模塊6隧道超前支護與預加固圍巖44頁

1、隧道施工技術模塊模塊6 6 超前支護與預加固圍巖超前支護與預加固圍巖6.1 隧道施工輔助工程措施概述6.2輔助工程措施的施工6.1 6.1 隧道施工輔助工程措施概述隧道施工輔助工程措施概述 在修建隧道時，常會遇到一些不利于施工的特殊地質地段，如膨脹性圍巖、黃土、溶洞、斷層、松散地層、流沙、巖爆、涌水、塌方等。在開挖、支護和襯砌過程中，由于各種因素的影響都可能發(fā)生圍巖坍塌，坑道支承受壓變形，襯砌結構斷裂和各種特殊施工問題，將會嚴重影響施工進度、安全和質量。隧道穿越含有瓦斯的地層，更嚴重地會威脅施工安全。因此，有必要對不良地質隧道和特殊地質隧道的施工技術進行全面、系統的研究和總結。6.1 6.1

2、隧道施工輔助工程措施概述隧道施工輔助工程措施概述 隧道施工輔助工程措施的適用范圍及一般規(guī)定6.1.1 在淺埋地段，自穩(wěn)性差的軟弱破碎地層、嚴重偏壓、巖溶流泥地段，砂土層、砂卵（礫）石層、斷層破碎帶及大面積淋水或涌水地段進行隧道施工時，常會發(fā)生開挖面圍巖失穩(wěn)，或由于初期支護的強度不能滿足圍巖穩(wěn)定的要求，以及由于大面積淋水、涌水，而導致洞體圍巖喪失穩(wěn)定而造成坍塌、冒頂等，這不僅使圍巖條件更加惡化，給施工帶來極大的困難，而且影響施工安全，延誤工期，費工費料，影響工程質量和隧道的使用年限。因此在上述地段進行施工時，可采用輔助施工措施對地層進行預加固、超前支護（在隧道施工中，對開挖工作面前方圍巖進行預加

3、固）或止水，以增強隧道圍巖的穩(wěn)定。6.1 6.1 隧道施工輔助工程措施概述隧道施工輔助工程措施概述 在隧道通過上述地質地段時，是否一定要采用輔助施工措施，應根據隧道所處的地質和水文地質條件、隧道長度、埋置深度、施工機械裝備、工期和經濟等方面考慮決定。6.1 6.1 隧道施工輔助工程措施概述隧道施工輔助工程措施概述 隧道施工輔助工程措施的類型6.1.2 隧道施工輔助工程措施包括地層穩(wěn)定措施和涌水處理措施。 地層穩(wěn)定措施主要有管棚法、超前導管法、超前錨桿法、超前玻璃纖維錨桿法、超前鉆孔注漿法、超前水平旋噴樁法、地表砂漿錨桿法、地表注漿法、護拱法、臨時支承等。6.1 6.1 隧道施工輔助工程措施概述

4、隧道施工輔助工程措施概述 常用輔助工程措施及其適用條件如表6-1所示，具體有兩種方法：地層穩(wěn)定措施、涌水處理措施。在使用表6-1時，可結合隧道所處的圍巖、施工方法、進度要求、機械配套、工期等進行比選，有時可采取幾種方法綜合處理。6.2 6.2 輔助工程措施的施工輔助工程措施的施工 地層穩(wěn)定措施6.2.1 地層穩(wěn)定包括穩(wěn)定開挖面和防止地表地層下沉。其主要輔助工程措施有超前錨桿支護、超前小導管預注漿支護、超前管棚支護、超前鉆孔預注漿、地表砂漿錨桿、地表注漿、其他措施等。使用時，可結合隧道所處的圍巖條件、隧道施工方法、進度要求、機械配套、工期等進行比選，有時可采取幾種方法綜合處理。6.2 6.2 輔

