高铁隧道初期支护课件

高速铁路隧道工程施工1

初期支护喷射混凝土锚杆钢筋网钢架2

隧道开挖破坏了地层的初始应力平衡状态，围岩应力、应变发生变化，洞壁产生变形，变形过大将导致围岩松动甚至坍塌，在开挖后的洞室周边施作钢架、混凝土等支撑物，向洞室周边提供抗力，控制围岩变形，这种开挖后隧道内的支撑体系，称为隧道支护。为控制围岩应力和变形，增加结构安全和施工方便，隧道开挖后立即施作刚度较小并作为永久承载结构一部分的结构层，称为初期支护。初期支护一般由锚杆、喷射混凝土、钢架、钢筋网等或其组合组成，是现代隧道工程中常用的支护形式和方法。初期支护的施工流程见图6-1。

喷射混凝土134

喷射混凝土喷射混凝土是使用混凝土喷射机械按一定的混合程序，将掺有速凝剂的细石混凝土喷射到岩壁表面，并迅速固结成一层支护结构，从而起到对围岩的支护作用。喷射混凝土可以作为隧道工程的永久性或临时性支护，也可以与各种形式的锚杆、钢纤维、钢筋网等构成组合式支护结构，其灵活性很大，可以根据需要分层次追加厚度，因此，喷射混凝土在地下工程中得到广泛应用。

采用喷射混凝土作隧道支护的主要优点表现在以下几个方面：5（1）喷射混凝土致密，早期强度高，可与围岩牢固粘结形成整体，改传统模筑混凝土的消极支护为积极支护，且薄层柔性喷射混凝土与围岩能够共同变形，从而减少作用在支护结构上的压力；（2）能及时支护，有效地控制围岩的有害变形，有利于安全施工；（3）不用模板、拱架，节省大量钢木材料，相应的降低了隧道工程造价；（4）施工工艺简单，操作方便，机械化程度高，减轻劳动强度，提高施工效率；（5）少占作业空间为快速掘进创造有利条件。67

一、喷射工艺喷射混凝土的工艺流程有：干喷、潮喷、湿喷和混合喷四种。其主要区别是各工艺流程的投料程序不同，尤其是加水和速凝剂的时机不同，其中湿喷混凝土按其输送方式的不同，可分为风送式、泵送式、抛甩式和混合式，应根据实际情况选用。

1、干喷干喷是将骨料、水泥按一定的比例干拌均匀，然后投入喷射机料斗，同时加入速凝剂，用压缩空气使干混合料在软管内呈悬浮状态，压送到喷枪，在喷头处加入高压水混合，以较高速度喷射到岩面上，其工艺流程见图7-2。

8细骨料粗骨料水泥搅拌机干式喷射机压缩空气速凝剂水喷头干喷、潮喷工艺流程9

干喷的缺点：是产生水泥与砂粉尘量较大，回弹量大，加水由喷嘴处的阀门控制，水灰比的控制程度与喷射手操作的熟练程度有直接关系，但使用的机械较简单，机械清洗和故障处理较容易。

2、潮喷潮喷是将骨料预加少量水，使之呈潮湿状，再加水泥拌和，从而降低上料、拌和和喷射时的粉尘，但大量的水仍是在喷头处加入和喷出的。潮喷工艺流程和使用机械与干喷工艺相同，是目前隧道施工现场使用较多的一种工艺。103、湿喷湿喷是将骨料、水泥和水按设计的比例拌合均匀，用湿式喷射机压送拌和好的混凝土混合料送到喷头处，再在喷头上添加速凝剂喷出，其工艺流程见图7-3。湿喷混凝土的质量较容易控制，喷射过程中的粉尘和回弹量较少，塌落度应控制在5～6cm，做到喷射时，水泥砂浆不粘管，以确保质量。但湿喷对湿喷机械要求高，机械清洗和故障处理较困难。对于喷层较厚的软岩和渗水隧道不易采用湿喷。

