称。隧道施工过程通常包括:在地层内挖出土石，形成符合设计断面的地下空间，进行必要的支护和衬砌，控制隧道围岩的变形，保证隧道施工安全和长期安全使用。根据隧道穿越地层的不同情况和目前隧道施工方法的发展，隧道施工方法可按以下方式分类:传统矿山法 山岭隧道 矿山法 施工方法 掘进机法(TBM)新奥法 明挖法 隧道施 浅埋及软土 盖挖法 工方法 隧道施工方法 浅埋暗挖法 盾构法 水底隧道 沉埋法 施工方法 盾构法 隧道施工方法的选择主要依据工程地质和水文地质条件，并结合隧道断面尺寸、长度、衬砌类型、隧道的使用功能和施工技术水平等因素综合考虑研究确定。所选择的施工方法也应体现出技术先进、经济合理及安全适用。12024/5/21 周二v隧道施工技术：主要研究解决上述各种隧道施工方法所需的技术方案和措施(如开挖、掘进、支护和衬砌施工方案和措施)；隧道穿赿特殊地质地段时的施工手段；隧道施工过程中的通风、防尘、风、水、电作业等的方式方法。v隧道施工管理：主要解决施工组织设计（如施工方案的选择、施工技术措施、场地布置、进度控制、材料供应、劳力及机具安排等）和施工中的技术管理、计划管理、质量管理、经济管理、安全管理等问题。v 隧道施工和工程实践有密切联系，因此应理论与生产实践紧密结合。必须指出，由于地质勘探的局限性和地质条件的复杂性及多变性，隧道施工过程中经常会遇到突然变化的地质条件、意外情况(如塌方、涌水等)，原制定的施工方案、施工技术措施和施工进度计划等也必须随之变更。因此，必须学会结合工程实践经验、掌握综合运用这些知识的能力，以便正确处理隧道施工中遇到的各种实际问题。22024/5/21 周二v2 山岭隧道常规施工方法v 山岭隧道的常规施工方法为矿山法（因最早应用于采矿坑道而得名）。在矿山法施工中，多数要采用钻眼爆破进行开挖，故又称为钻爆法。v 矿山法中又分为传统矿山法和新奥法。v1、传统矿山法v 传统矿山法是人们在长期的施工实践中发展起来的。它是以木或钢构件作为临时支撑，待隧道开挖成形后，逐步将临时支撑撤换下来，而代之以整体式厚衬砌为永久支护的施工方法。v 木构件支撑目前已经很少使用。钢构件支撑具有较好的耐久性和对隧道形状的适应性等优点，施工中可以不予撤换，也更为安全。v 钢构件支撑类似于地上的“荷载结构”力学体系。它作为一种维持隧道稳定的措施，是很直观和奏效的，也容易被施工人员理解和掌握。因此这种方法被应用于不便采用锚喷支护的隧道中或处理塌方等。32024/5/21 周二v2、矿山法(新奥法)v 随着隧道工程理论及施工工艺的不断发展，人们逐渐深刻地认识到隧道是围岩和支护组成的体系，应充分地保护围岩，发挥围岩自身的承载能力，维护围岩的稳定性。隧道设计和施工与隧道的围岩条件密切相关，只有充分掌握隧道的围岩条件，才能有合理的隧道设计与施工。v 于是20世纪50年代,奥地利学者拉勃塞维兹提出了新奥法的概念,即新奥地利隧道施工方法的简称，原文是:“New Austrian Tunneling Method”,简写为NATM。v 新奥法是以既有的隧道工程经验和岩体力学的理论为基础，将锚杆和喷射混凝土组合在一起作为支护手段，便于充分发挥围岩的自承能力，通过监测反馈回来的信息对支护参数进行调整，从而更好地控制围岩的变形。这种施工方法经过奥地利、瑞典、意大利等国家大量隧道与地下工程实践和理论研究及科学论证，于20世纪60年代取得专利权并正式命名为新奥法（NATM）。之后新奥法在欧、美和日本等国家隧道与地下工程中获得极为迅速的发展，已成为现代隧道工程新技术标志之一。42024/5/21 周二v 目前，新奥法已经成为在软弱破碎岩体中修建隧道的一种基本方法，技术经济效益显著。v 新奥法与传统的矿山法相比，不仅仅是手段上的不同，更重要的是对围岩的认识有了更深刻的理解，并且在支护结构设计理念上与传统矿山法有很大的不同，是人们对隧道及地下工程认识和理解的深化。v 不能单纯地将新奥法仅仅看成是一种施工方法或是一种支护方法，也不应片面地理解为：仅用锚喷支护就是采用新奥法了，事实上喷锚支护并不能完全表达新奥法的含义。新奥法是既包括隧道工程设计、又包括隧道工程施工，贯穿于隧道工程整个过程的基本指导思想和基本原则。