隧道工程第7章隧道施工工艺及技术方法(1)

隧道工程2017年4月14日第7章隧道施工工艺及技术方法第一节围岩预支护（预加固）第二节隧道爆破施工技术第三节装渣与运输（自学）第四节初期支护第五节监控量测与数据分析第六节防排水施工工艺（自学）第七节二次衬砌（自学）第八节辅助坑道（自学）7.1围岩预支护（预加固）软弱破碎围岩中，即使采取短进尺开挖，开挖面和开完后的坑道也可能不稳定，尤其在地下水丰富时更为严重。对于不稳定的围岩体系，掌子面前方围岩的预加固和预支护是控制和减少坑道开挖后周边收敛变形、防止坍塌的关键环节。掌子面：即开挖坑道（采煤、采矿或隧道工程中）不断向前推进的工作面。预留核心土喷射混凝土封闭开挖工作面超前锚杆(亦可用小钢管)管棚临时仰拱封底水平旋喷超前预支护预切槽超前预支护预支护措施辅助施工方法预加固措施预注浆加固地层地表喷锚预加固超前深孔帷幕注浆超前小导管注浆等预支护与预加固双重作用7.1.1超前锚杆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。超前锚杆设置方式超前锚杆性能特点及适用条件锚杆超前支护的特点：柔性较大，整体刚度较小。隧道开挖后，杆体及周边固结的部分围岩支承上覆岩土体，防止围岩坍塌，减少洞室变形。主要适用于地下水较少的破碎、软弱围岩，如裂隙发育的岩体、断层破碎带、浅埋无显著偏压的隧道。锚固剂或砂浆锚固，工艺简单，造价低，应用十分广泛。在砂土质松软地层中，砂浆与土体粘结力较低，限制其应用；因为一次施作距离短，预支护刚度小，在地应力较大、地层位移控制严时，也限制了它的使用。超前锚杆设计、施工遵循的原则：（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0.3~0.5m；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。（2）超前锚杆宜用早强砂浆全粘结式锚杆，锚杆材料可用不小于φ22mm的螺纹钢筋。（3）超前锚杆的安装误差，一般要求孔位偏差不超过10cm，外插角不超过1°~2°锚入长度不小于设计长度的96％。（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。（5）开挖后应及时喷射混凝土，并尽快封闭环形初期支护。（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。超前锚杆设计参数见下表。注：1.外插角指锚杆或小钢管与隧道纵向开挖轮廓线的夹角。2.锚杆或小钢管的长度应与实际掘进循环长度一起考虑。3.中空锚杆目前的最小直径为25mm。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棚架来形成对开挖面前方围岩的预支护。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。7.1.2管棚管棚设置方式a)管棚的环向布置b)管棚钢管纵向错接c)钢管端部横向联接性能特点整体刚度较大。限制围岩变形能力较强，承受早期围岩压力。适用条件主要适用于围岩压力大，对围岩变形及地表下沉有较严格要求的软弱、破碎围岩。在进洞口的地质条件非常差（如：沙土、破碎严重的岩石、黄土等）的情况下使用，一般长度10~45m，壁厚为3.5mm的钢管，直径一般为108mm。当然洞内地质条件非常差的时候也可以用管棚（如：洞内遇到冒顶现象造成的沿洞轴线长度较大，放量较大）。可利用钢管注浆堵水和加固围岩。预支护措施中支护能力最强，施工技术也较复杂，造价较高。钢管注浆：从注浆管向地层内注浆；钢管内注入混凝土，增加钢管刚度。管壁上留注浆孔，孔径为10~16mm，孔眼间距100~200mm，呈梅花形布置。管棚钢管构造管棚设计：支护长度的选择：一般为10~45m。