隧道常用的超前预支护方法

隧道常用的超前预支护方法李文江

石家庄铁道学院

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砂卵石地层，当裂隙宽度（或粒径）大于１mm或渗透系数大于5×10-4m/s时，应采用料源广且价格便宜的注浆材料。一般对于无水的松散地层，宜优先选用单液水泥浆；对于有水的强渗透地层，则宜选用水泥－水玻璃双浆液，以控制注浆范围。细、粉砂层、断层带，当裂隙宽度(或粒径)小于1mm，或渗透系数k≥10-４m/s时，注浆材料宜优先选用水玻璃类和木胺类或超细水泥浆液。各种浆材的适用范围

采用水泥浆液时，水灰比可采用0.5:1~1:1，需缩短凝结时间，则可加入氯盐、三乙醇胺速凝剂。采用水泥－水玻璃浆液时，水泥浆的水灰比可用0.5:1~1:1；水玻璃浓度为25~40ºBe，水泥浆与水玻璃的体积比宜为1:1~1:0.3。(3)注浆孔口最高压力应严格控制在允许范围内，以防压裂开挖面，注浆压力一般为0.5~1.0MPa，止浆塞应能经受注浆压力。注浆压力与地层条件及注浆范围要求有关，一般要求单管注浆能扩散到管周0.5~1.0m的半径范围内。要控制注浆量，即每根导管内已达到规定注入量时，就可结束；若孔口压力已达到规定压力值，但注入量仍不足，亦应停止注浆。注浆结束后，应做一定数量的钻孔检查或用声波探测仪检查注浆效果，如未达到要求，应进行补注浆。注浆后应视浆液种类，等待4h(水泥－水玻璃浆)~8h(水泥浆)方可开挖，开挖长度应按设计循环进尺的规定，以保留一定长度的止浆墙。超前小导管施工简易，应急速度快，比超前锚杆支护能力大；比管棚简单易行、灵活、经济、施工速度快，但支护能力较弱；格栅内空间被喷射混凝土充填，其表面被覆盖，所形成的初期支护具有较强的承载能力，并有一定的防水性能；与围岩紧密粘结，形成一个刚度较接近的共同变形体，易形成有效的压力拱，使隧道结构受力条件趋于合理。(4)特点3水平旋喷注浆喷射注浆法，又称旋喷法，分为垂直和水平旋喷注浆两种方法。水平旋喷注浆的施工原理类似于垂直旋喷注浆，只是一个为水平一个为垂直。其施工方法为，首先使用旋喷注浆机，沿着隧道掌子面周边的设计位置旋喷注浆形成旋喷柱体，通过固结体的相互咬合形成预支护拱棚。一般每根旋喷体，首先通过水平钻机成孔，钻到设计位置以后，随着钻杆的退出，用水泥浆或水泥－水玻璃双浆液旋喷注入钻成的孔腔，通过高压射流切割腔壁土体，被切割下的土体与浆液搅拌混合、固结形成直径600mm左右的固结体，同时周围地层受到压缩和固结，其土体的物理力学性能得到一定程度的改善。旋喷柱体沿隧道拱部形成环向咬合、纵向搭接的预支护拱棚，在松散不稳定地层隧道中，可有效控制坍塌和地层变形。水平旋喷注浆桩的应用在我国还不是很广，旋喷桩抗弯性能不强，施工控制的难度较大，特别是目前我国的水平旋喷钻机性能尚未过关，制约了水平旋喷预支护技术的应用和发展。它主要适用于粘性土、砂类土、淤泥等地层。（a）意三大利三产重三型水三平选三喷钻三机（b）19三83年研三制的三轻型三水平三选喷三钻机（c）三三一重三工20三08年产三中型三水平三选喷三钻机4械预三切槽三法机械三预切三槽法三首次三应用三于20世纪70年代三法国三巴黎三快速三轨道三运动三系统三的一三个车三站的三建造三工程三中。三它是三利用三专业三的切三槽机三械，三沿隧三道外三轮廓三切割三一定三深度三的切三槽。三切槽三方式三有带三锯式三和排三钻式三两种三。在三硬岩三地层三中，三利用三该切三槽，三作为三爆破三振动三的隔三振层三，主三要起三隔振三或减三振的三目的三。在三软石三或砂三质地三层中三，在三切槽三内填三筑混三凝土三，形三成预三支护三拱，三提高三隧道三稳定三性。机械三切槽三预支三护，三在国三外已三有多三次成三功应三用的三实例三，取三得了三较好三的经三济和三社会三效益三。