v 新奥法应用岩体力学的理论，以维护和利用围岩的自承能力为基点，采用锚喷支护为主要支护手段，能及时地进行支护，控制围岩的变形和松弛，使围岩亦成为支护体系的组成部分，并通过对围岩和支护结构的测量、监控来及时而正确地指导隧道和地下工程设计施工的方法与基本原则。52024/5/21 周二v2.1、新奥法施工程序和施工原则v一、新奥法施工程序v 采用新奥法施工的隧道，应视其规模、地质条件以及安全要求合理选择施工方法，并充分利用现场监控、量测信息指导施工，严格按施工程序进行，不得有任何省略。v 新奥法的特征之一是采用现场监控、量测信息指导施工，即通过对隧道施工中量测数据和对开挖面的地质观察等进行预测、预报和反馈。并根据已建立的量测为基准，对隧道施工方法（包括特殊的、辅助的施工方法）、断面开挖步骤及顺序、初期支护的参数等进行合理调整，以保证施工安全、坑道围岩稳定、工程质量和支护结构的经济性等。新奥法施工程序见图61。62024/5/21 周二图6-1 新奥法施工程序72024/5/21 周二v二、新奥法施工基本原则v 根据我国隧道采用新奥法施工的经验，隧道施工采取的基本原则，可以概括为“少扰动、早喷锚、勤量测、紧封闭”十二字方针。v 具体说，是指在隧道开挖时，必须严格控制，尽量减少对围岩的扰动次数、扰动强度、扰动持续时间和扰动范围，以使开挖出的坑道符合成型的要求，因此，能采用机械开挖的就不用钻爆法开挖。采用钻爆法开挖时，必须先作钻爆设计，严格控制爆破，尽量采用大断面开挖。选择合理的循环掘进进尺，自稳性差的围岩循环掘进进尺宜用短进尺，支护应紧跟开挖面，以缩短围岩应力松弛时间及开挖面的裸露风化时间等，此称为“少扰动”。v “早喷锚”是指对开挖暴露面应及时进行地质描述和及时施作锚喷支护，经初期支护加固，使围岩变形得到有效控制而不致变形过度而坍塌失稳，以达到围岩变形适度而充分发挥围岩的自承能力。必要时可采取超前支护辅助措施。82024/5/21 周二v 在隧道施工全过程中，应对围岩周边位移进行的现场监控量测，并及时反馈修正设计参数，指导施工或改变施工方法。以规范的量测方法获得量测数据及信息，通过对施工中量测数据的分析和对开挖面的地质观察，进行预测和评价围岩与支护的稳定状态，或判断其动态发展趋势，以便根据建立的量测管理基准，及时调整隧道的施工方法（包括开挖方法、支护形式、特殊的辅助施工方法）、断面开挖步骤及顺序、初期支护设计参数等进行合理的调整，以确保施工安全、坑道稳定，支护衬砌结构的质量和工程造价的合理性，此称为“勤量测”。v “紧封闭”是指对易风化的自稳性较差的软弱围岩地段，应使开挖面及早施作封闭式支护（如喷射混凝土、锚喷混凝土等）防护措施，可以避免围岩因暴露时间过长而产生风化降低强度及稳定性，并可以使支护与围岩进入良好的共同作用工作状态。92024/5/21 周二v2.2 新奥法基本施工方法v 隧道施工就是要挖除设计轮廓线以内的岩体，并尽量保持围岩的稳定。显然，开挖是隧道施工的第一道工序，也是关键工序。在隧道开挖过程中，围岩稳定与否，虽然主要地取决于围岩本身的工程地质条件，但无疑开挖对围岩的稳定状态有着重要影响。v 因此，隧道开挖的基本原则是：在保证围岩稳定或少扰动的前提下，选择恰当的开挖方法和掘进方式，并尽量提高掘进速度。即在选择开挖方式时，一方面应考虑隧道围岩工程地质条件及其变化情况，选择能很好地适应地质条件及其变化，并能保持围岩稳定的方法和方式；另一方面应考虑隧道范围内岩体的坚硬程度，选择能快速掘进并能减少对围岩扰动的方法和方式。v 隧道施工方法的选择，主要根据工程地质及水文地质条件、施工条件、围岩类别、隧道埋置深度、隧道断面尺寸大小和长度、衬砌类型等，以施工安全为前提,及以工程质量为核心，并结合隧道的使用功能、施工技术水平、施工机械装备、工期要求和经济可行性等因素综合考虑研究选用。102024/5/21 周二v 当因隧道施工对周围环境产生不良影响时，施工方法（包括开挖及支护）的选择还应把隧道工程的环境条件作为选择施工方法考虑的因素之一，同时应考虑围岩变化时施工方法的适应性及其变更的可能性，以免造成隧道工程失误和增加不必要的工程投资。