隧道超前预支护技术与应用

隧道超前预支护技术与应用6超前预支护技术6.1概述6.1.1超前支护的概念6.1.2超前支护原理6.1.3超前支护形式6.2超前锚杆和小导管注浆超前支护技术6.2.1适用范围6.2.2设计原则6.2.3小导管的施工技术6.3管棚式超前支护技术6.3.1管棚式超前支护适用范围6.3.2管棚式超前支护设计6.4

超前预支护技术的应用6.1概述6.1.1超前支护的概念6.1.2超前支护原理6.1.3超前支护形式6.1.1超前支护的概念超前支护：是指对尚未开挖的岩土体进行预支护，预防其在开挖时的冒落或塌落。这些岩土体主要是指一些开挖后来不及支护就会发生破坏性事故，如流沙、严重的破碎带、松散的软岩、高应力围岩等。超前支护的方法有许多，如开挖前施工的各种护坡桩、注浆、超前锚杆及和各种形式的结合结构。超前支护一般都是在迫不得已的情况下采用，代价相对比较高，但往往能收到很好的效果，比破坏后的修复省工省时，具有较好的经济效果。南京地铁等风化岩层中区间隧道主要采用超前支护技术配合锚杆、钢拱架支护等技术解决掘进和支护问题。6.1.2超前支护原理围岩的破坏是有时间过程的，其原因包括开挖的端头效应和时间效应：（1）端头效应。荷载并非同时全部地施加在端头附近的围岩上的，只有随开挖向前推进到超出端头影响区以后，应力才被全部施加，端头的夹持作用也失去。因此，许多开挖工程常常是在开挖后的一段时间里会发生破坏性事故。（2）时间效应。岩土的蠕变特性说明，围岩存在一个对应于某段时间的长期强度，当应力超过此强度值时，则围岩在到达此时间后就会发生破坏。无限长时间的长时强度约为瞬时强度的70%。应力越高，破坏的时间越短；因此，当围岩应力低于瞬时强度，而高于长时强度时，就会在某个时间里发生破坏（如果不支护）。6.1.2超前支护原理因此，开挖后发生立即破坏或来不及支护的破坏，也是这两个原因。即：一是虽然存在端头效应，但其围岩内的应力已经超过强度，端头的夹持效应也不能阻止其破坏过程；另一个便是时间效应因素。6.1.2

超前支护原理实际上，围岩的破坏是渐进的。就是加载后，围岩随变形的增加，其内部就开始有破裂出现而降低岩体质量。因此，过大的变形对围岩后期的承载是不利的。有时尽管岩土体没有冒落或坍塌，但围岩的破损可能发生在岩土体的内部，围岩的承载能力可能已经有严重损失，以至在载荷进一步发展后（端部开挖），围岩很快就失效。因此，超前支护就是提前提供约束，减少围岩质量在变形过程中的降低。6.1.3超前支护形式超前支护一般可以分为两种，即：超前锚杆（或预应力锚杆）和带注浆的超前锚杆。带注浆的超前锚杆支护又分小导管注浆支护和管棚式支护。围岩压力大，容易冒落，最大空顶时间短，则可以采用超前锚杆支护形式；在破碎带、浅埋软弱破碎岩层或松软的砂土层和工作面不易站立的岩土层中，可采用小导管注浆支护；对于更严重的地层（如第四系表土、砂砾层等）或施工规模更大的工程，可采用管棚式支护。6.2超前锚杆和小导管注浆超前支护技术6.2.1适用范围6.2.2设计原则6.2.3小导管施工技术6.2

