隧道预加固原理和应用

隧道预加固技术湖北宜万铁路最长的隧道野三关隧道当前第1页\共有64页\编于星期二\15点内容预加固措施管棚超前支护原理与应用小导管注浆原理与应用开挖面超前帷幕注浆原理与应用其它当前第2页\共有64页\编于星期二\15点何谓预加固？ 在软弱围岩隧道开挖中，为防止隧道崩塌、围岩松弛、地表沉陷等，在开挖前对掌子面进行加固或从地表对隧道开挖前方的岩体进行加固的工程措施。预加固措施不同埋深时掌子面的破坏状态掌子面破坏未支护段破坏未支护段与掌子面同时破坏当前第3页\共有64页\编于星期二\15点典型掌子面崩塌预加固措施当前第4页\共有64页\编于星期二\15点为什么要进行预加固？稳定掌子面；控制地层松弛，减少支护荷载；控制围岩变形等。预加固措施当前第5页\共有64页\编于星期二\15点预加固措施目的围岩情况稳定掌子面控制地表下沉临近施工硬岩软岩干砂超前加固金属锚杆√√小导管√√√√√管棚√√√√√水平旋喷√√√√预衬砌√√√√正面加固喷混凝土√√√玻璃纤维锚杆√√临时仰拱√√√基脚锚杆√√√涌水处理排水坑√√√排水钻孔√√井点或洞内降水√√围岩加固井点或洞内降水√√地表压浆√√√√√√地表垂向锚杆√√隔断墙√√√预加固措施－有哪些？当前第6页\共有64页\编于星期二\15点隧道施工中常用预加固措施，包括：管棚工法注浆工法小导管超前预注浆；超前帷幕注浆；径向注浆地表旋喷桩加固；地表钢管桩注浆；水平高压旋喷法；冷冻法；垂直锚杆法；隔断墙法；预衬砌（预切槽）法等。预加固措施当前第7页\共有64页\编于星期二\15点管棚工法：

管棚工法是在隧道开挖之前沿隧道开挖面内轮廓，以一定间隔与隧道平行钻孔、插入钢管，再从插入的钢管内压注充填水泥浆或砂浆，来增加钢管外围岩的抗剪强度，并使钢管与围岩一体化，由管棚与围岩构成棚架体系。管棚超前支护当前第8页\共有64页\编于星期二\15点管棚的工作原理：梁效应。形成梁式结构，防止围岩崩塌和松弛；加强效应。提高钢管周围围岩的强度和刚度；管棚超前支护当前第9页\共有64页\编于星期二\15点长管棚的布设：在隧道洞口、浅埋段、拱顶地质松软易塌落、下穿公路与建筑物、地表沉降要求严格的地段，沿着隧道断面周边的一部分或全部，以一定的间距环向布设，以形成管棚群；沿周边布设的长度及形状,主要取决于地形、地层以及地中或地面和周围建(构)筑物的状况。管棚超前支护当前第10页\共有64页\编于星期二\15点管棚的布设形式管棚超前支护(a)扇形布设；(b)半圆形布设；(c)门型布设；(d)全周布设；(e)上部双层布设；(f)上部一侧布设；(g)一字形布设当前第11页\共有64页\编于星期二\15点长管棚的布设形式扇形布设:用于隧道断面内地层比较稳定,但拱部附近的地层不稳定的场合。半圆形布设:用于隧道下半部地层稳定,但起拱线以上的地层不稳定的场合。门形布设:隧道基础稳定,但边墙和拱部不稳定时。全周布设:用于软弱地层或膨胀性、挤出性围岩等。上部一侧布设:隧道一侧有公路、铁路、重要结构物等需防护,或斜坡地形可能形成偏压时采用。上部双层布设:用于隧道上部有重要设施,拱部地层不稳定的地段,或地铁车站等大断面地铁施工时。一字形布设:在铁路、公路正下方施工,或在某些结构物下方施工时采用。管棚超前支护当前第12页\共有64页\编于星期二\15点管棚超前支护参数的选择钢管的选择：从确保管棚施工质量出发,管棚长度一般为10～35m不等,最近也有管棚一次施工长度超过100m的记录。采用长管棚超前支护施工时,管棚一般选用Φ70～180mm的焊接钢管,入土端制作成尖靴状或楔形,顶进端焊一圈Φ8mm圆钢筋箍。对于特殊地段,可采用长大管棚,大直径钢管多为Φ300～500mm。管棚超前支护当前第13页\共有64页\编于星期二\15点钢管环向布设间距的选择：钢管环向布设间距对防止 上方土体塌落及松弛有很 大影响,施工中须根据结 构埋深、地层情况、周围 结构物状况等合理选择；一般采用的间距为2.0～2.5倍钢管直径；在铁路、公路正下方施工时,要采用刚度大的大中直径钢管连续布设。管棚超前支护当前第14页\共有64页\编于星期二\15点管棚超前支护施工管棚法的施工工艺流程为:

