第八章-特殊地质条件下的隧道预支护设计课件

地下结构设计原理与方法

我愿宣扬的信条是艰苦奋斗的生活，而不是卑微低下的安逸。美国政治家罗斯福.T.地下结构设计原理与方法我愿宣扬的信条是艰苦奋斗的生活，而不是1地下结构设计原理与方法

第八章特殊地质条件下的隧道预支护设计特殊地质条件地段：①不良地质作用地段：滑坡、崩塌、岩堆、泥石流、溶洞。②浅埋、偏压地段：不能形成拱效应。处理措施：隧道开挖之前采取加固或支护措施，即预支护。隧道预支护指：预先设于隧道轮廓线以外一定范围内的支护，或与开挖面后方的支架等共同组成的支护系统。预支护类型：超前锚杆、小导管注浆、管棚。适用条件及技术要求如下：地下结构设计原理与方法第八章特殊地质条件下的2地下结构设计原理与方法

预支护类型

表8.1

类型适用条件技术要求超前锚杆Ⅳ～Ⅴ级围岩，开挖临空后的数小时内可能剥落或局部坍塌沿拱上部的纵向或沿拱脚的横向设砂浆锚杆小导管注浆Ⅴ级围岩自稳能力低沿拱上部的纵向或沿拱脚的横向设Ф42～50mm、长3～5m花管，管内注浆管棚Ⅴ、Ⅵ级围岩，无自稳能力，或浅埋隧道及其地面有主要建筑物沿隧道外缘设Ф≥80mm

、长l≥10m的花管，管内注浆，管外端支于钢架上地下结构设计原理与方法3地下结构设计原理与方法§8.1超前锚杆设计

一、超前锚杆的布置

超前锚杆，即斜锚杆，其类型有：①拱部超前锚杆：沿隧道纵向在拱上部开挖轮廓线外一定范围内向前上方倾斜一定插角打入。作用：支托上部临空的围岩，起插板作用②边墙超前锚杆：沿隧道横向在拱脚附近以向下方倾斜一定外插角打入。

作用：在先拱后墙法开挖边墙的施工过程中，将起拱线附近岩体所承受的较大拱脚荷载传递至深部围岩，从而提高施工中的围岩稳定性。

地下结构设计原理与方法§8.1超前锚杆设计4地下结构设计原理与方法地下结构设计原理与方法5地下结构设计原理与方法

二、超前锚杆设计参数

⒈设置范围：对于拱部超前锚杆，设隧道拱部外弧长为a，则l=a/2～2a/3。式中l为需要设超前锚杆范围内的半弧长。⒉锚杆直径：Ⅴ级围岩为20～24mm,Ⅳ级围岩为18～22mm。⒊锚杆长度：3～5m，与钻孔机具的钻眼能力和开挖工序的循环进尺相配合。拱部超前锚杆纵向两排之间应重叠1m以上的水平搭接段。

⒋锚杆的环向间距：

Ⅴ级围岩为30～50cm，Ⅳ级围岩为40～60cm。

地下结构设计原理与方法二、超前锚杆设计参数6地下结构设计原理与方法

⒌锚杆钻孔：钻孔直径D≥40mm.拱部超前锚杆钻孔口位于开挖轮廓线以外10～20cm;边墙超前锚杆钻孔口位于起拱线以上10～20cm，可设一排或数排。⒍锚杆外插角：拱部为Ⅴ级围岩5°～20°，Ⅳ级围岩5°～30°；边墙为10°～30°。⒎充填砂浆标号≥C20号，宜用早强砂浆。地下结构设计原理与方法7地下结构设计原理与方法

§8.2小导管超前注浆预加固及预支护设计一、小导管的布置及适用条件★向拱部前上方斜打★向拱脚沿斜下方斜打注浆花管外端置于钢架上预支护效果大于超前锚杆适用条件：⒈Ⅴ、Ⅵ级软弱围岩地段

⒉断层破碎带地段⒊水下隧道或富水围岩地段

⒋塌方或涌水事故处理地段⒌砂卵（砾)石层及其它不良地质地段。

地下结构设计原理与方法§8.2小导管超前注浆8地下结构设计原理与方法

地下结构设计原理与方法9地下结构设计原理与方法

二、超前小导管参数设计

⒈直径：42～50mm热轧无缝钢管⒉长度：3～5m⒊构造（见图）注浆孔6～8mm

地下结构设计原理与方法二、超前小导管参数设计10地下结构设计原理与方法⒋注浆参数水灰比：w/c=0.5～1.0

压力：0.5～1.0MPa

扩散半径：R=（0.6～0.7），式中为导管中心间距（m）。单根导管注浆量：，式中l为导管长度（m），n为围岩孔隙率（％）。⒌环向设置间距：20～50cm⒍外插角：10°～30°⒎纵向水平搭接长度:不小于100cm地下结构设计原理与方法⒋注浆参数11地下结构设计原理与方法§8.3管棚超前支护设计

