地下工程施工：预加固工法

1、预加固工法 一、概述 又称为辅助工法 在隧道施工，如果围岩不能自稳，施工是不可能的，因此，控制围岩（包括掌子面）稳定性问题就成为隧道开挖技术中的重要问题。 预加固工法就是为了解决这一问题而采用的一种辅助施工工法。1一、概 述 隧道开挖的稳定性：自稳时间与围岩性质和隧道一次开挖跨度和长度有关， 基本规律是：围岩越差，一次开挖跨度越大，自稳时间越短。 采取的方法：根据地质条件，在掌子面不能获得稳定的情况下，采用的方法主要有： 分割断面 缩短一次开挖进尺。 辅助工法 有时分部开挖或缩短进尺也不能取得效果。为提高掌子面和拱顶的稳定性，而开发了种种的辅助工法。2一、概 述 隧道自稳时间项目VVIIVII

2、I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）=0.4岩体的内摩擦角（0）4m加固长度时，隧道掌子面前方的破坏范围可能超过加固段，此时就有可能引起隧道掌子面的不稳定，因此，可以认为，该隧道前方的加固段保留长度为4m以上，即1/3小管棚长度时，隧道施工是安全的。 15二、小管棚法2、横向加固范围 松软地层：在开挖前方进行加固（如管棚、超前锚杆、化学注浆等）时，一般都在隧道上半断面1200的范围内施工。平面上几乎能够覆盖隧道全宽。 特别浅埋的地层：也有将隧道横向加固范围确定为1800。当埋深较大时，横向加固范围确定可为900，下部采用长锚杆

3、。 大致划分：(D为隧道跨度) 埋深0.5D 横向加固范围为1800； 埋深0.5D1.0D时，横向加固范围为1200， 埋深1.0D时，横向加固范围为900，下部采用长锚杆。16二、小管棚法（二）小管棚的设计参数1、纵向加固长度0.4倍洞跨。2、横向加固范围为1200，下部采用长锚杆。3、环向设置间距一般为2050cm。外插角100300，小导管纵向搭接长度1/3导管长度。4、直径为4250mm，材料为热轧无缝钢管。5、构造为：前部应钻注浆孔，孔径为68mm，孔间距1020cm，呈梅花形布置。前端加工成锥形，尾部长度不小于30cm。作为不钻注浆孔的预留止浆段。6、注浆参数：通常压注水泥砂浆，

4、水灰比w/c0.51.0。当岩体止浆效果不好时，可采用水泥水玻璃双液注浆，浆液凝结时间控制在数分钟内。注浆压力0.51.0Mpa。17二、小管棚法 浆液扩散半径R可根据导管排列密度确定，考虑注浆扩散范围相互重叠情况，按下式计算： R(0.60.7)L式中：L为导管中心间距，单根导管注浆量Q按下式计算 Q3.14R2 Ln式中：R为浆液扩散半径，L为导管长度，n为围岩空隙率18二、大管棚法 一般在隧道洞口段施工时采用，在隧道开挖前，沿隧道开挖断面外轮廓，以一定间隔与隧道平行钻孔、插入钢管，再从插入的钢管内压注充填水泥浆或砂浆，来增加钢管外周围岩的抗剪切强度，并使钢管与围岩一体化，形成由管棚和围岩

5、构成的棚架体系。以支承和加固自稳能力极低的围岩，对防止软弱围岩下沉、松弛和坍塌等有显著效果。 19二、大管棚法20二、大管棚法 大管棚工法的作用效果可归纳为：1、粱效应 钢管是先行施设的，在掘进时，钢管在以掌子面和后方的支撑支持下，形成粱式结构，防止围岩的崩塌和松弛；2、加强效应 钢管插入后，压注水泥浆，加强了钢管周边的围岩。在浅埋的情况下，地表有结构物存在时，或隧道接近地中结构物、地下埋设物开挖时，为把隧道开挖的影响限制在最小限度内，要尽量防止围岩的松弛。采用管棚工法是有利的。21二、大管棚法（一）大管棚的配置和形状 一般是沿隧道开挖轮廓外周的一部分或全部，以一定间隔排列而成的棚架体系。但应