在三国内三，软三岩锯三式切三槽机三尚在三研制三当中三。在安三全稳三定的三作业三环境三下，三用挖三掘机三或臂三式掘三进机三开挖三前作三业面三。自三卸汽三车或三翻斗三车可三穿行三于预三切槽三机内三。必要三时，三作业三面装三以玻三璃纤三维锚三杆，三以稳三定作三业面三。随三后在三作业三面上三喷混三凝土三。紧随三其后三，安三装隧三道防三水层三，进三行二三次衬三砌。作业三过程三如下三：用预三切槽三锯沿三隧道三外廓三弧形三拱深三切一三宽15三~3三0c三m、长约5m的切三槽。在切三槽内三立即三填充三高强三度喷三射混三凝土三，形三成长3~三5m的整三体连三续拱三，两三次连三续拱三的搭三接长三度为0.三5~三2.三0m，视三围岩三的不三同而三定。①可减三轻在三硬岩三爆破三时，三振动三的扩三展；三②在三作业三面开三挖前三，快三速建三成一三临时三的整三体弧三形拱三，从三而减三小围三岩变三形与三地表三沉陷三；③三为人三员和三设备三提供三清洁三、安三全的三工作三条件三；④三有利三于作三业全三过程三的工三业化三及机三械化三，从三而使三进度三快速三均衡三，适三应性三增强三，大三大节三约了三成本三。机三械预三切槽三法在三硬岩三地层三中应三用的三最大三弱点三是推三进速三度慢三，较三适合三用于三市区三隧道三工程三、松三散地三层和三大断三面隧三道。机械三预切三槽法三的优三点5超前三管棚大管三棚(一般三管径70三~1三80三mm，长三度10三~3三0m三)是指三开挖三掘进三前在三隧道三开挖三工作三面的三上半三断面(呈扇三形)或全三部沿三隧道三断面三周边三间隔三一定三距离三用大三型水三平钻三机钻三孔，三钢管三跟入三或向三孔内三压入三钢管三而形三成钢三管群三体。三为提三高钢三管刚三度常三向管三内灌三注混三凝土三或钢三筋笼三混凝三土。三由于三一次三施作三距离三大，三支护三刚度三大，三它能三有效三控制三土质三围岩三的下三沉松三驰和三坍塌三，好三地控三制地三表沉三降量三，在三城市三地铁三施工三中广三泛应三用。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三型号三的选三择：根据三实际三地层三和技三术经三济因三素分三析，三土体三凝聚三力较三高的三粘性三土，三可选三取φ8三9m三m；一三般土三层在三多数三情况三下选三取φ1三08三mm型钢三管。间距三的选三择：对于三松散三地层三，钢三管间三距应三适当三缩小三，考三虑钻三进等三因素三，选三择间三距在0.三1~三0.三2m为宜三；一三般地三层选三择间三距为0.三3~三0.三4m；土三体凝三聚力三较高三的粘三性土三也可三适当三加大三。(1三)支护三参数三的选三择支护三掘进三步距三的选三择：管棚三支护三掘进三步距三过小三，会三增加三工序三转换三时间三，影三响施三工效三率；三管棚三支护三掘进三步距三过大三，又三可能三会产三生塌三帮等三安全三事故三，根三据实三际地三质条三件，三掘进三步距三应确三定在1.三0~三2.三0m。支护三长度三的选三择:管棚三支护三长度三越长三，越三能节三省辅三助时三间，三提高三施工三效率三，但三是由三于受三到钻三孔机三具、三钻进三技术三和钢三管柔三性弯三曲等三条件三限制三，如三果管三棚支三护长三度过三长，三就很三难确三保管三棚的三水平三角度三和排三列整三齐，三从而三影响三施工三质量三，一三般根三据不三同地三质条三件管三棚支三护长三度选三择为10三~3三0m。仰角三的确三定:因土三层松三软及三钻杆三重力三，管三棚在三钻进三过程三中要三发生三向下三弯曲三，在三开孔三钻进三时要三有一三定的三上仰三角度三。如三果上三仰角三度过三小，三管棚三会因三向下三弯曲三而进三入隧三道区三域，三在隧三道掘三进时三需要三将钢三管割三去，三从而三严重三影响三隧道三掘进三速度三和安三全；三如果三上仰三角度三过大三，使三管棚三远离三隧道三外径三而失三去支三护作三用，三而且三使管三棚有三效支三护长三度缩三短。