11细骨料粗骨料水泥水外加剂搅拌机湿式喷射机压缩空气速凝剂湿喷工艺流程124、混合喷射（SEC式喷射）混合喷射又称水泥裹砂造壳喷射。分别由泵送砂浆系统和风送混合料系统两套机具组成。先是将一部分砂加第一次水拌湿，再投入全部水泥，强制拌和成以砂为核心外裹水泥壳的球体，然后加第二次水和减水剂，拌和成SEC砂浆；再将另一部分砂与石、速凝剂按配合比配料，强制搅拌成均匀的干混合料。然后再分别通过砂浆泵和干式喷射机，将拌和成的砂浆及干混合料由高压胶管输送到混合管混合，最后由喷头喷出。其工艺流程见图7-4。13砂浆泵搅拌机搅拌机干喷机混合管喷头一次水水泥二次水减水剂砂石速凝剂混合喷射工艺流程14

混合式喷射是分次投料搅拌工艺与喷射工艺相结合，其关键是水泥裹砂（或砂、碎石）造壳工艺技术。混合式喷射工艺使用的主要机械设备与干喷工艺基本相同，但混凝土的质量较干喷混凝土的质量好，且粉尘和回弹最大幅度降低。混合式喷射使用机械数量较多，工艺技术较复杂，机械清洗和故障处理较麻烦。因此，混合喷射工艺一般只在喷射混凝土量大和大断面隧道工程中使用。混合喷射混凝土强度可达到C30～C35，而干喷和潮喷混凝土强较低，一般只能达到C20。以上几种喷射方式，各有其特点，在施工中应结合具体情况选用。各种喷射方式的喷射混凝土质量、作业条件、输送距离、粉尘、回弹、故障处理和清洗养护特点见表6-1

15项目干喷潮喷湿喷混合式喷射喷射混凝土质量由于喷嘴处将水与干拌混合料混合，所以质量取决于作业人员的熟练程度和能力。由于砂、石料预湿后，再在喷头第二次加水，水化较好，所以质量有所提高。能事先将水在内的各种材料正确计量，充分混合，所以质量容易管理。由于集中了干喷、湿喷的优点，所以质量好，强度高。作业条件由于供应干喷混合料，所以供料作业的限制少。因在地面对骨料进行预湿，所以供料作业的限制少。供料较困难，操作也麻烦，设备占空间较大。设备的规模大，适用于大断面隧道施工，在作业空间有限的隧道中使用时，其适用范围是有限的，同时操作和工艺复杂。一般采用的水平输送距离40～60m40m20～40m40m粉尘多较少少少回弹较多较少少少故障处理较容易较容易堵管后处理较困难困难清洗养护容易较容易麻烦很麻烦16二、原材料及配比

原材料

水泥

粗骨料

细骨料

外加剂17配合比：胶骨比、砂率、水灰比18三、喷射混凝土机械设备(1)喷射机。干式喷射机湿式喷射机19(2)机械手。喷头的移动和喷射方向、距离的控制，可采用人力直接控制或机械手控制。(3)喷射混凝土的拌制宜用强制式搅拌机。(4)压缩空气机。20四、施工作业21喷射混凝土作业前，应做好以下准备工作：（1）检查开挖断面净空尺寸。（2）清除松动岩块和墙脚岩渣、堆积物，并向料斗加水冲洗受喷面，若岩面受水容易潮解、泥化时，只能用高压风清扫。（3）设置控制喷射混凝土厚度的标志。一般采用埋设钢筋头做标志，亦可在喷射时插入长度比设计厚度大5cm的铁丝，每1～2m设一根，作为施工控制用。（4）检查机具设备和风、水、电等管线路，并试运转，喷射机应具有良好的密封性能，受料连续、均匀，附属机具的技术条件应能满足喷射作业需要。

22（5）岩面如有渗漏水，应予妥善处理。对于大股涌水，采用注浆堵水后再喷射混凝土，一般情况下，可顺涌水出漏点打孔，压注速凝浆液（水泥—水玻璃浆液）进行封堵。对于小股涌水或裂隙渗漏水，视具体情况宜进行岩面注浆（布孔宜密，钻孔宜浅），或采用小导管沿隧道周边环形注浆进行封堵。对于集中出水点，可顺水路（节理、裂隙）设排水半管或线形排水板，将水引到隧底水沟或纵向排水管23