采用新奥法施工时，还应考虑施工全过程中的辅助作业方式和对围岩的量测监控方法，以及隧道穿越特殊地质地段时的施工手段等，进行合理的选择。v 隧道施工中，开挖方法是影响围岩稳定的重要因素之一。因此，在选择开挖方法时，应对隧道断面大小及形状、围岩的工程地质条件、支护条件、工期要求、工区长度、机械配备能力、经济性等相关因素进行综合分析，采用恰当的开挖方法，尤其应与支护条件相适应。隧道开挖方法实际上是指开挖成形方法。按开挖隧道的横断面分部情况来分，开挖方法可分为全断面开挖法、台阶开挖法、分部开挖法等，见表6-2-1。112024/5/21 周二122024/5/21 周二v一、全断面开挖法v1、施工顺序v 全断面开挖法就是按照设计轮廓一次爆破成形，然后支护再修建衬砌的施工方法。v2、适用条件v (1)-级围岩，在用于级围岩时，围岩应具备从全断面开挖到初朔支护前这段时间内，保持其自身稳定的条件。v (2)有钻孔台车或自制作业台架及高效率装运机械设备。v (3)隧道长度或施工区段长度不宜太短，根据经验一般不应小于lkm，否则采用大型机械化施工时其经济性较差。v 为加快隧道建设，必须实现隧道施工机械化，而隧道工程新技术、新工艺的推广又为机械化施工奠定了基础。同时，机械化的发展又推动了隧道施工工艺水平的不断提高。机械设备选型时应遵循可靠性、经济性、配套性等原则。132024/5/21 周二v3、全断面法施工特点v(1)开挖断面与作业空间大，干扰小；v(2)有条件充分使用机械，减少人力；v(3)工序少，便于施工组织与施工管理，改善劳动条件；v(4)开挖一次成形，对围岩扰动少，有利于围岩稳定。图62全断面开挖法1.全断面开挖；2.锚喷支护；3.模筑混凝土衬砌142024/5/21 周二v二、台阶法v 根据台阶长度不同，划分为长台阶法、短台阶法和微台阶法三种，如图6-3所示。v 施工中采用哪一种台阶法，v要根据两个条件来决定:第一是v对初期支护形成闭合断面的时v间要求，围岩越差，要求闭合v时间越短；第二是对上部断面v施工所采用的开挖、支护、出v渣等机械设备需要施工场地大v小的要求。对软弱围岩，主要v考虑前者，以确保施工安全；v对较好围岩，主要考虑如何更v好地发挥机械设备的效率，保v证施工中的经济效益，因此只v考虑后者。v 图6-3 台阶法类型152024/5/21 周二v1、长台阶法v 长台阶法开挖断面小，有利于维持开挖面的稳定，适用范围较全断面法广，一般适用一级围岩。在上、下两个台阶上，分别进行开挖、支护、运输、通风、排水等作业线，因此台阶长度长。但台阶长度过长，如大于100m时，则增加了支护封闭时间，同时也增加了通风排烟、排水的难度，降低了施工的综合效率。因此长台阶一般在围岩条件相对较好、工期不受控制、无大型机械化作业时选用。v2、短台阶法v 短台阶法适用于-级围岩，台阶长度定为10-l5m，即1-2倍开挖宽度，主要是考虑既要实现分台阶开挖，又要实现支护及早封闭。上台阶一般采用小药量的松动爆破，出渣采用人工或小型机械转运至下台阶。因此台阶长度又不宜过长，如果超过l5m，则出渣所需的时间显得过长。短台阶法可缩短支护闭合时间，改善初期支护的受力条件，有利于控制围岩变形。缺点是上部出渣对下部断面施工干扰较大，不能全部平行作业。v3、微台阶法v 微台阶法是全断面开挖的一种变异形式，适用于-级围岩，一般台阶长度为3-5m。台阶长度小于3m时，无法正常进行钻眼和拱部的喷锚支护作业；台阶长度大于5m时，利用爆破将石渣翻至下台阶有较大的难度，必须采用人工翻渣。微台阶法上下断面相距较近，机械设备集中，作业时相互干扰大，生产效率低，施工速度慢。162024/5/21 周二v三、分部开挖法v 分部开挖法包括环形开挖预留核心土法、双侧壁导坑法、中洞法、中隔壁法等。v1、环形开挖预留核心土法v 环形开挖预留核心土法常用于级围岩单线和-级围岩双线隧道掘进。v 施工顺序为:人工或单臂掘迸机v开挖环形拱部，架立钢支撑，挂钢v丝网，喷射混凝土。在拱部初期支v护保护下，开挖核心土和下半部，v随即接长边墙钢支撑，挂网喷射混v凝土，并进行封底。根据围岩变形，v适时施作二次衬砌。