隧道预支护技术分类及技术特点

隧道预支护技术分类及技术特点

超前预支护技术在破碎或松散地层、自稳能力差的隧道施工中被广泛采用。所谓的超前预支护，就是隧道开挖之前，在掌子面前方的自然地层设置一个像拱壳的连续体，使其既加固掌子面前方的自然地层，同时利用初期支护又保持自然地层的特性，从而保证掌子面及地层的稳定，减少地表沉降量。早期的隧道施工，预支护的形式主要为打插钢板、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、水平旋喷注浆、机械预切槽法和超前管棚法。1超前锚杆

超前锚杆是沿隧道开挖面外轮廓钻孔，插入钢筋杆体并用水泥砂浆使杆体与围岩固结成整体。超前锚杆

隧道开挖后，杆体及周边固结的部分围岩支承上覆岩土体，防止围岩坍塌，减少洞室变形。在破碎岩石地层中，该方法工艺简单，造价低，应用十分广泛。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；同时因为一次施作距离短，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。

(1)布置原则超前锚杆的安装必须作为开挖循环的一个组成部分来完成，旨在作为超前预支护及加固岩体的作用。超前锚杆的设置充分考虑岩体的结构面特性和围岩地质情况。超前锚杆外插角：10~30°。超前锚杆纵向两排的水平投影应有不小于100cm的搭接长度。超前锚杆尾端一般焊接在钢拱架上，以增强共同支护作用。(2)施工工艺材料加工与锚孔布置：锚杆除锈调直；按设计标孔位。钻孔：准确控制外插角，以防增加超欠挖。注浆：先用水和稀浆湿润管路，再开始注浆。插入锚杆：迅速将锚杆插入眼孔，并用锤击方法插至孔底，再用木楔堵塞孔口，防止砂浆流失。清洗整理注浆用具：除掉砂浆，以备下一循环使用。2超前小导管超前小导管与超前锚杆所不同的是将钢筋杆体改为空心钢管，通常管径36~50mm，管壁预留注浆孔，管口止浆封面后，注入水泥浆。压力注浆渗透扩散管周较大的砂土体。管周注浆固结体形成一定厚度的隧道加固圈后，实现超前支护的目的。该方法工艺简单，造价低，特别是砂、土质松软地层中，应用十分广泛。但因其一次施作距离短，预支护刚度小，在地层压力大，地层位移控制要求严时，也限制了它的应用。钻孔15°小导管钢支撑0.2ma<40cmrrb(取30cm)3.5~6.0m管箍(φ6钢筋加焊)出浆孔1.5m不钻孔0.2mφ25~35mm有缝钢管小导管常与格栅钢架共同组成支护系统。小导管起双重作用：一是起超前管棚作用，二是起注浆管的作用，通过注浆，加固软弱围岩。浆液扩散半径的确定：扩散半径不是浆液在地层中扩散的最远距离，而是指浆液能符合设计要求的扩散距离。考虑到注浆扩散范围相互重叠的情况，可按下式计算：R=(0.6~0.7)L0

