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1、浅析隧道超前支护施工技术- 以成贵铁路白杨林隧道为例中铁二局二公司成贵项目部二分部 杨 姣【摘 要】 随着铁路交通的的不断发展， 隧道工程在铁路建设中扮演的角色越来越重要。 近几年来，隧道超前支护作为一项保证隧道开挖安全、控制地表沉降等技术越来越受到重视。隧道超前支护的发展，新工艺、新技术不断涌现，极大地提高了隧道施工安全和施工效率。本文就隧道超前支护工艺作了详细阐述，以希望此文能在隧道超前支护施工中起到参考作用。【关键词】 隧道施工、超前支护、管棚、白杨林隧道1 工程概况白杨林隧道位于贵阳市清镇市暗流乡沙田村， 全长 1780米， 属云贵高原低山峰丛谷地地貌，地表上覆第四系坡崩积块石土、 坡
2、洪积软黏土、坡残积红黏土；下伏基岩为三叠系下统茅草铺组 (T1m)、三叠系下统夜郎组第三段（ T1y3） 、三叠系下统夜郎组第二段（ T1y2） 、三叠系下统夜郎组第一段 （ T1y1） 、 二叠系上统长兴 +大隆组 （ P2c+d） 、 二叠系上统龙潭组 （ P2l ） 、二叠系上统茅口组 （ P1m） 地层及断层破碎带 （ F br ） 。 隧址地处黔中， 位于黔中东西构造带、川黔南北向构造带和新华夏系第三巨型隆起带交接复合部位， 地质构造相当复杂。 隧道海拔高程 1070 1300m，相对高差 40-80m，最大埋深 206m。工程重难点为穿越煤层、高瓦斯、溶岩、突水突泥等。2 主要超前
3、支护参数表表 2-1 白杨林隧道各类围岩超前支护表序号 衬砌类型 超前支护1 a级围岩( 断面 138.05m2) 拱部 120范围设置 42超前小导管，单根 L=3.5m，环向间距 0.5m， 31根 / 环，纵向间距 2m，搭接长度 1.5m。2 b级围岩( 断面 138.72m2) 拱部 120范围设置 42超前小导管，单根 L=3.5m，环向间距 0.5m， 31根 / 环，纵向间距 2m ，搭接长度 1.5m。3 d级围岩( 断面 138.72m2) 拱部 120范围设置 42超前小导管，单根 L=3.5m，环向间距 0.5m， 31根 / 环，纵向间距 2m，搭接长度 1.5m。4
4、 d级围岩复合式下锚( 断面 154.13m2) 拱部 120范围设置 42超前小导管，单根 L=3.5m，环向间距 0.5m， 33根 / 环，纵向间距 2m，搭接长度 1.5m。5 a级围岩（开挖断面 143.46m2） 拱部 120范围设置 42小导管，单根 L=4m，环向间距0.4m，每环 38根，纵向间距 2.4m，搭接长度 1.6m。6 b级围岩复合（开挖断面 143.46m2） 拱部 120范围设置 42小导管，单根 L=4m，环向间距0.4m，每环 38根，纵向间距 2.4m，搭接长度 1.6m。7 c级围岩复合（开挖断面 145.61m2） 拱部 120范围设置 42小导管，
5、单根 L=4m，环向间距0.4m，每环 38根，纵向间距 2.4m，搭接长度 1.6m。3 超前支护施工工艺3.1 超前支护简介隧道超前支护是保证隧道工程开挖工作面稳定而采用的超前于掌子面开挖的施工方法，其目的在于提高围岩强度、自稳和止水能力。 超前支护主要包括预注浆、超前小导管、 超前锚杆、超前管棚等形式。白杨林隧道主要围岩类别有、级，其中级围岩 380m，占全隧比例 21.3%；级围岩 790m，占全隧比例 44.4%；级围岩 610m，占全隧比例 34.3%。超前支护包含洞口 108 注浆大管棚以及洞身、级围岩拱部的 42 注浆小导管。3.2 108 大管棚施工工艺及方法3.2.1 超前
