隧道初期支护讲义

初期支护结构施工技术

主讲人：

初期支护的基本认识隧道开挖后，为控制围岩应力适量释放和变形，增加结构安全度和方便施工，隧道开挖后立即施作刚度较小并作为永久承载结构一部分的结构层，称为初期支护。

隧道工程中初期支护一般采用锚喷网结构形式。锚喷支护工程特点:1.及时性：喷射早强砼，能迅速给围岩提供支护抗力；2.密贴性：喷射砼与围岩能全面密贴粘结；3.深入性：锚杆可深入围岩一定深度加固围岩，形成承载圈。4.柔性：容易调节围岩变形，可控制围岩塑性变形适度发展，发挥自承能力；5.封闭性：可阻止水对围岩的侵蚀而引起风化等。一般规定1、隧道初期支护必须紧跟隧道开挖作业面及时施作，同时应按设计要求进行监控量测的相关作业，对位于不良地质地段的隧道，初期支护应及时封闭成环，保证施工安全。2、隧道初期支护应采用喷锚支护，根据围岩特点、断面大小和使用条件等选择喷射混凝土、锚杆、钢筋网和钢架等单一或组合的支护形式。3、隧道支护施工前，应确定支护紧跟开挖的时间、距离及工序搭接要求，确定喷射混凝土前基面标准和设置喷混凝土厚度控制标志；确定锚杆、钢架、钢筋网的加工、运输、安装方案。4、喷射混凝土冬期施工时，作业区的气温和混合料进入喷射机的温度均不应低于5°C。5、作业区应有良好的通风和照明装置，喷射混凝土时粉尘含量不得大于2mg/m3。6、岩爆地段隧道施工加强支护工作，支护的方法是在爆破后尽可能早地向拱部或侧壁进行喷射混凝土，再加设锚杆及钢丝网。衬砌工作要紧跟开挖工序进行，以尽可能减少岩层暴露时间，减少岩爆发生和确保人身安全。7、膨胀岩隧道的初期支护宜采用喷射混凝土、锚杆、钢筋网、钢架等，以提高初期支护的整体刚度，应优先考虑采用喷射钢纤维混凝土。隧道工程优先采用锚喷的柔性支护结构目的：容许围岩发生有限变形发挥围岩的自承能力节省工程造价工序流程1、初期支护施工的一般工序流程为：开挖后初喷砼→系统支护施工（锚杆、钢筋网、钢架）→复喷砼至设计厚度。2、爆破后应首先清除浮石，然后立即进行初喷混凝土封闭围岩，以期充分发挥围岩的自稳能力。出碴结束后，再根据围岩级别施作锚杆、挂网、拱架及复喷混凝土。3、在富水断层破碎段，支护施作前应及时排水，以预防塌方的发生。在少量集中渗水、淋水地段，在将要通过的透水层部位，可采用排水孔法或排水管法，布置一定数量的排水孔或埋设排水管，将渗、淋水集中到排水孔内导出；也可采用金属网法，通过在钢筋网背后铺过滤层或隔水层，将其固定在围岩上，通过软管排水，随即喷射混凝土。如涌水较大，支护时对主要涌水出水口暂不进行封堵支护，待涌水减小或无水时，再进行支护或进行固结封堵，迫使水流改变流向。4、喷射混凝土厚度必须利用断面仪检测断面或凿孔检查，喷射混凝土的平均厚度应大于设计厚度，最小厚度不得小于设计厚度的2/3。锚杆1、锚杆的支护效效应锚杆(索)是用金属或其它它高抗拉性能的的材料制作的一一种杆状构件。。(1)支承围岩；(2)加固围岩；(3)提高土层间摩阻阻力，形成“组合梁”(4)“悬吊”作用:2、锚杆种类（1）普通水泥砂浆锚锚杆施工顺序：施工准备初初喷喷砼面上标注孔孔位钻钻孔清清孔往往孔中注注入砂浆插入杆体固固定定杆体、待强安安装垫板设计、施工要点点①钻孔：钻孔方方向宜尽量与岩岩层主要结构面面垂直。钻孔孔孔径比杆径大15mm。孔位允许偏差差为±15～50mm钻孔深度应大于于锚杆设计长度度10cm，孔深允许偏差差为±50mm。