浅谈软弱围岩隧道预支护方法的现状及发展

2014年《土木工程概论》课程研究报告浅谈软弱围岩隧道预支护方法的现状及发展姓名马涛学号0103120929姓名张国茂学号0103120930姓名彭丰学号0103120933摘要：在阅读文献的基础上，明确软弱围岩隧道预支护的方法的现状及发展，了解现行预支护方法的应用和发展，论述了其设计原理，工艺流程，技术要点，适用范围以及对预支护方法未来发展的展望。关键词：隧道预支护锚杆管幕管棚1前言将来，在快速开挖软弱围岩隧道时，预支护方法将大大改进，或者采用新的预支护加以更换。如果在开挖软弱围岩隧道用热或者激光的方法，那么对于预支护系统将有另外的要求。根绝威利斯和斯通的预测，在1970到1985年期间软弱围岩隧道开挖速度的进展，将为预支护方法所限制，因此需要加以改进。（苏联，1972年）隧道具有所处地质条件复杂多变，遇到意外情况比较多，工程定位、设计、施工方法都必须随时作相应调整；施工作业面窄，能容纳的劳动力和机械设备受到限制，对工业化、机械化设工要求高等特点。这就要求着软弱围岩隧道在安全的前提下能快速开挖出来，而开挖软弱围岩隧道的速度又将受到预支护方法的限制，因此这就迫切需要我们对隧道预支护提出更多有效的方法。2软弱围岩隧道预支护的方法超前预支护体系就是在松散或极破碎自稳性差围岩的隧道开挖之前,在掌子面前方的自然地层里,沿隧道横断面设置一个象拱壳的承载体,支撑顶部不稳定岩土体或加固掌子面前方的自然地层,从而保证掌子面及地层的稳定,减少地表沉降量。（刘得旭，程杰07）传统的隧道施工,在松散或极破碎地层、洞室稳定性差时,为防止开挖中拱顶坍塌,采用打插钢板、木板或型钢,即所谓的插板法。现代常用的超前预支护方法有超前锚杆、超前小导管、超前管棚法、水平旋喷注浆、机械预切槽法和管幕法等。2.1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。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、断层破碎带等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。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。（沈景钊,荣传新04）2.1.1工艺流程打超前锚杆眼——扫眼——拆卸后面的超前锚杆——安装超前锚杆——打迎头炮眼——爆破——出矸——架棚——进行下一循环。2.1.2施工方法(1)超前锚杆沿棚梁外边布置,间距为200~400mm,如果岩层较松软破碎,间距为200mm左右,如果岩(煤)成块状,间距增大至400mm左右。(2)要有足够的数量,其数量的多少视棚梁长度和锚杆排列的间距而定,加工时,一般不少于两组,以便交替使用。(3)操作使用机具有:风钻、大锤、手拉葫芦、钢丝绳等。用风钻打眼,用大锤将锚杆缓缓砸进眼孔内,锚杆安装完毕。(4)将后排锚杆用钢丝绳拴在锚杆的尾钩上,用手拉葫芦将锚杆拔出。如果迎头使用扒矸机,则可将扒斗摘下,用扒矸机钢丝绳挂在锚杆的尾钩上,开启扒矸机,将锚杆缓缓拉出。2.1.3应用优缺点：隧道开挖后，杆件及周边固结的部分围岩支撑上覆岩土体，防止围岩坍塌，减少懂事的变形。在破碎岩石地层中，该方法工艺简单，造价低，应用十分广泛。但在砂土质松软地层中，因砂浆与粘土体粘结力较低，限制了应用；同时因为一次施工距离短，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。2.2超前注浆小导管超前注浆小导管是在开挖前沿坑道周边向前方围岩内打入带孔小导管,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。浆液被压注到岩体裂隙中并硬化后,不仅将岩块或颗粒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。