地下工程施工与管理之预加固工法课件（PPT47）

地下工工程施施工与与管理理西南交交通大大学土土木学学院2006年2月第二章章预预加固固工法法一、概概述又称为为辅助助工法法在隧道道施工工，如如果围围岩不不能自自稳，，施工工是不不可能能的，，因此此，控控制围围岩（（包括括掌子子面））稳定定性问问题就就成为为隧道道开挖挖技术术中的的重要要问题题。预加固固工法法就是是为了了解决决这一一问题题而采采用的的一种种辅助助施工工工法法。一、概概述述隧道自自稳时时间项目Ⅴ-ⅥⅣⅢIII无支护隧道长度(m)12.55815平均自稳时间30mon10h7d6个月10年岩体的粘结力（Mpa）<0.10.2-0.20.2-0.30.3-0.4>=0.4岩体的内摩擦角（0）<1515-2525-3535-4545一、概概述述隧道开开挖的的自稳稳时间间与围围岩性性质和和隧道道一次次开挖挖跨度度有关关，基本规规律是是：围岩越越差，，一次次开挖挖跨度度越大大，自自稳时时间越越短。。根据地地质条条件，，在掌掌子面面不能能获得得稳定定的情情况下下，开开挖要要采用用分割断断面的方法法或缩缩短一一次开开挖进进尺。。但有有时就就是分分部开开挖或或缩短短进尺尺也不不能取取得效效果。。因此此，为为提高高掌子子面和和拱顶顶的稳稳定性性，而而开发发了种种种的的辅助工工法。一、概概述述辅助工法目的

概念图

适用性

问题点管棚法施工大、小管棚顶端稳定适用广，实例多，有时与化学灌注法结合使用，全面粘结型施工角度大，超挖量多开挖面喷混凝土

开挖面稳定多与其它施工法结合使用喷混凝土会产生周期性影响正面锚杆开挖面打设锚杆，增强抗剪强度开挖面的稳定

可有效地阻止围岩的膨胀、挤出现象发生锚杆材质及长度，有必要考虑锚杆施工的周期性影响和开挖化学灌注法开挖面灌注化学药剂，增强围岩强度顶端开挖面的稳定

用于不能使用其他施工的场合，多用来稳定崩溃明显的开挖面，防止结构物的沉降等药剂会向加固区外渗透，.造价高，.引起的周期性影响大，效果难于判断斜向锚杆施工与弧形导坑结合使用，提高开挖面稳定开挖面的稳定取决于围岩强度，须留核心，让锚杆尽早产生作用，喷混凝土和钢支撑支护就能保证隧道稳定时，斜向锚杆作支护构件的作用效果，尚未完全弄清一、概概述述上述这这些辅辅助工工法多多数是是在隧隧道开开挖之之前实实施的的，以以图稳稳定围围岩和和掌子子面，，根据据其功功能的的不同同，可可分为为以下下几种种：1、提高高构件件的弯弯曲刚刚度支支持围围岩的的（超超前支支护、、短管管棚等等）；；2、改良良围岩岩的（（注浆浆等））；3、发挥挥锚杆杆作用用的（（斜锚锚杆、、正面面锚杆杆等））；4、喷混混凝土土加强强的等等。辅助工工法的的选择择，应应在充充分掌掌握辅辅助工工法的的特征征的基基础上上，考考虑施施工性性、经经济性性等进进行选选择。。同时时，视视周边边的环环境条条件，，需极极力控控制围围岩松松弛时时，更更要慎慎重选选择。。二、小小管棚棚法小管棚棚构造，，是沿沿隧道道纵向向在拱拱上部部开挖挖轮廓廓线外外一定定范围围内向向前上上方倾倾斜一一定角角度，，或者者沿隧隧道横横向在在拱脚脚附近近向下下方倾倾斜一一定角角度的的密排排注浆浆花管管。注注浆花花管的的外露露端通通常支支于开开挖面面后方方的格格栅钢钢架上上，共共同组组成预预支护护系统统。二、小小管棚棚法二、小小管棚棚法二、小小管棚棚法北京地铁管棚施工

