模块6--隧道超前支护与预加固围岩44页

隧道施工技术模块6超前支护与预加固围岩6.1隧道施工辅助工程措施概述6.2辅助工程措施的施工6.1隧道施工辅助工程措施概述在修建隧道时，常会遇到一些不利于施工的特殊地质地段，如膨胀性围岩、黄土、溶洞、断层、松散地层、流沙、岩爆、涌水、塌方等。在开挖、支护和衬砌过程中，由于各种因素的影响都可能发生围岩坍塌，坑道支承受压变形，衬砌结构断裂和各种特殊施工问题，将会严重影响施工进度、安全和质量。隧道穿越含有瓦斯的地层，更严重地会威胁施工安全。因此，有必要对不良地质隧道和特殊地质隧道的施工技术进行全面、系统的研究和总结。6.1隧道施工辅助工程措施概述隧道施工辅助工程措施的适用范围及一般规定6.1.1在浅埋地段，自稳性差的软弱破碎地层、严重偏压、岩溶流泥地段，砂土层、砂卵（砾）石层、断层破碎带及大面积淋水或涌水地段进行隧道施工时，常会发生开挖面围岩失稳，或由于初期支护的强度不能满足围岩稳定的要求，以及由于大面积淋水、涌水，而导致洞体围岩丧失稳定而造成坍塌、冒顶等，这不仅使围岩条件更加恶化，给施工带来极大的困难，而且影响施工安全，延误工期，费工费料，影响工程质量和隧道的使用年限。因此在上述地段进行施工时，可采用辅助施工措施对地层进行预加固、超前支护（在隧道施工中，对开挖工作面前方围岩进行预加固）或止水，以增强隧道围岩的稳定。6.1隧道施工辅助工程措施概述在隧道通过上述地质地段时，是否一定要采用辅助施工措施，应根据隧道所处的地质和水文地质条件、隧道长度、埋置深度、施工机械装备、工期和经济等方面考虑决定。6.1隧道施工辅助工程措施概述隧道施工辅助工程措施的类型6.1.2隧道施工辅助工程措施包括地层稳定措施和涌水处理措施。地层稳定措施主要有管棚法、超前导管法、超前锚杆法、超前玻璃纤维锚杆法、超前钻孔注浆法、超前水平旋喷桩法、地表砂浆锚杆法、地表注浆法、护拱法、临时支承等。6.1隧道施工辅助工程措施概述常用辅助工程措施及其适用条件如表6-1所示，具体有两种方法：地层稳定措施、涌水处理措施。在使用表6-1时，可结合隧道所处的围岩、施工方法、进度要求、机械配套、工期等进行比选，有时可采取几种方法综合处理。6.2辅助工程措施的施工地层稳定措施6.2.1地层稳定包括稳定开挖面和防止地表地层下沉。其主要辅助工程措施有超前锚杆支护、超前小导管预注浆支护、超前管棚支护、超前钻孔预注浆、地表砂浆锚杆、地表注浆、其他措施等。使用时，可结合隧道所处的围岩条件、隧道施工方法、进度要求、机械配套、工期等进行比选，有时可采取几种方法综合处理。6.2辅助工程措施的施工超前锚杆支护1.超前锚杆支护是在开挖前，沿隧道拱部按一定角度设置的起着预加固围岩作用的锚杆，它是一种超前预支护的方法，其一般适用于浅埋松散破碎的地层。首先用凿岩机或凿岩台车沿隧道外轮廓线向外钻孔，然后安设锚杆。超前锚杆根据围岩情况，可采用双层或三层。一般在超前锚杆设置后，即可进行开挖，但应保证前后两组支护在纵向应有不小于1m的水平投影搭接长度。超前锚杆支护若采用一般砂浆做胶结物时，爆破后很可能影响其强度。为此宜采用早强砂浆作为锚杆与岩层孔壁间的胶结物，以使其尽早发挥超前支护的作用。6.2辅助工程措施的施工超前小导管预注浆支护2.超前小导管预注浆是在开挖前沿隧道开挖轮廓线向外将直径为38～70mm的带孔钢管打入地层内，并以一定的压力向管内压注浆液。它既能将坑道周围岩体预先加固及堵住围岩裂隙水，又能起到超前预支护的作用。这种方法施工简单，且注浆时间短。其适用于自稳时间很短的砂层、砂卵（砾）石层、断层破碎带、软弱围岩浅埋地段或塌方等地段。6.2辅助工程措施的施工（1）超前小导管的基本要求。①钢管的型号、规格、质量等应符合设计和规范要求。②超前钢管与刚架支承配合使用时，应从刚架腹部穿过，尾端应与刚架焊接。③钢管插入孔内的长度不得短于设计长度的95%。6.2辅助工程措施的施工（2）超前钢管实测项目如表6-3所示。