6、根据地形、地层的性质及地表或地中结构物的位置关系等，决定管棚的配置和形状。一般说，多采用下图所示的形状。22二、大管棚法23二、大管棚法 （二）大管棚施工范围 根据隧道周边地形、地表结构物的状况决定。管棚的终端位置，应达到防护对象的长度加上因开挖而造成的掌子面松弛范围的长度。在洞口，从经济上看，施工长度应尽可能短些，伸出洞口的长度要满足钻孔作业和注浆作业的要求。此工法施工可能的长度，根据钻孔机械的施工精度，可达80m，施工地段更长时，应分段施工。24二、大管棚法 （三）大管棚配置间隔 隧道在公路、铁道下方通过、接近结构物施工、开挖对周边环境有直接影响、管棚间土粒子可能流出的软弱围岩时，为了能直

7、接承受荷载，防止土粒子流出，应选用刚性大的、中直径（165216mm）或大直径（318mm）的。 除上述条件外，多采用比较小直径（89139mm）的钢管，以一定间隔设置。 应注意的是：管棚的支护效果，是因围岩与管棚形成一体，使有效断面扩大，使土压均匀而形成的。过大的间隔会降低这些效果。管棚的最小间隔，根据地质条件、施工长度及水平钻孔的弯曲量的精度而定。经验上，钢管间隔多采用管径的23.5倍。25二、大管棚法（四）大管棚的设计参数1、导管间距:根据地层、压力、部位及开挖等确定，一般为3050cm或按2.02.5d估算（d外径）。纵向不小于1.5m的搭接。2、为热轧无缝管，分段安装，段长46m，段

8、间用“V”型对焊3、须钻注浆孔，孔径1016mm间距1520cm，呈梅花型布置。4、导管中设钢筋笼，提高抗弯能力。5、与管棚配合使用的钢架，采用钢轨、钢等加工制成。6、导管安装偏差e为： e0.006l0.015L 式中：e为安装偏差；L导管长度。钻孔可预留10左右的外插角。26三、注浆法 概述 注浆预加固地层是把具有充填和凝胶性能的浆液材料，通过配套的注浆机具设备压入所需加固的地层中；经过凝胶硬化作用后充填和堵塞地层中裂缝，减小注浆区地层渗水系数及坑道开挖时的渗漏水量，并能固结软弱和松散岩体，使围岩强度和自稳能力得到提高。注浆加固围岩适用于下列地层：软弱围岩地段；断层破碎带地段；水下隧道或富

9、水围岩地段；坍方或涌水事故处理地段及其它不良地质地段。围岩预注浆分类：地面预注浆、洞内工作面注浆、辅助坑道内向隧道正洞预注浆等三种方式，其适用条件及优缺点如下表所示。27三、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；

10、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。28三、注浆法注浆设计包括：注浆的密度、注浆孔的间距、注浆量；注浆带的大小；注浆的压力；注浆的长度（步距）；注浆工作面的数量和位置；注浆材料的强度；注浆材料的耐久性等。注浆施工包括：注浆孔布置；注浆压力，压力升高和最终压力；注浆浓度和配方的改变；注浆材料的选择（特别强度和

11、凝结时间）；注浆机械的工作性能；注浆量（总量和每小时量）；钻机的类型和钻进深度；钻孔的直径，长度和步距；注浆模式的试验；注浆机械的安排；安全措施等。29三、注浆法 （一）注浆加固范围（加固带） 注浆孔的布置间距一般为3m，正常地带和在断层地带不同。注浆带的面积必须要比松动圈大。如松动圈比注浆的区域大，作用在隧道上的压力就大并影响隧道的稳定性。 增加注浆带的大小要增加注浆孔的数目，工期和费用要增加，所以要全面衡量后决定。目前采用的是： 正常地段：取为隧道半径的24倍（24R）。注浆隔墙为1015m， 断层带：取为36R。在有的地段松动圈和隧道的半径不成比例。注浆隔墙为2030m，30三、注浆法3

12、1三、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23B（B隧道管）断层破碎带34B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 32三、注浆法（二）注浆孔布置 软岩Rg1.75R2.5R，（R为隧道半径， Rg灌浆扩散半径） 硬岩Rg2R3R； 断层等情况Rg4R6R。 松动带和隧道的半径不一定成比例，所以上述数据还要小些。 注浆孔间距应根据不同的目的而取不同值，一般情况下：粘土：取12m（加固地层

