隧道预支护讲义

1、第三讲第三讲第三讲第三讲 隧道预支护技术隧道预支护技术隧道预支护技术隧道预支护技术 超前预支护技术在破碎或松散地层、自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，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。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导管、水平旋喷注浆、机械预切槽法和超前管棚法。管棚法。1 1 超前锚杆超前锚杆超前锚杆是沿隧道开挖面外轮廓钻孔，插超前锚杆是沿

2、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入钢筋杆体并用水泥砂浆使杆体与围岩固结成整体。成整体。超前锚杆超前锚杆隧道开挖后，杆体及周边固结的部分围岩隧道开挖后，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，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，也小，在地应力较大、地层位移控制严时，也限制了它的使用。限制了它的使用。(1)(1)布置原则布置原则超超前前锚锚杆杆的的安安装装必必须须作作为为开开挖挖循循环环的的一一个个组组成成部部分分来来完完成成，旨旨在在作作为为超超前前预预支支护护及及加加固固岩岩体的作用。体的作用。超超前前锚锚杆杆的的设设置置充充分分考考虑虑岩岩体体的的结结构构面面特特性性和围岩地质情况。和围岩地质

3、情况。超前锚杆外插角：超前锚杆外插角：1030。超超前前锚锚杆杆纵纵向向两两排排的的水水平平投投影影应应有有不不小小于于100cm的搭接长度。的搭接长度。超超前前锚锚杆杆尾尾端端一一般般焊焊接接在在钢钢拱拱架架上上，以以增增强强共同支护作用。共同支护作用。(2)(2)施工工艺施工工艺材材料料加加工工与与锚锚孔孔布布置置：锚锚杆杆除除锈锈调调直直；按按设设计计标孔位。标孔位。钻孔：准确控制外插角，以防增加超欠挖。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。注浆：先用水和稀浆湿润管路，再开始注浆。插插入入锚锚杆杆：迅迅速速将将锚锚杆杆插插入入眼眼孔孔，并并用用锤锤击击方方法插至孔底，再用木楔堵塞孔口，防止砂浆流失。法插至孔底，再用木楔堵塞孔口，防止砂浆流失。清清洗洗整整理理注注浆浆用用具具：除除掉掉砂砂浆浆，以以备备下下一一循循环环使用。使用。2 2 超前小导管超前小导管vv超前小导管与超前锚杆所不同的是将钢筋杆体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，通常管径改为空心钢管，通常管径3650mm，管壁预留管壁预留注浆孔，管口止浆封面后，注入水

4、泥浆。压力注浆孔，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，实现超前结体形成一定厚度的隧道加固圈后，实现超前支护的目的。支护的目的。vv该方法工艺简单，造价低，特别是砂、土质松该方法工艺简单，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。移控制要求严时，也限制了它的应用。钻孔钻孔钻孔钻孔1515小导管小导管小导管小导管钢支撑钢支撑钢支撑钢支撑0.2m0.2ma40cma40cmr rr rb b(取取取取30cm30cm)3.56.0m3.56.0m管箍管箍管箍管箍(6(6钢筋加焊钢筋加焊钢筋加焊钢筋加焊)出浆孔出浆孔出浆孔出浆孔1.5m1.5m不钻孔不钻孔不钻孔不钻孔0.2m0.2m2535mm2535mm有缝钢管有缝钢管有缝钢管有缝钢管v小小导导管管常常与与格格栅栅钢钢架架共共同同组组成成支支护护系系统统。小小导

5、导管管起起双双重重作作用用：一一是是起起超超前前管管棚棚作作用用，二二是是起起注注浆浆管的作用，通过注浆，加固软弱围岩。管的作用，通过注浆，加固软弱围岩。v浆浆液液扩扩散散半半径径的的确确定定：扩扩散散半半径径不不是是浆浆液液在在地地层层中中扩扩散散的的最最远远距距离离，而而是是指指浆浆液液能能符符合合设设计计要要求求的的扩扩散散距距离离。考考虑虑到到注注浆浆扩扩散散范范围围相相互互重重叠叠的的情情况况，可可按按下下式式计计算算：R=(0.60.7)L0，其其中中L0为为导管中心间距导管中心间距(m)。(1)(1)基本原理及注浆范围基本原理及注浆范围v注注浆浆量量确确定定：先先计计算算出出单单孔孔注注浆浆量量，然然后后乘乘以以注注浆管数即可得：浆管数即可得：式中，式中，QQ注浆量注浆量(m3)(m3)；NN注浆管数量注浆管数量(个个)；RR浆液扩散半径浆液扩散半径(m)(m)；LL注浆长度注浆长度(m)(m)；nn围岩孔隙率围岩孔隙率(%)(%)；浆液充填系数，一般取浆液充填系数，一般取0.70.70.90.9；注浆材料损耗系数，常取注浆材料损耗系数，常取0.10.1左右。左右。(2)

6、(2)注浆材料注浆材料v断层破碎带及砂卵石地层，当裂隙宽度（或粒径）断层破碎带及砂卵石地层，当裂隙宽度（或粒径）大于大于mmmm或渗透系数大于或渗透系数大于510-4m/s510-4m/s时，应采用时，应采用料源广且价格便宜的注浆材料。一般对于无水的料源广且价格便宜的注浆材料。一般对于无水的松散地层，宜优先选用松散地层，宜优先选用单液水泥浆单液水泥浆；对于有水的；对于有水的强渗透地层，则宜选用强渗透地层，则宜选用水泥水玻璃双浆液水泥水玻璃双浆液，以，以控制注浆范围。控制注浆范围。v细、粉砂层、断层带，当裂隙宽度细、粉砂层、断层带，当裂隙宽度(或粒径或粒径)小于小于1mm1mm，或渗透系数，或渗透系数k10-k10-m/sm/s时，注浆材料宜优时，注浆材料宜优先选用先选用水玻璃类水玻璃类和和木胺类木胺类或或超细水泥超细水泥浆液。浆液。各种浆材的适用范围各种浆材的适用范围 v采用水泥浆液时，水灰比可采用采用水泥浆液时，水灰比可采用0.5:11:1，需缩短凝结时间，则可加入氯盐、三乙醇胺需缩短凝结时间，则可加入氯盐、三乙醇胺速凝剂。速凝剂。v采用水泥水玻璃浆液时，水泥浆的水灰比采用水泥水玻璃

