特殊围岩隧道变形控制技术

特殊围岩隧道变形控制技术特殊围岩隧道变形控制技术在一般围岩、地形条件下，隧道开挖后的变形，基本上可以采用标准设计中的初期支护，把变形控制在容许值范围之内，确保隧道开挖后的支护体系的长期稳定性。但在特殊围岩、地形条件下，仅仅用通常的初期支护，是很难控制隧道开挖所引起的变形。此时，为确保掌子面稳定性、隧道的安全性以及保护周边环境，要以改善围岩条件为目的，采取有针对性的控制对控制对策策，也就是我们所谓的控制对策。控制对策。在我国这样的地质变化多端的条件下，不采用控制对策施工的隧道是很少的。因此，从安全性、经济性、合理性看，控制对策是保证施工安全和保护周边环境的重要的、不可缺少的工法。因此。在控制隧道开挖变形的研究中，必须把控制对策的研究，放在应有的地位，予以重视。控制对策大体上分为确保施工安全为目的的掌子面稳定对策和以保护周边环境为目的的地下水对策、地表面下沉对策及近接结构物对策等。代表性的控制对策列于表3-1。但具有同样效果的对策是很多的。这些对策因地质条件、埋深、地下水等环境条件及开挖方法等，其效果有很大差异，对隧道的稳定性及经济性有很大影响。为此在选定控制对策时，要视其目的进行必要的调查，但在发包时的有限的调查结果中，判断材料不足的情况很多，为此，多数是根据施工中获得的情报和地质调查等的结果来判断是否采用控制对策和其适用范围。工法采用目的和效果确保施工安全保护周边环境掌子面稳定地下水位降低对策枯水对策地表面下沉对策近接结构物对策拱顶稳定掌子面稳定抑制脚部下沉地下水对策抑 制先 行位移抑制开挖后位移抑 制先 行位移抑 制开 挖后 位移超前支护充填式、非充填式小导管注浆小导管压入式短钢管钢管钢背板小导管*管棚*水平喷射注浆*预衬砌*表3-1 变形的控制对策掌子面补强弧形开挖、留核心土掌子面喷混凝土短掌子面锚杆长掌子面锚杆*脚部补强补强锚杆补强锚管脚部注浆水平喷射注浆临时仰拱基脚混凝土水平锚管涌水对策、围岩补强排水坑道*排水钻孔*轻型井点*管井*止水注浆*改良围岩*地表垂直锚管*隔断壁*评价的表示：采用的主要目的；*根据围岩条件有效果的项目或有二次效果的项目；作为确认地下水位和突发涌水对策的探孔效果。根据表3-1，控制对策，大体上可分为1）超前支护；2）掌子面补强；3）脚部补强；4）涌水对策；5）围岩补强等下面分别说明上述控制对策的特征及其应用。二二 超前支护超前支护开挖前对需要采取拱顶稳定对策及开挖前对需要采取拱顶稳定对策及抑制地表面下沉、净空位移对策的抑制地表面下沉、净空位移对策的围岩，采取的防护和强化掌子面前围岩，采取的防护和强化掌子面前方围岩的对策，称为超前支护。方围岩的对策，称为超前支护。此工法适用于开挖土砂围岩和岩堆地段、断层破碎带等场合和隧道接近铁道、道路、其它结构物等施工的场合。超前支护大体上可以按构造分类，分为利用隧道纵向刚性的梁构造和利用横向刚性的拱形构造两大类（图3-1）。梁构造可分为采用钢管、钢棒系材料的工法和高压喷射改良围岩的工法2种。同时，过去在岩堆地段和断层破碎带等不良围岩中，多把开挖断面分割为小断面进行开挖，但最近由于机械大型化和新材料及新工法的实用化，亦可采用超前支护与一般区间采用同样的施工机械、支护材料及断面的施工事例逐渐增多。超前支护的分类列于表32。由于超前支护材料、使用机械、设备、地质条件及一次打设长度等，各具特色。为此选定超前支护时，要选定适合地质条件和周边环境条件，而且经济的工法。工法名称短超前支护长钢管水平旋喷注浆预衬砌管棚充填式注浆式示意图工法概况用钻孔台车沿掌子面外周每隔打入钢筋等 用钻孔台车沿掌子面外周打入中空钢棒，并注浆，打入间隔约。用钻孔台车或专用机械打设直径约的钢管并注浆。间隔4560cm用专用机械钻孔后，从前端喷射搅拌地层。