支护工艺及技术要求

铁路隧道支护工艺及技术要求一、初期支护的基本概念

隧道开挖后，为控制围岩应力适量释放和变形，增加结构安全度和方便施工，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。

初期支护加二次衬砌，构成复合式衬砌。隧中线线中线内轨顶面O2O2r3r2=321O1r145°33°51’8027BO3O3Hh1h1dr4二次衬砌防水层网喷混凝土锚杆铁路隧道复合式衬砌示意图钢筋网喷砼钢架锚杆灵活性：支护类型、参数、数量可灵活调整。及时性：喷射砼，如早强，能迅速给围岩提供支护抗力；锚喷支护工程特点:

密贴性：喷射砼与围岩能全面密贴粘结；深入性：锚杆可深入围岩一定深度加固围岩，形成承载圈。柔性：容易调节围岩变形，可控制围岩塑性变形适度发展，发挥自承能力；封闭性：可阻止水对围岩的侵蚀而引起风化等。

隧道工程采用锚喷的柔性支护结构，目的：容许围岩发生有限变形发挥围岩的自承能力节省工程造价二、锚杆

锚杆(索)是用金属或其它高抗拉性能的材料制作的一种杆状构件。1、锚杆的支护效应(1)支承围岩：锚杆喷射混凝土轴力(2)加固围岩:承载拱(3)提高层间摩阻力，形成“组合梁”：PPσσ(4)“悬吊”作用:

锚杆分类：2、锚杆的种类及各自的设计施工要点普通水泥砂浆锚杆(1)构造组成砂浆杆体垫板螺母②钻孔：钻孔孔径比杆径大15mm。钻孔深度应大于锚杆设计长度10cm。清孔：用高压水(风)清孔。

施工准备初喷砼面上标注孔位钻孔清孔注入砂浆插入杆体结束固定杆体、待强原材料检验锚杆加工砂浆配比安装垫板质量检查补强处理合格不合格(2)设计、施工要点

①杆体材料：20MnSi钢筋，直径14~22mm，长度2~3.5m。③水泥砂浆：普通硅酸盐水泥；砂浆强度不低于M10；配合比一般为水泥:砂:水＝1:(1~1.5):(0.45~0.5)。

④注浆管应插至距孔底5~10cm位置，随砂浆注入缓慢匀速拔出。将注浆管全部抽出后，应立即迅速插入杆体。

中空注浆锚杆

由中空锚杆杆体和垫板、螺母、排气管等附件组成。主要设在开挖断面的拱部及围岩较差地段的拱墙。(2)设计、施工要点施工准备布孔钻孔、清孔组装中空锚杆体、排气管、止浆塞安装锚杆结束原材料检验确定浆液配比浆体待强、安装垫板螺栓质量检查补强处理合格不合格连接注浆管、注浆锚杆杆体孔口回浆浆液制备自进式中空注浆锚杆施工准备组装锚杆体、钻头、钎尾钻进、接长锚杆体钻至设计深度钻机与杆体分离连接注浆管、安装排气管、止浆塞结束原材料检验确定浆液配比浆液制备待强安装垫板质量检验加固处理合格不合格注浆作业至排气管返浆早强药包内锚头锚杆1-不饱和聚脂树脂＋加速剂＋填料；2-纤维纸和塑料袋；3-固化剂＋填料；4-玻璃管；5-堵头(树脂胶泥封口)；6-快硬水泥；7-湿强度较大的滤纸筒；8-玻璃纤维纱网；9-树脂锚固剂；10-带麻花头杆体；11-垫板；12-螺母9101112挡圈12345a)树脂药包678b)快硬水泥药包(1)构造组成(2)施工要点①钻眼要求同前、但孔眼应比锚杆长度短4~5cm。②快硬水泥卷浸水：③水泥卷用锚杆送至眼底：④搅拌与推进：⑤杆体固定：施工准备初喷砼面上标注孔位钻孔清孔浸湿药包孔内塞入药包结束顶入杆体、待强原材料检验锚杆加工安装垫板质量检查补强处理合格不合格缝管式摩擦锚杆(1)构造组成杆体挡环垫板(2)设计施工要点①锚固力：