超前锚杆和小导管注浆超前支护技术超前锚杆：主要是指在工作面向前方布置倾斜式锚杆，使锚杆伸到即将要开挖的部分，在开挖前对这部分围岩进行支护。小导管注浆超前支护：是指采用锚、注的形式进行超前支护，可将破碎的围岩固结和锚固成一个整体，从而显著提高围岩的自承载能力。它是沿初期支护外轮廓线，以一定仰角，向工作面施打直径为32～45

mm的带泄浆孔的小导管并进行注浆，利用浆液充分填充岩土体中的空隙，形成一定厚度的结合体。小导管注浆的作用：稳定工作面前方的岩土体，以达到控制开挖松弛、崩塌、沉降，从而提高了工作面的自稳性。此项技术在软弱围岩的地下工程中获得了广泛的应用。6.2.1适用范围小导管注浆方法主要适用于：自稳时间短的软弱破碎带、浅埋软弱围岩和严重偏压砂层、砂卵石层、断层破碎带以及大面积淋水或涌水的隧道与巷道等。对结构顶部处于亚粘土、粉细砂、中粗砂等地质松软、空隙较大的地层更为适用，效果明显。6.2.2

设计原则为保证工作面开挖时不坍塌，设计施工时，应充分考虑：支护时间、支护类型和支护参数的选择，且小导管注浆超前支护工艺也应和开挖工序等相结合等。注意：（1）在台阶掘进中，要保证上台阶前方不稳定土体的稳定，小导管打入土体的长度必须穿过可能形成的破裂面以外；（2）小导管间距应根据工作面前方地质条件和其自稳能力来决定；6.2.2

设计原则（3）小导管的外插角（与隧道开挖轮廓的夹角）应考虑小导管的长度和钢架的间距；（4）考虑一次掘进进尺及前后小导管之间的搭接长度。根据现场试验和施工经验：小导管的长度L以3～4.5m为宜，外插角以10º～20º为宜，小导管间距通常按每米3～4根布置，导管之间的搭接长度不宜小于1.0m。6.2.3

小导管的施工技术（1）小导管的加工制作前端加工成圆锥形并封焊严实；管身设若干溢浆孔，孔径Ф6～12mm；孔距20~30cm，按梅花形排列；后端1.0m范围不设溢浆孔，管尾设一加固环，并要保持管身顺直。6.2.3

小导管的施工技术（2）小导管施工工艺布孔。根据小导管施工设计和开挖断面的中线，拱顶外轮廓线中心高程和支距进行布孔放样，并以插钎为标记控制小导管的间距。成孔。首先架设方向架，确定打孔方向、位置和仰角。然后依据不同地质条件，采用不同成孔设备打孔：一般砂层可用Φ20mm管以压力风吹孔；粉细砂、亚粘土可采用风镐推进导管；粘土层可采用煤电钻钻孔；在土夹石、风化岩可使用液压或风枪打眼成孔。孔方向要求顺直，不得弯曲和塌孔等。6.2.3

小导管的施工技术（2）小导管施工工艺插管。安设小导管时应对准管孔的方向和角度，必要时使液压或风动推进器将导管推入，并力求导管尾端在同一剖面且外露长度以30cm为宜。封口。喷混凝土50～80cm厚度，对管尾周围应加强封闭。6.2.3

小导管的施工技术（3）小导管注浆设计1）地质调查施工前的地质调查或地质超前预报，这对小导管注浆参数的确定和注浆效果起着重要作用。对围岩应重视调查其结构特征外，还应查明：围岩强度、胶结程度、颗粒成分、空隙率和物理力学性能等；当围岩分层时应查清其：互层状况、软硬层次、厚薄组合等情况，以便确定合理的注浆方案。

6.2.3

小导管的施工技术（3）小导管注浆设计2）注浆参数的确定注浆扩散半径：可根据导管密度和现场地质条件试验确定。一般应考虑注浆范围相互重叠为原则。小导管间距按下式计算注浆量的计算：单根导管浆液注入量可按下式估算为简化计算，将

α和β的乘积假定为1，则上式可简化为6.2.3

小导管的施工技术注浆压力：在砂质地层采用水泥砂浆或水泥-水玻璃浆液注浆时，注浆压力一般为0.5～0.9MPa，必要时在管口尾部设置止浆塞。粉细砂底层在满足注浆效果的情况下，注浆压力不宜过大，一般注浆压力为0.3～0.5MPa，并可按下式计算3）注浆材料的选择注浆材料应根据地质条件经反复试验进行选择和确定。后续注浆加固部分将详细介绍。6.2.3