v 图6-4 环形开挖预留核心土法12233445172024/5/21 周二v施工时要求:环形开挖进尺一般为0.5-2.Om；开挖后应及时施作喷锚支护、安设钢架支撑，每两榀钢架之间采用连接钢筋连接，并加锁脚锚杆；当围岩地质条件差，自稳时间较短时，开挖前在拱部设计的开挖轮廓线以外，进行超前支护。v 环形开挖预留核心土法具有施工开挖工作面稳定性好，施工较安全，但施工干扰大、工效低等特点。在土质及软弱围岩中使用较多，如在大秦线军都山隧道黄土段等隧道施工中均有应用。182024/5/21 周二v2、双侧壁导坑法v 双侧壁导坑法适用于一级围岩双线或多线隧道掘进。由于跨度较大，无法采用全断面或台阶法开挖，采用先开挖隧道两侧导坑，相当于先开挖2个小跨度的隧道，并及时施作导坑四周初期支护，再根据地质条件、断面大小，对剩余部分断面进行一次或二次开挖。v 图6-5 双侧壁导坑法v 11223451133445672192024/5/21 周二v双侧壁导坑法施工要求:侧壁导坑高度以到起拱线为宜;侧壁导坑形状应接近于椭圆形断面，导坑断面为整个断面的1/3；侧壁导坑领先长度一般为30-50m，以开挖一侧导坑所引起的围岩应力分布不影响另一侧导坑为原则；导坑开挖后应及时进行初期支护，并尽早封闭成环。v 双侧壁导坑法具有控制地表沉陷好，施工安全等优点，但进度慢，成本高。因此，适用于断面跨度大，地表沉陷要求严格，围岩条件特别差的隧道，在衡广复线香炉坑隧道、大秦线西坪隧道通过塌方体、北京地铁西单车站等地下工程中均有应用。202024/5/21 周二v3、中洞法v 中洞法适用于双连拱隧道。采用先开挖中洞并支护，在中洞内施作隧道中墙混凝土，后开挖两侧的施工方法。v 中洞法施工要求:中洞法开挖高度应大于中墙高度1m，开挖宽度应大于5m；中洞开挖超前长度根据隧道长度、宽度以及地质情况综合考虑，一般为50-80m；对长度200-300m的短隧道可先贯通中洞，然后再施工两侧侧洞；中洞开挖后应及时施作初朔支护，再分段灌筑中墙混凝土，每一纵向段长度为4-1Om，在中墙混凝土达到设计强度后方可拆模，并进行临时横向支撑。v v 图6-6中洞法1233445566212024/5/21 周二v4、中隔壁法(CD)v 中隔壁法在近年国内的铁路隧道和城市地下工程中的实践中，被证明是通过软弱、浅埋、大跨度隧道的最有效的施工方法之一，它适用于-级围岩的双线隧道。中隔墙开挖时，应沿一侧自上而下分为二或三部分进行，每开挖一步均应及时施作锚喷支护，安设钢架，施作中隔壁。之后再开挖中隔墙的另一侧，其分部次数及支护形式与先开挖的一侧相同。v 中隔壁法施工要求:v 各部开挖时，周边轮廓v应尽量圆顺，减小应力集中；v各部的底部高程应与钢架接v头处一致；后一侧开挖应及v时形成全断面封闭；左右两v侧纵向间距一般为30-50m；v中隔壁设置为弧形或圆弧形。v 图6-7 中隔壁法123456222024/5/21 周二v5、交叉中隔壁法(CRD)v 交叉中隔壁法适用于-级围岩浅埋的双线或多线隧道。采用自上而下分为二至三部分开挖中隔墙的一侧，及时支护并封闭临时仰拱，待完成-部后，即开始另一侧一部开挖及支护，形成左右两侧开挖及支护相互交叉的情形。v 采用交叉中隔壁法施工，v除满足中隔壁法的要求外，v尚应满足:设置临时仰拱，v步步成环；自上而下，交叉v进行；中隔壁及交叉临时支v护，在灌注二次衬砌时，应v逐段拆除。v 图6-8交叉中隔壁法123456232024/5/21 周二v2.3 隧道洞口段施工v一、洞口地段的一般概念v 隧道施工的洞口地段，是指隧道进口(或出口)附近对隧道施工有影响的地段，该地段通常因地质地形复杂需要做特殊处理。隧道洞口工程主要包括边、仰坡土石方开挖；边、仰坡防护；端墙、翼墙等洞门圬工；洞口排水系统；洞口检查设备安装；洞口段洞身衬砌。v 隧道洞口地段，一般地质条件差，且地表水汇集，施工难度较大。施工时要结合洞外场地和相邻工程的情况，全面考虑、妥善安排、及早施工，为隧道洞身施工创造条件。v 由于每座隧道的地形、地质及线路位置不同，要很明确规定洞口段的范围是比较困难的。在一般情况下，可以将由于隧道开挖可能给上坡地表造成不良影响的洞口范围称为洞口加强段。