适用:严格控制地表沉陷量的松软地层中的浅埋隧道。沿隧道开挖轮廓线外排列（拱部或全断面）形成钢管棚。用测斜仪严格控制上仰角度为1°～2°。地下结构设计原理与方法§8.3管棚超前支护设12地下结构设计原理与方法

特点：支护能力强大，施工技术复杂，造价高。地下结构设计原理与方法13地下结构设计原理与方法

管棚设计参数如下：⒈导管（热轧无缝钢管）外径80～180mm，长10～45m，分段安装，分段长4～6m，两段之间用“V”型对焊或丝扣连接。⒉导管上注浆孔径10～16mm，孔洞距15～20cm呈枪花型布置。⒊导管间距一般为30～50cm，或按2.0～2.5d估算（d为导管外径）⒋纵向两组管棚间应有不小于1.5m的水平搭接长度⒌管棚架设在钢架上，可用钢轨、H型钢⒍为提高管棚的抗弯能力，导管中可增设钢筋笼。钢筋笼主筋直径16～20mm。

地下结构设计原理与方法管棚设计参数如下：14地下结构设计原理与方法

§8.4注浆设计一、洞内注浆设计洞内注浆常用小导管超前注浆。注浆设计参数包括：

①注浆加固范围；②注浆段长和注浆孔布置；③注浆压力；④注浆量；⑤注浆材料及配合比；⑥注浆结束标准；⑦注浆效果评定。

㈠注浆加固范围的确定注浆加固范围，指隧道周边经注浆后使围岩力学指标获得改善的有效范围。

注浆范围按下列不同情况计算确定：

⒈以提高软弱围岩强度为主要目的的注浆范围地下结构设计原理与方法§8.4注浆设计15地下结构设计原理与方法

⑴将注浆区域的围岩假定为弹性体假定离隧道中心r处的切向应力，法向应力，注浆范围以外的静水压力和地层压力之和为P，隧道开挖半径为Ra，注浆范围半径R。地下结构设计原理与方法⑴将注浆区域的围岩假16地下结构设计原理与方法

注浆内的应力：（MPa）

（MPa）式中地下结构设计原理与方法17地下结构设计原理与方法

当时，即在隧道周边处存在最大切向应力，法向应力为零，即：

为隧道开挖半径为注浆范围半径地下结构设计原理与方法当18地下结构设计原理与方法

与R/Ra的关系曲线地下结构设计原理与方法与R/Ra的关系曲线19地下结构设计原理与方法据上式可知：当时，曲线斜率较大；

当时，曲线斜率明显下

降，意味着注浆范围增加，降低周边应力效果不显著。因此，注浆范围半径R=（2～3）是比较合理的。⑵断层破碎带视注浆区为弹性体，计算隧道的支承压力Pa

(MPa)地下结构设计原理与方法(MPa)20地下结构设计原理与方法地下结构设计原理与方法21地下结构设计原理与方法

为注浆范围以外压力；c、为注浆区域地层凝聚力(MPa)和内摩擦角(度)

令式中为注浆区域地层抗压强度为注浆区域地层抗拉强度根据莫尔-库仑理论，、与n和的换算关系为：

绘出与关系曲线，以图中可知注浆范围

是恰当的。R=（3～4）

地下结构设计原理与方法为注浆范围以外压力22地下结构设计原理与方法

⒉以提高堵水能力为主要目的的注浆范围⑴松动圈范围注浆区域要求达到或超过岩层松动圈范围以便止水。泰沙基经验公式计算松动区高度

表8.3

1.1(B+H)特别破碎的岩层0.35(B+H)～1.1(B+H)缝隙发育的岩层0.25(B+H)～0.35(B+H)普通节理岩层0.25B垂直节理坚岩0.5B水平层理坚岩松动圈高度岩层和节理状态地下结构设计原理与方法⒉以提高堵水能力为主要目的的23地下结构设计原理与方法

⑵竖井堵水注浆对竖井穿越的含水层作注浆堵水处理，以减少竖井的涌水量，并能控制地下水位及地层下降。注浆范围根据经验确定，然后进行计算，验算注浆后的涌水量及地下水位值是否满足防水要求，再调整参数。