间隔、改良直径约用专用机械在开挖前于掌子面前方构筑拱状衬砌用直径沿隧道断面外周配置比较大的直径的钢管特征钢筋等表观提高掌子面前方围岩的约束力形成的注浆带能够改良围岩钢管和注浆材能够改良围岩，同时，因超前长度长，能够控制掌子面前方的先行位移高压喷射能够确实地改良掌子面周边围岩，同时，因超前长度长，能够控制掌子面前方的先行位移预衬砌能够稳定拱部，同时也能够抑制围岩的位移能够根据环境条件选择各种管径的钢管。钢管的刚性高，抑制变形的效果也高适用地质粘性土、砂质土、砂砾、裂隙岩体、卵石粘性土、砂质土、砂砾、裂隙岩体、卵石粘性土、砂质土、砂砾、裂隙岩体、卵石粘性土、砂质土粘性土、砂质土粘性土、砂质土、砂砾、卵石施工性通常设备需要注浆设备需要注浆设备需要高压喷射设备需要专用设备需要专用设备一次打设长度小于5m 小于5m12m左右12m左右23m2070m表3-2 超前支护的种类和特征1）短超前支护（小导管）短超前支护是在开挖前沿拱顶外周斜向打设小于5m的钢筋、钢管等，确保掌子面稳定的工法。其类型大体上有表33所示的三种。种类使用材料长度（m）适用条件非充填式钢筋（D25）3不充填拱顶也稳定钢管3压入可能的粘性土需要刚性的场合钢背板12未固结砂层喷射混凝土附着不良钢管（膨胀型）34孔壁难于自稳的场合需要早期附着强度的充填式钢筋（D25）3孔壁自稳的场合几乎所有的地质条件都适用注浆式注浆管3需要改良带的场合孔壁能自稳的场合中空锚杆（自钻式）34需要改良带的场合孔壁不能自稳的场合 表33 短超前支护的种类我们通常采用的小导管是短超前支护的一种类型。小导管是在开挖前向掌子面前方的拱部，斜向打入长5m以内的钢棒、钢管等，打设范围是隧道中线左右各60，计120左右，每一次掘进后打设。但视崩落规模和位置，范围和间距可以调整。锚杆的锚固可用砂浆充填，但孔壁不能自稳的场合可采用自钻后充填式的锚杆。在固结度低的砂质围岩等，也可采用单管和铁插板，用打击力打入，确保拱顶稳定的方法。小导管按充填方法有如下的不同方式。充填式、非充填式小导管（图32）沿掌子面上半断面的拱部外周以3060cm间隔斜向打入钢筋、钢管等，以增加拱顶的抗剪强度防止前方围岩松弛的工法。充填式是向孔内充填砂浆，插入头部加工成圆锥状的异形棒钢是最一般的方法。非充填式是用摩擦锚固式的钢管膨胀型锚管作为小导管的工法，具有使裂隙咬合，压密围岩的效果。注浆式小导管（图33）与充填式小导管同样，打设中空锚杆和钢管的同时用压力注入超速凝的水泥浆和尿烷等，提高拱顶稳定性的工法。施工时视掌子面状况，能够容易地设定锚杆的打设根数和注浆量、注浆压力等，是比较有效率的工法。注浆式小导管有钻孔后插入注浆式锚杆进行注浆的方法和孔壁不能自稳的场合采用钻孔和注浆用同一锚杆的自钻式工法。此工法一般作为隧道洞口段（或者埋深小的区间）防止拱顶崩塌、崩落的对策，多在对策的初期阶段采用。在想提高拱顶及掌子面稳定性的场合也多与掌子面喷混凝土和掌子面锚杆并用。由于开挖前向前方围岩斜向打设小导管，可提高拱顶附近围岩的抗剪强度，防止前方围岩的松弛。此工法一般可作为拱顶崩落的对策，在对策的初期阶段采用。根据掌子面观察结果，认为拱顶有小规模崩落的场合，采用此工法是有效果的。多适用于节理、层理、片理等不连续面多的中硬岩、软岩等。因为锚杆的刚性和长度都比较小，在松弛区域大、或掌子面前方松弛的场合、涌水多，充填、锚固困难的场合，以及锚杆间不能确保围岩一体性的场合是不适用的。本工法因为采用通常的设备就可以施工，机械设备的适用范围广，对施工循环影响比较小。除小导管以外，日本在许多隧道中，广泛地采用了不同类型的短超前支护。压入式短钢管超前支护（图34）压入式短钢管超前支护，是在隧道拱顶附近的地质是软弱的场合，作为掌子面稳定对策而采用的，把48.6mm、长23m的钢管以200300mm间隔，用钻孔台车的钻机压入的工法。钢管钢背板超前支护钢管钢背板压入打击工法是在隧道拱顶附近的地质是软弱的场合作为掌子面稳定对策而采用的，如图35、照片31所示，把装备有轻型钢背板的65mm的钢管，搭载在钻孔台车的导向槽上，用钻机的压入力和打击力打设到掌子面前方的工法。