大管棚布设二、小小管棚棚法小管棚棚一般般3～5m长，既既能加加固洞洞壁一一定范范围内内的围围岩，，又能能支托托围岩岩，其其支护护刚度度和预预支护护效果果较好好，施施工时时间长长，对对开挖挖循环环影响响较大大。通常通通过小小管棚棚向掌掌子面面附近近的围围岩注注浆，，可以以改善善围岩岩状况况，保保证掌掌子面面的稳稳定。。小管棚棚注浆浆不仅仅是掌掌子面面稳定定的对对策，，也是是改善善隧道道稳定定性的的对策策，要要充分分加以以研究究和运运用。。小管棚棚一般般适用用干较较干燥燥的砂砂士层层、砂砂卵（（砾））石层层、断断层破破碎帝帝、软软弱围围岩浅浅理段段等地地段的的隧道道施工工。二、小小管棚棚法（一））小管管棚加加固力力学效效果分分析小管棚棚加固固，决决定有有效而而最合合适的的施工工范围围是非非常重重要的的，主主要包包括纵向加加固和横向加加固长度。。1、纵向向加固固长度度由实验验确定定，假假定隧隧道开开挖高高度为为D，埋深深为H时，其其在隧隧道开开挖面面前方方大于于Ly的范围围内进进行加加固，，效果果最好好。则则Ly与D、H的关系系如图图所示示。二、小小管棚棚法二、小小管棚棚法可以看看出，，当隧隧道开开挖高高度为为D，隧道道埋深深为1D时，前前方加加固0.4D长度最最为有有效。。但是前前方必必须保保留多多长的的加固固段，，才能能保证证掌子子面安安全？？下面通通过有有限元元计算算，来来说明明这一一问题题。设设隧道道开挖挖高度度为6.55m，加固固长度度8m,采用逐逐步开开挖的的办法法来寻寻找这这一长长度，，假定定分六六步开开挖，，其长长度分分别为为1m、2m、3m、4m、6m、8m。则计计算结结果如如图所所示。。二、小小管棚棚法二、小小管棚棚法图中涂涂黑单单元为为破坏坏单元元，由由此可可见，，当掌掌子面面前方方只有有>4m加固长长度时时，隧隧道掌掌子面面前方方的破破坏范范围可可能超超过加加固段段，此此时就就有可可能引引起隧隧道掌掌子面面的不不稳定定，因因此，，可以以认为为，该该隧道道前方方的加加固段段保留留长度度为4m以上，，即1/3小管棚棚长度度时，，隧道道施工工是安安全的的。二、小小管棚棚法2、横向向加固固范围围松软地地层：在开开挖前前方进进行加加固（（如管管棚、、超前前锚杆杆、化化学注注浆等等）时时，一一般都都在隧隧道上上半断断面1200的范围围内施施工。。平面面上几几乎能能够覆覆盖隧隧道全全宽。。特别浅浅埋的的地层层：也有将将隧道道横向向加固固范围围确定定为1800。当埋深深较大大时，，横向向加固固范围围确定定可为为900，下部部采用用长锚锚杆。。大致划划分：：(D为隧道道跨度度)埋深≤0.5D横向加加固范范围为为1800；埋深0.5D～1.0D时，横横向加加固范范围为为1200，埋深≥1.0D时，横横向加加固范范围为为900，下部部采用用长锚锚杆。。二、小小管棚棚法（二））小管管棚的的设计计参数数1、纵向向加固固长度度≥0.4倍洞跨跨。2、横向向加固固范围围为1200，下部部采用用长锚锚杆。。3、环向向设置置间距距一般般为20～50cm。外插插角100～300，小导导管纵纵向搭搭接长长度≥1/3导管长长度。。4、直径径为Φ42～50mm，材料料为热热轧无无缝钢钢管。。5、构造为为：前部应应钻注注浆孔孔，孔孔径为为6～8mm，孔间间距10～20cm，呈梅梅花形形布置置。前前端加加工成成锥形形，尾尾部长长度不不小于于30cm。作为为不钻钻注浆浆孔的的预留留止浆浆段。。6、注浆参参数：：通常压压注水水泥砂砂浆，，水灰灰比w/c＝0.5～1.0。当岩岩体止止浆效效果不不好时时，可可采用用水泥泥～水水玻璃璃双液液注浆浆，浆浆液凝凝结时时间控控制在在数分分钟内内。注注浆压压力0.5～1.0Mpa。二、小管棚棚法浆液扩散半半径R可根据导管管排列密度度确定，考考虑注浆扩扩散范围相相互重叠的的情况，可可按下式计计算：R＝(0.6——0.7)L式中：L为导管中心心间距，单单根导管注注浆量Q按下式计算算Q＝3.14R2Ln式中：R为浆液扩散散半径，L为导管长度度，n为围岩空隙隙率二、大管棚棚法大管棚法:一般多在隧隧道洞口段段施工时采采用，它是是在隧道开开挖之前，，沿隧道开开挖断面外外轮廓，以以一定间隔隔与隧道平平行钻孔、、插入钢管管，再从插插入的钢管管内压注充充填水泥浆浆或砂浆，，来增加钢钢管外周围围岩的抗剪剪切强度，，并使钢管管与围岩一一体化，形形成由管棚棚和围岩构构成的棚架架体系。