地下结构设计原理与方法⑵竖井堵水注浆24地下结构设计原理与方法地下结构设计原理与方法25地下结构设计原理与方法地下结构设计原理与方法26地下结构设计原理与方法㈡注浆段长度的确定和注浆孔布置⒈注浆段长和止浆岩盘⑴注浆段长一般情况下，设计段长l可取30～50m

对于破碎岩层或涌水量大的地段，可适当取短些。开挖0.7～0.8l，保留0.2～0.3l，即5～10m

左右不开挖，作为下一段注浆的止浆岩盘⑵止浆岩盘止浆岩盘的厚度应满足下一段注浆时，有设置止浆塞的条件和位置。计算公式为

地下结构设计原理与方法㈡注浆段长度的确定和注27地下结构设计原理与方法式中：止浆岩盘的厚度（m）注浆最大压力（MPa）注浆段开挖面平均直径（m）岩石的允许抗剪强度（MPa）⒉注浆孔布置

原则:使各注浆孔浆液扩散范围相互重叠，以免出现“盲区”，造成隧道开挖时涌水或塌方⑴浆液扩散半径R

浆液扩散半径指单个注浆孔注浆时，浆液在围岩着中扩散的有效范围。影响浆液扩散半径的因素：①浆液浓度及凝胶时间；②岩层裂隙大小；③透水系数；④注浆压力；⑤压注时间。地下结构设计原理与方法式中：止浆岩盘的厚度（m）28地下结构设计原理与方法

对于较均匀的土质地层，浆液扩散半径可用马格（Maag）公式计算：式中：浆液扩散半径（cm）围岩的空隙率（％）注浆孔半径（cm）水的粘度（.s）浆液粘度（.s）

h以水头表示的注浆压力（cm）围岩渗透系数（cm/s）围岩注浆时间（s）地下结构设计原理与方法对于较均匀的土质地层29地下结构设计原理与方法

下表为不同地层注浆时孔间距的经验值。注浆孔间距（m）

围岩注浆目的止水加固地层粘土/1.0～2.0砂质土0.6～1.00.8～1.2砂砾0.8～1.21.0～1.5破碎岩层1.5～6.0

注浆设计时可采用工程类比，有条件时宜做室内和现场试验注浆,确定扩散半径。地下结构设计原理与方法下表为不同地层注浆时孔间距30地下结构设计原理与方法⑵洞内工作面预注浆

注浆孔布置可由工作面向开挖方向呈伞形辐射状。钻孔布置成一圈或数圈，内外圈注浆孔按梅花形排列，采用长短孔相结合。注浆孔孔底间距按单孔注浆时浆液扩散半径R确定，孔间距D=（1.4～1.7）R

注浆钻孔深度和角度计算是根据注浆段长，采用作图或计算求得。计算时根据注浆孔的孔底和孔口坐标算出注浆钻孔的倾角、偏角和孔长。地下结构设计原理与方法⑵洞内31地下结构设计原理与方法⑶隧道周边浅孔预注浆在地质条件特别差的地段，可采用周边浅孔预注浆和管棚相结合的施工方法。目的是防止在开挖时管棚孔间产生流泥、流石，严重时可能引起坍塌。地下结构设计原理与方法⑶隧道周边浅孔预注32地下结构设计原理与方法

施工顺序是在打入管棚导管后，再打周边孔预注浆，封闭管棚四周裂隙和空隙，使隧道衬砌外周形成一个加固封闭圈。周边浅孔深8～12m，注浆钻孔方向大致与管棚导管平行，孔口位置在初期支护轮廓线内侧0.3m左右，间距视地质条件确定。地下结构设计原理与方法施工顺序是在打入管棚导管33地下结构设计原理与方法⒊注浆方式

分为前进式注浆、后退式注浆、一次全孔注浆

前进式注浆：钻孔一段注浆一段，清孔钻进后再注浆，这样循环往复至注浆孔终深。适用于岩石破碎、裂隙发育岩层。注浆分段的长度可根据地层的吸浆能力或出水量而定。后退式注浆：一次钻孔到注浆孔终深，自从孔底利用止浆塞分段压浆后退至孔口。适用裂隙不够发育、岩层稍好地段。

全孔一次注浆:适用岩层裂隙不发育。地下结构设计原理与方法⒊注浆方式34地下结构设计原理与方法

注浆方式和注浆分段长度的确定可参照下表。注浆方式和注浆分段长度表8.6岩石裂隙发育程度钻孔出水量(m3/h)注浆分段长度(m)注浆方式发育10以上5～10前进较发育5～1010～15前进不够发育2～515～20后退不发育2以下20～30一次地下结构设计原理与方法注浆方式和注浆分段长度的35地下结构设计原理与方法㈢注浆压力设计注浆压力一定要大于周围裂隙水压、地层压力等各种阻力值的总合。确定注浆压力须考虑的因素：工程地质及水文地质条件、浆类型、注入时间、注入方式。⒈按已知的地下水静水压力计算，则设计注浆压力（终压值）为静水压力的2～3