支护长度越长越节省辅助时间，提高施工效率，但受到钻孔机具、技术和钢管柔性弯曲等条件限制，管棚支护长度过长，难确保管棚的水平角度和排列整齐。仰角的确定：一般1~2°。若上仰角度小：土层松软，钻杆重力，管棚向下弯曲侵限；若上仰角度大：管棚远离隧道失去支护作用，而且使管棚有效支护长度缩短。安装套拱中导向管绑扎套拱钢筋网套拱底模安装套拱模板加固及泵管安装套拱拆模后施钻管棚孔套拱送管棚施工管棚注浆后封孔套拱施作完成管棚施工（预留核心土）7.1.3超前注浆小导管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，即可安全地进行开挖等作业。超前小导管实际上是超前锚杆的发展。3.5~6.0m管箍(φ6钢筋加焊)出浆孔φ8mm1.5m不钻孔0.2mφ35~50mm有缝钢管a≤40cmrrb(取30cm)性能特点双重作用：一是起超前管棚作用，二是起注浆管的作用，通过注浆，加固软弱围岩。钢管本身支护能力不如管棚，但注浆加固地层的效果好。浆液在裂隙中硬化，整体加固，填塞裂隙阻水。适用条件一般软弱破碎围岩、含水的软弱破碎围岩、较干燥的砂土层、砂卵(砾)石层、软弱围岩浅埋段。工艺简单，造价低，砂、土质松软地层中应用广泛。一次施作距离短，预支护刚度小，在地层压力大，地层位移控制要求严时，也限制了它的应用。小导管布置和安装小导管钻孔安装前，应对开挖面及5m范围内的坑道喷射5~10cm厚的混凝土封闭。小导管一般采用φ32mm的焊接管或φ40mm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10~20cm交错钻眼，眼孔直径宜为6~8mm。钻孔直径应较管径大35mm以上，环向间距应按底层条件而定，一般采用35~50cm；外插角应控制在3°~15°之间。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。小导管插入后应对外露一定长度，以便连接注浆管，并用塑胶泥（40°Be水玻璃拌525号水泥）将导管周围孔隙封堵密实。注浆材料选取断层破碎带及砂卵石地层(裂隙宽度或颗粒粒径大于1mm，渗透系数k≥5×10-4m／s)等强渗透性地层中，应采用料源广便宜的注浆材料。无水的松散地层优先选用单液水泥浆；有水的强渗透地层选用水泥水玻璃双浆液，以控制注浆范围。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，如聚胺酯类，或超细水泥浆。不透水的黏土层，则宜采用高压劈裂注浆。注浆材料的配比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，则可加入氯盐、三乙醇胺速凝剂。采用水泥-水玻璃浆液时，水泥浆的水灰比可采用0.5:1~1:1；水玻璃浓度为25~40°Be，水泥浆与水玻璃的体积比宜为1:1~1:0.3。注浆P156注浆设备性能良好，工作压力满足注浆压力要求，现场试验运转。孔口最高压力应严格控制，以防压裂开挖面，注浆压力0.5～1.0MPa，止浆塞应能经受注浆压力。单管注浆能扩散到管周0.5～1.0m的半径范围内。注浆结束后，钻孔检查或用声波探测仪检查注浆效果，未达标补注浆。控制注浆量，每根导管内已达到规定注入量时，就可结束；孔口压力已达规定压力值而注入量仍不足，也应停止注浆。注浆后等待4h（水泥水玻璃浆）～8h（水泥浆）方可开挖，保留一定长度的止浆墙（即超前注浆的最短超前量）。7.1.4超前深孔帷幕注浆超前注浆小导管对围岩加固的范围和止水的效果有限，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。帷幕注浆是先在掌子面前方的围岩较大范围的筒状封闭加固区，然后在其范围内进行开挖作业。注浆机理及适用条件渗透注浆对于渗透性地层，采用中低压力将浆液压注到地层中的空穴、裂缝、孔隙里，将岩土或土颗粒胶结为整体，提高地层稳定性和强度。