学习资料八：初期支护及注浆加固技术

学习资料八初期支护及注浆加固技术本章所学内容一、初期支护原则二、锚杆三、喷射混凝土四、钢拱架五、超前支护六、注浆加固围岩和堵水第一部分初期支护施工的三大原则初期支护可以采取哪些方式？成洞三种情形有时不需要任何支撑就可获得稳定的洞室有时则需要加以支撑才能获得稳定的洞室由于支撑不及时或不足而导致围岩坍塌堵塞洞室是最希望的先开挖后支护先支护后开挖喷射混凝土锚杆布设钢筋网钢拱架超前支护注浆加固围岩和堵水初期支护三大原则预防为主原则先护后挖原则联合效应原则在进行隧道开挖之前要做哪些工作？隧道开挖之前要做哪些工作？1.探明前方工程地质情况2.选择横断面开挖方法。3.选择纵向的掘进方式。4.选择初期支护的类型判断不准选择方法错误掘进方式不对支护类型不恰当出现意外情况采取处理措施预防为主原则一、预防为主原则隧道会出现哪些异常情况？隧道会出现哪些异常情况？开挖异常初期支护异常开挖面顶部掉块，掌子面不稳定。开挖面出现涌水，涌水量增加。地基承载力不足，产生底鼓，拱顶下沉增大，周边位移增大。喷射混凝土层起鼓、开裂、剥落。锚杆松脱或断裂。钢拱架产生较大变形。1.开挖异常。开挖面附近围岩异常A类措施B类措施开挖面顶部掉块，掌子面不稳定。1.缩短掘进进尺。2.掌子面喷射混凝土。3.掌子面打锚杆。1.缩小开挖断面，采用分部开挖。2.超前支护。3.增设钢拱架开挖面出现涌水，涌水量增加。1.沿洞壁布设排水盲管。2.涌水少时，在喷射混凝土中加入速凝剂，也可以加设钢筋网后再喷射混凝土。1.涌水量少时，采用井点降水、钻孔排水、泄水洞排水。2.涌水量多时，采用预注浆加固围岩和堵水。地基承载力不足，产生底鼓，拱顶下沉增大，周边位移增大。1.开挖时不损害地基底部围岩。2.加强临时底拱，向下加打锚杆。3.加厚边墙脚，增加支撑面积。4.缩短台阶长度，及早闭合初期支护承载环。5.增加锚杆长度、直径或强度1.采用超短台阶开挖，上半断面设置临时仰拱。2.增设钢拱架。3.对地层进行预加固。图2-8-1降低地下水位法的原理a）排水工法；b）浅井点工法；c）深井点工法；d）负压—深井点工法2.初期支护异常。初期支护异常A类措施B类措施喷射混凝土层起鼓、开裂、剥落。1.加钢筋网再喷射混凝土。2.引排积水，降低水压力。3.在混凝土层中设纵向伸缩缝。1.增加锚杆，加厚喷层。2.增设钢拱架锚杆松脱或断裂。加密锚杆。增加锚杆长度、直径或强度。钢拱架产生较大变形。1.增加锚杆长度、直径或强度2.加密钢拱架。3.凿开喷层，松开拱架接头螺栓，释放应力。1.采用可伸缩的钢拱架2.在喷层混凝土中设纵向伸缩缝。3.修筑内层衬砌。初期支护原则先挖后护先护后挖二、先护后挖原则常规支护：先开挖断面，然后初期支护，顺序施作。超前支护：先支护/先加固、后开挖，顺序逆做；短进尺、慎开挖，万勿冒进；强支护、快衬砌，及时封闭；重观察、勤量测，莫等塌方。三、联合效应原则1.概念：将初期支护的各种类型，进行恰当组合，共同构成人工复合的支护结构体系。2.技术要求：①锚杆要露头，露头部分要和钢筋网、钢拱架焊接。②钢筋网、钢拱架要被喷射混凝土包裹、覆盖密实。③分次施作的联合支护，应将各部分联结在一起。超前支护和常规支护要联结。钢筋网喷砼钢拱架锚杆第二部分锚杆锚杆锚杆种类锚杆作用悬吊作用加固作用组合梁作用加固区域锚固形式系统锚杆局部锚杆超前锚杆全长黏结式（水泥浆、中空注浆、树脂）端头锚固式（黏结式、机械式）混合式（先灌浆后张拉、预应力中空、先张拉后灌浆)锚杆布置方形梅花形支撑作用一、锚杆的作用1.支撑作用锚杆能限制约束围岩变形，并向围岩施加压力，从而使处于二轴应力状态的洞室内表面附近的围岩保持三轴应力状态，因而能制止围岩强度恶化。锚杆喷射混凝土2.悬吊作用悬吊作用是利用锚杆将软弱的直接顶悬吊于上部坚固稳定的岩层上，或者是用锚杆将因巷道开挖而引起松动的岩块连结在松动区外的完整坚固岩体上，使松动岩块不致冒落。3.加固作用由于系统锚杆的加固作用，使围岩中，尤其是松动区中的节理裂隙、破裂面等得以联结，因为增大了锚固区围岩的强度（即c、φ值）；锚杆对加固节理发育的岩体和围岩松动区十分有效，有助于裂隙岩体和松动区形成整体，成为“加固带”。承载拱4.组合梁作用将锚固范围内的岩层挤紧，增加各岩层间的摩擦力，防止岩石沿层面滑动，避免各岩层出现离层现象，提高其自撑能力。将巷道顶板锚固范围内的几个薄岩层锁紧成一个较厚的岩层（组合梁）。在上覆岩层载荷的作用下，这种组合厚岩层内的最大弯曲应变和应力都将大大减小，组合梁的挠度亦减小。