5、助工程措施的施工輔助工程措施的施工超前錨桿支護超前錨桿支護1. 超前錨桿支護是在開挖前，沿隧道拱部按一定角度設置的起著預加固圍巖作用的錨桿，它是一種超前預支護的方法，其一般適用于淺埋松散破碎的地層。首先用鑿巖機或鑿巖臺車沿隧道外輪廓線向外鉆孔，然后安設錨桿。超前錨桿根據圍巖情況，可采用雙層或三層。一般在超前錨桿設置后，即可進行開挖，但應保證前后兩組支護在縱向應有不小于1 m的水平投影搭接長度。超前錨桿支護若采用一般砂漿做膠結物時，爆破后很可能影響其強度。為此宜采用早強砂漿作為錨桿與巖層孔壁間的膠結物，以使其盡早發(fā)揮超前支護的作用。6.2 6.2 輔助工程措施的施工輔助工程措施的施工超前小導管預

6、注漿支護超前小導管預注漿支護2. 超前小導管預注漿是在開挖前沿隧道開挖輪廓線向外將直徑為3870 mm的帶孔鋼管打入地層內，并以一定的壓力向管內壓注漿液。它既能將坑道周圍巖體預先加固及堵住圍巖裂隙水，又能起到超前預支護的作用。這種方法施工簡單，且注漿時間短。其適用于自穩(wěn)時間很短的砂層、砂卵（礫）石層、斷層破碎帶、軟弱圍巖淺埋地段或塌方等地段。6.2 6.2 輔助工程措施的施工輔助工程措施的施工 （1）超前小導管的基本要求。 鋼管的型號、規(guī)格、質量等應符合設計和規(guī)范要求。 超前鋼管與剛架支承配合使用時，應從剛架腹部穿過，尾端應與剛架焊接。 鋼管插入孔內的長度不得短于設計長度的95%。6.2 6.

7、2 輔助工程措施的施工輔助工程措施的施工 （2）超前鋼管實測項目如表6-3所示。表表6-36-3超前鋼管實測項目超前鋼管實測項目6.1 6.1 隧道施工輔助工程措施概述隧道施工輔助工程措施概述 （3）外觀鑒定。鋼管沿開挖輪廓線周邊均勻布置，尾端與剛架應焊接牢固，錨桿入孔長度應符合要求。 （4）注漿前拌漿的要點。為加速注漿，可在小導管前安裝分漿器，一次可注入35根小導管。6.2 6.2 輔助工程措施的施工輔助工程措施的施工 （5）超前小導管預注漿的施工應符合下列要求： 超前小導管預注漿支護的鋼管直徑宜為2550，長度宜為36 m。 沿隧道縱向開挖輪廓線向外以小于10的外插角鉆孔，將小導管打入巖層

8、。 小導管環(huán)向間距宜為2050cm，縱向搭接長度應大于0.5m。 導管注漿前，應對開挖面及5 m范圍內的坑道噴射厚為510 cm的混凝土或用模筑混凝土封閉。 注漿壓力應為0.510 MPa。 開挖前的時間間隔視漿液種類宜為48 h。6.2 6.2 輔助工程措施的施工輔助工程措施的施工超前管棚支護超前管棚支護3. 超前管棚支護是在開挖工作面的輪廓線外按一定外插角插入帶孔直徑為 70180 mm 的鋼管，壓注水泥漿或水泥砂漿并將鋼管尾部與剛架焊接為一體，形成的支護體系。 超前管棚支護適用于極破碎的地層，塌方體、巖堆等地段。在這些地段內輔以灌漿效果更好。當遇有流塑狀巖體或巖溶、嚴重流泥地段時，采用與

9、圍巖預注漿相結合的方法，也是行之有效的。6.2 6.2 輔助工程措施的施工輔助工程措施的施工 （1）管棚剛架超前支護施工流程：制作管棚剛架測設中線及水平基點檢查已開挖斷面的尺寸及形狀安設管棚剛架鉆管棚鋼管孔眼打設管棚鋼管開挖斷面噴射混凝土安設初期支護剛架錨噴。 （2）管棚超前支護施工應符合的要求。6.2 6.2 輔助工程措施的施工輔助工程措施的施工超前鉆孔預注漿超前鉆孔預注漿4. 超前鉆孔預注漿是指在隧道掌子面上采用水平鉆機打孔并注漿，以達到封堵前方地下水及加固前方隧道周邊或全斷面圍巖的目的。注漿鉆孔孔徑一般不小于75 mm，注漿材料、注漿壓力、注漿范圍、注漿方式等具體參數應根據前方地質條件、

