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第十二章 复杂地层与土层施工方法 1 洞室混凝土衬砌施工 n复杂地层的分类 n注浆法 n盾构法 n管棚桩法 n格栅拱与模喷联合支护 n几种强行穿越法 n涌水涌沙处理方法 2 复杂地层的分类 资料统计表明，所有地下工程都会或多或 少的遇到不良地层，因此我们有必要对不 良地层做出分类： 塌陷或塌方区 断层及破碎带 含水层与流砂 软弱膨胀流变岩层 土层与强风化地层 3 注浆法 n定义：注浆法是浆液注入到岩土的孔隙、 裂隙或空洞中，浆液经扩散、凝固、硬化 减小岩土的渗透性，增加其强度和稳定性 ，达到岩土加固和堵水的目的。 n分类： 注浆法 预注浆法后注浆法 地面预注浆地下工作面预注浆 预注浆法是在井巷掘 进到含水层之前所进 行的注浆工程。 后注浆法是在井巷掘 进之后所进行的注浆 工作。它往往是为了 减少帮壁涌水、渗水 和加强永久支护采用 的治水、加固措施 4 注浆法 n常用的注浆材料 1、水泥浆液 注浆常用的水泥品种有普通硅酸盐水泥和 矿渣硅酸盐水泥。 注浆水泥的水灰比变化范围0.52.0，既要 保证强度，又使注浆泵能方便压送。 优点：结石体强度高、渗透性低、材料源 广、价廉，以及注浆设备和工艺操作均简 单等 5 注浆法 n常用的注浆材料 1、水泥浆液 缺点：可注性和稳定性差，凝固时间长， 且凝固时间难以控制，为此，通常在水泥 浆中加入添加剂，以改善其性能。 添加剂种类：硅灰、氯化钙或水玻璃、三 乙醇胺或氯化钠、膨润土或高塑粘土 6 注浆法 n常用的注浆材料 2、水泥水玻璃浆液 水泥水玻璃浆液又称CS浆液，是一种双 液系统。 3、其他浆液 丙烯酰胺系浆液、聚氨脂类浆液、铬木素类 浆液、脲醛树脂类浆液等化学浆液是今年来 国内外开始应用起来的注浆材料，使用时可 参考有关资料或类比他人经验。如表12-1 7 注浆法 n主要注浆设备与工具 1、钻孔设备 2、注浆泵 3、止浆塞 4、混合器 1、地面预注浆钻机、 2、隧道工作面注浆钻机 1、单液注浆泵 2、双液注浆泵 1、孔口混合器 2、孔内混合器 8 KD-150坑道钻机 9 注浆泵 10 注浆法 n注浆参数的选取 1、注浆压力： 2、浆液有效扩散半径： 有效扩散半径R与岩层的渗透系数、裂隙张开 宽度或孔隙尺寸、注浆压力、浆液注入量、 凝胶时间成正比；与浆液浓度和粘度成反比 。查表12-2和表12-3 11 注浆法 n注浆参数的选取 3、浆液注入量： 对含水砂层用下式计算 裂隙岩层的浆液注入量 12 注浆法 n注浆法施工 1、地面预注浆： 注浆孔的钻进 注浆工艺 2、地下工作面注浆： 在注浆前必须构筑止浆垫；隧洞必须衬砌止 浆墙，便于浆液有效地渗入注浆地层内。 1钻机的选型与安装；2 钻孔作业；3钻孔测斜 与防偏；4洗孔 1根据所用浆液材料不同确 定是单液流程还是双液流 程；2注浆设备安装；3压 水试验；4压注浆液；5清 洗养护 13 注浆法 n注浆法施工 3、井巷帮壁注浆 定义：一般井巷永久支护后，由于渗水、漏 水，要在支护层钻孔至岩层内一定深度， 进行固结止水。 水工有压隧道永久支护后，一般要求 再钻孔、注浆，以固结围岩，提高其稳定 性，称之为固结灌浆。 