根据围岩的性质，锚杆可排列成方形、梅花形等。方形适用于稳定的岩层，梅花形适用于稳定性较差的岩层，其布置如图所示。锚杆的锚入方向，应与岩层面或主要裂隙面成较大的角度相交，尽可能与其正交；层面与裂隙面不明显时，锚杆应垂直于巷道周边锚入。图5-20锚杆的布置形式（a）方形布置；（b）梅花形布置

三、锚杆的布置三、锚杆的种类按加固区域来分：锚杆种类作用系统锚杆锚杆间的联合作用（群锚效应）局部锚杆对围岩的局部加固作用超前锚杆支护的超前性按锚固形式来分：锚杆种类锚固方式特点用途全长黏结式锚杆水泥砂浆或树脂等胶结材料作为锚固剂1.发挥锚杆的抗剪、抗拉及防腐蚀。2.长期锚固能力系统锚杆超前锚杆端头锚固式锚杆内、外锚头的锚固来限制围岩变形松动1.安装后立即起作用，施加预应力。2.杆体易腐蚀，影响长期锚固力。局部锚杆混合式锚固锚杆全长黏结式与端头锚固式结合1.上述两者的优点2.安装复杂复杂结构的加固1.普通水泥砂浆锚杆1）施工顺序：施工准备→初喷砼面上标注孔位→钻孔→清孔→往孔中注入水泥砂浆→插入杆体→固定杆体、待强→安装垫板。2）设计、施工要点：①钻孔：钻孔方向宜尽量与岩层主要结构面垂直。钻孔孔径比杆径大15mm。孔位允许偏差为±15～50mm，孔深允许偏差为±50mm。清孔：孔钻好后用高压水(风)将孔眼冲洗干净，用塞子塞紧孔口，防止石渣掉入。砂浆杆体垫板螺母②水泥砂浆：水泥一般选用普通硅酸盐水泥，砂子粒径不大于3mm，并过筛；砂浆强度不低于M20；配合比一般为水泥:砂:水＝1:(1-1.5):(0.45-0.5)。粘结砂浆应拌和均匀，并调整其和易性，随拌随用，一次拌和的砂浆应在初凝前用完。③注浆体积应略多于需要体积，将注浆管全部抽出后，应立即迅速插入杆体，可用锤击或通过套筒用风钻冲击，使杆体强行插入钻孔。④杆体插入孔内的长度不得短于设计长度的95%，实际粘结长度亦不应短于设计长度的95%。⑤杆体到位后要用木楔或小石子在孔口卡住，防止杆体滑出。锚杆安设后不得随意敲击；终凝以前不得在端部悬挂重物；水泥砂浆终凝以后安装垫板。2.中空注浆锚杆施工顺序：施工准备→布孔→钻孔、清孔→组装中空锚杆体、排气管、止浆塞→安装锚杆→连接注浆管、注浆→锚杆杆体孔口回浆→杆体待强、安装垫板螺栓。1-不饱和聚脂树脂＋加速剂＋填料；2-纤维纸和塑料袋；3-固化剂＋填料；4-玻璃管；5-堵头(树脂胶泥封口)；6-快硬水泥；7-湿强度较大的滤纸筒；8-玻璃纤维纱网；9-树脂锚固剂；10-带麻花头杆体；11-垫板；12-螺母9101112挡圈12345a)678b)3.早强药包内锚头锚杆1）施工顺序：施工准备→布孔→钻孔、清孔→浸湿药包→孔内塞入药包→顶入杆体→浆体待强、安装垫板螺栓。2）锚固剂：快硬水泥卷、早强砂浆卷或树脂卷。快硬水泥卷设计需要三个参数：直径d；长度L；水泥质量G。①直径d要与钻眼直径搭配。②长度L:L=kl（D2-φ2）/d2l-内锚固段长度；D-钻眼直径；φ-锚杆直径；k-富余系数（1.05-1.10）。③质量G：G=γLπd2/4。γ-装填密度。3）施工要点：①孔眼应比锚杆长度短4-5cm。②水泥药卷要浸入水中一段时间，但不超过水泥初凝时间。③将用水浸湿好的水泥药卷用锚杆送至眼底，并轻轻捣实。④在锚杆外端套上连接套筒，装上搅拌机，开动搅拌机，带动锚杆旋转，搅拌水泥浆，并用人力推进锚杆至眼底，保持10s的搅拌时间，总时间为30-40s。⑤轻轻卸下搅拌机头，用木楔楔住杆体，使杆体位于钻眼中心。待快硬水泥达到强度后，用扳手卸下连接套筒。4.涨壳中空注浆锚杆施工顺序：施工准备→布孔→钻孔、清孔→组装中空锚杆体、排气管、止浆塞→安装锚杆→连接注浆管、注浆→锚杆杆体孔口回浆→杆体待强、安装垫板螺栓。钢质涨壳头