钢管的目的是使钢背板形成一个连续的拱形构造，从而起到导向的效果、提高超前支护刚性的效果及固结钢管外侧围岩的效果。钢背板比注浆式的改良体的刚性大，能够确实地形成拱形构造和使周边围岩固结的作用。图36是采用钢管钢背板工法区间（埋深7.5m）的地表面下沉分布。插板法插板法这是日本在城市土砂围岩的浅埋隧道中，广泛采用的一种方法。施工证实，这是一个超挖少，围岩没有松弛的、可以用于任意断面形状的开挖方法。在土质隧道施工中，插板法可以根据地质、埋深、地表结构物等进行设计。设计出适合周边环境和能够正确推进的插板和稳定机构。其推进千斤顶的推力是10t/台，可以人工操作、连续作业。此法一直到目前，在城市矿山法隧道施工中应用插板法是与盾构法类似的工法。盾构法是用盾构机推进的，插板法则是用一种特殊构造的插板，用千斤顶压入围岩中的，在插板的防护下，一边开挖，一边支护、衬砌的方法。但与盾构法比较，设备简单、造价低。插板法的概况示于图38。预衬砌法预衬砌法预衬砌法也属于短超前支护的一种。它是用厚约混凝土壳或砂浆壳，形成比较柔软的拱壳，也可以用厚约形成刚性比较大的拱壳。柔软的拱壳主要用于稳定掌子面，刚性大的拱壳用于控制地表下沉。日本预衬砌法的标准参数如下。预衬砌厚度：设置范围：（）设置角度：（）纵断方向钻孔长度：.纵断方向充填长度：.搭接长度：.超前残余长度：.（.）铁道和公路隧道的横断面的标准模式和纵向的标准模式示于图39。2）中、长超前支护中、长钢管超前支护沿开挖断面的外周向掌子面前方的围岩，呈拱形配置长512m的钢管，起到掌子面稳定对策、地表面下沉对策的效果的工法。一般说，超前支护的钢管多采用100140mm、钢管壁厚为611mm，打设角度是410打设范围取以拱顶为中心约120左右。搭接长度为3.5m（图314）。但视围岩条件和地表结构物的位置关系，角度更有效果的配置。此工法有使用专用机械设置的方法和用钻孔台车施工的方法。能够用钻孔台车施工的工法有扩宽开挖断面，使钢管插入角小的扩宽工法和以10左右角度打设钢管的无扩宽工法。此无扩宽方式，因开挖线内侧的端末管是采用易于切断的塑料管和有切槽的钢管，使开挖成为可能。为此，与扩宽方式比较，能够抑制开挖数量和喷射混凝土数量。但其反面，是钢管距开挖面的距离大，在切出区间，事实上超前长度几乎处于不能确保的状态，围岩有可能剥落等，采用时要加以注意。钢管周围的围岩用压力压注水泥浆和化学浆液，使钢管和压注材料成为一个改良体，来补强围岩。一般说，压注材料对粘性土主要是填充钢管周边的空隙，多采用水泥系材料，对砂质土和砾石土主要是向钢管间的围岩进行渗透压注以改良围岩，多采用化学浆液等材料。为提高拱顶和掌子面稳定性的场合，也可向掌子面喷混凝土和打掌子面锚杆。长钢管的刚性大，有梁的效果和钢管间的围岩因注浆有改良围岩效果，因此超前支护的效果高。对前述的小导管以防止拱顶崩落和小规模崩塌为主的工法来说，此工法可提高拱顶的稳定性外，也能够期待抑制地表面下沉和松弛的效果。注浆材料与注入式小导管相同，应根据围岩、涌水状况和注浆材料的特性等选定。本工法作为拱顶稳定对策是一个可靠性高的工法，注入式小导管不能对应的场合，可以采用。在全断面开挖中，由于掌子面暴露的面积大，当需要采用超前支护稳定掌子面时多采用长钢管超前支护。日本规定的长钢管超前支护的参数如下：钢管直径：.（76.3114.3mm）设置范围：（）设置角度：（1）纵断方向注浆长度：12.5（5.517.5m）搭接长度：.（1.01.75m）超前残余长度：.（.）设置间距：（36）标准设计断面示于图315。本工法比前述的小导管，是规模比较大的对策，适用于不连续面非常发育的围岩或者强度小的软岩、破碎带和土砂围岩、埋深小的洞口段和河谷段，需要抑制地表面下沉的场合等广泛范围的地质条件。本工法可采用隧道用凿岩台车，也可采用图3-16的专用机进行施工，不需要特殊的作业人员，但1个施工循环中需要的时间较长。由于安全性高，可提高开挖效率，比在长区间采用小导管工法，无论是工期还是工费都是有利的。水平喷射注浆方式