7、浆液时，水泥浆的水灰比可用可用0.5:11:1；水玻璃浓度为；水玻璃浓度为2540Be，水，水泥浆与水玻璃的体积比宜为泥浆与水玻璃的体积比宜为1:11:0.3。(3)(3)注浆注浆v孔口最高压力应严格控制在允许范围内，以防压孔口最高压力应严格控制在允许范围内，以防压裂开挖面，注浆压力一般为裂开挖面，注浆压力一般为0.51.0MPa，止浆，止浆塞应能经受注浆压力。注浆压力与地层条件及注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浆范围要求有关，一般要求单管注浆能扩散到管周周0.51.0m的半径范围内。的半径范围内。v要控制注浆量，即每根导管内已达到规定注入量要控制注浆量，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，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。但注入量仍不足，亦应停止注浆。v注浆结束后，应做一定数量的钻孔检查或用注浆结束后，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，声波探测仪检查注浆效果，如未达到要求，应进行补注浆。应进行补注浆。v注浆后应视浆液种类，等待注浆

8、后应视浆液种类，等待4h(水泥水玻水泥水玻璃浆璃浆)8 h(水泥浆水泥浆)方可开挖，开挖长度应按方可开挖，开挖长度应按设计循环进尺的规定，以保留一定长度的止设计循环进尺的规定，以保留一定长度的止浆墙。浆墙。v超前小导管施工简易，应急速度快，比超前超前小导管施工简易，应急速度快，比超前锚杆支护能力大；锚杆支护能力大；v比管棚简单易行、灵活、经济、施工速度快，比管棚简单易行、灵活、经济、施工速度快，但支护能力较弱；但支护能力较弱；v格栅内空间被喷射混凝土充填，其表面被覆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，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；并有一定的防水性能；v与围岩紧密粘结，形成一个刚度较接近的共与围岩紧密粘结，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。构受力条件趋于合理。(4)(4)特点特点3 3 水平旋喷注浆水平旋喷注浆v喷喷射射注注浆浆法法，又又称称旋旋喷喷法法，分分为为垂垂直直和和水水平平旋旋喷喷注注浆浆两两种种方方法法。水水平平旋旋喷喷注

9、注浆浆的的施施工工原原理理类类似似于于垂垂直直旋旋喷喷注注浆浆，只只是是一一个个为为水水平平一一个个为为垂垂直直。其其施施工工方方法法为为，首首先先使使用用旋旋喷喷注注浆浆机机，沿沿着着隧隧道道掌掌子子面面周周边边的的设设计计位位置置旋旋喷喷注注浆浆形形成成旋旋喷喷柱柱体体，通通过过固固结结体体的的相相互互咬咬合合形成预支护拱棚。形成预支护拱棚。v一一般般每每根根旋旋喷喷体体，首首先先通通过过水水平平钻钻机机成成孔孔，钻钻到到设设计计位位置置以以后后，随随着着钻钻杆杆的的退退出出，用用水水泥泥浆浆或或水水泥泥水水玻玻璃璃双双浆浆液液旋旋喷喷注注入入钻钻成成的的孔孔腔腔，通通过过高高压压射射流流切切割割腔腔壁壁土土体体，被被切切割割下下的的土土体体与与浆浆液液搅搅拌拌混混合合、固固结结形形成成直直径径600mm600mm左左右右的的固固结结体体，同同时时周周围围地地层层受受到到压压缩缩和和固固结结，其其土土体体的物理力学性能得到一定程度的改善。的物理力学性能得到一定程度的改善。v旋旋喷喷柱柱体体沿沿隧隧道道拱拱部部形形成成环环向向咬咬合合、纵纵向向搭搭接接的的预预支支护护拱拱棚棚，在在松

10、松散散不不稳稳定定地地层层隧隧道道中中，可可有有效效控控制制坍坍塌塌和和地地层层变变形形。水水平平旋旋喷喷注注浆浆桩桩的的应应用用在在我我国国还还不不是是很很广广，旋旋喷喷桩桩抗抗弯弯性性能能不不强强，施施工工控控制制的的难难度度较较大大，特特别别是是目目前前我我国国的的水水平平旋旋喷喷钻钻机机性性能能尚尚未未过过关关，制制约约了了水水平平旋旋喷喷预预支支护护技技术术的的应应用和发展。用和发展。v它主要适用于粘性土、砂类土、淤泥等地层它主要适用于粘性土、砂类土、淤泥等地层。（a）意大利产重型水平选喷钻机（b）1983年研制的轻型水平选喷钻机（c）三一重工2008年产中型水平选喷钻机 4 4 械预切槽法械预切槽法v机机械械预预切切槽槽法法首首次次应应用用于于2020世世纪纪7070年年代代法法国国巴巴黎黎快快速速轨轨道道运运动动系系统统的的一一个个车车站站的的建建造造工工程程中中。它它是是利利用用专专业业的的切切槽槽机机械械，沿沿隧隧道道外外轮轮廓廓切切割割一一定定深深度度的的切切槽槽。切切槽槽方方式式有有带带锯锯式式和和排排钻钻式式两两种种。在在硬硬岩岩地地层层中中，利利用用该该切切槽

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