A楔块杆体垫板螺母5.楔缝式内锚头锚杆

主要用于临时加固。第三部分喷射混凝土喷射混凝土喷射混凝土工艺喷射混凝土作用支撑围岩卸载作用填平补强围岩干喷湿喷混合喷射喷射混凝土特点喷射混凝土设备喷射机机械手强制式搅拌机喷射混凝土方式钢筋网喷射混凝土钢纤维喷射混凝土潮喷覆盖围岩传递应力一、喷射混凝土的作用1.支撑作用喷射混凝土以较高的速度注入节理裂隙，产生如同石墙灰缝一样的粘结作用，从而提高了岩体粘结力和内摩擦角，也就是提高了围岩的强度。承载圈2.卸载作用由于喷层属柔性，能有控制地使围岩在不出现有害变形的前提下，进行一定程度的变形，从而使围岩“卸载”，同时喷层中的弯曲应力减小，有利于混凝土承载力的发挥。NN3.填平补强围岩喷射混凝土可填充表面凹穴，使裂隙分割的岩层面粘联在一起，保护岩块之间的咬合、镶嵌作用，提高其间的粘结力，摩阻力，有利于防止围岩松动，并避免或缓和围岩应力集中。粘结粘结剪切剪切4.覆盖围岩喷层直接粘贴岩面，形成风化和止水的防护层，并阻止节理裂隙中填充物流失。潮气裂隙水5.传递应力通过喷射混凝土把应力传给锚杆、钢筋网、钢拱架，使支护结构受力均匀。ττ二、喷射混凝土的工艺1.干喷干喷是将集料和水泥按一定比例在搅拌机内干拌均匀，然后连同速凝剂一起装入喷射机，用压缩空气使干集料在软管内呈悬浮状态压送到喷枪，再在喷嘴处与高压水结合，以较高速度喷射到岩面上。细骨料粗骨料水泥搅拌机干式喷射机压缩空气速凝剂水喷头2.潮喷潮喷是为降低喷射时的粉尘和回弹，将细石、砂预加少量水，使之呈潮湿状态，再加水泥拌合成潮集料，再按干喷工艺将大部分水在喷头处加入和喷出。细骨料粗骨料水泥搅拌机干式喷射机压缩空气速凝剂水喷头少量水3.湿喷潮喷是将集料、水泥和水按设计比例在搅拌机内拌合均匀，形成湿集料，装入湿式喷射机，通过压缩空气把湿集料押送到喷头处，再在喷头处加速凝剂后喷出。细骨料粗骨料水泥水外加剂搅拌机湿式喷射机压缩空气速凝剂喷头4.混合喷射混合喷射又称分次投料混合喷射法，是将一部分砂加第一次水拌湿，再投入全部水泥强制搅拌造壳；然后加第二次水和减水剂拌和成SEC砂浆；将另一部分砂和石、速凝剂强制搅拌均匀。然后分别用砂浆泵和干式喷射机压送到混合管混合后喷出。砂浆泵搅拌机搅拌机干喷机混合管喷头一次水水泥二次水减水剂砂石速凝剂SEC砂浆：在砂子中加上适量的水，使水泥颗粒粘结在砂子表面，形成低水灰比的净浆薄壳，用以提高混凝土或砂浆强度。三、喷射混凝土的特点1.喷射混凝土具有强度增长快、粘结力强、密度大、抗渗性好的特点。