小导管的施工技术4）注浆工艺针对不同的地层和不同的注浆属性，选定合适的注浆方法和注浆工艺，是实现注浆要求的重要工作。可按注浆工艺流程要求进行。必要时，可进行压水试验，然后再注浆。5）注浆机具注浆机具可视具体情况，采取先查验、后试用、再推广的方法，以方便实用和满足注浆效果为原则。6）劳动力组织根据不同地层的相关参数确定浆液配比，计算出所需原材料用量，并事先作好施工准备。注浆必须对注浆导管的根数、长度、地质参数调查清楚，并作好记录。注浆时有专人测定pH值，专人掌握止浆塞的压力表并随时调整注浆压力。注浆完毕应注意清理机具和管路，使其畅通。6.啊3管棚镜式超感前支滋护技顶术6.3榆.1管棚坑式超嗓前支胞护适撕用范夜围6.纠3.缺2管棚式存超前支卸护设计6.科3管棚画式超见前支膀护技术管棚法供：是沿开烛挖轮廓恨周线，抓钻设与替隧道轴傅线平行仍的钻孔旨，而后沉插入不桑同直径垂的钢管冰，并向阳管内注惧浆，固运结管周乔边的围缓岩，并挂在预定冲的范围洋内形成普棚架的上支护体下系。它的主要作源用是：提骗高管周上围岩的方抗剪强篮度，先潮行支护度围岩，践把因开娱挖引起衬的松弛测控制在桨最小范肚围之内森，其效容果可大恩致归纳万如下：梁效彻应：先行译施设的区管棚，会以工作顿面和后核方支撑覆为支点能形成一辱个梁式绢结构，届防止了忽围岩的屋松弛和雾崩塌。加固围政岩效果弃：钢管插俭入后，桶向管内供注浆，篮加固了丑管周的桑围岩。6.3管棚式桐超前支抛护技术管棚式役超前支使护和导悠管式超梳前支护茧的区别主要毒是：管棚压式支卡护采墨用更大直径（80～10弦0免mm，甚至杀更大，备达100仔mm以上）份的钢管被，且钢管凭更长（可以葛在10艳m以上哀）的辆超前运支护闹。管棚纪施工旨往往宣要求沉插入纵的钢臂管自坊身形滑成棚体结臂构，如帆：根晒据需服要由肌钢管点形成姻拱式够、梁屿式或暂拱-墙式笑结构踩；而瞒小导符管可路以只骆设置控在局洪部危航险区围域。因此辩，在瞒设计扭时要伤考虑弯管棚洞的整湖体布在置外看形（焰往往妹和隧跪道或享其它得工程冷的外荣轮廓浑一致浸），边还要到考虑制在管逮棚长深度方苹向的止受力屿情况泊。6.3龄.1管棚尊式超胞前支较护适加用范窜围从国伐内外克的施桂工实示践看完，管伴棚超熟前支谢护特珠别适泡用于雁在工惨程下释方进脂行工棵程施肝工的季情况翁，主乐要包匀括下耽述场像合：1）作垮为公哄路、夏铁路赌下方厕修建碗隧道寇的辅错助工骨法；2）作为律在地中咱及地下小结构物焰下方修伸建隧道左的辅助岸工法；3）作拒为修腰建大靠断面拔隧道援施工飘的辅悼助工恼法：4）作趣为隧岔道洞搏口段涝施工尊的辅雾助工卸法；5）作本为其川它施室工的桥辅助事工法因，如冠托底做、盾呜构基禁地防半护等丑。管棚距法主祝要适用捞于：第目四纪每覆盖挪地层坡、软丘弱、国矽砾离地层缩慧或软钟岩、痛岩堆胁、破述碎带佩等易针于崩斩塌、夺松弛寨、软控化的愉地层司。6.3晨.2管棚颜式超葛前支售护设据计管棚超眉前支护舞设计步株骤：首先帽结合伞地层肢和结机构外牙形情渔况，馅先确拼定布跳置外品形；再计算首承受总相压力；设计管啦棚长度贯；然后明结合薯管径云按强糠度计童算间客距（斤管棚眯数量肯）；并用稳坏定性（做扰度）址验证。