清孔：孔钻好好后用高压水(风)将孔眼冲洗干净净，用塞子塞紧紧孔口，防止石石渣掉入。②水泥砂浆：水泥泥一般选用普通通硅酸盐水泥，，砂子粒径不大大于3mm，并过筛；砂浆浆强度不低于M20；配合比一般为为水泥:砂:水＝1:(1~1.5):(0.45~0.5)。粘结砂浆应拌拌和均匀，并调调整其和易性，，随拌随用，一一次拌和的砂浆浆应在初凝前用用完。③注浆管应插至距距孔底5~10cm位置，随砂浆注注入缓慢匀速拔拔出。注浆体积积应略多于需要要体积，将注浆浆管全部抽出后后，应立即迅速速插入杆体，可可用锤击或通过过套筒用风钻冲冲击，使杆体强强行插入钻孔。。④杆体插入孔内的的长度不得短于于设计长度的95%，实际粘结长度度亦不应短于设设计长度的95%。⑤杆体到位后要要用木楔或小石石子在孔口卡住住，防止杆体滑滑出。锚杆安设设后不得随意敲敲击；终凝以前前不得在端部悬悬挂重物；水泥泥砂浆终凝以后后安装垫板。(2)中空注浆锚杆组成：由中空锚锚杆杆体和垫板板、螺母、排气气管等附件组成成。主要设在开开挖断面的拱部部及围岩较差地地段的拱墙。施工顺序：施工准备布布孔钻钻孔孔、清孔组装中空锚杆体体、排气管、止止浆塞安安装锚锚杆连连接注浆浆管、注浆锚锚杆杆体孔口口回浆浆体待强、安装装垫板螺栓设计、施工要点点①中空锚杆体材材料应选用符合合《中空锚杆技术条条件》的无缝钢管轧制制。②锚杆体及附属属结构的内外表表面不得有裂缝缝、折叠、轧折折、离层、结疤疤和锈斑等缺陷陷，存放及使用用中材料内外表表面必须除去油油污。③普通中空锚杆在在用于边墙或俯俯角下倾的锚孔孔时，注浆可采采用由锚杆内中中空通孔进浆，，锚杆口排气方方式。用在锚孔孔向上倾斜的仰仰角时，锚杆注注浆必须自锚杆杆体外钻孔中注注浆，锚杆的中中空通孔作为排排气的注浆方式式。④锚杆孔位、孔深深及布置形式符符合设计要求，，锚杆用的水泥泥浆或砂浆强度度不低于M20，单管达到设计计注浆量时注浆浆结束，当注浆浆压力达到设计计终压不少于20分钟，进浆量仍仍达不到注浆终终量时，亦可结结束注浆，并保保证锚杆孔浆液液注满，注浆质质量合格后将锚锚杆头封堵，避避免浆液倒流。。3、锚杆的布置分为局部布置和和系统布置。局部布置它主要用在裂隙隙围岩。重点加加固不稳定块体体，隧道拱顶受受拉破坏区为重重点加固区域。。布置原则：拱腰腰以上部位锚杆杆方向应有利于于锚杆的受拉；；拱腰以下及边边墙部位锚杆宜宜逆向不稳定岩岩块滑动方向。。系统布置在破碎和软弱围围岩中，一般采采用系统布置的的锚杆，对围岩岩起到整个加固固作用。对于局局部很破碎、软软弱围岩部位或或可能出现过大大变形的部位，，应加设长锚杆杆。布置的原则：(1)在隧道横断面上上，锚杆宜垂直直隧道周边轮廓廓布置，对水平平成层岩层，应应尽可能与层面面垂直布置，或或使其与层面呈呈斜交布置。(2)在岩面上锚杆宜宜成菱形排列，，纵、横间距为为0.6~1.5m，其密度约为0.6~3.6根/m2；(3)锚杆间距不宜大大于锚杆长度的的1/2，在Ⅳ、Ⅴ级围岩中，锚杆杆间距宜为0.5~1.2m，但当锚杆长度度超过2.5m时，若仍按间距距不大于1/2锚杆长度的规定定，则锚杆间的的岩块可能因咬咬合和连锁不良良而导致掉块坠坠落，为此，其其间距不宜大于于1.25m。