14 15 盾构法 n定义：盾构法或称掩护筒法，是在地表以 下土层中暗挖隧道的一种施工技术。 n优点： 1、施工安全 2、暗挖方式 3、震动和噪音小，可控制地表沉陷，对施 工区域环境影响较小 4、用盾构法进行水底隧道施工，可不影响 航道通航。 16 盾构法 n盾构的构造与分类： 1、盾构的标准外形 2、盾构的基本构造 3、盾构分类 圆筒形 矩形 马蹄形 半圆形 盾构壳体（图12-4） 推进系统 衬砌拼装系统（图12-5） 手掘式 挤压式 半机械式 局部气压式 水泥加压式 土压平衡式 多功能式 微型盾构 17 18 19 20 21 刀 盘 22 模型 23 单圆盾构 24 盾构调头后为重新进洞做准备 25 泥水盾构机 26 双护盾盾构机 27 异形盾构 28 异形盾构 29 异形盾构 30 异形盾构 31 盾构法 n盾构施工： 1、盾构进出洞方法 临时基坑法 逐步掘进法 工作井进出洞法（图12-6） 32 盾构法 n盾构施工： 2、准备工作 盾构的拼装、拆卸、检修 盾构基座（控制掘进方向） 盾构后座（传递推力） 33 盾构法 n盾构施工： 3、盾构推进 切入土层 土体开挖 衬砌拼装 壁后注浆 盾构向前推进的动力 是千斤顶产生的。千 斤顶将切口环向前顶 入土层，其最大距离 是一个千斤顶行程。 1、敞开式开挖（开挖程序一 般是从顶部开始逐层向下挖掘 ）；2、机械切削开挖（全断 面旋转切削刀盘开挖方式，开 挖装运机械化）；3、网格式 开挖（盾构推进时，土体从格 子里呈条状挤出，应根据土质 调节网格开孔面积）；4、挤 压式开挖（全挤压式和局部挤 压式开挖，由于不出土或只部 分出土，对土层有较大的扰动 ） 使用衬砌拼装器 将预制的衬砌片 安装在洞室周边 ，形成衬砌支护 层。 将一定配比的 水泥 砂浆注入衬砌层与 围岩壁面之间的孔 隙层，从而形成支 护力量均衡的衬砌 支护层 34 引黄工程盾构拼装井 35 盾构始发组装 36 切削盘 37 管片 38 管棚桩法 n定义：所谓管棚桩施工，就是在隧洞轮廓 外边缘，向隧洞欲穿过的土层或软弱围岩 钻进一定孔距、一定深度的钻孔，同时将 套管留在孔内并灌浆固结，在土层或软弱 围岩内，形成一排理论上相互平行的管棚 n作用：在隧洞开挖时，管棚成为纵向梁， 在边开挖时边支护钢拱架或格棚拱，隧洞 能安全地穿过土层，所以，管棚实质是一 种超前锚杆。 39 管棚桩法 n水平钻机： 国产土星-881双动力全液压多功能钻机。 n管棚桩施工程序： 1、施工工艺流程 2、钻进管棚过程 钻进（套管、定位、开孔） 接管（电弧焊、焊缝符合要求） 灌浆 （作用、注浆过程） 40 管棚桩法 n适用范围： 适合在重要设施或公路下的软土地层掘进 ，城市地铁中应用较多。 n缺点：目前管棚孔过度偏斜问题未能很好 的解决，尤其是在含有砾石及不均质地层 中，这影响了其使用范围。 41 42 43 44 格栅拱与模喷联合支护法 n定义： 格栅拱是多根螺纹钢现场按隧道断面形状 焊接的一种钢筋拱架 n格栅拱的优点： 与型钢比较，具备更好的柔性，易于现场 加工。 