6.3明.2管棚式锻超前支悲护设计（1）管念棚布具置管棚是茂在地下引工程轮猜廓外形加成的棚喇架体系厚，要根凳据围岩厦性质及坑地表、绍地中结慕构物的厨特点，宅决定管宝棚的配菜置和形绝状。6.3额.2管棚腹式超勿前支帜护设处计（2）确定达载荷按普俭氏或腐太沙越基公欢式计刺算。6.3即.2管棚式馋超前支舌护设计（3）管仗棚长追度管棚哀长度用首先速应满列足钻析机设瓶备的围工作适参数项要求扭；其次要喘穿过工舍作面的接土体破兴裂面一存定长度夕，使土卸压力传枣递到已闭封闭的押支护结腐构上；并考届虑前竖后两悉排管席棚的窗搭接著长度辅。即：L=误A柿+2（B+点C）6.3书.2悬管棚式黎超前支钓护设计（4）管距弃和数量钢管贴的最酬小间岩距，秧要视琴施工徒精度慌来决颤定。在水平水钻孔中锹，钢管马弯曲量狗随施工蚕长度而斩增加，忍尤其是从，长度叹超过30弃m后，斧弯曲哈量会净急剧厌增加象，范副围在1/2惰00～1/3展00。一般钢蛙管的间董距多采腥用（2～2.率5）倍管孩径。可按长剪梁计算斩最大弯可矩：计势算载荷柔作为梁貌长度上腾的均布那载荷并败平均分输摊在每岔根钢管版。钢棚架趁间距（病常为1.惭0猫m）作觉为铰报接点屿的跨宵间距自，插碌入岩夺体一潜端是疏固结钩点；计算钢嚷管最大盼应力，侨比较强谢度，并确调节间芹距和直祖径。6.3酬.2葱管棚式露超前支赴护设计（5）扰捏度验环算钢管的炼扰度不至能超过蒸顶部总喉允许下播沉量，伪包括钢回管施工麻前下沉片量。6.4超前气预支颠护技间术的滚应用马钢集透团姑山饿铁矿马头求门冒畏顶区惹处理航方案6.镜4.暮1马钢姑性山铁矿畜马头门著冒顶区酿处理方唉案6.警4.断2金旗山个小净距钞隧道超挨前注浆趟小导管缝施工（1）工程蔬概述位于京管福高速盼公路福苦建省三祸明市境歼内，采吉用并行托双线小兽净距隧纱道，隧泽道双洞摇轴线间产距17列.5蜓19械m，中埋间岩象柱最徒小净转宽5.袖07追9驳m。全牺长20县5缩慧m。隧道蜘处于丘踩陵地区卖，洞口丽位于小谣山谷旁春。隧道所袄处地区竞未见地司下水露到头，地氏下水主录要源于欧基岩裂踩隙水，筑赋存于现基岩裂巾隙和破爆碎带中隧道穿纺过的岩径性单一表，为燕极山早期简侵入花喷岗岩，之未见有绵断层，但仅在进眼口处见碍有一隐递伏辉绿棒岩脉，跟对隧道绵无影响嗽。围岩情宋况：Ⅲ类围伶岩41庆m，Ⅳ类围岩16树4详m。支护何与衬随砌形诉式分系三种休：S1讯2型33尾m（Ⅲ类围温岩浅鬼埋段跌）、S3型18凶m（Ⅲ类围允岩深壤埋段擦）、S4型14在4缠m（Ⅳ类围岩佩深埋段梳）、削祝竹式洞点门结构10馒m。6.典4.偶2金旗山悠小净距康隧道超钢前注浆啄小导管改施工（2）小导羞管施工物方案与饺参数Ⅲ类围度岩浅矩埋段窗采用总超前叮注浆姓小导忽管加剩固拱译部，道小导亭管Φ5火0杆mm搁×5肤m洪m，热轧唤无缝钢闪管制作倘，单根掏长度5m，环四向间述距80盛0戏mm，排间执距3友m。管壁歌每隔10留