，其中L0为导管中心间距(m)。(1)基本原理及注浆范围注浆量确定：先计算出单孔注浆量，然后乘以注浆管数即可得：

式中，Q——注浆量(m3)；N——注浆管数量(个)；

R——浆液扩散半径(m)；L——注浆长度(m)；

n——围岩孔隙率(%)；

α——浆液充填系数，一般取0.7~0.9；

β——注浆材料损耗系数，常取0.1左右。(2)注浆材料断层破碎带及及砂卵石地层层，当裂隙宽宽度（或粒径径）大于１mm或渗透系数大大于5×10-4m/s时，应采用料料源广且价格格便宜的注浆浆材料。一般般对于无水的的松散地层，，宜优先选用用单液水泥浆；对于有水的的强渗透地层层，则宜选用用水泥－水玻璃璃双浆液，以控制注浆浆范围。细、粉砂层、、断层带，当当裂隙宽度(或粒径)小于1mm，或渗透系数数k≥10-４m/s时，注浆材料料宜优先选用用水玻璃类和木胺类或超细水泥浆液。各种浆材的适适用范围采用水泥浆液液时，水灰比比可采用0.5:1~1:1，需缩短凝结结时间，则可可加入氯盐、、三乙醇胺速速凝剂。采用水泥－水水玻璃浆液时时，水泥浆的的水灰比可用用0.5:1~1:1；水玻璃浓度度为25~40ººBe，水泥浆与水水玻璃的体积积比宜为1:1~1:0.3。(3)注浆孔口最高压力力应严格控制制在允许范围围内，以防压压裂开挖面，，注浆压力一一般为0.5~1.0MPa，止浆塞应能能经受注浆压压力。注浆压压力与地层条条件及注浆范范围要求有关关，一般要求求单管注浆能能扩散到管周周0.5~1.0m的半径范围内内。要控制注浆量量，即每根导导管内已达到到规定注入量量时，就可结结束；若孔口口压力已达到到规定压力值值，但注入量量仍不足，亦亦应停止注浆浆。注浆结束后，，应做一定数数量的钻孔检检查或用声波波探测仪检查查注浆效果，，如未达到要要求，应进行行补注浆。注浆后应视浆浆液种类，等等待4h(水泥－水玻璃璃浆)~8h(水泥浆)方可开挖，开开挖长度应按按设计循环进进尺的规定，，以保留一定定长度的止浆浆墙。超前小导管施施工简易，应应急速度快，，比超前锚杆杆支护能力大大；比管棚简单易易行、灵活、、经济、施工工速度快，但但支护能力较较弱；格栅内空间被被喷射混凝土土充填，其表表面被覆盖，，所形成的初初期支护具有有较强的承载载能力，并有有一定的防水水性能；与围岩紧密粘粘结，形成一一个刚度较接接近的共同变变形体，易形形成有效的压压力拱，使隧隧道结构受力力条件趋于合合理。(4)特点3水平旋喷注浆浆喷射注浆法，，又称旋喷法法，分为垂直直和水平旋喷喷注浆两种方方法。水平旋旋喷注浆的施施工原理类似似于垂直旋喷喷注浆，只是是一个为水平平一个为垂直直。其施工方方法为，首先先使用旋喷注注浆机，沿着着隧道掌子面面周边的设计计位置旋喷注注浆形成旋喷喷柱体，通过过固结体的相相互咬合形成成预支护拱棚棚。一般每根旋喷喷体，首先通通过水平钻机机成孔，钻到到设计位置以以后，随着钻钻杆的退出，，用水泥浆或或水泥－水玻玻璃双浆液旋旋喷注入钻成成的孔腔，通通过高压射流流切割腔壁土土体，被切割割下的土体与与浆液搅拌混混合、固结形形成直径600mm左右的固结体体，同时周围围地层受到压压缩和固结，，其土体的物物理力学性能能得到一定程程度的改善。。旋喷柱体沿隧隧道拱部形成成环向咬合、、纵向搭接的的预支护拱棚棚，在松散不不稳定地层隧隧道中，可有有效控制坍塌塌和地层变形形。水平旋喷喷注浆桩的应应用在我国还还不是很广，，旋喷桩抗弯弯性能不强，，施工控制的的难度较大，，特别是目前前我国的水平平旋喷钻机性性能尚未过关关，制约了水水平旋喷预支支护技术的应应用和发展。。