隧道支护施工

第二节隧道支护施工支护技术（Supporttechnology）地下工程支护从支护时间分：初期支护、一次支护或临时支护二次衬砌、永久支护被动式支护：木棚支架、钢筋混凝土支架、金属型钢支架、料石碹、混凝土及钢筋混凝土碹等。从支护效果分：积极支护：锚喷支护、锚网支护、锚梁支护、锚索支护、锚注支护。施工的基本原则：“少扰动、早喷锚、勤量测、紧封闭”。一、初期支护初期支护应紧跟开挖及时施作，并应及早封闭成环。软弱围岩隧道Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ级围岩初期支护封闭位置距离掌子面不得大于35m。隧道开挖过程中应严格管理施工用水，避免浸泡初期支护拱（墙）脚土体。初期支护仰拱施工应快挖、快支、快速封闭。非爆破开挖和爆破开挖仰拱初期支护应分别于8h和12h内完成开挖、架设拱架、喷射混凝土封闭作业。双线Ⅳ、Ⅴ级围岩隧道台阶法施工时，应设置锁脚锚杆（管）、横向临时支撑或临时仰拱等控制拱（墙）脚位移的措施。双线Ⅴ级围岩隧道采用台阶法施工时应设置横向临时支撑或临时仰拱，临时支撑采用型钢，纵向每2榀设1处。（1）定义：喷射混凝土支护是将一定配比的混凝土，用压缩空气以较高速度喷射到洞室岩面上，形成混凝土支护层的一种支护形式。（一）、方式1.喷射混凝土支护(shotcretesupport)▲充填粘结作用高速喷射的混凝土充填到围岩的节理、裂隙及凹凸不平的岩石中，把围岩粘结成一个整体，大大提高了围岩的整体性和强度。▲封闭作用当隧道围岩壁面喷上一层混凝土后，完全隔绝了空气、水与围岩的接触，有效地防止了风化、潮解引起的围岩破坏和强度降低。▲结构作用靠喷射混凝土与围岩之间的粘结力及其自身的抗剪力，形成一个共同受力的承载结构。且喷射混凝土层将锚杆、钢筋网和围岩粘结在一起，构成一个共同作用的整体结构，从而提高了支护结构的整体承载能力。（2）.喷射混凝土作用原理▲水泥基本要求是：凝结快，保水性好，早期强度增长快，收缩较少。应优先选用普通硅酸盐水泥。水泥标号一般不得低于32.5。▲砂子中砂或粗砂，一般用细砂（易干缩、粉尘大）细度模数：应大于2.5含水率：5％～7％为宜含泥量：不得大于3％（3）.喷射混凝土材料▲石子（又叫瓜子片）坚硬耐久的卵石或碎石。最大粒径：20mm。为减少回弹量，大于15mm粒径的颗粒控制在20％以下。石子的含泥量不得大于1％。▲水不应含有害杂质，不得使用污水及pH4的酸性水一般用普通自来水。喷射混凝土材料：▲速凝剂作用：加快喷射混凝土凝固速度的外加剂形状：粉状和液体，目前国内粉状为多。型号：红星Ⅰ型、711型、阳泉Ⅱ型、782型、J85型等。掺量：一般掺量为水泥重量的2.5％～4％速凝效果与水泥品种、速凝剂掺量、水灰比、施工温度等有关。加入适量的速凝剂，可大大提高喷射混凝土的早期强度，但后期强度却略有降低，且加大了混凝土的收缩。因此，在满足施工条件下，应尽量少掺速凝剂，并拌合均匀。▲配合比为了减少喷混凝土时的回弹量，与普通混凝土相比，其石子含量要少得多，且粒径也小，而砂子含量则相应增大，一般含砂率在50％左右效果较好。一般喷射混凝土的配合比：喷砂浆：水泥：砂子为1：(2～2.5)水灰比0.4～0.55。喷混凝土：水泥：砂：石子为1：2：2或1：2.5：2；水灰比0.4～0.5。喷射混凝土材料：▲转子Ⅱ型干式混凝土喷射机（4）.喷射混凝土机具▲HPC—V型混凝土喷射机是转子Ⅱ型的改进型，采用潮式喷法，将初拌后的潮料加入料斗，速凝剂采用自动添加，由配料盘输入转子料腔，再由压缩空气将料腔中的混合料送出机体。▲PC5B型混凝土喷射机亦属转子型喷射机，可进行潮式作业。采用了防粘转子，体积小、重量轻、作业时粉尘少、回弹率低、易损部件寿命长、使用维修方便。尤其采用了分体式防粘转子，转子不粘结、不堵塞，作业环境好，劳动强度低。PC5B型潮式混凝土喷射机湿式混凝土喷射机喷射混凝土机械手▲喷射作业前，应进行喷射机试运转。