倍，最大可达到3～5倍。即:（3～5）式中为设计注浆压力（终压值）为注浆处静水压力⒉根据注浆处地层深度来计算适用：浅埋软弱地层注浆地下结构设计原理与方法㈢注浆压力设36地下结构设计原理与方法

式中为注浆处深度（m）由注浆深度确定的压力系数。注浆压力系数

表8.7注浆深度（m)<200200～300300～400400～500>500K0.023～0.0210.021～0.0200.020～0.0180.018～0.0160.016地下结构设计原理与方法注浆深度（m)<200200～300337地下结构设计原理与方法

㈣注浆量计算先用下式计算，然后通过试验予以修正。

式中总注浆量（m3）；注浆范围岩层体积（m3）；围岩空隙率（%）；浆液充填系数，一般在0.7～0.9之间；注浆昂材料损耗系数，通常在0.1左右。

可把统称为填充率，土质地层及岩石地层的填充率相差较大，可参考下表的经验值。地下结构设计原理与方法㈣注浆量计算38地下结构设计原理与方法

土质和岩石地层填充率表8.8㈤注浆材料选择和配合比设计

注浆材料基本上可分为悬浊液型和溶液型材料两大类。悬浊液型材料由固体颗粒材料制成，其颗粒基本上处于悬浮状态；溶液型材料一般是化学浆液。

地质条件填充率（％）土质地层粘土质地层20～40砂质地层40～60砂砾质地层约60岩石地层一般破碎岩层1～2断层破碎带5左右火成岩类≤1地下结构设计原理与方法土质和39地下结构设计原理与方法地下结构设计原理与方法40地下结构设计原理与方法

水泥-水玻璃双液浆，简称CS浆。水玻璃又名硅酸钠（Na2O.mSiO2），俗称泡花碱。水泥浆液具有料源广、成本低、结石体强度高、单液注浆工艺简单等优点。但可灌性差、凝胶时间长、易沉降析水、早期强度和结石率低，为改善水泥浆材料的性能，在注浆时可掺入适量外加剂，如速凝剂、早强剂、悬浮材料等。水泥-水玻璃双液浆除了具有水泥浆的全部优点外，且兼有某些化学浆液的优良性能。凝胶时间可以调整，能控制浆液的扩散范围，结石体强度较高，结石率可达100%。地下结构设计原理与方法水泥-水玻璃双液41地下结构设计原理与方法

水玻璃水溶液的特征用模数和浓度表示。

模数小，不易凝固，结石体强度低；模数大，强度高，但粘度也大。一般要求模数m=2.4～3.4较合适。水玻璃浓度以波美度来表示，浓度与比重d有一定换算关系。厂购水玻璃一般为50-56o

。一般工程适用范围为30-45o

。化学浆液具有粘度低、可灌性好、凝胶时间可任意调整等优点。但价格昂贵，多数有毒性、污染环境等缺点。地下结构设计原理与方法水玻璃水溶液的42地下结构设计原理与方法㈥注浆结束标准和注浆效果评定⒈注浆结束标志

①注浆压力逐步升高，当达到设计终压并继续注浆10min以上。②有一定注入量，与设计结束时的进浆量大致接近.一般在20～30L/min以下。⒉注浆效果评定

检查注浆记录、设检查孔、物探。㈦注浆机具设备

钻孔机械、注浆泵、搅拌机、混合器、止浆塞、流量计、压力表、阀门、注浆管路。地下结构设计原理与方法㈥注浆结束标准和注浆43地下结构设计原理与方法

二、地表钻孔注浆设计㈠注浆加固范围横向加固宽度可取隧道开挖跨度的2.5～

3.0倍。注浆深度一般至隧道仰拱下2.5～5.0m。㈡注浆孔布置相邻三个注浆孔呈等边三角形分布，注浆孔的各排间距为扩散半径的1.5倍。注浆孔的间距为1.732倍的扩散半径。

㈢浆材及配比

理想浆材的特点：粘度低、可灌性好；凝胶时间容易控制；浆液无毒、无味、无臭，不污染环境；浆液无腐蚀，容易清洗；固结体无收缩，并与岩石及砼有一定的粘着力；固结体机械性能好；固结体耐久性好；材料来源丰富，价格便宜；浆液配制容易，操作方便。地下结构设计原理与方法二、地表钻孔注浆设计44地下结构设计原理与方法

