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1、第三讲 隧道预支护技术,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。,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
2、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：1030。 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。
3、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3650mm，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
4、用。,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=(0.60.7)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(%)； 浆液充填系数，一般取0.70.9； 注浆材料损耗系数，常取0.1左右。,(
5、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mm或渗透系数大于510-4m/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k10-m/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0.5:11:1，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0.5:11:1；水玻璃浓度为2540Be，水泥浆与水玻璃的体积比宜
6、为1:11:0.3。,(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0.51.0MPa，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0.51.0m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)8 h(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
7、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
8、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）意大利产重型水平选喷钻机,（b）1983年
9、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 械预切槽法,机械预切槽法首次应用于20世纪70年代法国巴黎快速轨道运动系统的一个车站的建造工程中。它是利用专业的切槽机械，沿隧道外轮廓切割一定深度的切槽。切槽方式有带锯式和排钻式两种。在硬岩地层中，利用该切槽，作为爆破振动的隔振层，主要起隔振或减振的目的。在软石或砂质地层中，在切槽内填筑混凝土，形成预支护拱，提高隧道稳定性。,机械切槽预支护，在国外已有多次成功应用的实例，取得了较好的经济和社会效益。在国内，软岩锯式切槽机尚在研制当中。,在安全稳定的作业环境下，用挖掘机或臂式掘进机开挖前作业面。自卸汽车或翻斗车可穿行于预切槽
10、机内。 必要时，作业面装以玻璃纤维锚杆，以稳定作业面。随后在作业面上喷混凝土。 紧随其后，安装隧道防水层，进行二次衬砌。,作业过程如下： 用预切槽锯沿隧道外廓弧形拱深切一宽1530cm、 长约5m的切槽。 在切槽内立即填充高强度喷射混凝土，形成长 35m的整体连续拱，两次连续拱的搭接长度为 0.52.0m，视围岩的不同而定。,可减轻在硬岩爆破时，振动的扩展；在作业面开挖前，快速建成一临时的整体弧形拱，从而减小围岩变形与地表沉陷；为人员和设备提供清洁、安全的工作条件；有利于作业全过程的工业化及机械化，从而使进度快速均衡，适应性增强，大大节约了成本。机械预切槽法在硬岩地层中应用的最大弱点是推进速度
11、慢，较适合用于市区隧道工程、松散地层和大断面隧道。,机械预切槽法的优点,5 超前管棚,大管棚(一般管径70180mm，长度1030m)是指开挖掘进前在隧道开挖工作面的上半断面(呈扇形)或全部沿隧道断面周边间隔一定距离用大型水平钻机钻孔，钢管跟入或向孔内压入钢管而形成钢管群体。为提高钢管刚度常向管内灌注混凝土或钢筋笼混凝土。由于一次施作距离大，支护刚度大，它能有效控制土质围岩的下沉松驰和坍塌，好地控制地表沉降量，在城市地铁施工中广泛应用。,钢管型号的选择：根据实际地层和技术经济因素分析，土体凝聚力较高的粘性土，可选取89mm；一般土层在多数情况下选取108mm型钢管。 间距的选择：对于松散地层，
