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1、隧道工程,主讲教师:曹志军,第七章 隧道施工工艺与施工技术,第一节 围岩预支护（预加固）,第二节 隧道掘进方式及隧道爆破施工技术,第三节 装碴与运输,第四节 初期支护,第五节 超前地质预报与监控量测,第七节 模筑衬砌,第八节 辅助坑道,第六节 防排水施工,1 围岩预支护（预加固） 辅助稳定措施,1 围岩预支护（预加固）,隧道施工中常用的辅助稳定措施有：,六、机械预切槽法,五、水平旋喷预支护,四、超前深孔帷幕注浆,三、超前注浆小导管,一、超前锚杆,二、管棚,1 围岩预支护（预加固）,一、超前锚杆,2性能特点及适用条件,1构造组成,3设计、施工要点,1构造组成,超前锚杆是沿开挖轮廓线，以稍大的外插
2、角，向开挖面前方一定范围内安装的斜向锚杆。,2性能特点及适用条件,锚杆超前支护的柔性较大，整体刚度较小。,它主要适用于应力不太大，地下水较少的破碎、软弱围岩的隧道工程中，如裂隙发育的岩体、断层破碎带等、浅埋无显著偏压的隧道。且一般与系统锚杆同时使用，形成联合支护。,采用风枪、凿岩机或专用的锚杆台车钻孔，锚固剂或砂浆锚固，其工艺简单、工效高。,应力较大的严重破碎围岩中，超前锚杆的后期支护刚度就有些不足，不宜使用。,3设计、施工要点,(1)超前锚杆的长度、环向间距、外插角等参数，应视围岩地质条件、施工断面大小、开挖循环进尺和施工条件而定。一般超前长度为循环进尺的35倍，环向间距采用0.31.0m；
3、外插角宜用1030；搭接长度宜为超前长度的40一60左右，即大致形成双层或双排锚杆。(2)超前锚杆宜用早强砂浆全粘结式锚杆，锚杆材料可用不小于22 mm的螺纹钢筋。(3)超前锚杆的安装误差，一般要求孔位偏差不超过10 cm,外插角不超过12锚入长度不小于设计长度的96。,3设计、施工要点,(4)开挖时应注意保留前方有一定长度的锚固区，以使超前锚杆的前端有一个稳定的支点。其尾端应尽可能多的与系统锚杆及钢筋网焊连。若掌子面出现滑坍现象，则应及时喷射混凝土封闭开挖面，并尽快打入下一排超前锚杆，然后才能继续开挖。下一循环的开挖应考虑适当缩短掘进循环进尺。 (5)开挖后应及时喷射混凝土，并尽快封闭环形初
4、期支护。(6)开挖过程中应密切注意观察锚杆变形及喷射混凝土层的开裂、起鼓等情况，以掌握围岩动态，及时调整开挖及支护参数，如遇地下水时，则可钻孔引排。,二、管棚,（一）构造组成,（二）性能特点及适用条件,（三）设计、施工要点,管棚实例：,采用长度小于10 m的钢管，称为短管棚； 采用长度为1045 m且较粗的钢管，称为长管棚。,（一）构造组成,管棚是利用沿开挖轮廓线、以较小的外插角、向开挖面前方打入的钢管或钢板与钢拱架构成的一种钢管棚架或钢板棚架，简称“管棚”或“板棚”。,板棚采用的钢插板长度一般不超过10 m。,（二）性能特点及适用条件,管棚因采用钢管或钢插板作纵向预支撑，又采用钢拱架作环向支
5、撑，其整体刚度较大，对围岩变形的限制能力较强，且能提前承受早期围岩压力。因此管棚主要适用于围岩压力来得快来得大、对围岩变形及地表下沉有较严格要求的软弱、破碎围岩隧道工程中，如土砂质地层、强膨胀性地层、强流变性地层、裂隙发育的岩体、断层破碎带、浅埋有显著偏压等围岩的隧道中。,若有地下水但水量不大，可减小钢管环向间距，减小钢拱架纵向间距，加密管棚； 若水量较大，采用钢插板封闭围岩更为有效； 若水量较大且水压力较大，则可将管棚与注浆相结合，形成超前小导管注浆方能奏效。,短管棚一次超前量少，基本上与开挖作业交替进行，占用循环时间较多，但钻孔安装或顶入安装较容易。,长管棚一次超前量大，虽然增加了单次钻孔