钻孔与缝管直径之差是设计与施工要严格控制的主要因素。锚固力与孔、管径差的关系是：径差小，锚杆安装推进阻力小，锚固力亦小；径差大，锚杆安装推进阻力大，锚固力也大。

锚固力与锚杆的材质、构造尺寸、围岩条件、钻孔与锚管直径之差、锚固长度等有直接关系。②现场试验确定最佳径差：③杆体材质：要求有较高的弹性极限

④安装：⑤若作为永久支护，则应作防锈处理，并灌注有膨胀性的砂浆。杆体挡环垫板楔缝式内锚头锚杆(1)构造组成A楔块杆体垫板螺母D-钻孔直径；φ-锚杆杆体直径；δ-锚杆杆体楔缝宽度；b-楔块端头厚度；α-楔块的楔角；h-楔块长度；h1-楔头两翼嵌入钻孔壁长度；n-楔缝两翼嵌入钻孔壁深度h1habnDδφ(2)设计要点

影响锚固力的主要因素有：岩体性质，锚杆有效直径，楔块端部厚度b和楔角α。(3)施工要点①安装:②要求加预应力时可采用测力矩扳手或定力矩扳手来拧紧螺母，以控制锚固力。钢质涨壳头

钢质涨壳中空注浆锚杆施工准备布孔钻孔清孔插入杆体安止浆塞加垫板、拧紧螺帽、固定杆体浆液配置注浆

钻杆尾部用钎尾与凿岩机连接，开动凿岩机，通过其冲转力使涨壳锚固头在孔道底部充分涨开。施工要点3、锚杆的布置分为局部布置和系统布置。局部布置

它主要用在裂隙围岩。重点加固不稳定块体，隧道拱顶受拉破坏区为重点加固区域。布置原则：拱腰以上部位锚杆方向应有利于锚杆的受拉；拱腰以下及边墙部位锚杆宜逆向不稳定岩块滑动方向。

锚杆的间距为

锚杆深入稳定岩体的深度为系统布置

系统布置的原则：(1)在隧道横断面上，锚杆宜垂直隧道周边轮廓布置，对水平成层岩层，应尽可能与层面垂直布置，或使其与层面呈斜交布置。

(3)锚杆间距不宜大于锚杆长度的1/2，在Ⅳ、Ⅴ级围岩中，不宜大于1.25m。

(2)在岩面上锚杆宜成菱形排列，纵、横间距为0.6~1.5m；

4、锚杆的长度首先确定锚杆长度，然后确定间排距I~Ⅲ级围岩:1.5~3.0m；Ⅲ~Ⅵ级围岩:单线隧道为2.0~3.0m，双线隧道为2.0~3.5m。我国《铁路隧道喷锚构筑法技术规范》规定：

新奥法对锚杆长度的确定：硬岩，锚杆长度取1.0~1.2m；中硬岩，通常为2.0~3.0m；软岩、破碎岩体和土砂质地层，通常为4.0~6.0m；

膨胀性围岩，通常为4.0~6.0m。

5、锚杆间距和布置

《铁路隧道喷锚构筑法技术规范》:不宜大于锚杆长度的1/2，以有利于相邻锚杆共同作用。新奥法：硬岩取1.5m；中硬岩取1.0~1.5m；软岩、破碎岩体和土砂质地层取1.0~0.8m；膨胀性地层取1.0~0.8m。三、喷射混凝土

它是使用混凝土喷射机，按一定的混合程序，将掺有速凝剂的细石混凝土，喷射到岩壁表面上，并迅速固结成一层支护结构，从而对围岩起到支护作用。喷射混凝土既是一种新型的支护结构，又是一种新的施工工艺。1、喷混凝土的作用(2)“卸载”作用(1)支撑围岩(3)填平补强围岩承载圈粘结粘结剪切剪切NN(4)覆盖围岩表面(5)阻止围岩松动(6)分配外力潮气裂隙水ττ2、喷混凝土的特点及力学性能(1)强度增长快、粘结力强、密度大、抗渗性好。

喷混凝土的特点

(2)施工快速、简捷。(3)喷射混凝土能及早发挥承载作用。它能在10min左右终凝，一般2h后即具有强度，8h后可达2MPa，16h后达5MPa,一天后可达7~8MPa，四天达到28d强度的70%左右。

(4)密实性和稳定性要差。湿式喷射较干式喷射混凝土有显著改善。

主要强度指标：设计强度与受压弹性模量。喷层的力学性能主要力学特性有强度和变形特性。

喷射混凝土的设计强度（MPa)

喷射混凝土的受压弹性模量（MPa)

喷射混凝土的粘结强度包括抗拉粘结强度和抗剪粘结强度。

粘结强度：与待喷岩石性质、岩面条件、节理充填物等有密切关系。新喷射混凝土与原喷混凝土的粘结强度:抗拉粘结强度是1.47~3.49MPa，抗剪粘结强度一般为0.7~2.85MPa。