注浆材料分为：水泥、水泥—化学和化学三大类目前现场常用的一般为水泥浆液和水泥-水玻璃浆液，后者具有水泥浆液和化学浆液的优点，速凝早强作用明显，渗透性好，造价低。

配比:水泥浆液水灰比：0.5：1～1：1

水泥浆液水玻璃浆液的体积比1：0.5～1：1

缓凝剂掺量：水泥用量的3％左右㈣注浆量

⒈单孔注浆量（m3）式中k为浆液损失系数；R为浆液扩散半径；L为注浆孔深度(m)；n为地层孔隙率(%)；α为浆液有效填充率(%)，经验值：粘土地层20-40，砂土地层40-60，砂砾质地层60。地下结构设计原理与方法注浆材料分为：45地下结构设计原理与方法

⒉注浆浆液总用量式中V为被加固土体体积(m3)⒊注浆材料用量按配合比计算。

稀释水玻璃按下式求算加水量：式中V原、V配分别为配制前后的水玻璃浆液体积(m3)；

d原、d配分别为配制前后的水玻璃浆液容重(t/m3)；

d水为水的容重，一般取1。地下结构设计原理与方法⒉注浆浆液总用量46地下结构设计原理与方法㈤注浆方式、设备和压力

⒈注浆方式有三种：分段下行式注浆（前进式注浆，适用于地层破碎或裂隙极发育地段）、分段上行式注浆、全段一次注浆。⒉注浆设备：钻机、注浆泵、搅拌机、止浆塞、混合器。⒊注浆压力㈥止浆措施

①孔口止浆塞②大面积钢筋混凝土止浆盘，即在注浆部位地表大面积灌注钢筋砼。㈦注浆结束标准

一般可从以下几点予以评判：地下结构设计原理与方法㈤注浆方式、设备和压力47地下结构设计原理与方法1.注浆过程中，注浆压力随时间逐渐升高，最终达到或接近设计的注浆终压力。

2.注浆流量随时间逐渐减少，最终至20-30升/分钟。

3.总注浆量与设计数量大致接近。

4.根据注浆目的，打检查孔，了解地层固结情况，并取岩芯作固结体物理力学指标试验。地下结构设计原理与方法1.注浆过程48地下结构设计原理与方法

我愿宣扬的信条是艰苦奋斗的生活，而不是卑微低下的安逸。美国政治家罗斯福.T.地下结构设计原理与方法我愿宣扬的信条是艰苦奋斗的生活，而不是49地下结构设计原理与方法

第八章特殊地质条件下的隧道预支护设计特殊地质条件地段：①不良地质作用地段：滑坡、崩塌、岩堆、泥石流、溶洞。②浅埋、偏压地段：不能形成拱效应。处理措施：隧道开挖之前采取加固或支护措施，即预支护。隧道预支护指：预先设于隧道轮廓线以外一定范围内的支护，或与开挖面后方的支架等共同组成的支护系统。预支护类型：超前锚杆、小导管注浆、管棚。适用条件及技术要求如下：地下结构设计原理与方法第八章特殊地质条件下的50地下结构设计原理与方法

预支护类型

表8.1

类型适用条件技术要求超前锚杆Ⅳ～Ⅴ级围岩，开挖临空后的数小时内可能剥落或局部坍塌沿拱上部的纵向或沿拱脚的横向设砂浆锚杆小导管注浆Ⅴ级围岩自稳能力低沿拱上部的纵向或沿拱脚的横向设Ф42～50mm、长3～5m花管，管内注浆管棚Ⅴ、Ⅵ级围岩，无自稳能力，或浅埋隧道及其地面有主要建筑物沿隧道外缘设Ф≥80mm

、长l≥10m的花管，管内注浆，管外端支于钢架上地下结构设计原理与方法51地下结构设计原理与方法§8.1超前锚杆设计

一、超前锚杆的布置

超前锚杆，即斜锚杆，其类型有：①拱部超前锚杆：沿隧道纵向在拱上部开挖轮廓线外一定范围内向前上方倾斜一定插角打入。作用：支托上部临空的围岩，起插板作用②边墙超前锚杆：沿隧道横向在拱脚附近以向下方倾斜一定外插角打入。