10、工程要求等進行具體設計。6.2 6.2 輔助工程措施的施工輔助工程措施的施工 （1）注漿材料和要求。 注漿材料。注漿材料應來源廣、價格適宜，形成的漿液具有良好的流動性、可灌性，凝膠時間可根據需要調節(jié)，固化時收縮小，漿液與圍巖、混凝土、砂等黏結力強。固結體應具有高強度和良好的抗?jié)B性、穩(wěn)定性、耐久性，注漿材料和固結體應無毒、無污染、對人體無害，要求注漿工藝及設備簡單操作安全方便。 注漿要求。 注漿孔深一般為1530 m。注漿孔可在地表面或開挖面正面分層布置，在縱向呈傘形輻射狀。6.2 6.2 輔助工程措施的施工輔助工程措施的施工 注漿堵水施作要點與注漿加固基本相同，但要求較高，當遇有高壓涌水時，為

11、使注漿堵水能取得較好的效果，除了采取先排水待降低地下水壓后再進行注漿堵水的方法外，有時也可選擇在地下水的穩(wěn)定期或衰減終期進行。否則，會由于地下水壓力高，流速快，鉆注施作困難，涌水對漿液的稀釋作用強，而不易保證注漿質量。6.2 6.2 輔助工程措施的施工輔助工程措施的施工 （2）超前預注漿施工應符合的規(guī)定。 注漿段的長度應滿足設計要求，宜為1530 m。 注漿管應根據設計要求選用相應規(guī)格的鋼管加工。 815 m的淺孔可采用鑿巖臺車鉆注漿孔；當孔深超過15 m時，則應采用重型風鉆或鉆機鉆孔。6.2 6.2 輔助工程措施的施工輔助工程措施的施工 （3）注漿壓力應根據巖性、施工條件等因素在現場試驗確定

12、。注漿壓力是促使?jié){液在地層裂隙中流動擴散的一種動力，必須有足夠的壓力來克服水壓和地層裂隙阻力才能使?jié){液擴散充填，達到堵水和加固的作用。因此，注漿壓力應根據巖性、注漿目的、施工條件、涌水壓力等因素在現場試驗確定。注漿終壓一般為154 MPa。對于密實性好、顆粒較小的中、細、粉砂及砂黏土，注漿壓力可稍高些；在有特殊要求的地段，如為防止地表隆起影響地面建筑物安全時，注漿壓力應適當降低。注漿壓力一般應在現場試驗確定。6.2 6.2 輔助工程措施的施工輔助工程措施的施工 （4）注漿方式可選用前進式、后退式或全孔式，可根據涌水量大小及注漿孔的深度選用。當鉆孔中遇有較大涌水時，應暫停鉆孔，待再壓漿時，重復鉆

13、孔、注漿，這種注漿方式稱為前進式注漿。當鉆孔中涌水量較小時，則鉆孔可直鉆到設計深度，然后從孔底向孔口進行分段注漿，這種注漿方式稱為后退式注漿。鉆孔直接鉆至孔底，然后一次注漿完畢，這稱注漿方式稱為全孔一次注漿。6.2 6.2 輔助工程措施的施工輔助工程措施的施工 （5）注漿作業(yè)應符合要求。 注漿前應進行壓水或壓入稀漿試驗，判斷地層的吸漿和擴散情況，確定漿液種類、濃度和注漿壓力；發(fā)現與設計不符時，應立即調整。 在涌水量大、壓力高的地段鉆孔時，應先設置帶閘閥的孔口管，當出現大量涌水時，拔出鉆具，關閉孔口壁上的閘閥，做好準備后，進行注漿；當掌子面圍巖破碎時，應先設置止?jié){墻和孔口管。 止?jié){塞應能承受注漿

14、終壓的要求。 注漿施工記錄應包括孔位、孔徑、孔深、漿液配合比、注漿壓力、注漿量、跑漿、串漿等。 漿液的濃度、膠凝時間應符合設計要求。6.2 6.2 輔助工程措施的施工輔助工程措施的施工 （6）注漿結束的條件。 單孔結束條件。注漿壓力達到設計終壓并穩(wěn)定 10min，且進漿速度小于開始進漿速度的1/4，或注漿量不小于設計注漿量的80%。 全段結束條件。所有注漿孔均已符合單孔結束條件，無漏注情況。 （7）注漿后必須對注漿效果進行檢查，如未達到要求，應進行補孔注漿。 （8）注漿材料及漿液配合比應根據地質條件、注漿目的、注漿工藝等因素確定。6.2 6.2 輔助工程措施的施工輔助工程措施的施工 （9）注漿