它主要适用于于粘性土、砂砂类土、淤泥泥等地层。（a）意大利产重重型水平选喷喷钻机（b）1983年研制的轻型型水平选喷钻钻机（c）三一重工2008年产中型水平平选喷钻机4械预切槽法机械预切槽法法首次应用于于20世纪70年代法国巴黎黎快速轨道运运动系统的一一个车站的建建造工程中。。它是利用专专业的切槽机机械，沿隧道道外轮廓切割割一定深度的的切槽。切槽槽方式有带锯锯式和排钻式式两种。在硬硬岩地层中，，利用该切槽槽，作为爆破破振动的隔振振层，主要起起隔振或减振振的目的。在在软石或砂质质地层中，在在切槽内填筑筑混凝土，形形成预支护拱拱，提高隧道道稳定性。机械切槽预支支护，在国外外已有多次成成功应用的实实例，取得了了较好的经济济和社会效益益。在国内，，软岩锯式切切槽机尚在研研制当中。在安全稳定的的作业环境下下，用挖掘机机或臂式掘进进机开挖前作作业面。自卸卸汽车或翻斗斗车可穿行于于预切槽机内内。必要时，作业业面装以玻璃璃纤维锚杆，，以稳定作业业面。随后在在作业面上喷喷混凝土。紧随其后，安安装隧道防水水层，进行二二次衬砌。作业过程如下下：用预切槽锯沿沿隧道外廓弧弧形拱深切一一宽15~30cm、长约5m的切槽。在切槽内立即即填充高强度度喷射混凝土土，形成长3~5m的整体连续拱拱，两次连续续拱的搭接长长度为0.5~2.0m，视围岩的不不同而定。①可减轻在硬岩岩爆破时，振振动的扩展；；②在作业面面开挖前，快快速建成一临临时的整体弧弧形拱，从而而减小围岩变变形与地表沉沉陷；③为人人员和设备提提供清洁、安安全的工作条条件；④有利利于作业全过过程的工业化化及机械化，，从而使进度度快速均衡，，适应性增强强，大大节约约了成本。机机械预切槽法法在硬岩地层层中应用的最最大弱点是推推进速度慢，，较适合用于于市区隧道工工程、松散地地层和大断面面隧道。机械预切槽法法的优点5超前管棚大管棚(一般管径70~180mm，长度10~30m)是指开挖掘进进前在隧道开开挖工作面的的上半断面(呈扇形)或全部沿隧道道断面周边间间隔一定距离离用大型水平平钻机钻孔，，钢管跟入或或向孔内压入入钢管而形成成钢管群体。。为提高钢管管刚度常向管管内灌注混凝凝土或钢筋笼笼混凝土。由由于一次施作作距离大，支支护刚度大，，它能有效控控制土质围岩岩的下沉松驰驰和坍塌，好好地控制地表表沉降量，在在城市地铁施施工中广泛应应用。a)管棚的环向布置b)管棚钢管纵向错接c)钢管端部横向联接钢管型号的选选择：根据实际地层层和技术经济济因素分析，，土体凝聚力力较高的粘性性土，可选取取φ89mm；一般土层在在多数情况下下选取φ108mm型钢管。间距的选择：：对于松散地层层，钢管间距距应适当缩小小，考虑钻进进等因素，选选择间距在0.1~0.2m为宜；一般地地层选择间距距为0.3~0.4m；土体凝聚力力较高的粘性性土也可适当当加大。(1)支护参数的选选择支护掘进步距距的选择：管棚支护掘进进步距过小，，会增加工序序转换时间，，影响施工效效率；管棚支支护掘进步距距过大，又可可能会产生塌塌帮等安全事事故，根据实实际地质条件件，掘进步距距应确定在1.0~2.0m。支护长度的选选择:管棚支护长度度越长，越能能节省辅助时时间，提高施施工效率，但但是由于受到到钻孔机具、、钻进技术和和钢管柔性弯弯曲等条件限限制，如果管管棚支护长度度过长，就很很难确保管棚棚的水平角度度和排列整齐齐，从而影响响施工质量，，一般根据不不同地质条件件管棚支护长长度选择为10~30m。