三为此三需要三选择三合适三的管三棚上三仰角三度(一般1~三5°)。工作三室施三工：隧道三开挖三至设三计工三作室三里程三后，三将隧三道标三准断三面扩三大到三管棚三工作三室断三面。预制三导向三架，三安装三导向三管：架立三导向三架，三并按三设计三角度三将导三向管三焊接三到导三向架三上，三确认三无误三后，三封堵三导向三管管三口加三以保三护，三再用三喷射三混凝三土将三导向三架与三工作三室构三成整三体。工作三面处三理：掌子三面上三挂网三喷混三凝土三，封三闭掌三子面三，并三作为三注浆三的止三浆墙三，确三保管三棚施三工中三工作三面安三全。(2三)施工三工艺钻机三就位三：用仪三器量三测导三向管三，固三定钻三杆转三轴，三使之三与钻三杆共三线。钻孔三：用低三档开三钻，三钻到三一定三深时三，接三杆继三续钻三进，三经常三复核三钻孔三角度三，确三保钻三孔方三向，三若发三现偏三斜，三及时三高速三处理三。插入三导管三：插前三应对三每个三钻孔三的管三子配三管编三号，三保证三同一三断面三上钢三管接三头数三≤50三%。孔口三密封三处理三：注浆三前对三管口三与孔三口间三空隙三密封三，防三止水三泥浆三外渗三。导管三注浆三：通过三注浆三，即三可增三强导三管刚三度，三又可三使浆三液渗三入周三围地三层，三加固三地层三。大管三棚刚三度大三、结三构强三度高三、所三形成三的拱三棚承三载能三力强三；一次三支护三长度三大，三可以三减少三超前三支护三的次三数，三缩短三施工三时间三；由工三程经三验得三知，三大管三棚预三注浆三支护三效果三可靠三，劳三动消三耗量三相对三较少三，虽三然材三料费三用要三高些三，但三安全三系数三也能三相对三提高三，可三望能三有效三地保三持隧三道周三边围三岩的三稳定三，提三高施三工安三全。(3三)技术三特点6管幕三预支三护技三术美国三是最三早采三用管三幕技三术的三国家三，在19三22三~1三94三7年间三，美三国采三用管三幕法三累计三完成三铺管三工程83三0项，三铺管三总长三度16三80三0m。20世纪50年代三开始三长距三离管三幕，20世纪70年代三出现三了小三口径三管幕三，以19三77三~1三98三4年下三水道三敷设三看，三短距三离、三手挖三式的三一次三顶进三方法三占半三数以三上，三长距三离的三管幕三施工三方法三、半三盾构三方法三则逐三渐增三加。三美国19三90年以三前是三液压三管幕三占主三导，三随着三气动三钢管三顶打三技术三出现三，迅三速发三展并三取代三液压三，液三压管三幕已三由19三90年的80三%迅速三降为19三94年的40三%。6.三1国外三管幕三技术三的发三展日本三自20世纪70三~8三0年代三下水三道敷三设中三，直三径10三00三~1三85三0m三m者大三部分三是管三幕，三直径三大于20三00三mm的多三用衬三砌盾三构施三工法三，顶三进施三工法三其施三工管三道长三度占三下水三道总三长度三的6.三3%，另三外盾三构法三占2.三3%，而三明挖三施工三法占36三%。各三种工三法如三铁鼠三掘进三机施三工法三、水三平螺三旋钻三施工三法、三鼹鼠三式掘三进机三施工三法、三土箭三施工三法应三运而三生。微型三机械三施工三法能三使原三先不三可能三的小三口径三管幕三进行三长距三离转三弯施三工，三且比三较经三济。三施工三机具三主要三分为三压入三式、三水平三螺旋三钻机三、水三平钻三孔、三泥浆三加压三式施三工，三其中三前两三种使三用较三多且三可修三正方三向。20世纪90年代三日本su三pe三r-三mi三ni施工三法协三会开三发的三适于三大、三中口三径16三00～30三00三mm的长三距离三管幕三施工三法，三即覆三膜管三幕法三又一三次飞三跃地三提高三了管三幕一三次顶三进的三最大三距离三。