3、喷射工艺种类

喷射混凝土的工艺流程有干喷、潮喷、湿喷和混合喷四种。

主要区别是各工艺的投料程序不同，尤其是加水和速凝剂的时机不同。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

干喷的缺点是产生的粉尘量大，回弹量大，加水是由喷嘴处的阀门控制的，水灰比的控制程度与喷射手操作的熟练程度有关。但使用的机械较简单，机械清洗和故障处理容易。

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。

湿喷混凝土质量容易控制，喷射过程中的粉尘和回弹量很少。但对喷射机械要求较高，机械清洗和故障处理较麻烦。对于喷层较厚的软岩和渗水隧道，则不宜使用湿喷。

混合喷射又称水泥裹砂造壳喷射法，是将一部分砂加第一次水拌湿，再投入全部水泥强制搅拌造壳；然后加第二次水和减水剂拌和成SEC砂浆；将另一部分砂和石、速凝剂强制搅拌均匀。然后分别用砂浆泵和干式喷射机压送到混合管混合后喷出。

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SEC砂浆混合喷射是分次投料搅拌工艺与喷射工艺的结合，关键是水泥裹砂(或石)造壳技术。由于喷射工艺的不同，喷射混凝土强度不同，干喷和潮凝土强度较低，一般只能达到C20，而混合喷射和湿喷则可达到C30~C35。4、素喷混凝土设计与施工设计要点(1)设计强度为：20-25MPa左右，喷射混凝土与岩面的粘结强度：0.5-:1.0MPa。

(2)喷射混凝土支护的设计厚度：50-300mm。(3)喷射混凝土中含有较多的大小适中、分布均匀、彼此不串通的气泡，故提高了抗渗性。一般若水灰比不超过0.55时，可以达到P8。要求有较高的抗渗性时，水灰比最好不超过0.45~0.50。(4)采用水泥裹砂喷射工艺时，造壳水灰比与砂子的细度模数关系很大：砂子越细，其表面需水量越大，则需要较大的造壳水灰比。一般在1：0.15~1：0.35范围内。

对普通中砂，当造壳水灰比1:0.20~1:0.25时，28d强度及其它指标均最高，称为最佳造壳水灰比。(5)拌制SEC砂浆应采用强制式搅拌机，以缩短搅拌时间和改善造壳效果。尤其第二次加水后的搅拌时间不能太长，要加以严格控制。配比(1)干集料中水泥与砂石重量比，一般为1:4~1:4.5，每立方米干集料中，水泥用量约为400kg。(2)砂率一般为45%~55%。实践证明，低于45%或高于55%时，均易造成堵管，且回弹大，强度降低，收缩加大。(3)水灰比一般为0.4~0.45。采用水泥裹砂喷射工艺时，还应试验选择最佳造壳水灰比。喷射混凝土机械设备(1)喷射机。干式喷射机湿式喷射机(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。喷前检查及准备(1)开挖断面尺寸检查，清除松动危岩，欠挖超标严重的应予处理。(2)根据石质情况，用高压风或水清洗受喷面。(3)受喷岩面有集中渗水时，作好排水引流处理，无集中水时，根据岩面潮湿程度，适当调整水灰比。(4)埋设喷层厚度检查标志，一般是在石缝处钉铁钉，或用快硬水泥安设钢筋头，并记录其外露长度。(5)检查调试好各机械设备的工作状态。施喷注意事项

(1)喷射时应分段(不超过6m)、分部(先下后上)、分块(2.0m×2.0m)，严格按先墙后拱，先下后上的顺序进行，以减少混凝土因重力作用而引起的滑动或脱落现象发生。(2)喷射时可以采用S形往返移动前进，也可以采用螺旋形移动前进。1237896542m2m2m1.5m边墙喷射分区及喷射顺序1.5m1.5m拱脚线拱顶中心线2m2m2m23654131078911121415拱圈喷射分区及喷射顺序1(3)喷射时喷嘴要垂直于受喷面，倾斜角不大于10°，距离0.8~1.2m。

(4)对于岩面凹陷处应先喷多喷，凸出处应后喷少喷。(5)喷射时一次喷射厚度不得太薄或太厚，它主要与混凝土的粘结力和受喷部位及回弹情况等有关。(6)应在其终凝2h后进行水养护，养护时间一般不少于14d。(7)冬季施工时作业区的气温不得低于5℃；若气温低于5℃，亦不得洒水；未达到设计强度的50%时，若气温降低到5℃以下，则应注意采取保温防冻措施。(8)回弹物料的利用。实测表明，采用干法喷射混凝土时，一般边墙的回弹率为10%~20%，拱部为20%~35%，回弹量相当大。应设法减少回弹，将回弹物料回收利用。堵管问题处理