仰角的确定:因土层松软及及钻杆重力，，管棚在钻进进过程中要发发生向下弯曲曲，在开孔钻钻进时要有一一定的上仰角角度。如果上上仰角度过小小，管棚会因因向下弯曲而而进入隧道区区域，在隧道道掘进时需要要将钢管割去去，从而严重重影响隧道掘掘进速度和安安全；如果上上仰角度过大大，使管棚远远离隧道外径径而失去支护护作用，而且且使管棚有效效支护长度缩缩短。为此需需要选择合适适的管棚上仰仰角度(一般1~5°)。工作室施工：：隧道开挖至设设计工作室里里程后，将隧隧道标准断面面扩大到管棚棚工作室断面面。预制导向架，，安装导向管管：架立导向架，，并按设计角角度将导向管管焊接到导向向架上，确认认无误后，封封堵导向管管管口加以保护护，再用喷射射混凝土将导导向架与工作作室构成整体体。工作面处理：：掌子面上挂网网喷混凝土，，封闭掌子面面，并作为注注浆的止浆墙墙，确保管棚棚施工中工作作面安全。(2)施工工艺钻机就位：：用仪器量测测导向管，，固定钻杆杆转轴，使使之与钻杆杆共线。钻孔：用低档开钻钻，钻到一一定深时，，接杆继续续钻进，经经常复核钻钻孔角度，，确保钻孔孔方向，若若发现偏斜斜，及时高高速处理。。插入导管：：插前应对每每个钻孔的的管子配管管编号，保保证同一断断面上钢管管接头数≤≤50%。孔口密封处处理：注浆前对管管口与孔口口间空隙密密封，防止止水泥浆外外渗。导管注浆：：通过注浆，，即可增强强导管刚度度，又可使使浆液渗入入周围地层层，加固地地层。大管棚刚度度大、结构构强度高、、所形成的的拱棚承载载能力强；；一次支护长长度大，可可以减少超超前支护的的次数，缩缩短施工时时间；由工程经验验得知，大大管棚预注注浆支护效效果可靠，，劳动消耗耗量相对较较少，虽然然材料费用用要高些，，但安全系系数也能相相对提高，，可望能有有效地保持持隧道周边边围岩的稳稳定，提高高施工安全全。(3)技术特点6管幕预支护护技术美国是最早早采用管幕幕技术的国国家，在1922~1947年间，美国国采用管幕幕法累计完完成铺管工工程830项，铺管总总长度16800m。20世纪50年代开始长长距离管幕幕，20世纪70年代出现了了小口径管管幕，以1977~1984年下水道敷敷设看，短短距离、手手挖式的一一次顶进方方法占半数数以上，长长距离的管管幕施工方方法、半盾盾构方法则则逐渐增加加。美国1990年以前是液液压管幕占占主导，随随着气动钢钢管顶打技技术出现，，迅速发展展并取代液液压，液压压管幕已由由1990年的80%迅速降为1994年的40%。6.1国外管幕技技术的发展展日本自20世纪70~80年代下水道道敷设中，，直径1000~1850mm者大部分是是管幕，直直径大于2000mm的多用衬砌砌盾构施工工法，顶进进施工法其其施工管道道长度占下下水道总长长度的6.3%，另外盾构构法占2.3%，而明挖施施工法占36%。各种工法法如铁鼠掘掘进机施工工法、水平平螺旋钻施施工法、鼹鼹鼠式掘进进机施工法法、土箭施施工法应运运而生。微型机械施施工法能使使原先不可可能的小口口径管幕进进行长距离离转弯施工工，且比较较经济。施施工机具主主要分为压压入式、水水平螺旋钻钻机、水平平钻孔、泥泥浆加压式式施工，其其中前两种种使用较多多且可修正正方向。20世纪90年代日本super-mini施工法协会会开发的适适于大、中中口径1600～3000mm的长距离管管幕施工法法，即覆膜膜管幕法又又一次飞跃跃地提高了了管幕一次次顶进的最最大距离。。日本还自自行研制开开发了闭水水性、耐酸酸性好的钢钢筋混凝土土管、聚乙乙烯塑料管管、铸铁管管、增强塑塑料管等专专用规范管管材。