岩土加固技术6超前锚杆预支护技术

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1、6 超前预支护技术,6 超前预支护技术,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 6.2 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 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 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,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

2、不及支护就会发生破坏性事故，如流沙、严重的破碎带、松散的软岩、高应力围岩等。 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。 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。 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,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

3、的夹持作用也失去。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。 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,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

4、原理,实际上，围岩的破坏是渐进的。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。 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。 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,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。 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、

5、浅埋软弱破碎岩层或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,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。 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

6、直径为3245 mm的带泄浆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,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,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

7、的选择，且小导管注浆超前支护工艺也应和开挖工序等相结合等。 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,（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； （4）考虑一次掘进进尺及前后小导管之间的搭接长度。 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,（1）小导管的加工制作

8、 前端加工成圆锥形并封焊严实； 管身设若干溢浆孔，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,（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： 一般砂层可用20 mm管以压力风吹孔； 粉细砂、亚粘土可采用风镐推进导管； 粘土层可采用煤电钻钻孔； 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

9、曲和塌孔等。,6.2.3 小导管的施工技术,（2）小导管施工工艺 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,（3）小导管注浆设计 1）地质调查 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。 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； 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

10、管的施工技术,（3）小导管注浆设计 2）注浆参数的确定 注浆扩散半径：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 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。 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 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

11、固部分将详细介绍。,6.2.3 小导管的施工技术,4）注浆工艺 针对不同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。 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。 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

12、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,6.3 管棚式超前支护技术,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。 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,管棚式超前支护和导管式超前支护的区别主要是： 管

13、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。 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,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

14、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，如托底、盾构基地防护等。 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,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,（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

15、护设计,（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,（3）管棚长度 管棚长度首先应满足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。 即：L= A + 2（B + C）,6.3.2 管棚式超前支护设计,（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

16、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 管棚式超前支护设计,（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,6.4.1 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,（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）、S