6、或打入长钢管的作业时间，但减少了安装钢管的次数，减少了与开挖作业之间的干扰。在长钢管的有效超前区段内，基本上可以进行连续开挖，也更适于采用大中型机械进行大断面开挖。,（三）设计、施工要点,(1)超前管棚支护结构一般按松弛荷载理论进行设计。在设计中，要充分考虑地质、周边环境、隧道开挖断面、埋深以及开挖方法等，决定管棚的配置、形状、施工范围、管棚间隔及断面等。,(2)管棚的各项技术参数要视围岩地质条件和施工条件而定。长管棚长度不宜小于 10 m,一般为1045 m；管径70180 mm，孔径比管径大2030 mm，环向间距0.20.8 m；外插角12。,(3)两组管棚间的纵向搭接长度不小于1.5
7、m;钢拱架常采用工字钢拱架或格栅钢架。,(4)钢拱架应安装稳固，其垂直度允许误差为2,中线及高程允许误差为5 cm。,(5)钢管应从工字钢腹板圆孔穿过，或穿过花钢拱架的腹筋；钻孔方向应用测斜仪检查控制，钻孔平面误差不大于15 cm,角度误差不大于0.5，钢管不得侵入开挖轮廓线。,(6)第一节钢管前端要加工成尖锥状，以利导向插入。要打一眼，装一管，由上而下顺序安装。,(7)长钢管应用46m的管节逐段接长，打入一节，再连接后一节，连接头应采用厚壁管箍，上满丝扣，丝扣长度不应小于15 cm；为保证受力的均匀性，钢管接头应纵向错开。一般按编号，偶数第一节用4m，奇数第一节用6m，以后各节均采用6 m。
8、,(8)当需增加管棚刚度时，可在安装好的钢管内注入水泥砂浆，一般在第一节管的前段管壁交错钻1015 mm孔若干，以利排气和出浆，或在管内安装出气导管，浆注满后方可停止压注。水泥砂浆应用牛角泵或其他能满足要求的设备灌注。砂浆标号可用C20-C30，并适当加大灰砂比,(9)钻孔时如出现卡钻或坍孔，应注浆后再钻，有些土质地层则可直接将钢管顶入。,管棚实例：,三、超前注浆小导管,（一）构造组成,（二）性能特点及适用条件,（三）小导管布置和安装,（四）注浆材料,（五）注浆,（一）构造组成,自进式注浆锚杆几点改进：,其一是它在小导管的前端焊接了一个简易的一次性钻头或尖端，从而将钻孔和顶管同时完成，缩短了导
9、管安装时间，尤其适用于钻孔易坍塌的地层；,其二是对于可以采用水泥浆的地层，它改用水泥砂浆作为胶结材料，可进一步降低造价；,其三是它的管体采用波纹或变径外形，以增加粘结和锚固力，增强了加固效果,（二）性能特点及适用条件,作为软弱破碎围岩条件下隧道施工的一项特殊措施，超前小导管注浆作业只能在隧道内进行，即小导管安装和注浆作业都要进入洞内施工作业循环，因而占用较多的洞内作业循环时间，不利于提高施工速度。,浆液被压注到岩体裂隙中并硬化后，不仅将岩块或颗粒胶结为整体起到了加固作用，而且填塞了裂隙，阻隔了地下水向坑道渗流的通道，起到了堵水作用。 但超前小导管注浆对围岩加固的范围和加固处理的程度是有限的，注
10、浆压力较低。 因此，超前小导管注浆主要适用于渗透系数较大的无地下水或水量和压力较小的一般软弱破碎岩体的地层条件。若用于渗透性差的地层，则容易形成“跑浆”，即浆液沿管外与孔壁之间形成回流。,（三）小导管布置和安装,(1)小导管钻孔安装前，应对开挖面及5m范围内的坑道喷射510 cm厚的混凝土封闭。,(2)小导管一般采用32 mm的焊接管或40 mm的无缝钢管制作，长度宜为36m，前端做成尖锥形，前段管壁上每隔1020 cm交错钻眼，眼孔直径宜为68mm。,(3)钻孔直径应较管径大20 mm以上，环向间距应按地层条件而定，一般采用2050 cm;外插角应控制在1030之间，一般采用15。,(4)极
11、破碎围岩或处理坍方时可采用双排管；地下水丰富的松软层，可采用双排以上的多排管；大断面或注浆效果差时，可采用双排管。,(5)小导管插入后应外露一定长度，以便连接注浆管，并用塑胶泥将导管周围孔隙封堵密实。,（四）注浆材料,1注浆材料种类及适用条件,3.注浆材料的配比,2.注浆材料选择,1注浆材料种类及适用条件,水泥浆液,化学浆液,适用粗砂、砾砂、大裂隙岩石等孔隙直径大于0.2 mm的地基加固。,400号以上的普通硅酸盐水泥，,超细水泥,可适用于细砂等地基,以水玻璃（Na2OnSi02）为主剂的浆液,以纸浆废液木质素（木胺）为主剂,以丙烯酸胺（聚胺酯）为主剂,可适用于渗透性小的地基,注浆材料按浆液组