日三本还三自行三研制三开发三了闭三水性三、耐三酸性三好的三钢筋三混凝三土管三、聚三乙烯三塑料三管、三铸铁三管、三增强三塑料三管等三专用三规范三管材三。英国三管幕三技术三发展三也较三快，19三80年从三日本三引进三泥水三平衡三式管三幕机三械与三当时三西德三合作三施工三的一三条内三径为24三89三mm，长三度为3.三2k三m的管三道已三获成三功，三且曾三达到三不用三中继三间最三大顶三距17三8m的记三录。德国三在大三口径三管顶三进方三面技三术比三较先三进，三一次三顶进三最长2.三2k三m，最三大直三径4.三4m，如VS三86三4掘进三系统三，用三感应三式激三光屏三幕显三示顶三进位三置，三采用三快速三运行三的液三压千三斤顶三推顶三，每三天进三尺达40三~5三0m。19三70年的三德国三汉堡三下水三道管三幕工三程是三世界三上首三次一三次顶三进超三千米三的混三凝土三管幕三工程三，19三87年完三成的三西柏三林供三热水三钢筋三混凝三土管三道，三内径4.三1m，一三次顶三进10三88三m，工三程总三长36三07三m。在三小口三径管三幕方三面：三施密三特克三朗茨三有限三公司三开发三了一三种新三的PB三A3三8型顶三压钻三进设三备可三有效三控制三敷设三接户三支管三以及三最大三内径DN三30三0m三m的管三道且三目标三精度三高，三管接三口为三双层三密封三。6.三2国内三管幕三技术三的发三展管幕三施工三法是三中国三最早三使用三的非三开挖三施工三方法三，19三53年首三次用三于北三京西三郊行三政区三污水三管工三程，三采用三人工三挖掘三顶进三直径90三0m三m管径三的铸三铁管三。随三后，三上海三等城三市也三相继三采用三这一三技术三，但三都是三手掘三式管三幕，三设备三也较三简陋三。20世纪70年代三，为三适应三大口三径管三道穿三越江三河的三需要三，我三国开三始发三展长三距离三顶进三技术三。19三78年研三制成三功的三三段三双铰三型工三具管三解决三了百三米管三幕技三术，三同年三，上三海又三成功三开发三适于三软粘三土和三淤泥三质粘三土的三挤压三法管三幕，三比普三通手三掘式三管幕三效率三提高三一倍三以上三。从20世纪80年代三开始三，管三幕技三术在三中国三有了三很大三发展三。19三81年在三穿越三甬江三的管三道工三程中三，第三一次三应用三中继三间获三得成三功，三顶进三长度三达58三1m，成三为当三时继三美国三依里三诺斯三州一三次顶三进58三5m之后三，世三界一三次顶三进最三长的三管幕三工程三。20世纪90年代三我国三的管三幕技三术已三处于三世界三先进三水平三。19三92年上三海研三制成三功国三内第三一台三加泥三式φ1三44三0m三m土压三平衡三掘进三机，三在奉三贤排三污工三程中三，直三径DN三16三00三mm钢筋三混凝三土管三一次三顶进15三11三m，创三单向三一次三顶进三混凝三土管三的世三界记三录。19三96年底三又设三计成三功可三调换三止水三带的三中继三间在三上海三黄浦三江上三游引三水工三程中三，将三内径35三00三mm的钢三管，三单向三一次三顶进17三43三m，再三创世三界之三最，三该工三程地三面用三微机三监控三，采三用无三线电三通讯三手段三传达三到地三下，三可随三时调三整其三偏差三，减三轻人三工负三担且三确保三施工三精度三，目三前我三国管三幕工三程的三管幕三直径三之大三、顶三进长三度之三长均三属世三界领三先水三平，三已具三备一三次顶三进30三00三m管道三的能三力。管幕三技术三显著三的优三越性三使它三得到三了广三泛的三应用三，在三给排三水工三程、三煤气三热力三工程三、通三信电三缆和三发电三厂循三环水三冷却三系统三中采三用管三幕施三工法三的愈三来愈三多，三从经三济效三益和三社会三效益三、环三境效三益，三及三三者综三合比三较来三看，三管幕三施工三明显三具有三实际三的可三用性三。6.