水平岩层隧道支护体系加固措施及施工工艺研究.doc

水平岩层隧道支护体系加固措施及施工工艺研究 石广全SHIGuang-quan （中铁四局集团路桥工程有限公司，长春130052） （ChinaRailway4thBureauGroupRoadandBridgeEngineeringCo.，Ltd.，Changchun130052，China） 摘要：合理的设计支护体系及合理的选择施工技术，可以节约支护成本，本隧道水平岩层的设计加固措施及施工工艺研究将为提高水平岩层隧道整体设计与施工技术水平和确保工程质量，提供理论依据和技术保障。 Abstract:Reasonablesupportingsystemdesignandreasonableselectionofconstructiontechnologycansavethesupportingcost.Thispaperstudiesthedesignofthetunnelhorizontalstratumreinforcementmeasuresandconstructiontechnology,whichcanprovidetheoreticalbasisandtechnicalsupportforimprovingtheoveralldesignandconstructionlevelofhorizontalstratumtunnelandensuringtheconstructionquality. 关键词：水平岩层；加固措施；施工工艺 Keywords:horizontalstrata；reinforcementmeasures；constructiontechnology ：U215.14：A ：1006-4311（xx）02-0115-04 0引言 水平岩层是指岩石层理发育且相对平行于隧道轴线，中铁四局集团路桥工程有限公司施工的东兴场隧道属水平岩层，围岩级别为、级，且岩层破碎，裂隙发育，每次钻爆作业完成后，位于拱顶120范围内的水平岩层极易坍塌，尤其是拱顶60范围内时刻危及作业安全，给隧道施工生产带来了极大的安全隐患。针对这一特点，该局采取如下施工方案对水平岩层进行加固处理，以保证施工安全及工程质量。东兴场隧道位于巴中市境内，为左右分离式隧道，左线起点里程为ZK141+020，终点里程为ZK141+785，长度为765米；右线起点里程为YK141+015，终点里程为YK141+810，长度为795米。隧道围岩级别为、级，主洞开挖断面为12.109.65m的马蹄形。 开挖前对岩体采用超前锚杆或超前小导管、小导管周壁预注浆的方法进行支护，开挖时采取小进尺的原则进行开挖作业，（每循环进尺1.0-1.2m）开挖工序完成后采用自进锚杆、注浆小导管混合法进行支护处理。对层理发育且破碎的水平岩层立即施作27中空注浆锚杆，打完一个孔立即进行注浆锚固，浆液中掺3%-5%的速凝剂及部分膨胀剂，快速形成抗拔能力。然后锁紧垫板螺母。由于拱顶水平岩层厚度不一致，锚杆长度过短达不到锚固效果，锚杆和水平岩层可能会一起坍落，故在拱顶60范围的锚杆长度宜选用4.0-4.5m，其它部位的锚杆长度可选3.5-4.0m。间距80cm梅花型布孔。锚固完成后，立即施作格栅钢架或工字钢支撑，同时安装网片，喷射C25混凝土，然后施作注浆小导管。注浆小导管注浆后可使破碎岩层得到良好的胶结，使之形成一体，对水平岩层起到一定的稳定作用，然后进行下一循环开挖支护工作。超前锚杆或超前小导管支护、小导管周壁预注浆、钢筋网喷射混凝土、格栅、钢支撑、自进锚杆、注浆小导管的施工工艺以现场施工为准。 