喷射作业：（1）初次喷射混凝土应在开挖后及时进行，喷射厚度约5cm。（2）喷射操作程序应为：打开速凝剂辅助风→缓慢打开主风阀→启动速凝剂计量泵、主电机、振动器→向料斗加混凝土。（3）喷射混凝土作业应采用分段、分片、分层依次进行，喷射顺序应自下而上，分段长度不宜大于6m。喷射时先将低洼处大致喷平，再自下而上顺序分层、往复喷射。

2425①喷射混凝土分段施工时，上次喷混凝土应预留斜面，斜面宽度为200～300mm，斜面上需用压力水冲洗润湿后再行喷射混凝土。②分片喷射要自下而上进行并先喷钢架与壁面间混凝土，再喷两钢架之间混凝土。边墙喷混凝土应从墙脚开始向上喷射，使回弹不致裹入最后喷层。③分层喷射时，后一层喷射应在前一层混凝土终凝后进行，若终凝1h后再进行喷射时，应先用风水清洗喷层表面。一次喷混凝土的厚度以喷混凝土不滑移不坠落为度，既不能因厚度太大而影响喷混凝土的粘结力和凝聚力，也不能太薄而增加回弹量。边墙一次喷射混凝土厚度控制在7～10cm，拱部控制在5～6cm，并保持喷层厚度均匀。顶部喷射混凝土时，为避免产生堕落现象，两次间隔时间宜为2～4h。26（4）喷射速度要适当，以利于混凝土的压实。风压过大，喷射速度增大，回弹增加；风压过小，喷射速度过小，压实力小，影响喷混凝土强度。因此在开机后要注意观察风压，起始风压达到0.5MPa后，才能开始操作，并据喷嘴出料情况调整风压。一般工作风压：边墙0.3～0.5MPa，拱部0.4～0.65MPa。（5）喷射时使喷嘴与受喷面间保持适当距离，喷射角度尽可能接近90°，以使获得最大压实和最小回弹。喷嘴与受喷面间距宜为0.6～1.8m；喷嘴应连续、缓慢作横向环行移动，一圈压半圈，喷射手所画的环形圈，横向40～60cm，高15～20cm；若受喷面被钢架、钢筋网覆盖时，可将喷嘴稍加偏斜，但不宜小于70°。如果喷嘴与受喷面的角度大小，会形成混凝土物料在受喷面上的滚动，产生出凹凸不平的波形喷面，增加回弹量，影响喷混凝土的质量。27（6）对有渗水和大面积潮湿的岩面与喷混凝土不易粘结，为了增加粘结性，初喷在岩面上的混凝土可适当增加水泥用量。（7）喷射混凝土终凝2小时后，应进行养护，石质隧道采用喷雾养护，黄土隧道采用养护液养护养护时间不小于14d。当气温低于+5℃时，不得洒水养护。施工控制要点：（1）喷射混凝土原材料先检验合格后才能使用，速凝剂应妥善保管，防止受潮变质。严格控制拌合物的水灰比，经常检查速凝剂注入环的工作状况。喷射混凝土的坍落度宜控制在8～13cm，过大混凝土会流淌，过小容易出现堵管现象。喷射过程中应及时检查混凝土的回弹率和实际配合比。喷射混凝土的回弹率：侧壁不应大于15%，拱部不应大于25%。28（2）喷射混凝土拌合物的停放时间不得大于30min。（3）必须在隧道开挖后及时进行施作。喷射混凝土严禁选用具有潜在碱活性骨料。喷混凝土厚度应预埋厚度控制标志，严格控制喷射混凝土的厚度。（4）喷射前应仔细检查喷射面，如有松动土块应及时处理。喷射机应布置在安全地带，并尽量靠近喷射部位，便于掌机人员与喷射手联系，随时调整工作风压。（5）喷射完成后应检查喷射混凝土与岩面粘结情况，可用锤敲击检查。同时测量其平整度和断面，并将此断面与开挖断面对比，确认喷射混凝土厚度是否满足设计和规范要求。当有空鼓、脱壳时，应及时凿除，冲洗干净进行重喷，或采用压浆法充填。29（6）在喷射侧壁下部时，需将上半断面喷射时的回弹物清理干净，防止将回弹物卷入下部喷层中形成“蜂窝”而降低支护强度。（7）经常检查喷射机出料弯头、输料管和管路接头，发现问题及时处理。管路堵塞时，必须先关闭主机，然后才能进行处理。（8）喷射完成后应先关主机，再依次关闭计量泵、震动棒和风阀，然后用清水将机内、输送管路内残留物清除干净。（9）喷射混凝土冬期施工时，洞口喷射混凝土的作业场合应有防冻保暖措施；作业区的气温和混合料进入喷射机的温度均不应低于5°C；在结冰的层面上不得进行喷射混凝土作业；混凝土强度未达到6MPa前，不得受冻。30