有有时还可加加钢筋笼，，并与强有有力的型钢钢钢架组合合成预支护护系统，以以支承和加加固自稳能能力极低的的围岩，对对防止软弱弱围岩下沉沉、松弛和和坍塌等有有显著效果果。二、大管棚棚法二、大管棚棚法大管棚工法法的作用效效果可归纳纳为：1、粱效应钢管是先行行施设的，，在掘进时时，钢管在在以掌子面面和后方的的支撑支持持下，形成成粱式结构构，防止围围岩的崩塌塌和松弛；；2、加强效应应钢管插入后后，压注水水泥浆，加加强了钢管管周边的围围岩。在浅浅埋的情况况下，地表表有结构物物存在时，，或隧道接接近地中结结构物、地地下埋设物物开挖时，，为把隧道道开挖的影影响限制在在最小限度度内，要尽尽量防止围围岩的松弛弛。采用管管棚工法是是有利的。。二、大管棚棚法（一）、大大管棚的配配置和形状状一般是沿隧隧道开挖轮轮廓外周的的一部分或或全部，以以一定间隔隔排列而成成的棚架体体系。但应应根据地形形、地层的的性质及地地表或地中中结构物的的位置关系系等，决定定管棚的配配置和形状状。一般说说，多采用用图所示的的形状。二、大管棚棚法二、大管棚棚法（二）大管管棚施工范范围根据隧道周周边地形、、地表结构构物的状况况决定。管管棚的终端端位置，应应达到防护护对象的长长度加上因因开挖而造造成的掌子子面松弛范范围的长度度。在洞口口，从经济济上看，施施工长度应应尽可能短短些，伸出出洞口的长长度要满足足钻孔作业业和注浆作作业的要求求。此工法法施工可能能的长度，，根据钻孔孔机械的施施工精度，，可达80m，施工地段段更长时，，应分段施施工。二、大管棚棚法（三）大管管棚配置间间隔隧道在公路路、铁道下下方通过、、接近结构构物施工、、开挖对周周边环境有有直接影响响、管棚间间土粒子可可能流出的的软弱围岩岩时，为了了能直接承承受荷载，，防止土粒粒子流出，，应选用刚刚性大的、、中直径（165～216mm）或大直径（318mm）的。除除上述条件件外，多采采用比较小直径（89～139mm）的钢管，以以一定间隔隔设置。应注意的是是：管管棚棚的的支支护护效效果果，，是是因因围围岩岩与与管管棚棚形形成成一一体体，，使使有有效效断断面面扩扩大大，，使使土土压压均均匀匀而而形形成成的的。。过过大大的的间间隔隔会会降降低低这这些些效效果果。。管管棚棚的的最小小间间隔隔，根根据据地地质质条条件件、、施施工工长长度度及及水水平平钻钻孔孔的的弯弯曲曲量量的的精精度度而而定定。。经经验验上上，，钢钢管管间间隔隔多多采采用用管管径径的的2～3.5倍。二、、大大管管棚棚法法（四四））大大管管棚棚的的设设计计参参数数1、导导管管设设置置间间距距；；根根据据地地层层性性质质、、压压力力、、设设置置部部位位、、机机具具及及开开挖挖方方法法等等确确定定，，一一般般为为30～50cm或按2.0～2.5d估算（d外径）。纵向向应有不小于于1.5m的水平搭接长长度。2、为热轧无缝缝管，分段安安装，分段长长4～6m，两段间用““V”型对焊3、须钻注浆孔孔，孔径10～16mm间距15～20cm，呈梅花型布布置。4、导管中设钢钢筋笼，提高高抗弯能力。。由四根主筋筋和固定环组组成。5、与管棚配合合使用的钢架架，采用钢轨轨、Ｈ钢等加加工制成。6、钻孔的孔壁壁不坍塌时，，采用直接撞撞击法撞击至至设计位置。。相反，则宜宜用导管与钻钻头同时钻进进的方法。7、导管安装偏偏差e为：e≤0.006l～0.015L式中：e为安装偏差；；L导管长度。钻钻孔可预留10左右的外插角角。三、注浆法概述注浆预加固地地层是把具有有充填和凝胶胶性能的浆液液材料，通过过配套的注浆浆机具设备压压入所需加固固的地层中；；经过凝胶硬硬化作用后充充填和堵塞地地层中裂缝，，减小注浆区区地层渗水系系数及坑道开开挖时的渗漏漏水量，并能能固结软弱和和松散岩体，，使围岩强度度和自稳能力力得到提高。。注浆加固围岩岩适用于下列列地层：软弱围岩地段段；断层破碎碎带地段；水水下隧道或富富水围岩地段段；坍方或涌涌水事故处理理地段及其它它不良地质地地段。围岩预注浆分分类：地面预注浆、、洞内工作面面注浆、辅助助坑道内向隧隧道正洞预注注浆等三种方方式，其适用用条件及优缺缺点如下表所所示。三、注浆法预注浆方式适用条件及方法优缺点地面预注浆适用于隧道埋深<=50m，由地面向隧道洞身垂直钻孔优点：1、地面作业，施工场地宽阔，工作条件好；