设置管棚基地→水平钻孔→压入钢管→向钢管内或管周圈土体注浆→管棚支护条件下进行开挖。如隧道内的岩土层结构松软,

或有破碎带,或自承力很低,

可再提高管棚的支承力及侧 墙的承载力,包括在管棚间的 缝隙打上顶板锚杆或扇状锚 杆、管棚孔内安放小钢筋笼。

管棚超前支护当前第15页\共有64页\编于星期二\15点管棚超前支护中壁法施工典型支护图当前第16页\共有64页\编于星期二\15点注浆法是将注浆材料按一定配合比制成的浆液,通过一定的方式压入隧道围岩或衬砌背后的空隙中,经凝结、硬化后起到堵水和加固围岩作用的一种辅助施工方法。注浆方法包括:小导管超前预注浆工法;超前帷幕注浆工法;径向局部注浆工法;地表旋喷桩加固工法；水平高压旋喷法，等。注浆法当前第17页\共有64页\编于星期二\15点施做方法： 隧道周围小导管注浆，是在开挖面前方，沿开挖面的拱部外周打入直径为38～70mm的钢管，压注浆液，开挖时用钢架支护等支承这种钢管。作用： 起到稳定开挖面和止水作用；起到超前管棚支护作用；同时，拱脚径向小导管注浆法还具有锁脚锚杆的功能，对防止正台阶落底时的下沉非常有利。小导管预注浆工法当前第18页\共有64页\编于星期二\15点优点： 该工法具有施工设备少、工艺简单、成本低、质量可靠、安全等特点。小导管预注浆工法注浆小导管用风镐打入。当前第19页\共有64页\编于星期二\15点小导管预注浆工法适用范围：

小导管预注浆法适用于拱顶薄层松软带、断层破碎带、有地下水影响的地质不稳定、易于塌落掉块的Ⅳ、Ⅴ级围岩隧道段,它常同台阶法施工配合使用。注浆压力一般控制在0.5～1.0MPa之间当前第20页\共有64页\编于星期二\15点小导管预注浆参数：注浆小导管采用Φ32～50mm的 焊接钢管制成，导管沿掘进面 的上半断面轮廓线布置，间距

0.2～0.3m，仰角控制在10o～15o。注浆小导管管头为25o～30o的锥体，管长3.0～3.5m，其中端头花管长2.0~2.5m，花管部分钻有Φ6～10mm的孔眼，每排4个孔，交叉排列，间距10～20cmm左右。围岩预加固和预支护当前第21页\共有64页\编于星期二\15点帷幕注浆是在隧道开挖前，为了固结围岩，填充空隙或堵水而沿着开挖面及周围进行的注浆。帷幕注浆工法主要适用于极软弱围岩、大的富水断层破碎带、地下水发育可能引起大量地下水流失的隧道。帷幕注浆工法全断面超前帷幕注浆当前第22页\共有64页\编于星期二\15点局部超前帷幕注浆帷幕注浆工法当前第23页\共有64页\编于星期二\15点