每座隧道应根据各自的围岩条件来确定洞口段范围，一般亦可参照图6-9确定。242024/5/21 周二图6-9 洞口段的一般范围1洞门位置；2洞口位置；3上、下部开挖分界线；D最大洞跨252024/5/21 周二v 洞口工程中的洞门施工，一般可在进洞后做，并应做好边、仰坡防护，以减少洞门施工对洞身施工的干扰。为了有效地防止洞口地段围岩失稳，保证进出隧道的道路畅通，应及早修好隧道洞口开始一段的衬砌和洞门。v 洞口地段是隧道的咽喉，该地段地形地质均对隧道施工不利。其特点为:洞口地段地层一般较破碎，多属堆积、坡积、严重风化或节理裂隙发育的松软岩层，稳定性较差;当岩层层面坡度与洞门主墙开挖坡度一致时，容易产生纵向推滑力；洞口附近山体覆盖层较薄，一旦塌方可能塌穿到地表面；若隧道处于沟谷一侧或傍山时，通常会产生侧向压力。因此，该地段在开挖时宜特别谨慎小心，随挖随撑，并尽快做好衬砌。262024/5/21 周二v二、洞口地段施工注意事项v 洞口段施工时应注意以下事项:v (1)在场地清理作施工准备时，应先清理洞口上方及侧方有可能滑塌的表土、灌木及山坡危石等。平整洞顶地表，排除积水，整理隧道周围流水沟渠。之后施作洞口边、仰坡顶处的天沟。v (2)洞口施工宜避开雨季和融雪期。在进行洞口土石方工程时，不得采用深眼大爆破或集中药包爆破，以免影响边、仰坡的稳定。应按设计要求进行边、仰坡放线，自上而下逐段开挖，不得掏底开挖或上下重叠开挖。v (3)洞口部分污工基础必须置于稳固的地基上。须将虚渣杂物、泥化软层和积水清除干净。对于地基强度不够时，可结合具体条件采取扩大基础、桩基、压浆加固地基等措施。272024/5/21 周二v (4)洞门拱墙应与洞内相邻的拱墙衬砌同时施工连接成整体，以确保拱墙连接良好。洞门端墙的砌筑与回填应两侧同时进行，防止对衬砌产生侧压。v (5)洞口段洞身施工时，应根据地质条件、地表沉陷控制以及保障施工安全等因素选择开挖方法和支护方式。洞口段洞身衬砌应根据工程地质、水文地质及地形条件，至少设置不小于5m长的模筑混凝土加强段，以提高圬工的整体性。v (6)洞门完成后，洞门以上仰坡脚受破坏处，应及时处理。如仰坡地层松软破碎，宜用浆砌片石或铺种草皮防护。v 洞口段施工中最关键的工序就是迸洞开挖。隧道进洞前应对边仰坡进行妥善防护或加固，作好排水系统。282024/5/21 周二v三、洞口的施工方法v 洞口段施工方法的确定取决于诸多因素。如施工机具设备情况、工程地质、水文地质和地形条件;洞外相邻建筑的影响;隧道自身构造特点等。根据地层情况，可分为以下几种施工方法:v (1)洞口段围岩为级以下，地层条件良好时，一般可采用全断面直接开挖进洞，初始10-2Om区段的开挖，爆破进尺应控制在2-3m。施工支护，在拱部可施做局部锚杆；在墙、拱部采用素喷混凝土支护。洞口3-5m区段可以挂网喷混凝土及设钢拱架予以加强。v (2)洞口段围岩为-级，地层条件较好时，宜采用正台阶法进洞(不短于2Om区段)，爆破进尺控制在1.5-2.5m。施工支护采用拱、墙系统锚杆和钢筋网喷射混凝土。必要时设钢拱架加强施工支护。292024/5/21 周二v (3)洞口段围岩为-级，地层条件较差时，宜采用上半断面长台阶法迸洞施工。上半断面先进5Om左右后，拉中槽落底，在保证岩体稳定的条件下，再进行边墙扩大及底部开挖。上部开挖迸尺一般控制在1.5m以下，并严格控制爆破药量。施工支护采用超前锚杆与系统锚杆相结合，挂网喷射混凝土。拱部安设间距为0.5-1.Om的钢拱架支护，及早施做混凝土衬砌，确保稳定和安全。v (4)洞口段围岩为V级以上，地层条件差时，可采用分部开挖法和其他特殊方法迸洞施工。具体方法有:开挖前应对围岩进行预加固措施，如先采用超前预注浆锚杆或采用管棚注浆法加固岩层，然后用钢架紧贴洞口开挖面进行支护，再采用短台阶或预留核心土环形开挖法等进行开挖作业；在洞身开挖中，支撑应紧跟开挖工序，随挖随支。施工支护采用网喷混凝土、系统锚杆支护；架立钢拱架间距为0.5m，必要时可在开挖底面施做临时仰拱。开挖完毕后及早施作混凝土内层衬砌。