适用条件：破碎岩层、砂卵石石层、中细、粉砂层等有一定渗透性的地层渗透扩散(中粗砂层采用超细水泥-水玻璃双液浆注浆固结图片)劈裂注浆采用高压浆液强行挤压孔周，土体被劈裂并形成裂缝，浆液脉状固结作用起到挤压加固和增加高强夹层加固作用，提高其强度和稳定性。适用条件：颗粒较细的黏土质不透水（浆）地层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。压密注浆高压喷灌注浆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。深孔预注浆可超前开挖面30～50m，形成筒状加固区，堵水效果更好，注浆作业次数减少，更适用于有压地下水及地下水丰富的地层中及大中型机械化施工。洞内超前注浆地表超前注浆平导超前注浆隧道埋深较浅，则可在地面注浆；深埋长大隧道可利用辅助平行导坑对正洞进行预注浆，避免与正洞施工的干扰，缩短施工工期。工作面预注浆广州地铁地表深孔分段注浆技术注浆范围即筒状加固区，可按岩体力学和弹塑性理论计算压力重分布后塑性破坏区的大小（R0-r0），即应加固的范围。注浆数量及注浆材料选择注浆数量应根据加固区需充填的地层孔隙数量来确定。工程中常用充填率来估算和控制注浆总量。充填率是指注浆体积占孔隙总体积的比率。注浆总量按下式计算：Q=n.a.A式中Q-注浆总数量(m3)；A-被加固围岩的体积(m3)；n-被加固围岩的孔隙率(%)，见表7-1-1；a-过去实践证实的充填率(%)，见教材表7-1-1。钻孔布置及注浆压力浅埋隧道，可平行布置，即注浆钻孔均竖直方向并互相平行分布，每钻一孔移动钻机。渗透性强的地层，注浆压力低、钻孔间距大，钻孔量少，平均单孔注浆量大。渗透式注浆时，注浆压力应大于待注浆地层静水压力；劈裂式注浆时，注浆压力应大于待注浆地层的水压力与土压之和，并取储备系数为1.1～1.3。施工要点1．注浆管和孔口套管一次式注浆时可不用注浆管。分段式注浆时用注浆管。采用带孔眼的钢管或塑料管。止浆塞有橡胶式、套管式。将止浆塞固定在注浆管上的设计位置一起放入钻孔，用压缩空气或注浆压力使其膨胀而堵塞注浆管与钻孔之间的间隙，主要用于深孔注浆。全孔注浆采用前进或后退式分段注浆。2．钻孔根据地层条件及成孔效果选择冲击式钻机或旋转式钻机。3．注浆顺序先上后下，先内圈后外圈，先无水孔后有水孔，先上游（地下水）后下游。应利用止浆阀保持孔内压力直至浆液完全凝固。4．结束条件注浆压力和单孔注浆量。单孔结束条件：注浆压力达到设计终压；浆液注入量已达到计算值的80%以上。全段结束条件：所有注浆孔均已符合单孔结束条件，无漏注。注浆结束后检查注浆效果，如未达标，应补孔注浆。『7.1.5▎水平旋喷预支护喷射注浆法，又称旋喷法，分为垂直和水平旋喷注浆。水平旋喷注浆法是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。施工方法：旋喷注浆机沿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：水平钻机成孔，钻杆退出，水泥浆或水泥－水玻璃双浆液旋喷注入孔腔，高压射流切割腔壁土体与浆液搅拌混合、固结形成直径600mm左右的固结体，同时压缩和固结周围地层。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。水平旋喷桩抗弯性能不强，施工控制难度较大，目前我国的水平旋喷钻机性能不过关，制约了水平旋喷预支护技术的应用和发展。它主要适用于粘性土、砂类土、淤泥等地层。钻机定位钻出旋喷孔自孔底喷浆，形成固结体可插入芯材（如钢筋或钢管），提高固结体的抗弯折能力拔出喷头，木塞塞入孔口，制止浆液外流（a）意大利产重型水平悬喷钻机（b）1983年研制的轻型水平悬喷钻机（c）三一重工2008年产中型水平悬喷钻机『7.1.6▎机械预切槽法机械预切槽法是利用专业的切槽机械，沿隧道外轮廓切割一定深度的切槽。切槽方式有带锯式和排钻式两