高压断层涌水的局部超前预灌浆帷幕注浆工法当前第24页\共有64页\编于星期二\15点对于开挖断面较大的双线隧道或跨度较大的渡线隧道，因注浆小导管加固范围有限，故一般采用开挖面深孔注浆。对于70～100m2断面的隧道可布置12~18个注浆孔，其中15m左右的长孔布置6~11个，5m左右的短孔布置6~7个，并采用隔孔注浆的方法。开挖面深孔注浆工法当前第25页\共有64页\编于星期二\15点径向注浆是在隧道开挖后,沿隧道径向进行的钻孔注浆。径向注浆工法主要适用于封堵隧道周边局部股流或小面积渗水以及固结局部围岩。径向注浆工法当前第26页\共有64页\编于星期二\15点

径向封堵灌浆径向封堵灌浆是指高压大流量地下水被揭露后，对出水点进行封堵。处理处理顺序非常重要：“先易后难、先引后堵、宜先拱顶后边墙再底板、局部集中处理；兼顾及其它部位系统处理，综合治理”。径向封堵灌浆当前第27页\共有64页\编于星期二\15点径向封堵灌浆工艺要求:

以砂浆和水泥浆及惰性材料为主，按先粗后细、先浓后稀浆的原则灌注。孔口管是确保灌浆顺利的关键工艺。

强富水区封堵前涌水情况强富水区封堵后效果情况当前第28页\共有64页\编于星期二\15点强富水区灌前强富水区灌后强富水区底板灌后强富水区底板灌前径向封堵灌浆当前第29页\共有64页\编于星期二\15点岩溶地下水处理小厅堂式溶洞岩溶管道涌水当前第30页\共有64页\编于星期二\15点水压较高时封堵比较困难，此时可使用模袋、索囊技术，采用水泥砂浆灌注，压力略大于水压力即可。岩溶地下水处理当前第31页\共有64页\编于星期二\15点模袋与索囊是由特殊的纺织工艺织成，使用的基本材料为尼龙、聚酯或聚丙烯等材料。织物的强度高，灌注时具有一定的渗水性而不漏水泥。通过试验发现有其独特的优点：－灌注成型，施工简便、速度快，且耐高速水流(15m/s)，在高速水流下，保证水泥不分散，不被冲走；－具有一定的透水性，在混凝土或水泥砂浆灌入以后，多余的水分通过织物空隙渗出，可以迅速降低水灰比，加快混凝土的凝固速度，增加混凝土的抗压强度。水泥浆经模袋析水后，不但硬化速度加快，而且固化强度提高。岩溶地下水处理当前第32页\共有64页\编于星期二\15点模袋材料由于具有强度高、整体性和析水固结性能好、柔软可变形等特性，适合于大流量、高流速情况下的堵水。因此，它非常适合辅助洞串珠状溶蚀孔洞、溶蚀管道以及溶洞群和厅堂式洞穴等较大规模的岩溶危害的处理。索囊的原理与模袋类似，是微缩版的模袋，主要针对溶蚀裂隙、溶蚀宽缝、串珠状溶蚀孔洞等小型的漏水体系。岩溶地下水处理当前第33页\共有64页\编于星期二\15点定作模袋要适合溶洞或管道体积注意之一注意灌浆先后顺序及模袋闭浆注意之三注意之二：减压分流孔要截断前方突涌水点当前第34页\共有64页\编于星期二\15点溶洞涌水模袋封堵索囊封堵封堵后钻孔取芯当前第35页\共有64页\编于星期二\15点地表旋喷桩加固是指在需要进行加固的土体上方，从地表垂直钻设灌浆孔，高压注入空气、水及水泥浆，撕裂土体扩大灌浆范围，并利用水泥浆固结土壤，达到增加土壤自承力不足的作用。地表旋喷桩加固工法主要适用于软岩浅埋隧道、基础支承承载力不足、地下水位较高的明挖法围护结构的防水等。地表旋喷桩加固工法当前第36页\共有64页\编于星期二\15点在未固结围岩,特别是城市的浅埋隧道,必须注意防止隧道变形和地表下沉以及确保大断面的掌子面的稳定；水平高压旋喷压注工法，是在一般的初期导管注浆的基础上发展起来的,能较大规模地以高压旋喷的方式压注水泥浆的超前支护工法。