302024/5/21 周二v3 隧道施工预支护(预加固)技术方法v 前面介绍的隧道开挖方法，基本上是假定开挖面(或称掌子面)岩体和开挖后的隧道围岩能够暂时稳定，不出现坍塌破坏的基本稳定岩体。但实际上这种假定只适用于稳定性较好的围岩，对于软弱破碎围岩则不然。在软弱破碎围岩中，即使是采取短迸尺开挖，开挖面和开完后的隧道也不稳定。当地下水丰富时，这种情况就更为严重。在隧道工程历史中，隧道坍方的事例并不鲜见，造成了人、财、物的大量浪费。对于不稳定的岩体，掌子面前方围岩的预加固和预支护是控制和减少隧道开挖后周边收敛变形、防止坍塌的关键环节。v 随着开挖技术、锚喷支护技术、地层改良技术的研究应用和发展，隧道工作者研究出了许多辅助稳定措施，从而使得现代隧道工程施工的开挖和支护变得更简捷、及时、有效，也更具有可预防性和安全性。312024/5/21 周二v隧道施工中常用的辅助稳定措施有:v 预留核心土挡护开挖面v 稳定工作面v 喷射混凝土封闭工作面v 超前锚杆 v 小导管v 管棚超前支护前方围岩v 长管棚v 水平旋喷超前预支护v v 预切槽超前预支护 v 超前小导管注浆v 注浆加固围岩和堵水 v 超前深孔惟幕注浆v v 上述辅助稳定措施的选用应视围岩地质条件、地下水情况、施工方法、环境要求等具体情况而定，并尽量与常规施工方法相结合，进行充分的技术经济比较，选择一种或几种同时使用。322024/5/21 周二v一、超前锚杆v1、构造组成v 超前锚杆是指沿开挖轮廓线，以一定的外插角，向开挖面前方钻孔安装锚杆，形成对前方围岩的预锚固，在提前形成的围岩锚固圈的保护下进行开挖等作业(图6-10)。v 图6-10 超前锚杆预锚固围岩332024/5/21 周二v2、性能特点及适用条件v 锚杆超前支护的柔性较大，整体刚度较小。它主要适用于地下水较少的破碎、软弱围岩的隧道工程中，如裂隙发育的岩体、断层破碎带、浅埋无显著偏压的隧道。采用风枪、凿岩机或专用的锚杆台车钻孔，锚固剂或砂浆锚固，其工艺简单、工效高。v3、设计、施工要点v (1)超前锚杆的长度、环向间距、外插角等参数，应视围岩地质条件、施工断面大小、开挖循环进尺和施工条件而定。一般超前长度为循环进尺的3-5倍，环向间距采用0.3-1.0m；外插角宜用10-30；搭接长度宜为超前长度的40%-60%左右，即大致形成双层或双排锚杆。v (2)超前锚杆宜用早强砂浆全黏结式锚杆，锚杆材料可用不小于22mm的螺纹钢筋。v (3)超前锚杆的安装误差，一般要求孔位偏差不超过lOcm，外插角不超过1-2，锚入长度不小于设计长度的96%。v (4)开挖时应注意保留前方有一定长度的锚固区，以使超前锚杆的前端有一个稳定的支点。其尾端应尽可能多的与系统锚杆及钢筋网焊连。若掌子面出现滑坍现象，则应及时喷射混凝土封闭开挖面，并尽快打入下一排超前锚杆，然后才能继续开挖。v (5)开挖后应及时喷射混凝土，并尽快封闭环形初期支护。v (6)开挖过程中应密切注意观察锚杆变形及喷射混凝土层的开裂、起鼓等情况，以掌握围岩动态，及时调整开挖及支护参数，如遇地下水时，则可钻孔引排。342024/5/21 周二v二、管 棚v1、构造组成v 管棚是指利用钢拱架沿开挖轮廓线以较小的外插角、向开挖面前方打入钢管构成的棚架形成对开挖面前方围岩的预支护(图6-11)。v 图6-11 管棚预支护围岩（长管棚）352024/5/21 周二v 采用长度小于10m的钢管，称为短管棚；采用长度为10-45m且较粗的钢管，称为长管棚。v2、性能特点及适用条件v 管棚因采用钢管或钢插板作纵向预支撑，又采用钢拱架作环向支撑，其整体刚度较大，对围岩变形的限制能力较强，且能提前承受早期围岩压力。因此管棚主要适用于围岩压力来得快来得大、对围岩变形及地表下沉有较严格要求的软弱、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，采用插板封闭较为有效；在地下水较多时，可利用钢管注浆堵水和加固围岩。v 短管棚一次超前量少，基本上与开挖作业交替进行，占用循环时间较多，但钻孔安装或顶入安装较容易。v 长管棚一次超前量大，虽然增加了单次钻孔或打入长钢管的作业时间，但减少了安装钢管的次数，减少了与开挖作业之间的干扰。