15、后必須對注漿效果進行檢查，檢查的方法通常有以下三種： 分析法。 檢查孔法。 物探無損 檢測法。6.2 6.2 輔助工程措施的施工輔助工程措施的施工 對于粒徑在0.05 mm以下的粉砂及黏性軟弱地層或斷層地段，為節(jié)省注漿材料也可使用周邊劈裂預注漿或周邊短孔預注漿。周邊劈裂預注漿或周邊短孔預注漿均是沿隧道開挖輪廓線周邊布孔、注漿，所不同的是周邊劈裂預注漿是依靠漿液壓力，將原來沒有縫隙的地層壓裂成縫，然后使?jié){液充填、固結，從而達到加固地層和堵水的目的。周邊短孔預注漿只是固結開挖面周邊一定厚度的圍巖，使之形成一個薄殼，從而提高圍巖的整體性，防止漏渣坍塌或斷層泥（未固結或弱固結的泥狀巖石）軟化，堵住部分

16、地下裂隙水。6.2 6.2 輔助工程措施的施工輔助工程措施的施工地表砂漿錨桿地表砂漿錨桿5. 地表砂漿錨桿是指從隧道上方地表向下設置的砂漿錨桿。 錨桿一般采用1622螺紋鋼筋，由單根或多根鋼筋并焊組成，間距宜為1015m，呈梅花形布置。錨桿一般伸至距襯砌外緣0.5 m，錨孔直徑應大于桿體直徑30mm，充填砂漿強度不低于M20，以確保錨桿與圍巖黏合形成整體。對于錨桿設置范圍，縱向一般超出不良地質地段510 m，橫向為12倍隧道寬度。6.2 6.2 輔助工程措施的施工輔助工程措施的施工地表注漿地表注漿6. 地表注漿加固法是對隧道埋深小于50 m，圍巖穩(wěn)定性較差，開挖過程中可能引起塌方的不良地段，通

17、過從地面向下鉆孔注漿，對圍巖、地層進行預先加固的方法。 注漿孔一般豎向設置，注漿孔徑不小于110 mm，按梅花形或矩形排列布孔，孔深低于隧道開挖底10 m。6.2 6.2 輔助工程措施的施工輔助工程措施的施工其他措施其他措施7. （1）正面噴射混凝土。正面噴射混凝土是采用的臨時支護方法，可用早強水泥或普通水泥加速凝劑的噴射混凝土，一般在掌子面破碎、滲淋水嚴重的情況下使用，以防掌子面松弛，提高掌子面的自穩(wěn)性或作為止?jié){墻。 （2）護拱。護拱常用于明洞或溶洞空腔段、大塌方空腔段下方的襯砌外側，其作用是提高襯砌結構的承載力和拱背的防護能力，其結構厚度、形式應根據使用部位及擬達到的效果具體設計。 （3）

18、臨時仰拱。臨時仰拱是封閉斷面、減少變形最有效的方法。6.2 6.2 輔助工程措施的施工輔助工程措施的施工 （4）臨時支承。臨時支承種類較多，在掌子面發(fā)生擠出、不能自穩(wěn)，可能發(fā)生塌方或涌泥的地段，可采用錨噴支護、袋裝土封閉掌子面;當分部開挖圍巖變形大時，宜增設型鋼臨時仰拱或型鋼、方木斜撐；當采用全斷面開挖或正臺階開挖時，在圍巖變形較大、初期支護開裂嚴重、拆換拱圈襯砌的地段，可采用拱形剛架支承、扇形剛架支承。當拱部沉降明顯或地表沉陷要求嚴格時，可采用井形桁架、木垛支承。當需要對掌子面前方進行高壓注漿時，臨時止?jié){墻可采用5001500 mm厚的C15C20低強度混凝土擋墻或用沙袋土封閉。6.2 6.