水平高压旋喷法当前第37页\共有64页\编于星期二\15点此方法是在水平钻孔内采用高压旋喷的技术在隧道开挖外轮廓形成拱形预衬砌,以防护掌子面。水平高压旋喷法当前第38页\共有64页\编于星期二\15点在掌子面与隧道轴线平行时,用特殊机械钻孔,同时向管体内高压喷射水泥浆液,形成直径50～70cm的圆柱体(桩)的工法。材料3天的强度可达8～10MPa，改善围岩的效果很好，是改善掌子自稳性和控制地表下沉的较好方法。但施工设备多,系统庞大。水平高压旋喷法当前第39页\共有64页\编于星期二\15点常用的注浆浆液有：水泥浆液；超细水泥浆液；特种水泥浆液；水泥一水玻璃浆液；各种化学浆液(如铬木素、聚氨酯、丙凝)等。注浆材料在很大程度上直接影响到堵水防渗和固结的效果,并关系到注浆工艺、工期及工程费用。注浆材料当前第40页\共有64页\编于星期二\15点注浆材料的要求:浆液在地层中要有良好的可灌性，即在一定的压力下，能渗到一定宽度的空隙和裂隙中；浆液凝胶时间可以调节；固化时收缩小，与岩石、混凝土、土壤等有一定的粘结力；固结后有一定的抗压、抗拉强度和抗渗性、耐久性；稳定性好，以免过早地发生沉淀，影响浆液的压注；为便于施工和增大浆液的扩散范围，浆液须具有良好的流动性；当地下水有侵蚀性时，应具有相应的耐侵蚀性；无毒或低毒，对环境污染小；注浆工艺简单,操作方便、安全。注浆材料当前第41页\共有64页\编于星期二\15点地层条件方面的要求:断层破碎带和砂卵砾石层,当裂隙宽度(或粒径)大于1mm或渗透系数Κ≥5×10-4m/s时，加固或堵水注浆宜有限选用单液水泥浆和水泥一水玻璃浆。断层泥带,当裂隙宽度(或粒径)小于1mm或渗透系数Κ≥1×10-4m/s时,加固压浆宜有限选用水玻璃类。中、细、粉砂及细小类型岩层、断层泥段堵水压浆宜选用渗透性好、低毒、遇水膨胀的化学浆液，如聚氨酯类；对于颗粒更小的粘土层,采用水泥浆、水泥一水玻璃类,可在水泥浆中加人嘭润土、粉煤灰等填料,使浆液具有触变性能,并能防止材料的分离和水泥颗粒的沉淀。岩溶地段突泥、突水和裂隙较大的地质构造中,为堵塞突泥、涌水通道,在适应压浆设各条件下.可用劈裂法代替渗透法。注浆材料当前第42页\共有64页\编于星期二\15点对于注浆浓度，在每段每次压浆时先稀后浓，同一分段多次压浆时则先浓后稀。一般水泥浆液起始浓度较高，特别在初期压浆阶段，因稀释浆液使结石率低，并增大扩散半径,延长压浆时间。常用的水泥浆液浓度为1.5:1～0.5:1。水泥浆液压浆过程中，某一种浓度级的吸浆率约为吸水率的80%～85%时,可以认为浓度适宜。在某一种浓度压力保持不变、吸浆率随压浆时间延长而逐渐减少,或吸浆率不变而压力却逐渐升高时,不需改变浆液浓度。遇有冒浆或岩层破碎带、大裂隙、裂隙发育地层时,应越级加浓,或采用间歇注浆、水泥一水玻璃双液注浆等措施。浆液浓度当前第43页\共有64页\编于星期二\15点注浆压力影响注浆效果,其大小决定于涌水压力(开挖工作面静水压力、突水的动压力)、裂隙大小和粗糙度、浆液的性质和浓度、要求的扩散半径等。合理的注浆压力既能避免压力过高造成的不利影响,又能保证浆液的结石强度和不透水性,有利于形成良好的隔水帷幕。对注浆压力的确定,通常采用以静水压力为依据的经验公式,即只考虑静水压力,而对影响注浆的其他因素均不考虑。通常有下述两个公式可供选择: P=3～5倍静水压力；