12、成可分为单液和双液。,2.注浆材料选择,注浆材料的选择主要应考虑被加固地层渗透条件。应先对被加固围岩进行土力学试验，包括渗透系数、土颗粒组成、孔隙率、饱和度、密度、pH值、剪切和抗压强度等。必要时应做现场抽水试验和注浆试验，采用适用的注浆材料，并确定更为合理的注浆压力、单孔注浆扩散半径等参数。,(1)在断层破碎带及砂卵石地层（裂隙宽度或颗粒粒径大于1 mm,渗透系数k5 10-4m/s）等强渗透性地层中，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。,(2)断层带，当裂隙宽度（或粒径）小于1mm，
13、或渗透系数k10-5m/s时，注浆材料宜优先选用水玻璃类和木胺类浆液。（单一水玻璃浆液比较适用黄土类地层的加固。在黄土类土中水玻璃较易渗透入土孔隙，与土中的钙质相互作用形成凝胶，而使土颗粒胶结成整体。）,(3)细、粉砂层、细小裂隙岩层及断层地段等弱渗透地层中，宜选用渗透性好、低毒及遇水膨胀的化学浆液，如水玻璃（主剂）氯化钙、水玻璃（主剂）水泥、水玻璃（主剂）铝酸钠、聚胺酯类，或超细水泥浆等。,对于受沥青、油脂、石油化合物等浸透的土以及地下水pH值大于9的土不宜采用硅化法加固。,(4)对于不透水的粘土层，则宜选用水玻璃或聚胺酯类化学浆液采用高压劈裂注浆。,3.注浆材料的配比,注浆材料的配比应根据
14、地层情况和胶凝时间要求，并经过试验而定： (1)采用水泥浆液时，水灰比可采用0.5:12：1，需缩短凝结时间时，可加入氯盐、三乙醇胺速凝剂。 (2）采用水泥水玻璃浆液时，水泥浆的水灰比可用0.5：11.5：1；水玻璃浓度为2540Be，水泥浆与水玻璃的体积比宜为1：11:0.3。,（五）注浆,(1)注浆设备应性能良好，工作压力应满足注浆压力要求，并应进行现场试验运转。 (2)小导管注浆的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0.51.0 MPa，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0.51.0 m的半径范围内。
15、(3)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，但注入量仍不足时，亦应停止注浆。 (4)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。 (5)注浆后应视浆液种类，等待4h(水泥水玻璃浆）8h(水泥浆）方可开挖，开挖长度不宜太长，以保留一定长度的止浆墙（亦即超前注浆的最短超前量）。,超前深孔帷幕注浆是在开挖前，先用喷射混凝土将开挖面和一定范围内的坑道周边岩面封闭，然后沿坑道周边轮廓向前方围岩内打入带孔长钢管，并通过长钢管向围岩内压注起胶结作用的浆液，待浆液硬化后，坑道周围岩体就可形成较大范围的一定厚度的筒状封闭加
16、固区，在此加固圈的保护下即可安全地进行开挖等作业，称为帷幕注浆。,四、超前深孔帷幕注浆,（一）注浆加固机理,（二）适用条件及优缺点,（三）注浆范围,（四）钻孔布置及注浆压力,（五）注浆数量及注浆材料选择,（六）施工要点,四、超前深孔帷幕注浆,（一）注浆加固机理,1渗透注浆,2劈裂注浆,3压密注浆,4高压喷灌注浆,压力注浆,电动注浆,在各种大小压力下使水泥浆液或化学浆液挤压充填土的孔隙或岩层缝隙。,在施工中以注浆管为阳极、滤水管为阴极，通过直流电电渗作用下孔隙水由阳极流向阴极，在土中形成渗浆通道，化学浆液随之渗入孔隙而使土体结硬。,1渗透注浆,对于破碎岩层、砂卵石层、中细砂层、粉砂层等有一定渗透性的地层，采用中低压力将浆液压注到地层中的空穴、裂缝、孔隙里，凝固后将岩土或土颗粒胶结为整体，以提高地层的稳定性和强度，称为“渗透注浆”。,
