超前小导管、超前锚杆、超前大管棚3种施工方案对比

小浪底北岸灌区隧洞工程不良地质超前支护方案为了加快隧洞施工进度和提高工效，针对隧洞中出现围岩情况差的不良地质情况，在不同情况下采用超前锚杆、超前小导管和超前大管棚三种支护措施。一、支护方案简介及设计参数超前锚杆是沿开挖轮廓线，以较大的外插角，向开挖面前方安装锚杆，形成对前方围岩的预锚固(预支护)，在提前形成的围岩锚固圈的保护下进行开挖、装渣、出渣和衬砌等作业。在本项目中，超前锚杆主要用在V级围岩上限（较好）段，施工时间较短；超前锚杆应配合钢拱架或格栅拱架使用，设计参数如下：（1）采用直径φ25mm螺纹钢，长度为3.5m；（2）锚杆沿拱环向布置间距30cm；（3）倾角：外插角10°-15°，可根据实际情况调整；（4）纵向间距2.5m一环，搭接长度不小于1m；（5）注浆材料：M20水泥浆。超前小导管主要用于自稳时间段的软弱破碎带、浅埋段、洞口偏压段、砂层段、砂卵石段、断层破碎带等地段的预支护。在本项目中，超前小导管主要用在V级围岩下限（较差）段，施工时间较超前锚杆长；超前小导管应配合钢拱架使用，设计参数如下：（1）采用外径φ42mm厚3.5mm无缝钢管，长度为3.5m；（2）钢管钻设注浆孔间距为100-150mm；（3）钢管沿拱环向布置间距30cm-50cm；（4）倾角：外插角10°-15°，可根据实际情况调整；（5）注浆材料：M20水泥浆。超前大管棚是由钢管和钢格栅或钢拱架组成。管棚利用钢格栅拱架，沿着开挖轮廓线，以较小的外插角向开挖面前方打入钢管，形成对开挖面前方围岩的预支护。管棚适用于特别困难地段（如极破碎岩体、塌方体、岩堆地段、砂土质地层、强膨胀性地层、断层破碎带、浅埋大偏压等围岩）的隧洞施工中采用。在本项目中，主要用在洞内大型塌方，常规办法已无法处理的情况下，施工时间较长。具体设计参数如下：（1）大管棚钻孔孔口位置沿隧洞拱部开挖轮廓线外10cm布置，环向中心间距30cm，外插角约7°（可根据实际情况确定），每环17根；（2）钢管采用外径φ108mm壁厚8mm无缝钢管，每根长度为10m。钢管分段安装，两端之间用φ89钢管连接，套管长50cm。（3）钢管上注浆孔孔径10～16mm，梅花型布置，间距15～20cm。钢管尾部2m长不钻孔作为止浆段。（4）拱架上固定φ150导向管，导向管环向间距30cm，单根长度以实际长度为准，用来控制超前大管棚的方向。（5）注浆浆液采用水泥浆，水灰比为0.5:1，当地下水较大，注浆液改为水泥浆和水玻璃双浆液。注浆压力采用0.5-1MPa。二、具体施工方法具体施工中的施工方法为：以本项目10m施工段为例，拱架间距设为50cm：（一）超前小导管：①采用外径φ42mm厚3.5mm无缝钢管，单根长度为3.5m，环向间距30cm。小导管安设一般采用钻孔打入法，钻孔直径比钢管直径大3-5mm，然后将小导管穿过已立好的钢架腹部，用锤击或钻机顶入，顶入长度不小于钢管长度的90%（3.15m），并用高压风把钢管内内份砂石吹出。②小导管安设后，用朔泥封堵孔口及周围裂隙，必要时在小导管附近及工作面喷射砼，以防工作面坍塌。③隧洞的开挖长度应小于小导管的注浆长度（2.5m），预留部分作为下一循环的止浆墙。④注浆完成后，以50cm的间距架立钢拱架，两榀钢拱架之间采用Φ20钢筋连接，Φ20连接筋间距1m，内外交叉布置，每处钢拱架拱脚处打Φ20锁脚锚杆4根以固定钢拱架。⑤每榀钢拱架打13根Φ25砂浆锚杆，锚杆环向间距1m⑥拱架架立完成后，在连接筋后部及时挂设间距20cm的ø6钢筋网，钢筋网搭接1～2个网格。对拱架喷射C20砼。⑦重复①②③④⑤⑥步骤施工下一个循环。（二）超前锚杆①采用外径φ25mm螺纹钢，单根长度为3.5m，环向间距30cm。采用风钻进行钻孔，用锤击或钻机顶入，锚杆外漏长度适中，尾部与钢架焊接。