n缺点及措施： 承载力有限、暴露钢筋易锈蚀，采用格栅 拱与模喷联合支护来补这些不足 45 46 格栅拱与模喷联合支护法 n格栅拱与模喷联合支护的优点： 支护速度快、柔性好、不用模架 n格栅拱与模喷联合支护的缺点： 表面光滑度不理想 n施工工艺： 、加工格栅拱 、格栅拱焊接在锚杆上 、模板安装在格栅拱上 、喷射砼、养护、拆模 47 几种强行穿越法 n短段掘砌： 定义：该施工方法就是将开挖衬砌施工段 由长化短，跨度由大化下，边开挖边掘进 ，边支撑衬砌。 目的：减小围岩临空面，缩短围岩暴露时 间，减弱对围岩的扰动。 48 几种强行穿越法 n超前支护： 定义：该施工方法就是在穿越洞口土层与 风化层、各种断层之前或下段开挖之前的 工作面上，预先打入超前支架，防止开挖 后围岩松动坍落，在支架下进行衬砌施工 。图12-10，类似于管棚桩法。 49 几种强行穿越法 n侧壁导坑（德国法）： 原理：从侧壁底层开始，沿两侧墙先开挖 小导坑，然后灌注边墙砼，再上移一层， 同样开挖小导坑，灌侧墙，利用这样一层 一层的侧导坑完成两侧墙的支护，最后以 此为基础，利用环挖法开挖拱部，用钢拱 架支撑或浇灌第一层砼衬砌，在衬砌保护 下挖核心和仰拱。 50 涌水涌沙处理方法 n超前导洞排水降压： 概念：当隧道开挖时，遇到大量涌水，以 至影响开挖，可在隧道一侧，与隧道相隔 一定距离开挖与隧道同方向导洞，水将从 导洞内排出大部分，减少隧道涌水量。 例：大瑶山隧道 51 52 53 涌水涌沙处理方法 n注浆法堵水： 概念：注浆法是将胶结材料配制成浆液注 入岩层的裂隙或空洞中，浆液凝结硬化后 ，堵塞裂隙、溶洞，在局部范围起到固结 岩层和封闭水源的作用。 原则：一般洞内涌水，以导为主，尤其是 平巷、隧道，因为注浆堵水费工费时，成 本高，不到非堵不可时不用，如在竖、斜 井掘进时，涌水使工作无法正常进行下去 ，此时应选择注浆堵水。 54 塌方处理方法 n引起塌方的因素： 自然因素：工程地质不良造成塌方 设计因素：工程、水文地质勘察不细致， 隧道路线选择错误 ；预防塌方措施不当； 隧道断面形状设计不当。 施工因素：施工方法不当；施工方案不当 ；管理上重开挖轻支护。 55 56 57 58 59 塌方处理方法 n塌方处理方法及实例： 喷锚网加锚索联合支护：喷锚法是塌方处 理中最常用方法。最适用小塌方处理或边 墙坍塌处理，也可作为一种辅助方法用于 某些大塌方处理。图12-11 钢管顶柱法：钢管顶柱法采用钢管顶撑洞 室顶拱的围岩，适用于抢险性质的一种临 时支护。图12-12 60 塌方处理方法 n塌方处理方法及实例： 对顶支撑法：对顶支撑法是指将坍穴适当 处理后，再用刚才、木材或预制构件将两 侧边墙对顶起来。此法适用于坍穴跨度小 ，而长度或高度大的塌方处。图12-13 挑梁护顶法：挑梁护顶法是利用坍穴前沿 支架作支撑，支立悬臂梁，并在其上用木 材塞紧，以支撑坍穴上部的山岩压力。图 12-14 61 塌方处理方法 n塌方处理方法及实例： 超前锚杆法：超前锚杆法是沿开挖轮廓线 ，以稍大的外插角，向开挖面前方安装锚 杆，形成对前方围岩的预锚固，在提前形 成的围岩锚固圈的保护下进行开挖等作业 。这类超前支护的柔性较大，整体刚度较 小。图12-15 62 塌方处理方法 n塌方处理方法及实例： 超前小导洞管注