6、大管棚受力原理超前管棚支护是在拟开挖隧道、 洞室等开挖轮廓周边上， 间隔一定的距离， 沿洞轴以一定的外插角进行钻孔、 安装惯性矩大的钢管， 然后进行逐级固结的一种预支护措施。 其原理为：通过管棚注浆， 使拱顶预先形成加固的保护环， 此加固环承载拱上部的地面荷载和地层岩土重量，使拱内部围岩仅承受拱部围岩形变压力，从而确保了较好的开挖条件。超前管棚沿隧道开挖轮廓线周边布设， 加固环的变形变小， 传递给隧道支护结构的上部荷载大大减小， 同时通过环形固结层与管棚， 将拱部围岩的形变应力传递给支撑拱架， 支撑拱架间相互连接，形成整体支护，有效的保证了隧道掘进与初支的安全。3.2.2 施工准备挖设钻孔作业
7、平台根据钻机自身高度确定台阶的开挖高度， 由原地面自上而下挖台阶， 仰坡面需竖直开挖，以便管棚导向墙施作。 当挖至台阶底部时， 形成管棚钻机施作平台。 考虑钻机平台高度不能满足导墙施作高度，需将开挖平台两侧以外的位置进行加深。开挖方法采用风钻钻眼爆破，挖机配合装载机装渣，自卸汽车运输的方式进行。测量定位首先复核线路中线、 水平， 根椐线路中心线控制桩及高程控制点在仰坡面标识出隧道中心线及外拱顶标高， 并根据暗洞开挖轮廓线在仰坡面用红油漆画出外拱弧， 作为导向墙立模的依据， 根据导向墙的里程控制好导向墙内外模的高度， 并预留相应的沉降量。 放样完成后及时通知技术部门，经测量工程师复核无误后，根据
8、轮廓线采用机械进行导向墙基坑开挖，人工清底，浇筑混凝土基础。3.2.3 导向墙施工为提高钻孔精度、方便施钻，须在明、暗洞交界处施作混凝土导向墙。施工前根据设计洞门的里程、 标高及坡率进行洞门边仰坡刷坡作业， 刷坡完成后采用砂浆锚杆，钢筋网，喷混凝土等形式保证仰坡稳定。白杨林隧道导向墙截面尺寸为 1m 1m，管棚设置于拱部 120范围内，导向墙内预埋两榀 18号工字钢， 将直径为 146mm、 壁厚 5mm的孔口管焊于两榀 18号工字钢拱架上， 外插角 13， 外端焊一个法兰盘，用来平衡钻孔和压浆的后座力，里面一端用胶纸封口， 以防砂浆流入。图 3.2.3-1 -导向墙剖面示意图每侧导向墙底设置
9、 4根 42锁脚锚杆，每根长 4m,焊于两榀钢拱架上。导向墙布置图：图 3.2.3-2 导向墙内导管布置示意图导管及加固锚杆均焊好达到稳固条件， 检查合格后即可灌筑导向墙混凝土， 浇筑完成后进行养护，待导向墙混凝土达设计强度后方进行洞身开挖等工作。3.2.4 大管棚设计参数大管棚采用热轧无缝钢花管，外径 108mm，壁厚 6mm。管棚长度 30m，管节长度 6m，环向间距 40cm，外插角 1 3。注浆孔：纵向 15cm、横向 9cm间距，呈梅花形交错设置，孔径 10mm 16mm，管尾段留2.0m不钻孔的止浆段。注浆压力： 0.61.0Mpa ，具体浆液配合比和注浆压力由现场实验确定。制作要
10、求：第一节钢管前端加工成尖锥状，以利导向插入。钢管注浆孔为双孔布置，一个为注浆孔，一个为排气孔。如下图：图 3.2.4-1 注浆双孔布置图3.2.5 大管棚钻孔根据钻机钻孔最低眼标高和安钻杆长度要求搭设钻孔操作平台，平台宽度为整个洞门，搭设基础应稳固，不易产生不均匀下沉、摆动、位移等现象。必须精确核定钻机位置，确保钻机钻进时的倾角要求。技术员必须时刻观察钻机钻孔角度，当角度偏差大于 0.3 时，应及时纠偏。图 3.2.5-1 操作员调整钻孔角度 图 3.2.5-2 钻孔作业3.2.6 大管棚装管清孔完成后及时安装管棚钢管，避免出现坍孔。钢管顶进采用大孔引导和棚管钻机相结合的工艺， 即先钻大于棚
11、管直径的引导孔， 后用 10t 卷扬机配合滑轮组反压顶进到位。钢管在专用的管床上加工好螺纹，棚管四周钻 6 8mm 为确保同一横断面内接头数量不超过 50%，相邻两钢管接头至少错开 1m。及时将钢管与钻孔壁间缝隙堵塞密实， 在钢管外端焊上法兰盘、 止浆阀， 并检查焊接强度和密实度。如下图：图 3.2.6-1 止浆阀 图 3.2.6-2 检查焊接效果3.2.7 大管棚注浆浆液制备： 水泥浆液搅拌在拌和机里进行， 严格按照施工配合比投料， 放入的同时一并加入缓凝剂，待水量加足后继续搅拌 1min，再将水泥投入，继续搅拌时间不小于 1min。并于注浆过程中不停的搅拌。 水泥搅拌过程中严防水泥包装纸及