围岩内应力大和内应力变化大的地段，变形量大，素混凝土容易开裂、掉块，掺入一定量的钢纤维或聚合物纤维，可以改善喷射混凝土的抗拉、抗压及抗剪性能，增加喷层的柔性和抗裂性。钢纤维喷射混凝土的一个主要特点是具有良好的韧性，即在基体混凝土开裂后产生较大塑性变形时能保持承载力不明显降低，可适应岩爆和大变形情况下的应力释放，具有吸收变形的能力。作为初期支护，控制一定程度的开裂是允许的，而钢纤维混凝土的韧性可使与岩面紧密贴合的喷层不但具有一定的柔性，而且在与围岩共同变形过程中持续有效地提供支护抗力，从而有效地适应和控制围岩的变形。五、钢纤维喷射混凝土3132原材料要求：（1）钢纤维内不得含有明显的锈蚀、油脂及其他妨碍钢纤维与水泥粘结的杂质，其中因加工不良造成的粘连片、铁屑及杂质不应超过钢纤维重量的1%。钢纤维内不得含有妨碍水泥硬化的化学成分。（2）钢纤维宜用普通碳素钢制成，抗拉强度不得小于600MPa，应能承受一次弯折90°不断裂。钢纤维断面直径（或等效直径）应为0.3mm～0.8mm，长度应为20mm～35mm，并不得大于输料软管以及喷嘴内径的0.7倍，长径比为30～80，长度偏差不应超过长度公称值的±5%。

333）钢纤维掺量宜根据弯曲韧度指标确定，并应考虑到喷射时钢纤维混凝土各组分回弹率不同的影响，以喷射到岩面上的钢纤维混凝土中钢纤维的实际含量作为依据。钢纤维喷射混凝土的钢纤维实际含量不宜大于78.5kg/m3（体积率1.0%）。钢纤维的长径比404550556065707580最小实际含量（kg/m3）655040353025202020最小实际体积0.830.640.510.450.380.320.250.250.2534（4）钢纤维喷射混凝土的强度等级不应低于C25，并应满足结构设计对抗压强度、抗拉强度、抗折强度的要求。（5）钢纤维喷射混凝土用骨料应采用连续级配，粗骨料最大粒径不宜大于10mm，砂率不应小于50%。（6）钢纤维喷射混凝土的原材料中宜加入矿渣粉或粉煤灰等活性掺和料。设计无要求时，矿渣粉的掺量可为水泥重量的5%～15%，粉煤灰的掺量可为水泥重量的15%～30%。掺和料掺量的选择应通过试验确定。（7）钢纤维喷射混凝土宜采用无碱速凝剂，其掺量应根据试验确定，通常为水泥用量的2%～5%；如掺入高效减水剂或增塑剂，其品种和剂量应通过试验确定，并应经现场试喷检验。35配合比设计原则：（1）根据钢纤维喷射混凝土抗压强度要求确定水胶比。（2）根据弯曲韧度比和弯拉强度要求确定钢纤维掺量。（3）根据和易性和输料性能确定