作用：在先拱后墙法开挖边墙的施工过程中，将起拱线附近岩体所承受的较大拱脚荷载传递至深部围岩，从而提高施工中的围岩稳定性。

地下结构设计原理与方法§8.1超前锚杆设计52地下结构设计原理与方法地下结构设计原理与方法53地下结构设计原理与方法

二、超前锚杆设计参数

⒈设置范围：对于拱部超前锚杆，设隧道拱部外弧长为a，则l=a/2～2a/3。式中l为需要设超前锚杆范围内的半弧长。⒉锚杆直径：Ⅴ级围岩为20～24mm,Ⅳ级围岩为18～22mm。⒊锚杆长度：3～5m，与钻孔机具的钻眼能力和开挖工序的循环进尺相配合。拱部超前锚杆纵向两排之间应重叠1m以上的水平搭接段。

⒋锚杆的环向间距：

Ⅴ级围岩为30～50cm，Ⅳ级围岩为40～60cm。

地下结构设计原理与方法二、超前锚杆设计参数54地下结构设计原理与方法

⒌锚杆钻孔：钻孔直径D≥40mm.拱部超前锚杆钻孔口位于开挖轮廓线以外10～20cm;边墙超前锚杆钻孔口位于起拱线以上10～20cm，可设一排或数排。⒍锚杆外插角：拱部为Ⅴ级围岩5°～20°，Ⅳ级围岩5°～30°；边墙为10°～30°。⒎充填砂浆标号≥C20号，宜用早强砂浆。地下结构设计原理与方法55地下结构设计原理与方法

§8.2小导管超前注浆预加固及预支护设计一、小导管的布置及适用条件★向拱部前上方斜打★向拱脚沿斜下方斜打注浆花管外端置于钢架上预支护效果大于超前锚杆适用条件：⒈Ⅴ、Ⅵ级软弱围岩地段

⒉断层破碎带地段⒊水下隧道或富水围岩地段

⒋塌方或涌水事故处理地段⒌砂卵（砾)石层及其它不良地质地段。

地下结构设计原理与方法§8.2小导管超前注浆56地下结构设计原理与方法

地下结构设计原理与方法57地下结构设计原理与方法

二、超前小导管参数设计

⒈直径：42～50mm热轧无缝钢管⒉长度：3～5m⒊构造（见图）注浆孔6～8mm

地下结构设计原理与方法二、超前小导管参数设计58地下结构设计原理与方法⒋注浆参数水灰比：w/c=0.5～1.0

压力：0.5～1.0MPa

扩散半径：R=（0.6～0.7），式中为导管中心间距（m）。单根导管注浆量：，式中l为导管长度（m），n为围岩孔隙率（％）。⒌环向设置间距：20～50cm⒍外插角：10°～30°⒎纵向水平搭接长度:不小于100cm地下结构设计原理与方法⒋注浆参数59地下结构设计原理与方法§8.3管棚超前支护设计

适用:严格控制地表沉陷量的松软地层中的浅埋隧道。沿隧道开挖轮廓线外排列（拱部或全断面）形成钢管棚。用测斜仪严格控制上仰角度为1°～2°。地下结构设计原理与方法§8.3管棚超前支护设60地下结构设计原理与方法

特点：支护能力强大，施工技术复杂，造价高。地下结构设计原理与方法61地下结构设计原理与方法

管棚设计参数如下：⒈导管（热轧无缝钢管）外径80～180mm，长10～45m，分段安装，分段长4～6m，两段之间用“V”型对焊或丝扣连接。⒉导管上注浆孔径10～16mm，孔洞距15～20cm呈枪花型布置。⒊导管间距一般为30～50cm，或按2.0～2.5d估算（d为导管外径）⒋纵向两组管棚间应有不小于1.5m的水平搭接长度⒌管棚架设在钢架上，可用钢轨、H型钢⒍为提高管棚的抗弯能力，导管中可增设钢筋笼。钢筋笼主筋直径16～20mm。

地下结构设计原理与方法管棚设计参数如下：62地下结构设计原理与方法

§8.4注浆设计一、洞内注浆设计洞内注浆常用小导管超前注浆。注浆设计参数包括：

①注浆加固范围；②注浆段长和注浆孔布置；③注浆压力；④注浆量；⑤注浆材料及配合比；⑥注浆结束标准；⑦注浆效果评定。

㈠注浆加固范围的确定注浆加固范围，指隧道周边经注浆后使围岩力学指标获得改善的有效范围。

注浆范围按下列不同情况计算确定：

⒈以提高软弱围岩强度为主要目的的注浆范围地下结构设计原理与方法§8.4注浆设计63地下结构设计原理与方法

⑴将注浆区域的围岩假定为弹性体假定离隧道中心r处的切向应力，法向应力，注浆范围以外的静水压力和地层压力之和为P，隧道开挖半径为Ra，注浆范围半径R。地下结构设计原理与方法⑴将注浆区域的围岩假64地下结构设计原理与方法