P=P静+(0.5～1.5)Mpa。在实际使用中,预注浆往往采用后者。注浆压力当前第44页\共有64页\编于星期二\15点注浆压力的控制方法:一次升压法。注浆一开始就在短时间内将压力升到设计规定值,并一直保持到注浆结束。在规定压力下,每一级浓度浆液的累计吸浆率达到一定限度后，调换浆液配合比，逐渐加浓；随着浆液浓度增加，地层裂隙逐渐被填充，吸浆率逐渐减少，直至达到结束标准,即结束注浆。一次升压法适用于透水性不大、裂隙不发育的较坚硬岩层。分级升压法。注浆过程中将压力分为几个阶段,逐渐升到设计规定值。开始阶段，以最低压力开始注浆，当吸浆率下降到一定限度时则将压力升高一级，当吸浆率又减少到下限时再提高一级压力，直到在规定压力下吸浆率减少到结束阶段标准时止。分级升压法适用于岩层透水性大、难以很快达到规定压力值，或者虽然能达到规定压力值，但吸浆率极大，超过上限甚至更多的情况。注浆压力当前第45页\共有64页\编于星期二\15点注浆压力控制：在注浆过程中，在某一级压力下，如果吸浆率超过一定限度(上限),则应降低一级进行压注。待吸浆率减少到下限值时再提高到原来一级压力继续压注。压力分级不宜过多，可以分为两个或三个阶段。关于吸浆率的上、下限，则根据岩层透水性和压浆质量确定。注浆压力当前第46页\共有64页\编于星期二\15点在注浆过程中，浆液扩散半径与岩石岩层中裂隙大小、浆液黏度、凝固时间、注浆速度和压力、压注量等因素有关。施工中对压力、浆液浓度和压人量等参数进行人为控制与调整,对控制扩散范围可以起到一定作用。注浆扩散半径水泥浆液在裂隙岩层中的有效扩散半径水玻璃浆液在不同岩层中的有效扩散半径当前第47页\共有64页\编于星期二\15点注浆量计算： 注浆量可根据扩散半径及岩层裂隙率进行粗略估算。式中：R－浆液扩散半径(m)；