我国《铁路隧道喷锚构构筑法技术规范范》规定：在围岩条件较好好的I~Ⅲ级岩层，可以采采用喷锚支护，，锚杆长度为1.5~3.0m；在围岩条件中等等和较差的Ⅲ~Ⅵ级岩层中，作为为复合衬砌中初初期支护的锚杆杆，单线隧道锚锚杆长度为2.0~3.0m，双线隧道锚杆杆长度为2.0~3.5m。4、锚杆间距和布布置锚杆最大间距不不应超过锚杆长长度之半；隧道道跨度之半(跨度小于6m)；岩体中平均断断裂面间距所确确定的不稳定岩岩块宽度的1.5倍。我国《铁路隧道喷锚构构筑法技术规范范》规定，锚杆的间间距不宜大于锚锚杆长度的1/2，以有利于相邻邻锚杆共同作用用。新奥法对锚杆布布置的设计，从从支护应使围岩岩形成自承拱出出发，锚杆间距距规定为：硬岩岩的锚杆间距取取1.5m；软岩、破碎岩岩体和土砂质地地层的锚杆间距距取1.0~0.8m；膨胀性地层的的锚杆间距取1.0~0.8m。喷射混凝土喷射混凝土既是是一种新型的支支护结构，又是是一种新的施工工工艺。它是使使用混凝土喷射射机，按一定的的混合程序，将将掺有速凝剂的的细石混凝土，，喷射到岩壁表表面上，并迅速速固结成一层支支护结构，从而而对围岩起到支支护作用。砼工喷射艺流程程施工准备受受喷面处理理埋埋设喷层厚度标钉机机具具到位接接通风水电、试机初初喷混凝土作业业复复喷混凝土作业质质量检检查1、喷混凝土的作作用(1)支撑围岩(2)“卸载”作用(3)填平补强围岩(4)覆盖围岩表面(5)阻止围岩松动(6)分配外力2、喷混凝土的特特点(1)喷射混凝土具有有强度增长快、、粘结力强、密密度大、抗渗性性好的特点。它它能较好地填充充岩块间的裂隙隙的凹穴，增加加围岩的整体性性，防止自由面面的风化和松动动，并与围岩共共同工作。(2)与普通模筑混凝凝土相比，喷射射混凝土施工将将输送、浇注、、捣固几道工序序合而为一，更更不需模板，因因而施工快速、、简捷。(3)喷射混凝土能及及早发挥承载作作用。它能在10min左右终凝，一般般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)试验表明，喷射射混凝土与模筑筑混凝土相比，，密实性和性能能稳定性要差。。3、喷射工艺种类类喷射混凝土的工工艺流程有干喷、潮喷、湿湿喷和混合喷四种。主要区别是各工工艺的投料程序序不同，尤其是是加水和速凝剂剂的时机不同。。干喷的缺点是产产生的粉尘量大大，回弹量大，，加水是由喷嘴嘴处的阀门控制制的，水灰比的的控制程度与喷喷射手操作的熟熟练程度有关。。但使用的机械械较简单，机械械清洗和故障处处理容易。潮喷是将骨料预预加少量水，使使之呈潮湿状，，再加水泥拌和和，从而降低上上料、拌和和喷喷射时的粉尘。。但大量的水仍仍是在喷头处加加入和喷出的。。湿喷混凝土质量量容易控制，喷喷射过程中的粉粉尘和回弹量很很少。但对喷射射机械要求较高高，机械清洗和和故障处理较麻麻烦。对于喷层层较厚的软岩和和渗水隧道，则则不易使用湿喷喷。混合喷射又称水水泥裹砂造壳喷喷射法，是将一一部分砂加第一一次水拌湿，再再投入全部水泥泥强制搅拌造壳壳；然后加第二二次水和减水剂剂拌和成SEC砂浆；将另一部部分砂和石、速速凝剂强制搅拌拌均匀。然后分分别用砂浆泵和和干式喷射机压压送到混合管混混合后喷出。由于喷射工艺的的不同，喷射混混凝土强度不同同，干喷和潮喷喷混凝土强度较较低，一般只能能达到C20，而混合喷射和和湿喷则可达到到C30~C35。4、喷混凝土设计计与施工设计要点(1)喷射混凝土设计计的最低强度不不应低于15MPa，一般设计强度度为20MPa，一天龄期抗压压强度不应低于于5MPa。