注浆内的应力：（MPa）

（MPa）式中地下结构设计原理与方法65地下结构设计原理与方法

当时，即在隧道周边处存在最大切向应力，法向应力为零，即：

为隧道开挖半径为注浆范围半径地下结构设计原理与方法当66地下结构设计原理与方法

与R/Ra的关系曲线地下结构设计原理与方法与R/Ra的关系曲线67地下结构设计原理与方法据上式可知：当时，曲线斜率较大；

当时，曲线斜率明显下

降，意味着注浆范围增加，降低周边应力效果不显著。因此，注浆范围半径R=（2～3）是比较合理的。⑵断层破碎带视注浆区为弹性体，计算隧道的支承压力Pa

(MPa)地下结构设计原理与方法(MPa)68地下结构设计原理与方法地下结构设计原理与方法69地下结构设计原理与方法

为注浆范围以外压力；c、为注浆区域地层凝聚力(MPa)和内摩擦角(度)

令式中为注浆区域地层抗压强度为注浆区域地层抗拉强度根据莫尔-库仑理论，、与n和的换算关系为：

绘出与关系曲线，以图中可知注浆范围

是恰当的。R=（3～4）

地下结构设计原理与方法为注浆范围以外压力70地下结构设计原理与方法

⒉以提高堵水能力为主要目的的注浆范围⑴松动圈范围注浆区域要求达到或超过岩层松动圈范围以便止水。泰沙基经验公式计算松动区高度

表8.3

1.1(B+H)特别破碎的岩层0.35(B+H)～1.1(B+H)缝隙发育的岩层0.25(B+H)～0.35(B+H)普通节理岩层0.25B垂直节理坚岩0.5B水平层理坚岩松动圈高度岩层和节理状态地下结构设计原理与方法⒉以提高堵水能力为主要目的的71地下结构设计原理与方法

⑵竖井堵水注浆对竖井穿越的含水层作注浆堵水处理，以减少竖井的涌水量，并能控制地下水位及地层下降。注浆范围根据经验确定，然后进行计算，验算注浆后的涌水量及地下水位值是否满足防水要求，再调整参数。

地下结构设计原理与方法⑵竖井堵水注浆72地下结构设计原理与方法地下结构设计原理与方法73地下结构设计原理与方法地下结构设计原理与方法74地下结构设计原理与方法㈡注浆段长度的确定和注浆孔布置⒈注浆段长和止浆岩盘⑴注浆段长一般情况下，设计段长l可取30～50m

对于破碎岩层或涌水量大的地段，可适当取短些。开挖0.7～0.8l，保留0.2～0.3l，即5～10m

左右不开挖，作为下一段注浆的止浆岩盘⑵止浆岩盘止浆岩盘的厚度应满足下一段注浆时，有设置止浆塞的条件和位置。计算公式为

地下结构设计原理与方法㈡注浆段长度的确定和注75地下结构设计原理与方法式中：止浆岩盘的厚度（m）注浆最大压力（MPa）注浆段开挖面平均直径（m）岩石的允许抗剪强度（MPa）⒉注浆孔布置

原则:使各注浆孔浆液扩散范围相互重叠，以免出现“盲区”，造成隧道开挖时涌水或塌方⑴浆液扩散半径R

浆液扩散半径指单个注浆孔注浆时，浆液在围岩着中扩散的有效范围。影响浆液扩散半径的因素：①浆液浓度及凝胶时间；②岩层裂隙大小；③透水系数；④注浆压力；⑤压注时间。地下结构设计原理与方法式中：止浆岩盘的厚度（m）76地下结构设计原理与方法

对于较均匀的土质地层，浆液扩散半径可用马格（Maag）公式计算：式中：浆液扩散半径（cm）围岩的空隙率（％）注浆孔半径（cm）水的粘度（.s）浆液粘度（.s）

h以水头表示的注浆压力（cm）围岩渗透系数（cm/s）围岩注浆时间（s）地下结构设计原理与方法对于较均匀的土质地层77地下结构设计原理与方法

下表为不同地层注浆时孔间距的经验值。注浆孔间距（m）

围岩注浆目的止水加固地层粘土/1.0～2.0砂质土0.6～1.00.8～1.2砂砾0.8～1.21.0～1.5破碎岩层1.5～6.0

注浆设计时可采用工程类比，有条件时宜做室内和现场试验注浆,确定扩散半径。地下结构设计原理与方法下表为不同地层注浆时孔间距78地下结构设计原理与方法⑵洞内工作面预注浆