2、多台钻机同时作业，工序在隧道开挖前完成，

3、注浆孔定向、定位上较容易。缺点：1、成本受隧道埋深控制，深度大，不经济；

2、必须有较好的止浆设备。洞内工作面预注浆适用于洞内开挖施工，对围岩钻孔注浆优点：1、洞内作业，不受隧道埋深限制；

2、注浆孔可视围岩变化相应调整，注浆效果好；缺点：1、注浆与开挖作业交替进行，增加施工工期；

2、注浆工作面狭小，与开挖工序有干扰。辅助坑道向隧道正洞预注浆适用于隧道通过不良地质地段，由辅助坑道向隧道正洞钻孔注浆优点：1、可避免注浆与开挖施工的干扰；

2、注浆加固效果好，利于开挖施工；缺点：1、辅助坑道内须开挖注浆洞室，增加工程费；

2、在不良地质地段的注浆洞室需支护。三、注浆法注浆设计包括括：注浆的密度、、注浆孔的间间距、注浆量量；注浆带的的大小；注浆浆的压力；注注浆的长度（（步距）；注注浆工作面的的数量和位置置；注浆材料料的强度；注注浆材料的耐耐久性等。注浆施工包括括：注浆孔布置；；注浆压力，，压力升高和和最终压力；；注浆浓度和和配方的改变变；注浆材料料的选择（特特别强度和凝凝结时间）；；注浆机械的的工作性能；；注浆量（总总量和每小时时量）；钻机机的类型和钻钻进深度；钻钻孔的直径，，长度和步距距；注浆模式式的试验；注注浆机械的安安排；安全措措施等。三、注浆法（一）注浆加加固范围（加加固带）注浆孔的布置置间距一般为为3m，正常地带和和在断层地带带不同。注浆浆带的面积必必须要比松动动圈大。如松松动圈比注浆浆的区域大，，作用在隧道道上的压力就就大并影响隧隧道的稳定性性。增加注浆带的的大小要增加加注浆孔的数数目，工期和和费用要增加加，所以要全全面衡量后决决定。目前采采用的是：正常地段：取为隧道半径径的2～4倍（2～4R）。注浆隔墙墙为10～15m，断层带：取为3～6R。在有的地段段松动圈和隧隧道的半径不不成比例。注注浆隔墙为20～30m，三、注浆法三、注浆法情况条件注浆半径以提高软弱围岩围岩强度为主要目的的注浆一般情况2～3B（B隧道管）断层破碎带3～4B以提高堵水能力为主要目的的注浆水平层理坚岩0.5B垂直层理坚岩0.25B普通节理岩层0.25(B+H)～0.35(B+H)裂隙发育岩层0.35(B+H)～1.1(B+H)特别破碎岩层1.1(B+H)（H隧道高）注浆范围三、注浆法（二）注浆孔孔布置软岩Rg＝1.75R～2.5R，（R为隧道半径，，Rg灌浆扩散半径径）硬岩Rg＝2R～3R；断层等情况Rg＝4R～6R。松动带和隧道道的半径不一一定成比例，，所以上述数数据还要小些些。