在长钢管的有效超前区段内，基本上可以进行连续开挖，也更适于采用大中型机械进行大断面开挖。362024/5/21 周二v3、设计、施工要点v (1)管棚的各项技术参数要视围岩地质条件和施工条件而定。长管棚长度不宜小于10m，一般为10-45m；管径70-180mm，孔径比管径大20-3Omm，环向间距0.2-0.8m；外插角1-2。v (2)两组管棚间的纵向搭接长度短管棚不小于1.5m，长管棚不小于3m；钢拱架常采用工字钢拱架或格栅钢架。v (3)钢拱架应安装稳固，其垂直度允许误差为+2，中线及高程允许误差为士5cm。v (4)钻孔平面误差不大于15cm，角度误差不大于0.5，钢管不得侵入开挖轮廓线。v (5)第一节钢管前端要加工成尖锥状，以利导向插入。要打一眼，装一管，由上而下顺序安装。v (6)长钢管应用4-6m的管节逐段接长，打入一节，再连接后一节，连接头应采用厚壁管箍，上满丝扣，丝扣长度应小于l5cm；为保证受力的均匀性，钢管接头应纵向错开。v (7)当需增加管棚刚度时，可在安装好的钢管内注入水泥砂浆，一般在第一节管的前段管壁交错钻10-l5mm孔若干，以利排气和出浆，或在管内安装出气导管，浆注满后方可停止压注。v (8)钻孔时如出现卡钻或坍孔，应注浆后再钻，有些土质地层则可直接将钢管顶入。372024/5/21 周二v三、超前注浆小导管v1、构造组成v 超前注浆小导管是在开挖前，沿隧道周边，向前方围岩钻孔并安装带孔小导管，或直接打入带孔小导管，并通过小导管向围岩压注起胶结作用的浆液，待浆液硬化后，坑道周围岩体就形成了有一定厚度的加固圈。在此加固圈的保护下即可安全地进行开挖等作业(图6-12)。若小导管前端焊一个简易钻头，则可钻孔、插管一次完成，称为自进式注浆锚杆。v图6-12 超前小v导管注浆预加固v围岩382024/5/21 周二v2、性能特点及适用条件v 浆液被压注到岩体裂隙中并硬化后，不仅将岩石碎块胶结为整体起到了加固作用，而且填塞了裂隙，阻隔了地下水向坑道渗流的通道，起到了堵水作用。因此，超前注浆小导管不仅适用于一般软弱破碎围岩，也适用于含水的软弱破碎围岩。v3、小导管布置和安装v (1)小导管钻孔安装前，应对开挖面及5m范围内的坑道喷射5-lOcm厚的混凝土封闭。v (2)小导管一般采用32mm的焊接管或4Omm的无缝钢管制作，长度宜为3-6m，前端做成尖锥形，前段管壁上每隔l0-2Ocm交错钻眼，眼孔直径宜为6-8mm。v (3)钻孔直径应较管径大35mm以上，环向间距应按地层条件而定，一般采用35-5Ocm；外插角应控制在3-15之间。v (4)极破碎围岩或处理坍方时可采用双排管；地下水丰富的松软层，可采用双排以上的多排管；大断面或注浆效果差时，可采用双排管。v (5)小导管插入后应外露一定长度，以便连接注浆管，并用塑胶泥将导管周围孔隙封堵密实。392024/5/21 周二v4、注浆材料v（1）注浆材料种类及适用条件v 在断层破碎带及砂卵石地层(裂隙宽度或颗粒粒径大于1，渗透系数k510-4m/s)等强渗透性地层中，应采用料源广且价格便宜的注浆材料。一般对于无水的松散地层，宜优先选用单液水泥浆；对于有水的强渗透地层，则宜选用水泥-水玻璃双浆液，以控制注浆范围。v 断层带，当裂隙宽度(或粒径)小于lmm，或渗透系数k10-5m/s时，注浆材料宜优先选用水玻璃类和木胺类浆液。v 细、粉砂层、细小裂隙岩层及断层地段等弱渗透地层中，宜选用渗透性好、低毒及遇水膨胀的化学浆液，如聚胺醋类，或超细水泥浆。v 对于不透水的黏土层，则宜采用高压劈裂注浆。v（2）注浆材料的配比v 注浆材料的配比应根据地层情况和胶凝时间要求，并经过试验而定。v 采用水泥浆液时，水灰比可采用0.5:1-1:1，需缩短凝结时间时，可加入氯盐、三乙醇胺速凝剂。v 采用水泥-水玻璃浆液时，水泥浆的水灰比可用0.5:1-1:1；水玻璃浓度为25-40Be，水泥浆与水玻璃的体积比宜为1:1-1:0.3。402024/5/21 周二v5、注 浆v (1)注浆设备应性能良好，工作压力应满足注浆压力要求，并应进行现场试验运转。