它能较好地填充岩块间的裂隙的凹穴，增加围岩的整体性，防止自由面的风化和松动，并与围岩共同工作。2.与普通模筑混凝土相比，喷射混凝土施工将输送、浇注、捣固几道工序合而为一，更不需模板，因而施工快速、简捷。3.喷射混凝土能及早发挥承载作用。它能在10min左右终凝，一般2h后即具有强度，8h后可达2MPa，16h后达5MPa,一天后可达7—8MPa，四天达到28d强度的70%左右。4.干喷和潮喷混凝土强度低，一般只能达到C20，而混合喷射和湿喷可达到C30。5.喷射混凝土时应分段（不超过6m）、分部（先下后上）、分块（2×2m），严格按照先墙后拱，先下后上的顺序进行，以减少混凝土因重力作用发生滑动或脱落。6.喷射时，喷射移动采用S形往返移动前进，也可采用螺旋形。7.喷射时，喷嘴处要垂直于受喷面，倾斜角度不大于10°，距离受喷面0.8-1.2m。8.岩面凹陷处先喷、多喷，凸出处后喷、少喷。9.喷射混凝土较厚时，应分层喷射。四、喷射混凝土的设备1.喷射机

喷射混凝土的专用设备。分为干式喷射机和湿式喷射机两类。混凝土湿喷机混凝土干喷机2.机械手

控制喷头的移动方向、距离。分为人力控制和机械手控制。人力控制劳动强度大，粉尘危害人身健康，软弱围岩还会危机人身安全，仅用于局部喷射。机械手控制方便灵活，工作范围大。人工控制机械手控制3.强制式搅拌机强制式搅拌机是利用拌筒内运动着的叶片强迫物料朝着各个方向运动，由于各物料颗粒的运动方向、速度各不相同，相互之间产生剪切滑移而相互穿插、扩散，从而在很短的时间内，使物料拌和均匀，其搅拌机理被称为剪切搅拌机理。五、喷射混凝土的方式1.钢筋网喷射混凝土施工顺序：先喷射一层混凝土，再挂设钢筋网，然后再喷射混凝土，将钢筋网覆盖，形成钢筋混凝土层。钢筋网通常作环向和纵向布置。环向筋一般为受力筋，由设计确定，直径φ12左右；纵向筋一般为构造筋，直径φ6-φ10；网格尺寸一般为20cm×20cm，20cm×25cm，25cm×25cm，25cm×30cm或30cm×30cm。围岩松散可适当减小网格尺寸。2.钢纤维喷射混凝土在喷射混凝土中加入钢纤维，以弥补素喷射混凝土脆性强而韧性差的缺陷。钢筋网及钢纤维喷射混凝土效果：①增加混凝土韧性，减少混凝土开裂②提高喷层混凝土抗弯、抗拉和抗剪性能③使喷层应力均匀分布，更好发挥联合支护的整体性。第四部分钢拱架钢拱架钢拱架分类钢拱架作用限制围岩变形超前支护的反支点承受部分松弛荷载花钢拱架（格栅拱架）型钢拱架钢拱架特点一、钢拱架的作用1.加强限制围岩变形