12、其他杂物混入， 拌好的浆液进入注浆机前应进行过滤， 未经过滤的浆液不允许入泵。 注浆时要考虑注浆扩散半径， 凝结时间要进行确定，然后再进行试验调试。隧道采用单液注浆， 灌注浆液为纯水泥浆液， 水泥浆水灰比 1 1； 浆压力 :0.6 1.0MPa。注浆施工： 管路连接好后， 先压水检查是否漏浆， 待设备正常后再对围岩做压水试验，以冲洗岩石裂缝，扩大浆液通路。增强浆液扩散密实性， 核实围岩的渗透性。注浆时要记录好注浆时间及注浆量。注浆时应密切注意排气管情况， 当排气管口不在冒水， 冒出浓浆时关闭排气管继续注浆。注浆中密切注意注浆压力表， 初始压力较低， 正常阶段和注入量呈小的波浪式起伏， 但总的
13、比较平稳， 当达到压满浆状态时，注入量急剧迅速， 而压力迅速增加压，直到达到注浆终压合理范围，则停止注浆，进行封堵，转注下一孔，直到完成注浆作业。3.2.8 注意事项导向墙施作前应严格复核线路中线、 水平， 确保导向墙各部位尺寸及预埋件位置正确无误。模板安装必须接缝严密、平整、牢固。模板安装前需搭设作业平台，脚手架搭设必须平稳，符合安全标准要求。严格控制混凝土原材料质量，加强混凝土、拌合、运输、浇注、养护、拆模等各道工序质量。钻机就位时应调整好钻孔角度及高度， 钻机平台需平整、 稳固， 防止施钻时钻机产生不均匀下沉、摆动、位移等影响钻孔质量。钻机钻孔时应随时检查孔位偏差并及时纠正。为保证管棚安
14、装顺利进行， 管棚安装前应用钻头或高压风对钻孔进行扫孔、 清孔， 清除孔内浮渣，确保孔径、孔深符合要求、防止堵孔。管棚所用钢管的原材料品种、 规格必须符合设计要求， 搭接长度应符合设计要求， 管棚注浆压力必须满足设计要求。严格控制水泥浆及砂浆原材料质量， 注浆浆液配合比符合设计要求， 浆液充满钢管及周围空隙。灌浆的质量直接影响管棚的支护刚度，因此必须设法保证灌浆的饱满、密实。3.3 超前注浆小导管3.3.1 超前小导管施工工艺流程图施工准备测量定位布孔、钻孔、清孔安装小导管喷射混凝土封闭掌子面检查连接管路及封闭孔口、压水试验小导管制备符合要求浆液制备注浆注浆效果检查钻孔验收合格不合格结束合格调
15、试注浆参数不合格图 3.3.1-1 超前小导管施工工艺流程图3.3.2 超前小导管设计参数超前小导管采用热轧钢花管，外径 42mm，壁厚 3.5mm。超前小导管环向间距 3050cm。倾角：外插角为 10 12。注浆材料：水泥浆或水泥砂浆。注浆压力一般为 0.20.3Mpa 。3.3.3 小导管制作小导管采用 42无缝热轧钢管制成， 前端制作成锥形， 以便顺利插入已钻好孔内。 当围岩松动时也可直接打入，小导管尾端焊接 8钢筋加劲箍，防止施工时小导管尾端变形。在前部钻注浆孔，孔径 68mm，孔间距 2030cm，呈梅花形布置，距后端 1.0m内不开孔，作为止浆段。施工时按设计沿隧道开挖轮廓线外侧
16、以 5 10外插角打入小导管预注浆进行超前支护。图 3.3.3-1 超前小导管正面布置示意图图 3.3.3-2 小导管超前支护纵向布置示意图图 3.3.3-3 小导管构造图3.3.4 小导管注浆小导管注浆作业包括钻孔、布管、封面、注浆四道工序。钻孔布管：小导管在钻孔前， 按设计要求画出小导管的位置，并标明。采用 YT28风钻钻孔，孔口钻眼偏差小于 5cm，孔眼深度大于小导管长度，布孔顺序由拱顶分别向左右方向进行，采取隔孔间隔布置；钻孔完毕后用气水联合法对钻孔进行冲洗。小导管外露长度为0.3 0.4m，尾部焊接在钢架腹部，增加共同支护能力。小导管安装后用塑胶泥封堵导管外边的孔口及围岩裂隙。封面：注浆前，喷 20cm厚混