v (2)小导管注浆的孔口最高压力应严格控制在允许范围内，以防压裂开挖面，注浆压力一般为0.5-1.OMPa，止浆塞应能经受注浆压力。注浆压力与地层条件及注浆范围要求有关，一般要求单管注浆能扩散到管周0.5-1.0m的半径范围内。v (3)要控制注浆量，即每根导管内已达到规定注入量时就可结束；若孔口压力已达到规定压力值，但注入量仍不足时，亦应停止注浆。v (4)注浆结束后，应做一定数量的钻孔检查或用声波探测仪检查注浆效果，如未达到要求，应进行补注浆。v (5)注浆后应视浆液种类，等待4h(水泥-水玻璃浆)-8h(水泥浆)方可开挖，开挖长度不宜太长，以保留一定长度的止浆墙(亦即超前注浆的最短超前量)。412024/5/21 周二v四、超前深孔椎幕注浆v 上述超前注浆小导管，对围岩加固的范围和止水的效果是有限的，作为软弱破碎围岩隧道施工的一项主要辅助措施，它占用的时间和循环次数较多。超前深孔惟幕注浆能较好地解决这些问题。注浆后即可形成较大范围的筒状封闭加固区，称为惟幕注浆。v(一)注浆机理及适用条件v 注浆机理可以分成如下四种。v 1、渗透注浆v 对于破碎岩层、砂卵石层、中细砂层、粉砂层等有一定渗透性的地层，采用中低压力将浆液压注到地层中的空穴、裂缝、孔隙里，凝固后将岩土或土颗粒胶结为整体，以提高地层的稳定性和强度。v 2、劈裂注浆v 对于颗粒更细的粘土质不透水(浆)地层，采用高压浆液强行挤压孔周，在注浆压力的作用下，浆液作用的周围土体被劈裂并形成裂缝，通过土体中形成的浆液脉状固结作用对粘土层起到挤压加固和增加高强夹层加固作用，以提高其强度和稳定性。422024/5/21 周二v3、压密注浆v 即用浓稠的浆液注入土层中，使土体形成浆泡，向周围土层加压使土层得到加固。v4、高压喷灌注浆v 通过灌浆管在高压作用下，从管底部的特殊喷嘴中喷射出高速浆液射流，促使土粒在冲击力、离心力及重力作用下被切割破碎，随注浆管的向外抽出与浆液混合形成柱状固结体，以达到加固之目的。v 深孔预注浆一般可超前开挖面30-5Om，可以形成有相当厚度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，如图6-13所示。v 如果隧道埋深较浅，则注浆作业可在地面进行；对于深埋长大隧道可利用辅助平行导坑对主洞进行预注浆，这样都可以避免与主洞施工的干扰，缩短施工工期。432024/5/21 周二图6-13 超前深孔帷幕注浆442024/5/21 周二v(二)注浆范围v(三)注浆数量及注浆材料选择v(四)钻孔布置及注浆压力v(五)施工要点452024/5/21 周二v五、水平旋喷预支护v 喷射注浆法又称旋喷法，分为垂直和水平旋喷注浆两种方法。20世纪70年代初期日本首次开发使用了这种地层加固技术。水平旋喷注浆法是在一般的初期导管注浆的基础上发展起来的，它以高压旋喷的方式压注水泥浆，从而在隧道开挖轮廓外形成拱形预衬砌的超前预支护方法。垂直旋喷注浆的施工原理类似于水平旋喷注浆，只是一个为水平，一个为垂直，我国垂直旋喷注浆技术已比较成熟。v 目前，水平旋喷注浆技术在我国已初步获得应用，如神延铁路的沙哈拉茆隧道和宋家坪隧道。其施工方法为:首先使用旋喷注浆机，沿着隧道掌子面周边的设计位置旋喷注浆形成旋喷柱体，通过固结体的相互咬合形成预支护拱棚。旋喷柱体的形成方法:首先通过水平钻机成孔，钻到设计位置以后，随着钻杆的退出，用水泥浆或水泥一水玻璃双浆液旋喷注入钻成的孔腔，通过高压射流切割腔壁土体，被切割下的土体与浆液搅拌混合、固结形成直径600mm左右的固结体，同时周围地层受到压缩和固结，其土体的物理力学性能得到一定程度的改善。旋喷柱体沿隧道拱部形成环向咬合、纵向搭接的预支护拱棚，在松散不稳定地层隧道中，可有效控制坍塌和地层变形。水平旋喷预支护的应用在我国还不是很广，旋喷柱体抗弯性能不强，施工控制的难度较大，特别是目前我国的水平旋喷钻机性能尚未过关，制约了水平旋喷预支护技术的应用和发展。462024/5/21 周二v 水平旋喷预支护主要适用于粘性土、砂类土、淤泥等地层。图6-14为水平旋喷工法的操作程序和旋喷柱布置。v图6-14 v水平旋喷v工法47