注浆孔布置可由工作面向开挖方向呈伞形辐射状。钻孔布置成一圈或数圈，内外圈注浆孔按梅花形排列，采用长短孔相结合。注浆孔孔底间距按单孔注浆时浆液扩散半径R确定，孔间距D=（1.4～1.7）R

注浆钻孔深度和角度计算是根据注浆段长，采用作图或计算求得。计算时根据注浆孔的孔底和孔口坐标算出注浆钻孔的倾角、偏角和孔长。地下结构设计原理与方法⑵洞内79地下结构设计原理与方法⑶隧道周边浅孔预注浆在地质条件特别差的地段，可采用周边浅孔预注浆和管棚相结合的施工方法。目的是防止在开挖时管棚孔间产生流泥、流石，严重时可能引起坍塌。地下结构设计原理与方法⑶隧道周边浅孔预注80地下结构设计原理与方法

施工顺序是在打入管棚导管后，再打周边孔预注浆，封闭管棚四周裂隙和空隙，使隧道衬砌外周形成一个加固封闭圈。周边浅孔深8～12m，注浆钻孔方向大致与管棚导管平行，孔口位置在初期支护轮廓线内侧0.3m左右，间距视地质条件确定。地下结构设计原理与方法施工顺序是在打入管棚导管81地下结构设计原理与方法⒊注浆方式

分为前进式注浆、后退式注浆、一次全孔注浆

前进式注浆：钻孔一段注浆一段，清孔钻进后再注浆，这样循环往复至注浆孔终深。适用于岩石破碎、裂隙发育岩层。注浆分段的长度可根据地层的吸浆能力或出水量而定。后退式注浆：一次钻孔到注浆孔终深，自从孔底利用止浆塞分段压浆后退至孔口。适用裂隙不够发育、岩层稍好地段。

全孔一次注浆:适用岩层裂隙不发育。地下结构设计原理与方法⒊注浆方式82地下结构设计原理与方法

注浆方式和注浆分段长度的确定可参照下表。注浆方式和注浆分段长度表8.6岩石裂隙发育程度钻孔出水量(m3/h)注浆分段长度(m)注浆方式发育10以上5～10前进较发育5～1010～15前进不够发育2～515～20后退不发育2以下20～30一次地下结构设计原理与方法注浆方式和注浆分段长度的83地下结构设计原理与方法㈢注浆压力设计注浆压力一定要大于周围裂隙水压、地层压力等各种阻力值的总合。确定注浆压力须考虑的因素：工程地质及水文地质条件、浆类型、注入时间、注入方式。⒈按已知的地下水静水压力计算，则设计注浆压力（终压值）为静水压力的2～3

倍，最大可达到3～5倍。即:（3～5）式中为设计注浆压力（终压值）为注浆处静水压力⒉根据注浆处地层深度来计算适用：浅埋软弱地层注浆地下结构设计原理与方法㈢注浆压力设84地下结构设计原理与方法

式中为注浆处深度（m）由注浆深度确定的压力系数。注浆压力系数

表8.7注浆深度（m)<200200～300300～400400～500>500K0.023～0.0210.021～0.0200.020～0.0180.018～0.0160.016地下结构设计原理与方法注浆深度（m)<200200～300385地下结构设计原理与方法

㈣注浆量计算先用下式计算，然后通过试验予以修正。

式中总注浆量（m3）；注浆范围岩层体积（m3）；围岩空隙率（%）；浆液充填系数，一般在0.7～0.9之间；注浆昂材料损耗系数，通常在0.1左右。

可把统称为填充率，土质地层及岩石地层的填充率相差较大，可参考下表的经验值。地下结构设计原理与方法㈣注浆量计算86地下结构设计原理与方法

土质和岩石地层填充率表8.8㈤注浆材料选择和配合比设计

注浆材料基本上可分为悬浊液型和溶液型材料两大类。悬浊液型材料由固体颗粒材料制成，其颗粒基本上处于悬浮状态；溶液型材料一般是化学浆液。

地质条件填充率（％）土质地层粘土质地层20～40砂质地层40～60砂砾质地层约60岩石地层一般破碎岩层1～2断层破碎带5左右火成岩类≤1地下结构设计原理与方法土质和87地下结构设计原理与方法地下结构设计原理与方法88地下结构设计原理与方法

水泥-水玻璃双液浆，简称CS浆。水玻璃又名硅酸钠（Na2O.mSiO2），俗称泡花碱。水泥浆液具有料源广、成本低、结石体强度高、单液注浆工艺简单等优点。但可灌性差、凝胶时间长、易沉降析水、早期强度和结