1超前锚杆或超前小导管支护的方法 1.1超前锚杆或超前小导管预支护构造组成 在施工现场，对于超前锚杆和超前小导管来说，通常情况下是沿开挖轮廓线，以稍大的外插角，将锚杆或小导管安装在开挖面的前方，进而在一定程度上对前方围岩进行预锚固。 1.2超前锚杆或超前小导管设计要点 超前锚杆和超前小导管设计要点如下： 在施工过程中，根据围岩类别、施工断面大小、开挖循环进尺，以及施工条件等因素，进一步确定超前锚杆、超前小导管的直径、外插角等设计参数，通常情况下参照表1。对于超前长度，一般控制在循环进尺的3-5倍，搭接度控制在超前长度的40%-60%，也就是形成相应的双层或双排锚杆。 在设置超前锚杆（超前小导管）的过程中，需要对岩体结构面特性进行充分的考虑，一般情况下，将其设置在拱部，必要的情况下，可以设置在边墙的局部。对于超前锚杆、超前小导管，其两排纵向的水平投影，其搭接长度要超过1.0m，如图2所示。 在支护超前锚杆、超前小导管的过程中，通常情况下，需要与钢拱架支撑进行配合使用，同时从钢拱架腹部穿过。采用早强锚固剂锚杆对超前锚杆进行处理，进而在一定程度上使其提早发挥超前支护的作用。在安设前需要对小导管的尺寸进行核实检查，对于钢管顶入钻孔长度通常情况下要超过小导管长度的90%；在安装误差方面，根据要求，超前锚杆的孔位偏差控制在10cm，外披毛戴角控制在1-2，与设计长度相比，锚入长度不小于其96%。 为了进一步增加共同支护作用，对于超前锚杆、超前小导管来说，通常情况下应置钢架腹部或焊接于系统锚杆尾部的环向钢筋。根据围岩具体情况，可以采用双层或三层超前支护对超前锚杆进行处理。 2小导管周壁预注浆的方法 2.1超前小导管注浆构造 在对超前小导管进行预注浆处理前，通常情况下需要对开挖面及5m范围内的坑道喷射混凝土，其厚度一般为5-10cm，或者采用模筑混凝土进行封闭处理，然后以一定角度沿开挖外轮廓线将带小孔的小导管向前打入管壁，并将具有胶结作用的浆液以一定压力压注到管内，其注浆压力一般为0.5-1.0MPa，待浆液硬化后，坑道周围岩体能得到预加固，进而在一定程度上形成加固圈。对于加固层来说，通常起到超前预支护的作用，在支护的保护下，可以安全地组织开展开挖作业。在小导管前端可焊一个钻头，可钻孔与插管一次完成，这种小导管称为自进式注浆锚杆。 2.2超前小导管周壁预注浆的设计要点 超前小导管周壁预注浆可根据围岩地质条件、施工条件、技术水平和机械设备能力等参照下列技术要求和参数进行设计： 小导管外径可根据钻孔直径选择，采用42mm热轧无缝钢管加工制作小导管，单根长度控制在4.5m；管壁交错钻眼的间距控制在10-20cm，并且眼孔直径为6-8mm。与管径相比，钻孔直径要超过其2.0cm；环向间距控制在30-40cm，外插角控制在10-30，以10-30的外插角沿隧道纵向开挖轮廓线向外钻孔。 在灌注过程中，浆液可以选择水泥砂浆或水泥水玻璃，现场通过试验进一步确定浆液配合比；按照水灰比0.8：1-1.5：1，或者体积比1：0.3-1：1的比例对水泥与水玻璃浆进行混合。采用水泥浆液时，其水灰比为0.8：1-2：1，同时可以加入食盐、三乙醇胺速凝剂等外加剂，进一步缩短凝结时间。注浆压力一般控制在0.5-1.0MPa，在必要的情况下，可以在孔口设置相应的止浆阀。对于止浆阀来说，按照规定，需要能够承受最大的注浆压力或水压等。在开挖过程中，止浆墙的保留长度控制在1.5-2.0m，通过设置止浆墙在一定程度上可以防止下一次注浆时孔口发生跑浆。 沿隧道纵向两组小导管间有不小于1.0m的水平搭接长度，环向间距为20-50cm。