▲喷射作业开始时先送风后开机，再给料；喷射结束时，应待喷浆机及输料管内的混合料喷完后再停机、关风。▲喷射时应按分段、分片、自下而上、先墙后拱的顺序操作。▲喷射机供料应保持连续、均匀，以利喷射手控制水灰比。▲正常喷射作业时，喷头应正对受喷面呈螺旋形轨迹均匀地移动，以使混凝土喷射密实、均匀和表面光滑平顺。（5）.喷射混凝土工艺▲工作压力工作压力是指喷射混凝土正常施工时，喷射机转子体内的压气压力。控制气压，就是要保证喷头处混凝土的喷射速度稳定在一个合理的范围内。一般混合料水平输送距离30m～50m条件下，喷射机的供气压力保持在0.12MPa～0.18MPa为宜。（6）.喷射混凝土的主要工艺参数▲水压为了保证喷头处加水能使随气流迅速通过的混凝土混合料充分湿润，通常要求水压比气压高0.1MPa左右。▲水灰比（w/cratio）理论上最佳水灰比为0.4～0.5实际上全靠喷射手的经验加以控制混凝土易粘着，回弹量小，表面有一定光泽，无干斑或滑移流淌现象说明水灰比适宜。喷射混凝土的主要工艺参数：▲喷头方向喷头喷射方向与受喷面垂直，并略向刚喷过的部位倾斜，除喷巷帮侧墙下部时，喷头的喷射角度可下俯10°∽15°外，其他部位喷射时，均要求喷头的喷射方向基本上垂直于围岩受喷面。▲喷头与受喷面的距离最大0.8m～1.0m。应根据输料距离、供气压力大小调整。喷距过大、过小，均可引起回弹量的增大。喷射混凝土的主要工艺参数：▲一次喷射厚度当喷层较厚时，喷射作业需分层进行。通常应在前一层混凝土终凝后方可施喷后一层。若终凝1h以后再进行二次喷射时，应先用压气、压水冲洗喷层表面，去掉粉尘和杂物。一次喷射厚度应根据岩性、围岩应力、裂隙、隧道规格尺寸，以及与其他形式支护的配合情况等因素确定。一次喷射的最大厚度：拱部不得超过10cm，边墙不得超过15cm。喷射混凝土的主要工艺参数：表7一次喷射厚度（mm）喷射部位掺速凝剂不掺速凝剂边墙70～10050～70拱部50～7030～50工人正在作业▲喷射混凝土强度就地提取喷混凝土试件做抗压强度试验。对特殊要求的，可增做抗拉强度与岩面的粘结力、抗渗性等相应试验。抗压强度不应低于标准值。▲喷射混凝土厚度凝结前用针探法检测，凝结后用凿孔尺量法或取芯法检测。要求喷层厚度不小于设计值的90％。（7）.喷射混凝土质量检测2.锚杆支护锚杆是用金属、木质、化工等材料制作的一种杆状构件。锚杆支护是首先在岩壁上钻孔，然后通过一定施工操作将锚杆安设在地下工程的围岩或其它工程体中，即能形成承载结构、阻止变形的围岩拱结构或其它复合结构的一种支护方式。棚式支架是在地下工程围岩外部对岩石进行支撑，它只是被动地承受围岩产生的压力和防止破碎的岩石冒落。锚杆支护则是通过锚入围岩内部的锚杆改变围岩本身的力学状态，在围岩中形成一个整体而又稳定的岩石带，利用锚杆与围岩共同作用，达到维护巷道稳定的目的。是一种积极防御的支护方法。锚杆支护效果好，用料省，施工简单，有利于机械化操作，施工速度快。但锚杆不能封闭围岩，防止围岩风化；不能防止各锚杆之间裂隙岩石的剥落。在围岩不稳定情况下，往往需配合其它支护措施，如挂金属网、喷射混凝土等，形成联合支护形式。•●悬吊理论通过锚杆将不稳定的岩层和危石悬吊在上部坚硬稳定的岩体上，以防止其离层滑脱。（1）锚杆作用原理●组合梁理论是指把层状岩体看成一种梁（简支梁），没有锚固时，它们只是简单地叠合在一起。由于层间抗剪能力不足，各层岩石都是各自单独地弯曲。锚杆作用原理:●挤压加固拱理论对于破裂状围岩，在锚杆挤压力作用下，在每根锚杆周围都形成一个以锚杆两头为顶点的锥形体压缩区，各锚杆所形成的压缩区彼此重叠，便形成一条拱形连续压缩带。锚杆作用原理:●三向应力平衡作用•地下工程的围岩在未开挖前处于三向受压状态，开挖后围岩则处于二向受力状态，故易于破坏而丧失稳定性。锚杆安装以后，相当于岩石又恢复了三向受力状态，从而增大了它的强度。•上述锚杆的支护作用原理在实际工程中并非孤立存在，往往是几种作用同时存在并综合作用，只是在不同的地质条件下某种作用占主导地位而已。