注浆孔孔间距应根据据不同的目的的而取不同值值，一般情况况下：粘土：取1～2m（加固地层））；砂质岩：取0.6～1.0m(止水)，0.8～1.2m（加固地层））；砂砾：取0.8～1.2m(止水)，1.0～1.5m（加固地层））；破碎岩层：取1.5～6m。注浆孔孔底间间距按单孔注注浆时浆液扩扩散半径来确确定，一般取取1.4～1.7倍浆液扩散半半径。三、注浆法灌浆孔的布置置（一般地段段）三、注浆法灌浆孔的布置置（断层地带带）三、注浆法（三）注浆段段长根据工程地质质、水文地质质和钻孔机械械及注浆设备备等条件，确确定注浆段长度L，一般情况下，，设计注浆段段长度可取30～50m，破碎岩层或或大涌水量的的地段，可适适当取短些，，每次在注浆段长度范范围内开挖0.7L～0.8L，保留0.2L～0.3L，即5～10m左右不开挖，，作为下段注注浆的止浆岩盘。止浆岩盘厚厚度应根据围围岩性质决定定，有时需要要用混凝土止浆盘盘。三、注浆法（四）注浆压压力和注浆量量一般注浆最终终压力是取水水压的3倍，但在断层层带则要增加加。注浆量一一般正比于涌涌水量，当压力超过一一定值时，注注浆量将突然然增加。在临临界注浆压力力时，注浆孔孔和注浆区将将变形，注浆浆材料容易注注入。可认为为是在注浆压压力下裂缝张张开的缘故。。三、注浆法注浆量受围岩岩条件、浆液液类型、注浆浆技术水平及及围岩裂隙分分布各向异性性等多种因素素影响，计算算的注浆量与与实际的注浆浆量相差很大大，一般通过过试验注浆予予以修正，设设计时可用下下式计算：Q=Anα(1+β)式中：Q为总注浆量（（m3）A为注浆范围岩岩层体积（m3）n为围岩空隙率率（%）α为浆液充填系系数，一般取取0.7～0.9之间β为注浆材料损损耗系数，通通常取0.1左右四、超前锚杆杆概述拱部超前锚杆杆：是作为支护结结构的一部分分轴力构件而而发挥其作用用的，用以支支托拱上部临临空的围岩，，起插板作用用，间距约为为10cm，在易崩塌的的围岩中支护护拱顶的辅助助方法。边墙超前锚杆杆：通常与系统锚锚杆同时施工工。沿隧道纵纵向在拱上部部开挖轮廓线线外一定范围围内向前上方方倾斜一定外外插角，或沿沿横向在拱脚脚附近向下方方倾斜一定角角度的砂浆锚锚杆。将起拱拱线附近的岩岩体所承受的的较大拱部荷荷载传递至深深部围岩，从从而提高施工工中围岩的稳稳定性。四超超前锚杆四超超前锚杆超前锚杆的设设计参数为：：1、设置范围：：拱部超前锚锚杆，设隧道道拱部外弧半半长为a，则L=1/2～1/3a。式中L为设超前锚杆杆范围内的半半弧长；2、锚杆直径；；软围岩为20～24mm，较软围岩为为18～22mm。3、锚杆长3～5m，与开挖高度度、钻孔机具具和工序相配配含。拱部纵纵向两排之间间应重叠1m以上的水平搭搭接段。4、锚杆间距：：软围岩为30～