小导管的布置和安装、注浆材料的选择、注浆材料的配比要根据围岩的地质条件、裂隙类型和大小等条件而定。2.2.1支护机理分析超前注浆小导管的施做，使得掌子面围岩开挖后，产生不同于未施做时的二次应力状态．另一方面，通过高压注浆改变了岩体的结构参数．通过这两方面的作用，在未经开挖的岩土体中形成刚度较大的加固圈，提高了岩土体的稳定性，使得隧道开挖时，围岩塑性区出现的时间得到延缓并使围岩的塑性区减小通过小导管向岩土体内注入浆液，不但提高了岩土体的力学性能指标，还起到了防水的作用．总之，超前注浆小导管技术的支护机理分析可以从两方面来考虑：小导管的注浆加固机理和结构作用．（周兴国，高永涛，卢宏建，韩晓强2010)（1）小导管的注浆加固机理超前注浆小导管支护技术在使用过程中，通过小导管上的出浆孔，将浆液均匀地压注到围岩中，以达到加固围岩的作用．在超前注浆小导管支护技术中，采用填充注浆、渗透注浆、劈裂注浆或挤密注浆等机理，在化学胶结作用、惰性填充作用和离子交换作用下，可以改良岩土的现有的性质或从根本上改变岩土的物理化学性质，从而在被注范围内产生一种新的物质．被注浆加固介质强度的增长是一种受多种因素制约的复杂的物理化学过程．浆液与界面的结合形式、浆液饱和度、时间效应以及灌浆材料对注浆效果起着重要的作用．（2）小导管的结构作用小导管随着注浆后围岩强度的增长起到了锚杆、棚架和锚杆桩等多重作用，使得被加固区围岩密实，整体稳定性增大，可达到理想的开挖条件．a.锚杆作用．小导管的锚杆作用机理如同锚杆的锚固机理，主要有联接原理、组合梁原理和均匀压缩拱原理三种．在隧道的超前支护中，三种作用原理同时存在，但究竟以哪种原理为主，要根据地质条件、工艺、和小导管的布置方式综合分析，往往是两种或三种的综合作用．b.棚架作用．小导管的棚架作用指小导管施做完成后，进行隧道开挖施工时，小导管以靠近掌子面的钢支撑和前方未开挖的部分岩土体为支点，在纵向支撑起中间部分的岩土体，起纵向梁作用．c.锚杆桩作用．超前注浆小导管支护中，小导管的一端与钢拱架固定链接．通过注浆，小导管全长与岩土体胶结咬合，并且形成“壳状”加固圈，当加固圈承受围岩松散压力时，小导管便起到锚杆桩的作用．2.2.2超前注浆小导管的施工工艺(1)小导管安装:按照设计要求制作小导管，现场确定孔位并进行钻孔施工，钻孔完成并进行检查后即可开始小导管的安装;(2)注浆施工:小导管安装完成后，进行堵孔，堵孔后先进行压水试验，通过压水试验来寻找并扩充浆液的通路，进而确保浆液能够注入需加固的松散体。压水试验后，把配置好的浆液加入注浆机，由下至上的顺序进行注浆施工，如遇串浆或跑浆则隔孔灌压。注浆快结束时一般采用终压和注浆量双控制，单根管压力达到终压标准(注浆量不少于80%)或注浆量达到设计注浆量无漏浆现象。注浆时，对每根小导管应有序地一次注浆到位，否则每根管的注浆液互相干扰，易形成堵管，影响注浆效果;(3)注浆后检查:注浆完成后，必须待浆液达到固结时间后，方可进行下一循环的开挖施工，在开挖过程中注意检查浆液渗透和上部破碎围岩的固结情况.2.2.3注浆小导管的施工特点:(1)超前小导管施工简易，应急速度快，比超前锚杆支护能力大；(2)比管棚简单易行、灵活、经济、施工速度快，但支护能力较弱；(3)格栅内空间被喷射混凝土充填，其表面被覆盖，所形成的初期支护具有较强的承载能力，并有一定的防水性能；(4)与围岩紧密粘结，形成一个刚度较接近的共同变形体，易形成有效的压力拱，使隧道结构受力条件趋于合理。2.3水平旋喷注浆水平高压旋喷注浆技术是利用水平钻机水平或略向上仰成孔,沿隧道拱部外缘进行高压旋喷注浆作业,形成水平旋喷水泥柱体,使之相互搭接形成拱棚,在它的保护下开挖上部断面。水平旋喷注浆的技术关键主要有旋喷成拱的设计厚度、旋喷工艺、旋喷桩的成桩质量、地表沉降和隆起控制等（王银献,陈浩生2004）2.3.1水平旋喷注浆法的工作原理水平旋喷注浆是高压注浆法之一,是在静压注浆加固地基基础上,应用高喷射注浆技术而发展起来的一项土体加固的新技术。