英国管幕技技术发展也也较快，1980年从日本引引进泥水平平衡式管幕幕机械与当当时西德合合作施工的的一条内径径为2489mm，长度为3.2km的管道已获获成功，且且曾达到不不用中继间间最大顶距距178m的记录。德国在大口口径管顶进进方面技术术比较先进进，一次顶顶进最长2.2km，最大直径径4.4m，如VS864掘进系统，，用感应式式激光屏幕幕显示顶进进位置，采采用快速运运行的液压压千斤顶推推顶，每天天进尺达40~50m。1970年的德国汉汉堡下水道道管幕工程程是世界上上首次一次次顶进超千千米的混凝凝土管幕工工程，1987年完成的西西柏林供热热水钢筋混混凝土管道道，内径4.1m，一次顶进进1088m，工程总长长3607m。在小口径径管幕方面面：施密特特克朗茨有有限公司开开发了一种种新的PBA38型顶压钻进进设备可有有效控制敷敷设接户支支管以及最最大内径DN300mm的管道且目目标精度高高，管接口口为双层密密封。6.2国内管幕技技术的发展展管幕施工法法是中国最最早使用的的非开挖施施工方法，，1953年首次用于于北京西郊郊行政区污污水管工程程，采用人人工挖掘顶顶进直径900mm管径的铸铁铁管。随后后，上海等等城市也相相继采用这这一技术，，但都是手手掘式管幕幕，设备也也较简陋。。20世纪纪70年代代，，为为适适应应大大口口径径管管道道穿穿越越江江河河的的需需要要，，我我国国开开始始发发展展长长距距离离顶顶进进技技术术。。1978年研研制制成成功功的的三三段段双双铰铰型型工工具具管管解解决决了了百百米米管管幕幕技技术术，，同同年年，，上上海海又又成成功功开开发发适适于于软软粘粘土土和和淤淤泥泥质质粘粘土土的的挤挤压压法法管管幕幕，，比比普普通通手手掘掘式式管管幕幕效效率率提提高高一一倍倍以以上上。。从20世纪纪80年代代开开始始，，管管幕幕技技术术在在中中国国有有了了很很大大发发展展。。1981年在在穿穿越越甬甬江江的的管管道道工工程程中中，，第第一一次次应应用用中中继继间间获获得得成成功功，，顶顶进进长长度度达达581m，成成为为当当时时继继美美国国依依里里诺诺斯斯州州一一次次顶顶进进585m之后后，，世世界界一一次次顶顶进进最最长长的的管管幕幕工工程程。。20世纪纪90年代代我我国国的的管管幕幕技技术术已已处处于于世世界界先先进进水水平平。。1992年上上海海研研制制成成功功国国内内第第一一台台加加泥泥式式φ1440mm土压压平平衡衡掘掘进进机机，，在在奉奉贤贤排排污污工工程程中中，，直直径径DN1600mm钢筋筋混混凝凝土土管管一一次次顶顶进进1511m，创创单单向向一一次次顶顶进进混混凝凝土土管管的的世世界界记记录录。。1996年底底又又设设计计成成功功可可调调换换止止水水带带的的中中继继间间在在上上海海黄黄浦浦江江上上游游引引水水工工程程中中，，将将内内径径3500mm的钢钢管管，，单单向向一一次次顶顶进进1743m，再再创创世世界界之之最最，，该该工工程程地地面面用用微微机机监监控控，，采采用用无无线线电电通通讯讯手手段段传传达达到到地地下下，，可可随随时时调调整整其其偏偏差差，，减减轻轻人人工工负负担担且且确确保保施施工工精精度度，，目目前前我我国国管管幕幕工工程程的的管管幕幕直直径径之之大大、、顶顶进进长长度度之之长长均均属属世世界界领领先先水水平平，，已已具具备备一一次次顶顶进进3000m管道的能能力。