对于注浆钻孔来说：需要确保孔壁圆、角度准、孔身直，以及清洗干净岩粉等。当卡钻严重，或者孔口不出水时，在这种情况下需要停止钻孔，同时安设相应的注浆管进行注浆。根据地质条件、岩性、施工条件等因素，在现场根据试验确定注浆压力。 注浆方式主要包括前进式、后退式或全孔式，选用何种注浆方式需要根据围岩类别、地质条件、机械设备及注浆孔深度等因素进行确定。注浆顺序：先注内圈孔，后注外圈孔；先注无水孔，后注有水孔；从拱顶顺序对称向下进行。在注浆过程中，如果遇窜浆或跑浆，在这种情况下，可以间隔一孔或数孔进行灌注。注浆结束后，借助止浆阀保持孔内压力，直到浆液完全凝固。小导管布置方法：级围岩劈裂、压密注浆时采用单排管；地下水多的松软层，可采用双排管以上的多排管；大断面或注浆效果差时，可采用双排管进行处理。为了便于连接注浆管，插入钻孔的小导管需要外露一定的长度，导管周围的孔隙通过塑胶泥进行封堵。 注浆机具设备性能良好，工作压力要满足注浆压力及使用上的要求，操作要简便，并要进行现场试验运转。地层条件和注浆范围要求影响并制约注浆压力，通常情况下，单管注浆扩散范围一般为管周0.5-1.0m。同时对注浆量进行控制，当每根小导管内已达到规定注入量时，这时就可以结束注浆。 根据导管密度确定浆液扩散半径。由于注浆范围会出现相互重叠，在这种情况下，可按式（1）计算扩散半径Rk： Rk=（0.6-0.7）L0（1） 式中：L0小导管之间中心距离。 单根小导管的浆液注入量Q1可按式（2）估算： Q1=Rk2l（2） 式中：Rk浆液扩散半径（m）； l导管长度（m）； 岩体孔隙率。 完成注浆后，对于注浆效果，通常需要做一定数量的钻孔检查或用声波探测仪进行检查，如果没有满足要求，这时需要进行补浆。注浆后根据浆液的种类，等待4（水泥水玻璃浆）-8h（水泥浆）方可开挖，按照设计循环进尺实施开挖，同时需要保留一定长度的止浆墙，通常为1.5-2.0m。 根据地质条件及涌水情况，进一步确定注浆材料。在断层破碎带和砂卵石地层，当水裂隙宽度超过1mm，这时需要优先选用水泥类浆液和水泥一水玻璃浆液对地层进行加固；在断层泥地带，当裂隙宽度（粒径）小于1mm时，加固注浆宜优先选用水玻璃类和木胺类浆液；在中、细、粉砂层及细小裂隙岩层、断层地段，宜采用渗透性好、低毒及遇水膨胀的化学类浆液如聚胺脂类。另外，对于不透水的粘土层，宜采用高压劈裂注浆。 3钢筋网喷射混凝土 3.1钢筋网喷射混凝土施工要点 钢筋网喷身混凝土施工要点如下： 钢筋网是喷射混凝土前挂设在岩面上的，然后再喷射混凝土。目前，我国在各类隧道工程中应用其作支护的较多，主要用于与锚杆或钢拱架构成联合支护结构。 钢筋网通常应环向和纵向布置。环向筋一般为受力筋，由设计计算确定，钢筋直径8mm；网格尺寸为25cm25cm。 根据被支护围岩面上的实际起伏形状铺设相应的钢筋网，先初喷一层混凝土，然后铺设钢筋网。在间隙方面，钢筋网与岩面或与初喷混凝土面之间需要控制在3-5cm，钢筋网保护层厚度超过3cm，对于有水部位需要超过4cm。钢筋用前应清除污锈。 为便于挂网安装，常将钢筋网先加工成网片，长宽尺寸可以为100-200cm。 钢筋网应与系统锚杆或锚钉头连结牢固，并尽可能多点连接，以减少喷混凝土时使网筋发生“弦振”现象。锚钉的锚固深度要超过20cm，进而在一定程度上确保连接的牢固性、可靠性。 在开始喷射时，需要对喷头与受喷面之间的距离进行适当的调整，并且选择适当的喷射角度，使钢筋网背面混凝土达到密实。对于干燥土质隧道，第一次喷射一定不能太厚，否则会鼓起及剥落等。 