三3管幕三预支三护技三术考虑三到流三塑状三淤泥三质含三水地三层，三浅埋三和城三市环三境(周边三建筑三物和三地下三管线)等因三素，三把隧三道暗三挖施三工对三环境三安全三、对三地面三交通三和既三有建三筑物三的干三扰减三少到三最低三程度三，超三前预三支护三是一三项重三要的三工程三技术三措施三。传三统的三超前三预支三护刚三度较三小、三一次三施作三距离三短，三而管三幕预三支护三中的三钢管三一般三直径三为20三0~三25三00三mm，一三次施三作距三离长三，这三种支三护钢三管可三作为三整个三支护三结构三的一三部分三，因三此又三称为三结构三性管三棚。6.三3.三1管幕三用作三隧道三预支三护应三用现三状北京三地铁三五号三线崇三文门三站总三长20三2.三9m，两三端为三两层三三拱三结构三，中三间下三穿既三有环三线地三铁区三间段三，为三单层三三拱三结构三，既三有线三区间三结构三底板三与车三站单三层断三面顶三部净三距2.三85三8m。由三于既三有区三间地三铁轨三道允三许沉三降小三，传三统的三超前三支护三技术三不能三控制三车站三暗挖三施工三引起三的过三量地三层位三移。三因此三，采三用了三双排φ6三00大直三径钢三管，三长28三m一次三施作三；振三动锤三夯入三，螺三旋钻三出土三的施三工方三法，三取得三了工三程的三预期三效果三。(1三)北京三地铁三五号三线崇三文门三站穿三越既三有地三铁段北京三地铁三五号三线东三四站三穿越三朝内三菜市三场段三，为三严格三控制三暗挖三施工三沉降三，采三用φ1三59长50三.5三4m、间三距0.三5m拱部三大管三棚预三支护三。由三于该三区段三管棚三一次三施作三长度三大，三普通三钻机三无法三施作三，采三用地三质钻三机引三孔、三振动三锤夯三入、三管内三高压三水出三土的三施工三方法三，也三取得三了工三程的三预期三效果三。(2三)北京三地铁三五号三线东三四站三穿越三地面三建筑三物段6.三3.三2管幕三预支三护的三特点因管三幕钢三管顶三入时三，正三面土三体封三闭形三式、三开挖三方法三和出三土方三式的三不同三，形三成了三不同三类别三的管三幕施三工方三式，三但均三遵循三一个三共同三的原三理，三即无三论是三否使三用工三具管三，首三节切三入管三均是三切土三顶进三，切三入段三的长三度视三地层三松软三和稳三定性三的不三同而三不同三，如三采用三全长三切土三顶入三。因三此，三管幕三施工三自身三对地三层扰三动极三小，三施工三安全三可靠三。管三幕作三为隧三道施三工的三预支三护，三管幕三自身三施工三遵守三着预三支护三原理三。因三此：(5三)高精三度的三管幕三机研三制或三购置三费用三较高三，但三作为三隧道三预支三护一三次顶三进长三度较三短时三，其三精度三要求三相对三较低三，也三可采三用较三为简三单的三正面三土体三开挖三方法三和出三土方三式。(2三)可以三在不三采用三气压三振动三条件三下，三使钢三管顶三入，三不扰三动砂三土和三淤泥三地层三；(3三)可以三在既三有建三筑物三邻近三施工三，小三直径三管自三身顶三入施三工引三起的三地表三沉降三通常三可控三制在3m三m以内三，一三般不三需对三建筑三进行三基础三托换三和地三下管三线改三移；(4三)预支三护钢三管埋三入土三体不三能再三回收三，成三本较三高；(1三)该工三法施三工时三无噪三音和三震动三，不三影响三城市三道路三交通三；6.三3.三3施工三步骤(1三)工作三面封三闭或三加固三处理对待三预支三护的三隧道三或导三坑工三作面三进行三封闭三。(2三)推进三基坑三或反三力座三准备根据三所采三用推三进设三备的三作业三要求三，铺三设推三进机三作业三轨道三或修三筑顶三力后三背，三以及三顶入三管的三安装三，存三放场三地。(3三)推管利用三推进三设备三，将三整长三或分三节管三推入三地层三，形三成管三幕的三预支三护拱三。(4三)隧道三开挖在管三幕的三超前三支护三下，三进行三隧道三开挖。6.三3.三4大刚三度管三幕预三支护三的力三学作