因钢拱架刚度较大，它对围岩松弛变形的限制更强硬2.作为超前支护的后支点3.承载部分松弛荷载

因钢拱架的强度较大，它可以承受已发生的松弛荷载，保证坑道稳定和安全。

钢拱架分为花钢拱架和型钢拱架。花钢拱架型钢拱架二、钢拱架的分类格栅钢架的断面隧道中线拱部A单元拱部B单元开挖轮廓线边墙C单元边墙D单元内轨顶面仰拱E单元1.花钢拱架（格栅拱架）现场采用以钢筋制作的格栅钢架较多。2.型钢拱架型钢分为工字型钢、槽钢、钢管拱架。工字钢钢管槽钢

1.钢拱架的整体刚度较大，可以提供较大的早期支护刚度；型钢拱架较格栅钢架能更早承载。2.钢拱架可以很好地与锚杆、钢筋网、喷射混凝土相结合，构成联合支护，增强支护的有效性，且受力条件较好。尤以格栅钢架结合最好。3.格栅钢架采用钢筋现场加工制作，技术难度和要求并不高；对隧道断面变化适应性好。4.钢拱架的安装架设方便。三、钢拱架的特点第五部分超前支护超前支护超前锚杆概念及作用特点及适用条件设计施工要点超前管棚概念及作用特点及适用条件设计施工要点一、超前锚杆1.概念及作用

概念：超前锚杆是沿开挖轮廓线，以稍大外插角，向开挖前方一定范围内安装的斜向锚杆。

作用：超前锚杆可以形成对前方围岩的预锚固，在提前形成的围岩锚固圈的保护下进行开挖等作业。超前锚杆2.特点及适用条件

特点：柔性较大，整体刚度较小。（超前锚杆单独使用，有时和系统锚杆焊接在一起发挥作用，钢筋柔性大刚度小）

适用条件：地下水较少的软弱围岩的隧道工程中，如裂隙发育的岩体、断层破碎带等、浅埋无显著偏压隧道。3.设计施工要点

①超前锚杆的超前长度为循环进尺的3-5倍，宜采用3-5m长，环向间距采用0.3-1.0m；外插角宜用10°-30°；搭接长度宜为超前长度的40%-60%左右，即大致形成双层或双排锚杆。②超前锚杆宜用早强砂浆全粘结式锚杆，锚杆材料可用不小于φ22的螺纹钢筋。③开挖时应注意保留前方有一定长度的锚固区，以使超前锚杆的前端有一个稳定的支点。④开挖后应及时喷射混凝土，并尽快封闭环形初期支护。⑤开挖过程中应密切注意观察锚杆变形及喷射混凝土层的开裂、起鼓等情况。二、超前管棚1.概念及作用

概念：超前管棚是沿开挖轮廓线，以较小外插角，向开挖面前方打入的钢管与钢拱架构成的一种钢结构棚架。

作用：超前管棚可以预先支护开挖面前方的围岩，然后在其保护下进行开挖等作业。2.特点及适用条件

特点：整体刚度较大，对围岩变形的限制能力较强，且能提前承受早期围岩压力。（先行插入前方围岩的钢管作纵向支撑，又采用钢拱架做环向支撑，并采用锚杆、钢筋网和喷射混凝土作为连接和整合介质）