在砂层地段，应注意要紧贴砂层铺挂细钢筋网，并用22mm环向钢筋压紧，再喷射混凝土。在正式喷射前先喷一层加大速凝剂掺量的水泥砂浆，并适当减少喷射机的工作风压。 在有水地段，应调整配合比，适当增加水泥用量；先喷干混合料，与涌水融合后，再加水喷射。喷射距离由远而近，逐渐逼近涌水点，然后在涌水点安设导管将水引出，再在导管附近喷射。 当涌水落石出范围较大时，可设树枝状排水肓沟再喷射；当涌水严重时，可设置泄水孔，边排水边喷射；当涌水点不多时，可用开缝摩擦锚杆进行导水处理后再喷射。 3.2减少粉尘和回弹量的措施 减少粉尘和回弹量的措施如下：严格控制喷射机的工作风压。合理选择喷射混凝土配合比；适当减小最大集料的粒径；使砂石料具有一定的含水率，呈潮湿状。有条件时，宜掺和粉尘抑制剂。掌握好喷头处的用水量，提高喷射作业施作熟练水平和喷射施工的技术。采用特殊结构的喷头（如提前加水、双水环、三水环等）。采用湿喷工艺施工。 3.3喷射混凝土中钢筋网的施工要点 喷射混凝土中钢筋网的施工要点如下： 钢筋使用前，应清除污锈。钢筋网在施工现场预制点焊成网片，也可就地绑扎相结合。 成品钢筋网安设时，其搭接长度不小于200mm；钢筋网在岩面喷一层混凝土后铺设；采用双层钢筋网时，第二层钢筋网应在第一层钢筋网被混凝土覆盖后铺设。 钢筋网应与锚杆、钢拱架或其他锚定装置联结牢固，喷射时钢筋网不得晃动。 4格栅 4.1格栅的构造 格栅的刚度适中，容许围岩适度变形，又能及时提供支护阻力，限制围岩过大的变形，以防止崩塌。节约工程造价。因为格栅是由普通钢筋加工而成，材料广泛，加工工艺简单，不会因切割、弯曲、焊接加工等工艺流程而使成品价格增加。质量轻、便于施工安装。能很好地随混凝土一起与围岩密贴，支护效果好。便于与其他支护手段配合使用。 4.2格栅的施工 准备。格栅所用钢材进场时按批量和型号分批试验。检验内容包括对标志、厂家、品种等进行检查，并按规定抽样做力学性能试验，符合要求才能使用。加工。以过格栅设计图重新确认无误后，进行实地放样，先加工一榀完整的格栅现场拼装，检查其尺寸、焊接等，符合要求后再批量加工。在架立时应注意的事项： 1）格栅的纵向间距，一般为0.6-1.2m，且不宜大于1.2m，两榀格栅之间应设置为20-22mm的钢拉杆。 2）接头是格栅的施工薄弱处，因此应尽量减少接头数量。 3）格栅接头通常用连接板和螺栓连接，并要求易于安装。 4）为防止格栅承载下沉，格栅下端应设在稳固的地层上，格栅底脚埋入底板深度不应小于15mm。 5）开挖下台阶时，为防止格栅拱脚下沉、变形，根据需要在拱脚下可设纵向托梁，把几排格栅连为一整体。 5钢支撑 钢支撑为刚性拱架，多用工字钢制造。这种支撑的刚度和强度大，可作临时支撑并单独承受较大的围岩压力，也可设于混凝土内作永久初砌的一部他。在水平岩层等需要立即承载的场合使用较多。 6系统锚杆 6.1锚杆在水平岩层中的作用和效果支承围岩。锚杆限制约束围岩变形，并向围岩施加压力，从而使处于二维应力状态的洞室内表面附近的围岩保持三维应力状态，因而能制止围岩强度的恶化。加固围岩。由于系统锚杆的加固作用，使围岩中，尤其是水平岩层得以联结，因而增大了锚固区围岩的强度，成为“加固带”。提高层间摩阻力，形成“组合梁”。对于水平缓倾斜的层状围岩，用锚杆群能把数层岩层连在一起，增大层理间摩阻力，形成“组合梁”。 6.2如何发挥锚杆的群锚作用锚杆是属于点状支护的类型。除了随机配置的锚杆外，绝大多数都应呈网状配置，以便发挥群锚的作用。 6.3锚杆施工的一般规定水平岩层的隧道开挖必须遵循小进尺的原则，开挖后，要尽快安设锚杆；锚杆的孔位、孔径及布置形式要符合