表6-3超前钢管实测项目6.1隧道施工辅助工程措施概述（3）外观鉴定。钢管沿开挖轮廓线周边均匀布置，尾端与刚架应焊接牢固，锚杆入孔长度应符合要求。（4）注浆前拌浆的要点。为加速注浆，可在小导管前安装分浆器，一次可注入3～5根小导管。6.2辅助工程措施的施工（5）超前小导管预注浆的施工应符合下列要求：①超前小导管预注浆支护的钢管直径宜为ɸ25～ɸ50，长度宜为3～6m。②沿隧道纵向开挖轮廓线向外以小于10°的外插角钻孔，将小导管打入岩层。③小导管环向间距宜为20～50cm，纵向搭接长度应大于0.5m。④导管注浆前，应对开挖面及5m范围内的坑道喷射厚为5～10cm的混凝土或用模筑混凝土封闭。⑤注浆压力应为0.5～10MPa。⑥开挖前的时间间隔视浆液种类宜为4～8h。6.2辅助工程措施的施工超前管棚支护3.超前管棚支护是在开挖工作面的轮廓线外按一定外插角插入带孔直径为70～180mm的钢管，压注水泥浆或水泥砂浆并将钢管尾部与刚架焊接为一体，形成的支护体系。超前管棚支护适用于极破碎的地层，塌方体、岩堆等地段。在这些地段内辅以灌浆效果更好。当遇有流塑状岩体或岩溶、严重流泥地段时，采用与围岩预注浆相结合的方法，也是行之有效的。6.2辅助工程措施的施工（1）管棚刚架超前支护施工流程：制作管棚刚架—测设中线及水平基点—检查已开挖断面的尺寸及形状—安设管棚刚架—钻管棚钢管孔眼—打设管棚钢管—开挖断面—喷射混凝土—安设初期支护刚架—锚喷。（2）管棚超前支护施工应符合的要求。6.2辅助工程措施的施工超前钻孔预注浆4.超前钻孔预注浆是指在隧道掌子面上采用水平钻机打孔并注浆，以达到封堵前方地下水及加固前方隧道周边或全断面围岩的目的。注浆钻孔孔径一般不小于75mm，注浆材料、注浆压力、注浆范围、注浆方式等具体参数应根据前方地质条件、工程要求等进行具体设计。6.2辅助工程措施的施工（1）注浆材料和要求。①注浆材料。注浆材料应来源广、价格适宜，形成的浆液具有良好的流动性、可灌性，凝胶时间可根据需要调节，固化时收缩小，浆液与围岩、混凝土、砂等黏结力强。固结体应具有高强度和良好的抗渗性、稳定性、耐久性，注浆材料和固结体应无毒、无污染、对人体无害，要求注浆工艺及设备简单操作安全方便。②注浆要求。注浆孔深一般为15～30m。注浆孔可在地表面或开挖面正面分层布置，在纵向呈伞形辐射状。6.2辅助工程措施的施工注浆堵水施作要点与注浆加固基本相同，但要求较高，当遇有高压涌水时，为使注浆堵水能取得较好的效果，除了采取先排水待降低地下水压后再进行注浆堵水的方法外，有时也可选择在地下水的稳定期或衰减终期进行。否则，会由于地下水压力高，流速快，钻注施作困难，涌水对浆液的稀释作用强，而不易保证注浆质量。6.2辅助工程措施的施工（2）超前预注浆施工应符合的规定。①注浆段的长度应满足设计要求，宜为15～30m。②注浆管应根据设计要求选用相应规格的钢管加工。③8～15m的浅孔可采用凿岩台车钻注浆孔；当孔深超过15m时，则应采用重型风钻或钻机钻孔。6.2辅助工程措施的施工（3）注浆压力应根据岩性、施工条件等因素在现场试验确定。注浆压力是促使浆液在地层裂隙中流动扩散的一种动力，必须有足够的压力来克服水压和地层裂隙阻力才能使浆液扩散充填，达到堵水和加固的作用。因此，注浆压力应根据岩性、注浆目的、施工条件、涌水压力等因素在现场试验确定。注浆终压一般为15～4MPa。对于密实性好、颗粒较小的中、细、粉砂及砂黏土，注浆压力可稍高些；在有特殊要求的地段，如为防止地表隆起影响地面建筑物安全时，注浆压力应适当降低。注浆压力一般应在现场试验确定。6.2辅助工程措施的施工（4）注浆方式可选用前进式、后退式或全孔式，可根据涌水量大小及注浆孔的深度选用。当钻孔中遇有较大涌水时，应暂停钻孔，待再压浆时，重复钻孔、注浆，这种注浆方式称为前进式注浆。当钻孔中涌水量较小时，则钻孔可直钻到设计深度，然后从孔底向孔口进行分段注浆，这种注浆方式称为后退式注浆。钻孔直接钻至孔底，然后一次注浆完毕，这称注浆方式称为全孔一次注浆。