②锚杆插入孔后并插入注浆管，然后将锚杆孔封闭，并与注浆机连接，以防漏浆。③隧洞的开挖长度应小于锚杆的注浆长度（2.5m），预留部分作为下一循环的止浆墙。④注浆完成后，以50cm的间距架立钢拱架，两榀钢拱架之间采用Φ20钢筋连接，Φ20连接筋间距1m，内外交叉布置，每处钢拱架拱脚处打Φ20锁脚锚杆4根以固定钢拱架。⑤每榀钢拱架打13根Φ25砂浆锚杆，锚杆环向间距1m⑥拱架架立完成后，在连接筋后部及时挂设间距20cm的ø6钢筋网，钢筋网搭接1～2个网格。对拱架喷射C20砼。⑦重复①②③④⑤⑥步骤施工下一个循环。（三）超前大管棚⑴在已支护完成且并未塌方处立套拱2榀，2榀套拱间距1m，套拱采用I20的钢拱架，套拱拱顶距支护好拱架拱顶间距以实际施工情况为准，2榀套拱之间采用Φ20钢筋连接，连接筋环向间距50cm，在套拱边墙打设φ42钢管来固定套拱拱架，φ42钢管间距1m；拱脚加长50cm，每处拱脚打设φ42锁脚锚管4根，用来固定拱脚，然后用C25混凝土浇筑，为超前大管棚施工做准备。⑵在套拱拱架上固定φ150导向管，导向管环向间距30cm，单根长度以实际长度为准，用来控制超前大管棚的方向。导向管与拱架之间每处用φ2根20钢筋连接牢固。⑶对大管棚孔位进行编号，从一侧顺次编号，钻孔时先从拱顶往两侧钻编号为单号的孔，接着钻编号为双号的孔。同时进行钢花管的加工，钢花管按照设计要求制作，采用φ108mm，壁厚6mm的热轧无缝钢管，节长为5m，φ108管棚长10m，嵌入围岩内4m。管棚环向间距为30cm,外插角7°。钢管上注浆孔孔径10～16mm，梅花型布置，间距15～20cm。尾部12m范围内不钻孔作为止浆段，为防止浆液倒流，每根管棚尾部均焊接有止浆阀。⑷孔钻完成后，立即进行清孔，把按设计要求加工好的钢花管顶入套管内，每钻完一根便顶进一根钢花管。φ108钢花管之间用φ89钢管连接。套管长50cm。⑸钢花管安装完成后进行注浆，注浆分两次进行，即第一次是编号为单号的孔位钻孔及钢花管施工完成后，对编号为单号的孔位进行注浆，第二次是编号为双号的孔位钻孔及钢花管施工完成后，对编号为双号的孔位进行注浆；若单号孔位注浆不密实，可通过双号孔位注浆填充密实；大管棚在注浆前要将钢花管与预埋导向管间空隙用水泥砂浆封堵，避免漏浆。⑹重复（一）类情况①②③④⑤步施工。三、工程量与投资对比（1）工程量对比Φ25超前锚杆：环向间距30cm，每根长3.5m，每2.5m打设1循环，搭接1m，10m中共计为4循环，共计3.5*4*（3.15*2.2/0.3）=14m/循环*23根/循环=322m；以每天施工2m为例，共计施工10m完成需要5天。Φ42超前小导管：环向间距30cm，每根长3.5m，每2.5m打设1循环，搭接1m，10m中共计为4循环，共计3.5*4*（3.15*2.2/0.3）=14m/根*23根/循环=322m；以每天施工2m为例，共计10m施工完成需要5天。Φ108超前大管棚：环向间距40cm，每根长为10m，共计10*（3.15*2.2/0.4）=10m/根*17根=170m；施工准备计2天，每天施工超前大管棚5根，计4天，10m开挖每天按3m算，需3天，共计10m施工完成需要2+4+3=9天。（2）投资对比超前锚杆（D25/3.5m）：23根/循环*4循环*183.97元/根（暂估价）=16925元；超前小导管（管径42mm）：322m*50.87元/m（暂估价）=16380元；超前大管棚（φ108）：170m*266.06元/m（暂估价）=45230元。对比量见下表项目名称每循环根数（根）循环数（个）每根长度（m）共计（m）施工时间（天）投资（元）Φ25超前锚杆2343.5322516925Φ43超前小导管2343.5322516380Φ108超前大管棚17110170945230