12、钢管间距应适当缩小，考虑钻进等因素，选择间距在0.10.2m为宜；一般地层选择间距为0.30.4m；土体凝聚力较高的粘性土也可适当加大。,(1)支护参数的选择,支护掘进步距的选择：管棚支护掘进步距过小，会增加工序转换时间，影响施工效率；管棚支护掘进步距过大，又可能会产生塌帮等安全事故，根据实际地质条件，掘进步距应确定在1.02.0m。 支护长度的选择:管棚支护长度越长，越能节省辅助时间，提高施工效率，但是由于受到钻孔机具、钻进技术和钢管柔性弯曲等条件限制，如果管棚支护长度过长，就很难确保管棚的水平角度和排列整齐，从而影响施工质量，一般根据不同地质条件管棚支护长度选择为1030m。,仰角的确定:
13、因土层松软及钻杆重力，管棚在钻进过程中要发生向下弯曲，在开孔钻进时要有一定的上仰角度。如果上仰角度过小，管棚会因向下弯曲而进入隧道区域，在隧道掘进时需要将钢管割去，从而严重影响隧道掘进速度和安全；如果上仰角度过大，使管棚远离隧道外径而失去支护作用，而且使管棚有效支护长度缩短。为此需要选择合适的管棚上仰角度(一般15 )。,工作室施工：隧道开挖至设计工作室里程后，将隧道标准断面扩大到管棚工作室断面。 预制导向架，安装导向管：架立导向架，并按设计角度将导向管焊接到导向架上，确认无误后，封堵导向管管口加以保护，再用喷射混凝土将导向架与工作室构成整体。 工作面处理：掌子面上挂网喷混凝土，封闭掌子面，并
14、作为注浆的止浆墙，确保管棚施工中工作面安全。,(2)施工工艺,钻机就位：用仪器量测导向管，固定钻杆转轴，使之与钻杆共线。 钻孔：用低档开钻，钻到一定深时，接杆继续钻进，经常复核钻孔角度，确保钻孔方向，若发现偏斜，及时高速处理。 插入导管：插前应对每个钻孔的管子配管编号，保证同一断面上钢管接头数50%。 孔口密封处理：注浆前对管口与孔口间空隙密封，防止水泥浆外渗。 导管注浆：通过注浆，即可增强导管刚度，又可使浆液渗入周围地层，加固地层。,大管棚刚度大、结构强度高、所形成的拱棚承载能力强； 一次支护长度大，可以减少超前支护的次数，缩短施工时间； 由工程经验得知，大管棚预注浆支护效果可靠，劳动消耗量
15、相对较少，虽然材料费用要高些，但安全系数也能相对提高，可望能有效地保持隧道周边围岩的稳定，提高施工安全。,(3)技术特点,6 管幕预支护技术,美国是最早采用管幕技术的国家，在19221947年间，美国采用管幕法累计完成铺管工程830项，铺管总长度16800m。20世纪50年代开始长距离管幕，20世纪70年代出现了小口径管幕，以19771984年下水道敷设看，短距离、手挖式的一次顶进方法占半数以上，长距离的管幕施工方法、半盾构方法则逐渐增加。美国1990年以前是液压管幕占主导，随着气动钢管顶打技术出现，迅速发展并取代液压，液压管幕已由1990年的80%迅速降为1994年的40%。,6.1 国外管
16、幕技术的发展,日本自20世纪7080年代下水道敷设中，直径10001850mm者大部分是管幕，直径大于2000mm的多用衬砌盾构施工法，顶进施工法其施工管道长度占下水道总长度的6.3%，另外盾构法占2.3%，而明挖施工法占36%。各种工法如铁鼠掘进机施工法、水平螺旋钻施工法、鼹鼠式掘进机施工法、土箭施工法应运而生。,微型机械施工法能使原先不可能的小口径管幕进行长距离转弯施工，且比较经济。施工机具主要分为压入式、水平螺旋钻机、水平钻孔、泥浆加压式施工，其中前两种使用较多且可修正方向。20世纪90年代日本super-mini施工法协会开发的适于大、中口径16003000mm的长距离管幕施工法，即覆
17、膜管幕法又一次飞跃地提高了管幕一次顶进的最大距离。日本还自行研制开发了闭水性、耐酸性好的钢筋混凝土管、聚乙烯塑料管、铸铁管、增强塑料管等专用规范管材。,英国管幕技术发展也较快，1980年从日本引进泥水平衡式管幕机械与当时西德合作施工的一条内径为2489mm，长度为3.2km的管道已获成功，且曾达到不用中继间最大顶距178m的记录。,德国在大口径管顶进方面技术比较先进，一次顶进最长2.2km，最大直径4.4m，如VS864掘进系统，用感应式激光屏幕显示顶进位置，采用快速运行的液压千斤顶推顶，每天进尺达4050m。1970年的德国汉堡下水道管幕工程是世界上首次一次顶进超千米的混凝土管幕工程，198
18、7年完成的西柏林供热水钢筋混凝土管道，内径4.1m，一次顶进1088m，工程总长3607m。在小口径管幕方面：施密特克朗茨有限公司开发了一种新的PBA38型顶压钻进设备可有效控制敷设接户支管以及最大内径DN300mm的管道且目标精度高，管接口为双层密封。,6.2 国内管幕技术的发展,管幕施工法是中国最早使用的非开挖施工方法，1953年首次用于北京西郊行政区污水管工程，采用人工挖掘顶进直径900mm管径的铸铁管。随后，上海等城市也相继采用这一技术，但都是手掘式管幕，设备也较简陋。,20世纪70年代，为适应大口径管道穿越江河的需要，我国开始发展长距离顶进技术。1978年研制成功的三段双铰型工具管解