对Ⅱ~Ⅲ级围岩，喷射混混凝土与岩面的的粘结强度不应应低于0.8MPa，对Ⅳ级围岩，喷射混混凝土与岩面的的粘结强度不应应低于0.5MPa。(2)一次喷射混凝土土厚度应根据设设计厚度和喷射射部位确定，一一般分2~3次喷至设计厚度度，初喷厚度一一般为4~6cm，后一层喷射应应在前一层混凝凝土终凝后进行行。若终凝后间间隔1h以上且初喷表面面已蒙上粉尘时时，受喷面应用用高压气体、水水清洗干净。岩岩面有较大凹洼洼时，应结合初初喷予以找平。。(3)喷射混凝土中含含有较多的大小小适中、分布均均匀、彼此不串串通的气泡，故故提高了抗渗性性。一般若水灰灰比不超过0.55时，抗渗性可以以达到P8。要求有较高的的抗渗性时，水水灰比最好不超超过0.45~0.50。(4)采用水泥裹砂喷喷射工艺时，造造壳水灰比与砂砂子的细度模数数关系很大，砂砂子越细，其表表面需水量越大大，则需要较大大的造壳水灰比比。一般在0.15~0.35范围内。原料(1)水泥要求掺入速凝剂后后凝结快、保水性性好、早期强度增增加快、收缩小。。一般优先采用425号以上的普通硅酸酸盐水泥，(2)砂子（细骨料）一般采用坚硬耐久久的中砂或粗砂，，细度模数一般宜宜大于2.5。砂的含泥量不大大于3％，砂中小于0.075mm的颗粒不应大于20%。(3)石子（粗骨料）应采用坚硬耐久的的卵石或碎石。石石子的最大粒径与与混凝土喷射机的的输料管直径有关关，一般不宜超过过管内径的1/3。(4)水。水中不应含有影响响水泥正常凝结与与硬化的有害杂质质。不得使用污水水、海水、PH值小于4.5的酸性水和含硫酸酸盐量(按SO42-计算)超过水的重量1%的水。(5)速凝剂目的：加速喷射混凝土土的凝结、硬化，，提高早期强度；；减少喷射混凝土土的回弹量；防止止因重力作用而引引起喷射混凝土的的流淌或脱落；增增大一次喷射厚度度，缩短分层喷射射的时间间隔。要求：掺用后，喷射混混凝土能快凝早强强（初凝时间不应应大于5min，终凝时间不应大大于10min），收缩变形小，，对温度和水灰比比变化不敏感，对对混凝土后期的物物理力学性能无显显著不良等，对混混凝土和钢筋无腐腐蚀作用。配比(1)干集料中水泥与砂砂石重量比，一般般为1:4~1:4.5，每立方米干集料料中，水泥用量约约为400kg。(2)砂率一般为45%~55%。实践证明，低于于45%或高于55%时，均易造成堵管管，且回弹大，强强度降低，收缩加加大。(3)水灰比一般为0.4~0.45。采用水泥裹砂喷喷射工艺时，还应应试验选择最佳造造壳水灰比。(4)速凝剂和其它外加加剂的掺量，由试试验来确定最佳掺掺量，并达到各龄龄期的设计强度要要求。(5)喷射混凝土搅拌时时间及搅拌后临时时存放时间均应按按规范规定进行。。喷前检查及准备(1)开挖断面尺寸检查查，清除松动危岩岩，欠挖超标严重重的应予处理。(2)根据石质情况，用用高压风或水清洗洗受喷面。(3)受喷岩面有集中渗渗水时，作好排水水引流处理，无集集中水时，根据岩岩面潮湿程度，适适当调整水灰比。。(4)埋设喷层厚度检查查标志，一般是在在石缝处钉铁钉，，或用快硬水泥安安设钢筋头，并记记录其外露长度。。(5)检查调试好各机械械设备的工作状态态。施喷注意事项(1)喷射时应分段(不超过6m)、分部(先下后上)、分块(2.0m×2.0m)，严格按先墙后拱拱，先下后上的顺顺序进行，以减少少混凝土因重力作作用而引起的滑动动或脱落现象发生生。