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1、6 超前预支护技术6 超前预支护技术v 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v 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v 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v 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v 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
2、坏性事故，如流沙、严重的破碎带、松散的软岩、高应力围岩等。v 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。v 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。v 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v 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
3、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。v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v 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v 实际上，围岩的
4、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。v 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。v 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v 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。v 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
5、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v 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。v 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3245 mm的带泄浆
6、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v 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v 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
7、应和开挖工序等相结合等。v 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v（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；v（4）考虑一次掘进进尺及前后小导管之间的搭接长度。v 根据现场试验和施工经验：小导管的长度 L 以34.5 m为宜，外插角以1020为宜，小导管间距通常按每米34 根布置，导管之间的搭接长度不宜小于1.0 m。6.2.3 小导管的施工技术v（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
8、浆孔，孔径612 mm；孔距2030 cm，按梅花形排列；后端1.0 m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v（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：v一般砂层可用20 mm管以压力风吹孔；v粉细砂、亚粘土可采用风镐推进导管；v粘土层可采用煤电钻钻孔；v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v（2）小导管
9、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30 cm为宜。封口。喷混凝土5080 cm厚度，对管尾周围应加强封闭。6.2.3 小导管的施工技术v（3）小导管注浆设计 1）地质调查v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。v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；v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v（3）小导管注浆设计 2）注浆参数的确定v注浆扩散
10、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v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 和的乘积假定为 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0.50.9 MPa，必要时在管口尾部设置止浆塞。v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0.30.5 MPa，并可按下式计算v 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v 4）注浆工艺针对不同
11、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。v 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。v 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。6.3 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
12、6.3 管棚式超前支护技术v 管棚法：是沿开挖轮廓周线，钻设与隧道轴线平行的钻孔，而后插入不同直径的钢管，并向管内注浆，固结管周边的围岩，并在预定的范围内形成棚架的支护体系。v 它的主要作用是：提高管周围岩的抗剪强度，先行支护围岩，把因开挖引起的松弛控制在最小范围之内，其效果可大致归纳如下：梁效应：先行施设的管棚，以工作面和后方支撑为支点形成一个梁式结构，防止了围岩的松弛和崩塌。加固围岩效果：钢管插入后，向管内注浆，加固了管周的围岩。6.3 管棚式超前支护技术v 管棚式超前支护和导管式超前支护的区别主要是：管棚式支护采用更大直径（80100 mm，甚至更大，达100 mm以上）的钢管，且钢管更
13、长（可以在10 m以上）的超前支护。管棚施工往往要求插入的钢管自身形成棚体结构，如：根据需要由钢管形成拱式、梁式或拱-墙式结构；而小导管可以只设置在局部危险区域。v 因此，在设计时要考虑管棚的整体布置外形（往往和隧道或其它工程的外轮廓一致），还要考虑在管棚长度方向的受力情况。6.3.1 管棚式超前支护适用范围v 从国内外的施工实践看，管棚超前支护特别适用于在工程下方进行工程施工的情况，主要包括下述场合：1）作为公路、铁路下方修建隧道的辅助工法；2）作为在地中及地下结构物下方修建隧道的辅助工法；3）作为修建大断面隧道施工的辅助工法：4）作为隧道洞口段施工的辅助工法；5）作为其它施工的辅助工法，如
14、托底、盾构基地防护等。v 管棚法主要适用于：第四纪覆盖地层、软弱、矽砾地层或软岩、岩堆、破碎带等易于崩塌、松弛、软化的地层。6.3.2 管棚式超前支护设计v 管棚超前支护设计步骤：首先结合地层和结构外形情况，先确定布置外形；再计算承受总压力；设计管棚长度；然后结合管径按强度计算间距（管棚数量）；并用稳定性（扰度）验证。6.3.2 管棚式超前支护设计v（1）管棚布置管棚是在地下工程轮廓外形成的棚架体系，要根据围岩性质及地表、地中结构物的特点，决定管棚的配置和形状。6.3.2 管棚式超前支护设计v（2）确定载荷按普氏或太沙基公式计算。6.3.2 管棚式超前支护设计v（3）管棚长度管棚长度首先应满足
15、钻机设备的工作参数要求；其次要穿过工作面的土体破裂面一定长度，使土压力传递到已封闭的支护结构上；并考虑前后两排管棚的搭接长度。v即：L=A+2（B+C）6.3.2 管棚式超前支护设计v（4）管距和数量钢管的最小间距，要视施工精度来决定。在水平钻孔中，钢管弯曲量随施工长度而增加，尤其是，长度超过30 m后，弯曲量会急剧增加，范围在1/2001/300。一般钢管的间距多采用（22.5）倍管径。可按长梁计算最大弯矩：计算载荷作为梁长度上的均布载荷并平均分摊在每根钢管。钢棚架间距（常为1.0 m）作为铰接点的跨间距，插入岩体一端是固结点；计算钢管最大应力，比较强度，并调节间距和直径。6.3.2 管棚式
16、超前支护设计v（5）扰度验算钢管的扰度不能超过顶部总允许下沉量，包括钢管施工前下沉量。6.4 超前预支护技术的应用马钢集团姑山铁矿马头门冒顶区处理方案6.4.1 马钢姑山铁矿马头门冒顶区处理方案6.4.2 金旗山小净距隧道超前注浆小导管施工 v（1）工程概述位于京福高速公路福建省三明市境内，采用并行双线小净距隧道，隧道双洞轴线间距17.519 m，中间岩柱最小净宽5.079 m。全长205 m。隧道处于丘陵地区，洞口位于小山谷旁。隧道所处地区未见地下水露头，地下水主要源于基岩裂隙水，赋存于基岩裂隙和破碎带中隧道穿过的岩性单一，为燕山早期侵入花岗岩，未见有断层，仅在进口处见有一隐伏辉绿岩脉，对隧
17、道无影响。围岩情况：类围岩41 m，类围岩164 m。支护与衬砌形式分三种：S12型33 m（类围岩浅埋段）、S3型18 m（类围岩深埋段）、S4型144 m（类围岩深埋段）、削竹式洞门结构10 m。6.4.2 金旗山小净距隧道超前注浆小导管施工 v（2）小导管施工方案与参数 类围岩浅埋段采用超前注浆小导管加固拱部，小导管50 mm5 mm，热轧无缝钢管制作，单根长度5 m，环向间距800 mm，排间距3 m。管壁每隔100200 mm交错钻眼，眼孔直径8 mm。注浆浆液为水泥-水玻璃双液浆（水泥：水玻璃=1:0.5）。沿隧道纵向开挖轮廓线以20外插角钻孔，将小导管打入地层。6.4.2 金旗山小净距隧道超前注浆小导管施工 v（3）小导管施工首先对开挖面及5 m范围内坑道喷射厚为50100 mm的混凝土封闭岩面。注浆初始压力0.5 MPa，终压1.5 MPa。注浆过程中应根据地质情况、注浆目的等控制注浆压力。注浆结束至开挖前的时间间隔为48 h。注浆作业应经常检查泵口及孔口注浆压力的变化，发现问题及时处理。经常测试混合浆液的胶凝时间，发现与设计不符应立即调整。注浆结束条件：单孔注浆压力逐步升高，达到设计终压并继续注浆10 min以上，浆液注入量已达到计算值的80%以上；全段注浆的所有注浆孔均已符合单孔结束条件，无漏注情况。