•基本条件•锚杆受力变形，本身不受破坏•锚杆与围岩保持紧密接触锚杆作用原理:按锚固方式分机械式粘结式摩擦式端头锚固全长锚固(2）锚杆的种类及安装方法按锚杆材料分木质金属化工全长粘结型端头锚固型端头锚固锚杆：锚固力集中在锚孔内一端的锚杆。如金属倒楔式、金属楔缝式、快凝水泥式、树脂药包式、胀壳式等。全长锚固锚杆：锚固力分布在锚孔内全长的锚杆。如金属砂浆式、水力膨胀式、吹胀式、管缝式、树脂药包式、内注浆式等。这种锚杆是在孔内放入钢筋或钢索，孔内灌入砂浆或水泥浆，利用砂浆或水泥浆与钢筋、孔壁间的粘结力锚固岩层。钢筋灌浆锚杆一般用螺纹钢制作。在矿山，钢索可用废旧的钢丝绳制作，节省工程费用。灌浆锚杆的安装有先灌后锚式和先锚后灌式两种，可根据灌浆材料和杆体材料的不同选择。采用钢筋锚杆时，先灌后锚或者先锚后灌都可，采用钢索时一般用先锚后灌法。金属灌浆锚杆:这种锚杆多为端头锚固型，其原理是在孔内放入锚固剂，利用锚固剂把锚杆的内端锚定在锚孔内。根据所使用的锚固剂不同，分为树脂锚杆、快硬水泥锚杆和快硬膨胀水泥锚杆三种。树脂锚杆由杆体和树脂锚固剂组成，锚固剂被制成圆卷状，外用塑料包装，内装树脂粘结剂填料和固化剂，树脂填料和固化剂之间用塑料纸隔开。锚固剂粘结锚杆:固化剂树脂填料（a）锚杆杆体（b）树脂药卷快硬水泥玻璃纤维纱网外套内套空心纱网锚固剂（c）快硬水泥卷（d）快硬膨胀水泥卷这是一类可用于注浆的锚杆。在破碎岩体中施工时，为了加固围岩，利用锚杆进行注浆，形成锚注支护形式。这类锚杆形式较多，如普通式、自进式、半自进式、胀壳式、组合式等。中空注浆锚杆:（a）自钻式中空注浆锚杆（b）胀壳式中空注浆锚杆▲锚杆的长度L（取下列两公式中的最大值）常用锚杆长度为1.4m～3.5m。；L2S（围岩中节理间距）式中B—洞室跨度，m；n—围岩稳定性系数，稳定性较好0.9；中等稳定1.0；稳定性较差1.1；不稳定1.2；▲锚杆直径d主要依锚杆的类型和锚固力而定，常用锚杆直径为16mm～24mm。)101.1(BnL(3).锚杆支护技术参数按悬吊理论计算锚杆长度L=KH＋L1＋L2K－安全系数，一般取2；H－软弱岩层厚度（或冒落拱高度），m；L1－锚杆锚入稳定岩层的深度，一般取0.25~0.23m；L2－锚杆外露长度，一般取0.1m。▲锚杆间距D（取下列两式中的最小值）D≤0.5L；D3S′（围岩裂隙间距）一般为0.8~1.0m，最大不超过1.5m。▲布置方式：方形、梅花形布置▲锚杆方向：原则上应尽可能与层面垂直布置，或使其与岩面形成较大的角度；对于倾斜的成层岩层，锚杆应与层面斜交布置，以便充分发挥锚杆的作用。(4).锚杆施工锚杆安装允许偏差应符合下列规定锚杆孔的孔径应符合设计要求。锚杆孔的深度应大于锚杆长度的10cm。锚杆孔距允许偏差为+15cm。锚杆插入长度不得小于设计长度的95％，且应位于孔的中心。砂浆锚杆的灌注砂浆饱满度应大于80％。锚杆与喷锚支护：设置锚杆(还可以张挂金属网)再加喷混凝土。（三）钢拱架（格栅拱架、型钢拱架）•适用：自稳时间短的Ⅳ、Ⅴ级围岩•钢拱架可用型钢或格栅钢架制作。型钢多用槽钢、工字钢、钢管或钢筋制作。型钢拱架重量大，消耗钢材多，在公路、铁路隧道工程中的初次支护中多用格栅钢架。格栅钢架一般与锚喷支护联合采用。格栅钢架由钢筋焊接而成，受力性能较好，安装方便，并能和喷射混凝土结合较好，节省钢材，优点较多。钢拱架：钢材品种、规格、间距，间距允许偏差±100mm。衬砌类型Ⅳ级Ⅳ级加强Ⅴ级Ⅴ级加强钢架类型高150Φ22格栅高150Φ25格栅I20a型钢I20a型钢纵距（m）1.01.00.80.6•钢拱架可用型钢或格栅钢架制作。型钢多用槽钢、工字钢、钢管或钢筋制作。型钢拱架重量大，消耗钢材多，在公路、铁路隧道工程中的初次支护中多用格栅钢架。格栅钢架一般与锚喷支护联合采用。格栅钢架由钢筋焊接而成，受力性能较好，安装方便，并能和喷射混凝土结合较好，节省钢材，优点较多。图2-83格栅钢架构造（尺寸单位：mm）a）格栅钢拱架示意图