(2)喷射时可以采用S形往返移动前进，，也可以采用螺旋旋形移动前进。(3)喷射时喷嘴要垂直直于受喷面，倾斜斜角不大于10°，距离0.8~1.2m。(4)对于岩面凹陷处应应先喷多喷，凸出出处应后喷少喷。。(5)喷射时一次喷射厚厚度不得太薄或太太厚，它主要与混混凝土的粘结力和和受喷部位及回弹弹情况等有关。（6）应在其终凝2h后进行洒水养护，，养护时间一般不不少于14d。（7）回弹物料的利用用。实测表明，采采用干法喷射混凝凝土时，一般边墙墙的回弹率为10%~20%，拱部为20%~35%，回弹量相当大。。应设法减少回弹弹，将回弹物料回回收利用。堵管问题处理遇到堵管发生时，，喷射机司机应立立即关闭马达，随随后关闭风源，喷喷射手将软管拉直直，然后用手锤敲敲击以寻找堵管处处。当敲击钢管时时发音混浊，或敲敲击胶管时有发硬硬感觉处，即为堵堵管部位。找到堵堵管部位后，可将将风压升到0.3~0.4MPa(不超过0.5MPa)，并用锤击堵管部部位，使其畅通。。排出堵管时，喷喷嘴前方严禁站人人，以免被喷伤。。5、钢纤维喷射混凝凝土喷纤维混凝土与喷喷普通混凝土的最最大区别是：•弯曲拉伸及抗剪强强度大；•峰值强度后的残留留强度大；•峰值强度后的变形形能力及韧性大，，开裂发生后也能传递拉力；•耐冲击、抗冻融性性好。在发生很大荷载和和变形的隧道洞口口和断层破碎带、、膨胀性围岩、弯弯曲应力大的扁平平断面、隧道分叉叉地段、发生复杂杂应力的地段等，，使用效果是很明明显的。钢纤维喷射混凝土土是在喷射混凝土土中加入钢纤维，，弥补喷射混凝土土的脆性破坏缺陷陷，改善喷射混凝凝土的物理力学性性能。通常在喷射钢纤维维混凝土中，钢纤纤维的直径(或等效直径)为0.3~0.6mm，长度为20~40mm，长径比为40~60，钢纤维的体积掺掺量为1％~2％。性能特点(1)钢纤维喷射混凝土土中的钢纤维主要要在喷射平面内呈呈两维分布，且相相当均匀。(2)钢纤维喷射混凝土土的破坏呈塑性破破坏，因此容许有有较大的变形，裂裂缝出现后仍有一一定的承载能力。。(3)在一般掺量情况下下比普通喷射混凝凝土的抗压强度提提高30%~60%，抗拉强度提高50%~80%，抗弯强度提高40%~70%。(4)当钢纤维掺量大于于1.5%时，钢纤维喷射混混凝土的韧性(加载至试件完全破破坏所做的功)为普通喷射混凝土土的20~50倍，抗冲击性能提提高8%~30%，抗磨损性能能提提高30%施工要点(1)应选用经过实用检检验的喷射机械。。主要问题是防止止钢纤维结团堵管管。(2)钢纤维和基料必须须拌和均匀，避免免结成喷射机拔料料盘堵塞或堵管。。方法是先将水泥泥、砂、石拌和均均匀，然后掺入钢钢纤维和速凝剂，，再拌和均匀，装装入运输车(3)操作同普通喷射混混凝土，但输料管管的磨耗大，一般般要高于普通喷射射混凝土30%~40%。(4)风压要比普通喷射射混凝土高0.02~0.05MPa；当输送距离不大大于40m时，风压一般可为为0.05~0.18MPa。6、合成纤维喷射混混凝土合成纤维材料：聚聚丙烯纤维聚丙烯纤维在混凝凝土的碱性环境下下非常稳定，熔点点较高，表面憎水水，100％的湿强保持率，，质量轻，价格低低，加工性能优良良、不成团、不缠缠结，混凝上的能能量吸收能力和延延性提高了，抗弯弯强度和疲劳极限限也有提高，但抗抗压强度提高不多多。