6.2辅助工程措施的施工（5）注浆作业应符合要求。①注浆前应进行压水或压入稀浆试验，判断地层的吸浆和扩散情况，确定浆液种类、浓度和注浆压力；发现与设计不符时，应立即调整。②在涌水量大、压力高的地段钻孔时，应先设置带闸阀的孔口管，当出现大量涌水时，拔出钻具，关闭孔口壁上的闸阀，做好准备后，进行注浆；当掌子面围岩破碎时，应先设置止浆墙和孔口管。③止浆塞应能承受注浆终压的要求。④注浆施工记录应包括孔位、孔径、孔深、浆液配合比、注浆压力、注浆量、跑浆、串浆等。⑤浆液的浓度、胶凝时间应符合设计要求。6.2辅助工程措施的施工（6）注浆结束的条件。①单孔结束条件。注浆压力达到设计终压并稳定10min，且进浆速度小于开始进浆速度的1/4，或注浆量不小于设计注浆量的80%。②全段结束条件。所有注浆孔均已符合单孔结束条件，无漏注情况。（7）注浆后必须对注浆效果进行检查，如未达到要求，应进行补孔注浆。（8）注浆材料及浆液配合比应根据地质条件、注浆目的、注浆工艺等因素确定。6.2辅助工程措施的施工（9）注浆后必须对注浆效果进行检查，检查的方法通常有以下三种：①分析法。②检查孔法。③物探无损检测法。6.2辅助工程措施的施工对于粒径在0.05mm以下的粉砂及黏性软弱地层或断层地段，为节省注浆材料也可使用周边劈裂预注浆或周边短孔预注浆。周边劈裂预注浆或周边短孔预注浆均是沿隧道开挖轮廓线周边布孔、注浆，所不同的是周边劈裂预注浆是依靠浆液压力，将原来没有缝隙的地层压裂成缝，然后使浆液充填、固结，从而达到加固地层和堵水的目的。周边短孔预注浆只是固结开挖面周边一定厚度的围岩，使之形成一个薄壳，从而提高围岩的整体性，防止漏渣坍塌或断层泥（未固结或弱固结的泥状岩石）软化，堵住部分地下裂隙水。6.2辅助工程措施的施工地表砂浆锚杆5.地表砂浆锚杆是指从隧道上方地表向下设置的砂浆锚杆。锚杆一般采用16～22螺纹钢筋，由单根或多根钢筋并焊组成，间距宜为10～15m，呈梅花形布置。锚杆一般伸至距衬砌外缘0.5m，锚孔直径应大于杆体直径30mm，充填砂浆强度不低于M20，以确保锚杆与围岩黏合形成整体。对于锚杆设置范围，纵向一般超出不良地质地段5～10m，横向为1～2倍隧道宽度。6.2辅助工程措施的施工地表注浆6.地表注浆加固法是对隧道埋深小于50m，围岩稳定性较差，开挖过程中可能引起塌方的不良地段，通过从地面向下钻孔注浆，对围岩、地层进行预先加固的方法。注浆孔一般竖向设置，注浆孔径不小于110mm，按梅花形或矩形排列布孔，孔深低于隧道开挖底10m。6.2辅助工程措施的施工其他措施7.（1）正面喷射混凝土。正面喷射混凝土是采用的临时支护方法，可用早强水泥或普通水泥加速凝剂的喷射混凝土，一般在掌子面破碎、渗淋水严重的情况下使用，以防掌子面松弛，提高掌子面的自稳性或作为止浆墙。（2）护拱。护拱常用于明洞或溶洞空腔段、大塌方空腔段下方的衬砌外侧，其作用是提高衬砌结构的承载力和拱背的防护能力，其结构厚度、形式应根据使用部位及拟达到的效果具体设计。（3）临时仰拱。临时仰拱是封闭断面、减少变形最有效的方法。6.2辅助工程措施的施工（4）临时支承。临时支承种类较多，在掌子面发生挤出、不能自稳，可能发生塌方或涌泥的地段，可采用锚喷支护、袋装土封闭掌子面;当分部开挖围岩变形大时，宜增设型钢临时仰拱或型钢、方木斜撑；当采用全断面开挖或正台阶开挖时，在围岩变形较大、初期支护开裂严重、拆换拱圈衬砌的地段，可采用拱形刚架支承、扇形刚架支承。当拱部沉降明显或地表沉陷要求严格时，可采用井形桁架、木垛支承。当需要对掌子面前方进行高压注浆时，临时止浆墙可采用500～1500mm厚的C15～C20低强度混凝土挡墙或用沙袋土封闭。6.2辅助工程措施的施工（5）墙式遮挡。墙式遮挡是在隧道两侧（或一侧）从地表向下打入钢管、形钢、钢板桩或修筑地下连续墙等遮挡壁式构造，以限制因隧道开挖造成围岩松弛的范围传到遮挡壁以外，从而保证了地表建筑物的安全。6.2辅助工程措施的施工（6）超前