13、）；砂质岩：取0.61.0m(止水)，0.81.2m（加固地层）；砂砾：取0.81.2m(止水)，1.01.5m（加固地层）；破碎岩层：取1.56m。注浆孔孔底间距按单孔注浆时浆液扩散半径来确定，一般取1.41.7倍浆液扩散半径。33三、注浆法灌浆孔的布置（一般地段） 34三、注浆法灌浆孔的布置（断层地带） 35三、注浆法 （三）注浆段长 根据工程地质、水文地质和钻孔机械及注浆设备等条件，确定注浆段长度L， 一般情况下，设计注浆段长度可取3050m，破碎岩层或大涌水量的地段，可适当取短些，每次在注浆段长度范围内开挖0.7L0.8L，保留0.2L0.3L，即510m左右不开挖，作为下段注浆的止浆

14、岩盘。止浆岩盘厚度应根据围岩性质决定，有时需要用混凝土止浆盘。36三、注浆法（四）注浆压力和注浆量 一般注浆最终压力是取水压的3倍，但在断层带则要增加。注浆量一般正比于涌水量， 当压力超过一定值时，注浆量将突然增加。在临界注浆压力时，注浆孔和注浆区将变形，注浆材料容易注入。可认为是在注浆压力下裂缝张开的缘故。 37三、注浆法 注浆量受围岩条件、浆液类型、注浆技术水平及围岩裂隙分布各向异性等多种因素影响，计算的注浆量与实际的注浆量相差很大，一般通过试验注浆予以修正，设计时可用下式计算： Q=An(1+)式中：Q为总注浆量（m3） A为注浆范围岩层体积（m3） n为围岩空隙率（%） 为浆液充填系数

15、，一般取0.70.9之间 为注浆材料损耗系数，通常取0.1左右38四、超前锚杆 概 述 拱部超前锚杆：是作为支护结构的一部分轴力构件而发挥其作用的，用以支托拱上部临空的围岩，起插板作用，间距约为10cm，在易崩塌的围岩中支护拱顶的辅助方法。 边墙超前锚杆：通常与系统锚杆同时施工。沿隧道纵向在拱上部开挖轮廓线外一定范围内向前上方倾斜一定外插角，或沿横向在拱脚附近向下方倾斜一定角度的砂浆锚杆。将起拱线附近的岩体所承受的较大拱部荷载传递至深部围岩，从而提高施工中围岩的稳定性。 39四 超前锚杆40四 超前锚杆超前锚杆的设计参数为：1、设置范围：拱部超前锚杆，设隧道拱部外弧半长为a， 则 L=1/21

16、/3a。式中L为设超前锚杆范围内的半弧长；2、锚杆直径；软围岩为2024mm，较软围岩为1822mm。3、锚杆长35m，与开挖高度、钻孔机具和工序相配含。拱部纵向两排之间应重叠1m以上的水平搭接段。4、锚杆间距：软围岩为3050cm，较软围岩为4060cm。5、锚杆钻孔：钻孔直径D40mm。拱部钻孔位于轮廓线外1020cm；边墙钻孔位于起拱线以上1020cm，设一排或数排。6、锚杆外插角：软岩5 o20 o，较软岩5 o30 o，边墙10 30 o。7、充填砂浆标号200号，宜用早强砂浆。41五、正面锚杆 正面锚杆: 对稳定掌子面是有效的，因为正面锚杆设置方向与掌子面的变形几乎一致，故在这些锚

17、杆与地层之间能够产生最大摩擦力，对掌子面有很好的约束作用。是有效的一种辅助工法。施工时间长，锚杆对开挖有防碍。较少采用。 适用范围：在掌子面有显著崩塌的情况下有采用正面锚杆的。锚杆长23m，视崩塌情况施设。一般在未固结围岩或膨胀性围岩中使用。往往与正面喷混凝土同时使用。 正面喷混凝土是在掌子面正面开挖后，立即喷射厚35cm的混凝土，在下次开挖之前保护掌子面、提高掌子面的稳定性。42六、水平高压旋喷法 概 述 在掌子面与隧道轴线平行，用特殊机械钻孔，同时向管体内高压喷射水泥浆液，形成5070cm的圆柱体（桩）的工法。 材龄3天的强度可达80100kgf/cm，改善围岩的效果很高。是改善掌子面自稳性和控制地表下沉的较好的方法。但设备多，庞大。43六、水平高压旋喷