聚丙烯纤维减少了了混凝土的早期塑性收缩裂纹并并能阻止它们的发展，从而提高高了混凝土的抗渗性。聚丙烯纤纤维能推迟混凝土表面的劣化，，提高耐久性。施工要点：1、喷混凝土中所使使用纤维长度宜为为19mm。2、合成纤维抗拉强强度不宜小于280MPa。3、合成纤维掺入量量为0.9kg/m3。4、拌和时间宜为4~5min，且纤维已均匀分分散成单丝，否则则至少需要延长拌拌和时间30s方可使用。5、喷合成纤维混凝凝土的强度等级应应符合设计要求，，粗骨料粒径不宜宜大于20mm。6、喷合成纤维混凝凝土的水胶比宜为为0.35~0.45。7、合成纤维加入喷喷混凝土拌和料中中时不需要改变原原混凝土的配合比比。7、钢筋网喷射混凝凝土构造组成钢筋网通常作环向向和纵向布置。环向筋一般为受力力筋，由设计确定定，直径φ12左右；纵向筋一般般为构造筋，直径径φ6~φ10；网格尺寸一般为20cm×20cm，20cm×25cm，25cm×25cm，25cm×30cm或30cm×30cm。施工要点(1)钢筋网应根据被支支护围岩面上的实实际起伏形状铺设设，且应在喷射一一层混凝土后再行行铺设。钢筋与岩岩面或与初喷混凝凝土面的间隙应不不小于3~5cm，钢筋网保护层厚厚度不小于3cm，有水部位不小于于4cm。(2)为便于挂网安装，，常将钢筋网先加加工成网片，长宽宽可为100~200cm。(3)钢筋网应与锚杆或或锚钉头连结牢固固，并应尽可能多多点连接，以减少少喷射混凝土时使使钢筋发生“弦振”。锚钉的锚固深度度不得小于20cm。(4)开始喷射时，应缩缩短喷头至受喷面面之间的距离，并并适当调整喷射角角度，使钢筋网背背面混凝土密实。。对于干燥土质隧隧道，第一次喷射射不能太厚，以防防起鼓剥落。钢拱架构造组成钢拱架可以采用型型钢、工字钢、钢钢管或钢筋制成。。现场采用以钢筋筋制作的格栅钢架架较多。性能特点(1)钢拱架的整体刚度度较大，可以提供供较大的早期支护护刚度；型钢拱架架较格栅钢架能更更早承载。(2)钢拱架可以很好地地与锚杆、钢筋网网、喷射混凝土相相结合，构成联合合支护，增强支护护的有效性，且受受力条件较好。尤尤以格栅钢架结合合最好。(3)格栅钢架采用钢筋筋现场加工制作，，技术难度和要求求并不高；对隧道道断面变化适应性性好。(4)钢拱架的安装架设设方便。设计要点(1)钢拱架的设计可按按其单独承受早期期松弛荷载来设计计。q′＝μq式中：q′——钢拱承受的早期松松弛荷载；q——围岩松弛荷载，按按松弛荷载统计公公式计算；；μ——钢拱架的荷载系数数，一般取0.1~0.4。(2)钢拱架的截面高度度应与喷射混凝土土厚度相适应，一一般为16~20cm，且要有一定保护护层。钢拱架通常常是在初喷封面混混凝土后架设的，，初喷混凝土厚度度约4cm。(3)为架设方便，每榀榀钢拱架一般应分分为2~6节，并保证接头刚刚度，节数应与断断面大小及开挖方方法相适应。每榀榀钢拱架之间应设设置不小于φ22的纵向钢拉杆。(5)当围岩变形量较小小或只允许围岩有有小量变形时，钢钢拱架可以设计为为固定型。当围岩岩流动性强、变形形量大，且允许围围岩有较大变形时时，宜将钢拱架设设计为可缩性，其其可缩节点位置宜宜设置在拱顶节点点处。施工要点(1)钢拱架垂直度允许许误差为±2°。(2)钢拱架的拱脚应稳稳定，一般有垫板板、纵向托梁、锁锁脚锚杆等。(3)钢拱架的安设应在在开挖后的2