水平旋喷桩是以高压泵为动力源,通过水平钻机钻杆将带有特殊喷嘴的注浆管置入土层的预定位置后,喷嘴把配置好的浆液喷射到土体内,喷射流以巨大的能量将一定范围内的土体射穿,并在喷嘴做缓慢旋转和进退的同时切割土体,强制土颗粒与浆液搅拌混合,待浆液凝固后,形成水平圆柱状水泥土固结体即水平旋喷桩。当旋喷桩相互结合后,便以同心圆形式在隧道拱顶及周边形成封闭的水平旋喷帷幕体,起到防流砂、抗滑移、防渗透的作用。水平旋喷桩形成的固结体和对周边围岩的加固,可以显著提高围岩的级别。2.3.1水平旋喷注浆工艺流程：（1）对施工掌子面进行棚舍混凝土处理，并将连接法兰预埋在掌子面墙中。（2）将止浆器安装于钻机主钻架的前端上部。（3)将钻机定位于需要钻孔的位置，并将止浆器与连接法兰连接牢固密封严密。将溢浆管阀门打开，将钻机的高压喷射注浆钻杆插至连接法兰部位，开动钻机进行钻孔。(4)利用水泥浆液自孔底进行高压喷射注浆，边喷边旋转边后退，完成设计注浆长度后，停止注浆。根据工程设计要求，课通过溢浆管向掌子面墙内的施工孔中进行压力补浆，以确保该桩孔中的成桩浆体压力和成桩质量。(5)关闭溢浆管阀门，将钻杆退至板阀腔外，将板阀关闭，在将钻杆完全退出止浆器，并将止浆器后端的密封腔、定位腔和连接法兰完全分离。(6)待高压喷射注浆桩体接近膏体时，将止浆器前端的板阀腔与连接法兰完全分离。(7)可根据设计需要在钻孔中插入芯材，芯材为钢筋，钢筋束或钢管。（柳建国，刘钟，刘波等2008）2.3.3特点(1)可在地层中形成一个完整的水泥土拱壳,受力情况较管棚有明显的改善。(2)水泥浆的用量及切削土体的方向可以控制,各旋喷桩重叠比较规则。(3)水平旋喷预衬砌只在地层中形成一个完整的水泥土拱壳,同等条件下,其耗用的水泥量少于固结注浆。(4)因组成预衬砌的旋喷桩的直径、方向可以控制,形成的衬砌体较固结注浆开挖后形成的衬砌体均匀,且强度也更高。（李远宁,段玉刚,吴胜2001）2.4机械预切槽法在山体中建造的任何地下洞室,会使地层中原有的约束力消失从而迅速地释放洞室周边的这些约束力。这种应力释放对后期粘聚力减少的地层的稳定性极为不利,在隧道中这种应力释放还会在工作面的前方产生。用预置拱圈作为拱顶支的主要优点是其支护在开挖作业之前就建好了,因此这些土方工程完全可坦安全地在几乎无延性的坚固结构的防护下进行。预置拱圈还可以用极短的纵向“进距(约为60~70cm)来施作。这适合应用于实际上没有粘聚力的地层。此外,预置拱圈虽然不易变形,但是它能保护其相邻地层的稳定。这样可以把地层沉降限制到最小程度,实际上,可小到不逊于用新奥法所获得的结果。除了这种通常的优点外,与诸如旋喷注浆或管棚支护等主要方法相比较它还具有简易、施工速度快和经济的优点,从而提供了一种特别有利于在城市区域使用的方法。2.4.1施工原理:用在隧道施工中的机械预切槽法是在隧道掌子面开挖之前,光川一台锯割机械沿着涟道拱背线切割出一条宽为4一35cm的切槽,随后于将切槽所界定的掌子面开挖出来。在硬岩的条件下,这条切槽是空的,利用它作为爆破开挖的临空面。在松散地层中,这条切槽则用混凝土充填成为预置拱圈,然后就可在其下进行开挖。（王华97）2.4.2预切槽已获得广泛的应用，其主要优点为：(1)地层的自然特征和应力分布规律不会受到影响，因为预先切槽后立即充填，不会引起减压。(2)切槽是均匀和光滑的，消除了超挖。(3)临时支撑的大量减少使得接近开挖面比较容易,这就有可能采用高效率的开挖设备。(4)预成拱混凝土和地层紧密接触,故接触注浆量将显著减少。(5)因为减压和沉陷几乎被遏止,使人和周围建筑物的安全程度大大高。隧道进度大大加快。(6)将来,预切槽的宽度还要进一步增加,以使预成拱更厚更坚固以致不再需要任何临时支撑,还可做永久衬砌。2.4.3最新研制成果：法国最新研制的用于典型双轨隧道的预切槽机由下列部件组成