19、决了百米管幕技术，同年，上海又成功开发适于软粘土和淤泥质粘土的挤压法管幕，比普通手掘式管幕效率提高一倍以上。,从20世纪80年代开始，管幕技术在中国有了很大发展。1981年在穿越甬江的管道工程中，第一次应用中继间获得成功，顶进长度达581m，成为当时继美国依里诺斯州一次顶进585m之后，世界一次顶进最长的管幕工程。,20世纪90年代我国的管幕技术已处于世界先进水平。1992年上海研制成功国内第一台加泥式1440mm土压平衡掘进机，在奉贤排污工程中，直径DN1600mm钢筋混凝土管一次顶进1511m，创单向一次顶进混凝土管的世界记录。,1996年底又设计成功可调换止水带的中继间在上海黄浦江上游引
20、水工程中，将内径3500mm的钢管，单向一次顶进1743m，再创世界之最，该工程地面用微机监控，采用无线电通讯手段传达到地下，可随时调整其偏差，减轻人工负担且确保施工精度，目前我国管幕工程的管幕直径之大、顶进长度之长均属世界领先水平，已具备一次顶进3000m管道的能力。,管幕技术显著的优越性使它得到了广泛的应用，在给排水工程、煤气热力工程、通信电缆和发电厂循环水冷却系统中采用管幕施工法的愈来愈多，从经济效益和社会效益、环境效益，及三者综合比较来看，管幕施工明显具有实际的可用性。,6.3 管幕预支护技术,考虑到流塑状淤泥质含水地层，浅埋和城市环境(周边建筑物和地下管线)等因素，把隧道暗挖施工对环
21、境安全、对地面交通和既有建筑物的干扰减少到最低程度，超前预支护是一项重要的工程技术措施。传统的超前预支护刚度较小、一次施作距离短，而管幕预支护中的钢管一般直径为2002500mm，一次施作距离长，这种支护钢管可作为整个支护结构的一部分，因此又称为结构性管棚。,6.3.1 管幕用作隧道预支护应用现状,北京地铁五号线崇文门站总长202.9m，两端为两层三拱结构，中间下穿既有环线地铁区间段，为单层三拱结构，既有线区间结构底板与车站单层断面顶部净距2.858m。由于既有区间地铁轨道允许沉降小，传统的超前支护技术不能控制车站暗挖施工引起的过量地层位移。因此，采用了双排600大直径钢管，长28m一次施作；
22、振动锤夯入，螺旋钻出土的施工方法，取得了工程的预期效果。,(1)北京地铁五号线崇文门站穿越既有地铁段,北京地铁五号线东四站穿越朝内菜市场段，为严格控制暗挖施工沉降，采用159长50.54m、间距0.5m拱部大管棚预支护。由于该区段管棚一次施作长度大，普通钻机无法施作，采用地质钻机引孔、振动锤夯入、管内高压水出土的施工方法，也取得了工程的预期效果。,(2)北京地铁五号线东四站穿越地面建筑物段,6.3.2 管幕预支护的特点,因管幕钢管顶入时，正面土体封闭形式、开挖方法和出土方式的不同，形成了不同类别的管幕施工方式，但均遵循一个共同的原理，即无论是否使用工具管，首节切入管均是切土顶进，切入段的长度视
23、地层松软和稳定性的不同而不同，如采用全长切土顶入。因此，管幕施工自身对地层扰动极小，施工安全可靠。管幕作为隧道施工的预支护，管幕自身施工遵守着预支护原理。因此：,(5)高精度的管幕机研制或购置费用较高，但作为隧道预支护一次顶进长度较短时，其精度要求相对较低，也可采用较为简单的正面土体开挖方法和出土方式。,(2)可以在不采用气压振动条件下，使钢管顶入，不扰动砂土和淤泥地层；,(3)可以在既有建筑物邻近施工，小直径管自身顶入施工引起的地表沉降通常可控制在3mm以内，一般不需对建筑进行基础托换和地下管线改移；,(4)预支护钢管埋入土体不能再回收，成本较高；,(1)该工法施工时无噪音和震动，不影响城市
24、道路交通；,6.3.3 施工步骤,(1)工作面封闭或加固处理,对待预支护的隧道或导坑工作面进行封闭。,(2)推进基坑或反力座准备,根据所采用推进设备的作业要求，铺设推进机作业轨道或修筑顶力后背，以及顶入管的安装，存放场地。,(3)推管,利用推进设备，将整长或分节管推入地层，形成管幕的预支护拱。,(4)隧道开挖,在管幕的超前支护下，进行隧道开挖。,6.3.4 大刚度管幕预支护的力学作用,管幕预支护因其大刚度及大长度，末端支撑在已支护结构上，前端伸入未扰动地层很远或也支撑在托拱上，使掌子面开挖地层由未扰动的初始平衡直接转换到建成隧道的最终平衡，这一点，使管幕预支护优于所有传统预支护技术。,6.4
25、管幕预支护的构造形式,在管幕作为隧道预支护时，根据工程需要，所顶入的钢管之间可实现相互连接。,在管幕预支护施工中，第一根钢管的中心和高程是关键，它必须精确地安装，因为它决定了随后各管的安装精度。相邻两管之间连接是通过在其外侧焊接的互锁的连接件来实现的。连接件除了起导向作用外，还可以增加支护体系的刚度，并防止地下水流入开挖工作面。,连接件可以是各种形状，如图下所示，图中(b)(f)的连接件均处于管的外侧，因而摩擦阻力较大，连接件容易变形和破坏；图中(g)的连接件位于管的内侧，摩擦阻力相对较小。所有的钢管安装完毕后，可向管内灌注混凝土，以防止管的腐蚀和变形，并向管的连接件处注入水泥浆液或化学浆液，以实现密封。此后，便可形成管拱整体体系。,含水流塑状淤泥质地层大直径管拱的管间连接，其质量高低关系重大，若个别点的连接不可靠，即可能流泥、流水，危及施工安全。因此，除考虑施工方便，施工可能实现的精度外，还应增加连接的可靠程度，即通过连接和接头间补充注浆两种措施，如上图(d)所示，又由于淤泥质地层钢管顶力较小，顶入方便，可多管同时顶入，这样不仅加快施工进度，还可减少管间接缝的数量 。,