19、2 輔助工程措施的施工輔助工程措施的施工 （5）墻式遮擋。墻式遮擋是在隧道兩側（或一側）從地表向下打入鋼管、形鋼、鋼板樁或修筑地下連續(xù)墻等遮擋壁式構造，以限制因隧道開挖造成圍巖松弛的范圍傳到遮擋壁以外，從而保證了地表建筑物的安全。6.2 6.2 輔助工程措施的施工輔助工程措施的施工 （6）超前水平旋噴樁法。在一些特殊的隧道，如有些城市淺埋暗挖隧道，隧道埋深淺、跨度大、地質條件差（如淤泥、流沙等）、地下水位高（隧道位于地下水位以下），隧道上方是交通繁忙的街道，還有縱橫交錯的管線，周圍又緊鄰高層建筑，這樣的隧道施工絕對不能發(fā)生坍塌，而且不允許產生過大的沉降。在這種情況下應在隧道開挖輪廓線以外設置一

20、環(huán)相互咬合的超前水平旋噴樁作為隧道超前支護和止水加固，它既可以防坍塌，又可以防止因隧道開挖而使地層過度失水引起地表沉降，是非常有利的一種新工藝。超前水平旋噴樁比常規(guī)的超前管棚注漿具有更強的適應能力，在止水加固、控制沉降方面具有比較明顯的優(yōu)勢。6.2 6.2 輔助工程措施的施工輔助工程措施的施工 （7）凍結法。凍結法主要適用于以下兩種情況： 在透水層中進行施工，必須要先進行降排水，在地層中形成降水漏斗后才能采用常規(guī)的方法進行施工，而降排水的過程需要耗費大量的電能；抽、排地下水會造成大面積的地面下沉，危害地面建筑的安全；地下水的抽、排必然損失寶貴的地下水。 在含水量較高的軟弱地層，一般采用小導管超

21、前注漿法、長管棚法、化學漿液法來加固土體，但是在飽和狀態(tài)的自穩(wěn)能力極差的流沙狀的粉細砂層里，上述方法難以奏效。6.2 6.2 輔助工程措施的施工輔助工程措施的施工 （8）特殊鋼背板頂進法。特殊鋼背板頂進法是穩(wěn)定開挖面的一種方法。它使用特殊加工的鋼背板，用千斤頂將其水平地壓入圍巖內，鋼背板有空隙的部位要用楔塊楔緊。此法需要設置推進基地，鋼背板需鋼支承支持。其前段成為懸臂梁，受到土壓后會下撓，故應注意其剛性及支承間距。 （9）錨索法。錨索法與地面砂漿錨桿大致相同，只是用柔性的錨索取代錨桿。錨頭應錨固在混凝土塊體上。6.2 6.2 輔助工程措施的施工輔助工程措施的施工 涌水處理措施6.2.2 隧道涌

22、水處理時應符合“預防為主，疏堵結合，注重保護環(huán)境”的原則。在選擇處置方案時，一定要考慮隧道周圍的環(huán)境條件，否則會后患無窮。根據現場情況，可選擇的施工方法有超前圍巖預注漿堵水、開挖徑向注漿堵水、超前鉆孔排水、坑道排水、井點降水、深井井點降水等。6.2 6.2 輔助工程措施的施工輔助工程措施的施工超前圍巖預注漿堵水超前圍巖預注漿堵水1. 超前圍巖預注漿堵水是指以堵水為目的，對掌子面前方未開挖段的圍巖進行注漿的措施。可根據地質條件和工程目的，選用超前帷幕預注漿、超前周邊預注漿、超前局部斷面預注漿等方式。其主要用于地下水豐富且排水時攜帶泥沙引起開挖面失穩(wěn)，或排水后對其他用水（如灌溉用水、工業(yè)用水、生活用水）、生態(tài)環(huán)境影響大，或斜、豎井施工時排水費用較注漿堵水高的情況。6.2 6.2 輔助工程措施的施工輔助工程措施的施工開挖徑向注漿堵水開挖徑向注漿堵水2. 開挖徑向注漿堵水是指隧道開挖后對隧道周邊暴露的股狀水、裂隙水、大面積淋水采用徑向圍巖注漿的方式進行堵水，以防止隧道排水對環(huán)境的影響。6.2 6.2