H－注浆段长度；

η－岩层裂隙率，一般取1%～5%；

β－在裂隙内浆液的有效填充系数，约为0.3~0.9。

对于大的溶腔、溶洞、溶槽等，裂隙率>5%时，浆液注入量难以计算，此时宜用注浆压力控制注浆量。注浆量只能按注浆终压规定值时的注浆总量来确定。注浆工法当前第48页\共有64页\编于星期二\15点注浆结束标准：注浆结束标准通常考虑两个指标：达到设计压力(即终压)时的持续时间和进浆速度小于规定值。一般结束标准是：注浆压力达到设计终压；双液(水泥一水玻璃浆液)吸浆率为18～35L/min。单液(水泥浆)为7～20/min，即可结束。在正常情况下，当注浆压力达到或接近设计终压时，结束注浆；当压力接近终压或达到终压的80％时，如出现大的跑浆，经间歇注浆后达到或接近终压，也可结束注浆。整冶涌突水、突泥，其终压值根据客观条件的变化，可选择合理的上限值、下限值和导坑突水量作为终止标准。注浆工法当前第49页\共有64页\编于星期二\15点注浆效果检查：在注浆堵水加固完成后，为防止开挖时发生坍塌涌水事故，并保证隧道渗漏水水量符合设计要求，必须进行效果检查。检查通常采用钻孔取芯法进行，有条件时还可采用物探等方法进行。钻孔取芯法按设计要求，在注浆薄弱地方钻检查孔，检查浆液扩散、固结情况和取芯率，并进行压水（抽水）试验，检查地层吸水率(透水率)，计算渗透系数及开挖时的出水量；也可通过检查孔观察注浆后围岩的渗漏水量，直观地进行注浆效果的评定。注浆工法当前第50页\共有64页\编于星期二\15点注浆方案初选原则：对可溶岩与非可溶岩接触带、断层破碎带及向斜核部预测水压大、极可能产生严重突水突泥地段，预测地下水压力≥3.0MPa时，采用超前预注浆方案。预注浆加固圈固结范围为开挖轮廓线外5～8m。对可溶岩与非可溶岩接触带、断层破碎带及向斜核部预测水压大、极可能产生较严重突水突泥地段，预测地下水压力<3,0MPa但≥2.0MPa时,采用超前预注浆方案。预注浆加固圈固结范围为开挖轮廓线外3～5m。对不同年代地层岩层接触带、物探异常区、预测水压大、可能产生突水突泥地段,预测地下水压力<2.0MPa但≥1.0MPa时，正洞采用超前帷幕注浆。预注浆加固圈固结范围为开挖轮廓线外2～3m。注浆工法当前第51页\共有64页\编于星期二\15点注浆方案初选原则（续）：对岩体完整，其结构性能可保证开挖安全，但大面积淌水且流量大于控制排水量，且预测地下水压力<1.0MPa时，实施开挖后全断面径向注浆。注浆加固圈固结范围为开挖轮廓线外3～5m。岩体完整，其结构性能可保证开挖安全，但局部出水且流量大于控制排水量时，仅对出水处实施局部注浆。注浆后流量仍大于控制排水量、注浆固结圈综合渗透系数大于设计控制值或仍有局部出水点时，实施补注浆。注浆工法当前第52页\共有64页\编于星期二\15点注浆钻孔布置：注浆钻孔的布置，需根据注浆范围、注浆段长、单个注浆钻孔的作用范围、岩溶(岩层裂隙)发育情况、含水层分布情况、开挖轮廓大小和钻孔作业要求而定。超前预注浆注浆钻孔宜长短结合，并呈伞形辐射状布置；全断面径向注浆注浆，钻孔按梅花状布置。注浆钻孔一般布置为双圈(内外圈钻孔按梅花状布置)或三圈，如岩层裂隙不甚发育则可布置成单圈。注浆孔孔底间距可按单个注浆钻孔作用范围(经试验所得)进行确定，一般为3～5m。基岩裂隙比较发育、涌水量较大时，孔底间距可适当加大。注浆工法当前第53页\共有64页\编于星期二\15点超前预注浆注浆方式：前进式注浆后退式注浆一次全孔注浆。为使浆液在岩层裂隙中均匀扩散，保证注浆质量，提高注浆堵水率，对于单个注浆钻孔，宜采用分段注浆方式。注浆工法当前第54页\共有64页\编于星期二\15点分段注浆：分段前进式注浆：这种方式是注浆钻孔钻进一段注浆一段，由外向里依次推进。分段前进式注浆宜用于裂隙发育或破碎岩层。 其优点是堵水效果好，缺点是注浆钻孔钻进重复、工程量较大。分段后退式注浆：这种方式是将注浆钻孔一次钻完，由孔底向外分段注浆。分段后退式注浆宜用于裂隙不甚发育的岩层。 其优点是注浆钻孔无重复钻进，工程量相对较小。注浆工法当前第55页\共有64页\编于星期二\15点注浆工艺及要求：注浆前，在类似地质条件下的岩层中进行注浆试验，初步掌握浆液充填率、注浆量、浆液配合比、凝胶时间、浆液扩散半径、注浆终压等指标。孔口应准确定位，与设计位置的容许偏差为±5cm，偏角应符合设计要求，每钻进一段检查一段，及时纠偏，孔底位置应小于30cm。注浆孔开孔直径不小于108mm，终孔直径不小于90mm。钻孔与注浆顺序应由外向内，同一圈孔间隔施工。注浆工法当前第56页\共有64页\编于星期二\15点注浆工艺及要求（续）：岩层破碎容易造成坍孔