管幕技术术显著的的优越性性使它得得到了广广泛的应应用，在在给排水水工程、、煤气热热力工程程、通信信电缆和和发电厂厂循环水水冷却系系统中采采用管幕幕施工法法的愈来来愈多，，从经济济效益和和社会效效益、环环境效益益，及三三者综合合比较来来看，管管幕施工工明显具具有实际际的可用用性。6.3管幕预支支护技术术考虑到流流塑状淤淤泥质含含水地层层，浅埋埋和城市市环境(周边建筑筑物和地地下管线线)等因素，，把隧道道暗挖施施工对环环境安全全、对地地面交通通和既有有建筑物物的干扰扰减少到到最低程程度，超超前预支支护是一一项重要要的工程程技术措措施。传传统的超超前预支支护刚度度较小、、一次施施作距离离短，而而管幕预预支护中中的钢管管一般直直径为200~2500mm，一次施施作距离离长，这这种支护护钢管可可作为整整个支护护结构的的一部分分，因此此又称为为结构性性管棚。。6.3.1管幕用作作隧道预预支护应应用现状状北京地铁铁五号线线崇文门门站总长长202.9m，两端为为两层三三拱结构构，中间间下穿既既有环线线地铁区区间段，，为单层层三拱结结构，既既有线区区间结构构底板与与车站单单层断面面顶部净净距2.858m。由于既既有区间间地铁轨轨道允许许沉降小小，传统统的超前前支护技技术不能能控制车车站暗挖挖施工引引起的过过量地层层位移。。因此，，采用了了双排φ600大直径钢钢管，长长28m一次施作作；振动动锤夯入入，螺旋旋钻出土土的施工工方法，，取得了了工程的的预期效效果。(1)北京地铁铁五号线线崇文门门站穿越越既有地地铁段北京地铁铁五号线线东四站站穿越朝朝内菜市市场段，，为严格格控制暗暗挖施工工沉降，，采用φ159长50.54m、间距0.5m拱部大管管棚预支支护。由由于该区区段管棚棚一次施施作长度度大，普普通钻机机无法施施作，采采用地质质钻机引引孔、振振动锤夯夯入、管管内高压压水出土土的施工工方法，，也取得得了工程程的预期期效果。。(2)北京地铁铁五号线线东四站站穿越地地面建筑筑物段6.3.2管幕预支支护的特特点因管幕钢钢管顶入入时，正正面土体体封闭形形式、开开挖方法法和出土土方式的的不同，，形成了了不同类类别的管管幕施工工方式，，但均遵遵循一个个共同的的原理，，即无论论是否使使用工具具管，首首节切入入管均是是切土顶顶进，切切入段的的长度视视地层松松软和稳稳定性的的不同而而不同，，如采用用全长切切土顶入入。因此此，管幕幕施工自自身对地地层扰动动极小，，施工安安全可靠靠。管幕幕作为隧隧道施工工的预支支护，管管幕自身身施工遵遵守着预预支护原原理。因因此：(5)高精度的的管幕机机研制或或购置费费用较高高，但作作为隧道道预支护护一次顶顶进长度度较短时时，其精精度要求求相对较较低，也也可采用用较为简简单的正正面土体体开挖方方法和出出土方式式。(2)可以在不不采用气气压振动动条件下下，使钢钢管顶入入，不扰扰动砂土土和淤泥泥地层；；(3)可以在既既有建筑筑物邻近近施工，，小直径径管自身身顶入施施工引起起的地表表沉降通通常可控控制在3mm以内，一一般不需需对建筑筑进行基基础托换换和地下下管线改改移；(4)预支护钢钢管埋入入土体不不能再回回收，成成本较高高；(1)该工法施施工时无无噪音和和震动，，不影响响城市道道路交通通；6.3.3施工步骤骤(1)工作面封封闭或加加固处理理对待预支支护的隧隧道或导导坑工作作面进行行封闭。。(2)推进基坑坑或反力力座准备备根据所采采用推进进设备的的作业要要求，铺铺设推进进机作业业轨道或或修筑顶顶力后背背，以及及顶入管管的安装装，存放放场地。。(3)推管利用推进进设备，，将整长长或分节节管推入入地层，，形成管管幕的预预支护拱拱。(4)隧道