适用条件：主要适用于围岩压力来得快来得大、对围岩变形及地表下沉有较严格要求的软弱破碎围岩隧道工程中。3.设计施工要点

①管棚长度应根据地层情况选用，一般为10-45m。管径为70-180mm，孔径比管径长20-30mm，外插角为1°-2°。②两组管棚间的搭接长度不应小于1.5m。③长钢管应用4-6m的管节逐段接长，第一节钢管前端加工成尖锥状，打入一节，在接后一节。为保证钢管受力均匀，钢管接头应纵向错开，一般按编号，偶数第一节为4m，奇数第一节为6m，以后各节均为6m。打一眼，装一管，由上而下顺序进行。④管棚应采用热轧无缝钢管制作，必要时钢管内安装钢筋笼。⑤当需增加管棚支护刚度时，可在钢管内注入水泥砂浆。一般在第一节管的前端交错钻10-16mm孔若干，间距宜为15-20cm，呈梅花型布置。或者不钻孔，在管内安装排气导管，浆注满后方可停止压注。超前锚杆超前管棚材料螺纹钢筋热轧无缝钢管加固范围开挖面前方3-5m开挖面前方10-45m直径≥φ2270-180mm外插角10°-30°1°-2°特点柔性较大，整体刚度较小整体刚度较大，对围岩变形的限制能力较强适用条件地下水较少的软弱围岩的隧道工程(不太稳定的岩体）围岩压力来得快来得大、对围岩变形及地表下沉有较严格要求的软弱破碎围岩隧道工程（很不稳定的岩体）超前锚杆与超前管棚的比较第六部分注浆加固围岩和堵水注浆加固围岩和堵水作用机理注浆方法渗透注浆劈裂注浆工艺种类超前小导管注浆超前深孔帷幕注浆注浆量施工要点一、作用机理1.概念

注浆就是胶结材料渗透或挤入到岩体的空隙或裂隙中。2.作用机理注浆方式渗透挤入将岩块或土体颗粒胶结为整体以高强夹层的形式将黏土分隔包围加固围岩注浆方式渗透挤入填塞了孔隙或裂隙，阻断了地下水渗流的通道。堵水三层含义工艺作用1.加固2.堵水3.加固与堵水兼有扩散凝胶利用注浆泵浆液地层机理固化注浆泵浆液桶软土或含水地层注浆管路基本工艺二、注浆方法1.胶结材料

水泥浆液或化学浆液。水泥浆液：采用32.5级以上普通硅酸盐水泥，因浆液含水泥颗粒，适用于孔隙直径大的地层。化学浆液：采用水玻璃为主的浆液，流动性好，无颗粒，适用于细沙或粘土层。2.注浆方法注浆方法压力注浆电动化学注浆渗透注浆劈裂注浆1）电动化学注浆：注浆管为阳极，滤水管为阴极，通过直流电电渗作用使孔隙水从阳极流向阴极，在土中形成渗浆通道，化学浆液随之渗入孔隙而使土体结硬。②劈裂注浆：在有渗透性差或不透水的地层，采用较高压力将胶结材料强行挤压钻孔周壁，使胶结材料将黏土层劈裂成缝并充塞凝结与其中，从而对黏土地层或软土地层起到加固的作用。2）压力注浆：在各种大小压力作用下将水泥浆液或化学浆液挤压到充填土的孔隙或岩层缝隙中。①渗透注浆：在有一定渗透性的地层，采用中低压力将胶结材料压注到地层中的裂缝、孔隙中，待胶结材料凝固后。岩体的结构体或土颗粒被胶结成整体。三、注浆工艺注浆工艺通常有超前小导管注浆和超前深孔帷幕注浆两种形式。。1.超前小导管注浆1）概念：超前小导管注浆是在开挖前，先用喷射混凝土将开挖面和一定范围内的坑道周边岩面封闭，然后沿坑道周边轮廓向前方围岩内打入带孔小导管，并通过小导管向围岩内压注胶结作用的浆液，待浆液硬化后，坑道周围岩体形成一定厚度的加固圈。打止浆墙钻注浆孔安注浆管注浆观察出浆补孔注浆结束自进式注浆锚杆：在小导管前端焊一个廉价钻头，将钻孔和小导管合二为一，缩短了注浆管安装时间，适用于钻孔易坍塌的地层，它的管体采用波纹或变径外形，增加其粘结和锚固能力，浆液采用水泥浆，可降低造价。2）优缺点：①超前小导管注浆作业只能在隧道内进行，导管安装和注浆作业占用了作业循环时间，不利于提高施工速度。②喷射前需要对掌子面和一定范围内岩面用喷射混凝土封闭，但在下次掘进循环中会随岩体一同被挖除，从而造成较大浪费。3）适用条件：超前小导管注浆压力低，适用于渗透系数大的无地下水或水量和压力较小的软弱破碎岩体中。2.超前深孔帷幕1）概念：在开挖前，先用喷射混凝土将开挖面和一定范围内的坑道周边岩面封闭，然后沿坑道周边轮廓向前方围岩内打入带孔长钢管，并通过长钢管向围岩内压注胶结作用的浆液，待浆液硬化后，坑道周围岩体形成一定厚度的加固圈。打止浆墙钻注