遇到堵管发生时，喷射机司机应立即关闭马达，随后关闭风源，喷射手将软管拉直，然后用手锤敲击以寻找堵管处。当敲击钢管时发音混浊，或敲击胶管时有发硬感觉处，即为堵管部位。找到堵管部位后，可将风压升到0.3~0.4MPa(不超过0.5MPa)，并用锤击堵管部位，使其畅通。排出堵管时，喷嘴前方严禁站人，以免被喷伤。5、钢纤维喷射混凝土

混凝土增强纤维钢纤维非钢纤维高弹纤维低弹纤维喷纤维混凝土与喷普通混凝土的最大区别是：弯曲拉伸及抗剪强度大；峰值强度后的残留强度大；峰值强度后的变形能力及韧性大，开裂发生后也能传递拉力；耐冲击、抗冻融性好。

钢纤维喷射混凝土是在喷射混凝土中加入钢纤维，弥补喷射混凝土的脆性破坏缺陷，改善喷射混凝土的物理力学性能。适用地段：在发生很大荷载和变形的隧道洞口和断层破碎带、膨胀性围岩、弯曲应力大的扁平断面、隧道分叉地段、发生复杂应力的地段等，使用效果是很明显的。

钢纤维材料要求：钢纤维在投入搅拌机后，其形状、尺寸要能均匀地分散到混凝土中，同时喷射混凝土要容易输送、喷射。

钢纤维的直径(或等效直径)为0.3~0.6mm，长度为20~40mm，长径比为40~60，钢纤维的体积掺量为1％~2％。性能特点(1)钢纤维主要在喷射平面内呈两维分布，且相当均匀。(2)钢纤维喷射混凝土的破坏呈塑性破坏，因此容许有较大的变形，裂缝出现后仍有一定的承载能力。(3)在一般掺量情况下比普通喷射混凝土的抗压强度提高30%~60%，抗拉强度提高50%~80%，抗弯强度提高40%~70%。(4)当钢纤维掺量大于1.5%时，钢纤维喷射混凝土的韧性为普通喷射混凝土的20~50倍，抗冲击性能提高8%~30%，抗磨损性能能提高30%。设计要点(1)物理力学性能除与喷射混凝土的物理力学性能有直接关系外，同时与钢纤维的形状、尺寸、掺量、以及钢纤维在基体材料中的分布状态和排列方向、喷射工艺等有直接关系。(2)当钢纤维尺寸相同时，其抗拉、抗弯强度随钢纤维含量的增强而提高。钢纤维掺量与抗拉、抗弯强度关系0.51.01.52.02.5100140180220260钢纤维掺量(%)强度比（与素混凝土相比）%1-抗拉强度：钢纤维d=0.4mm，l=25mm2-抗弯强度：钢纤维d=0.3mm，l=25mm12(3)当钢纤维长度、掺量相同时，细纤维较粗纤维的强度有显著提高。不同直径钢纤维在相同掺量下抗挠比较12荷载(kN)钢纤维形状：1-d=0.3mm；l=25mm2-d=0.4mm,l=25mm；钢纤维掺量：2%1.02.03.04.05.02.04.06.08.010.00挠度(mm)(4)当钢纤维的尺寸相同，掺量高的较掺量低的抗冲击性能显著提高。钢纤维掺量与抗冲击性能的关系0.51.01.52.02.53.0010203040钢纤维掺量(%)抗冲击次数比（与素喷混凝土相比）(5)钢纤维喷射混凝土的配合比：水泥:砂:石＝1:1.6:1.6，水泥标号不低于P.O.52.5级

，砂子采用中砂，石子采用筛洗卵石，最大粒径10mm，钢纤维掺量一般为喷射混凝土重量的1.0%~2.0%，钢纤维规格尺寸为直径×长度＝0.3mm×20mm或0.4mm×20mm或0.4mm×25mm。施工要点(1)应选用经过实用检验的喷射机械。主要问题是防止钢纤维结团堵管。(2)钢纤维和基料必须拌和均匀，避免结团导致喷射机拔料盘堵塞或堵管。方法是先将水泥、砂、石拌和均匀，然后掺入钢纤维和速凝剂，再拌和均匀。(3)操作同普通喷射混凝土，但输料管的磨耗大，一般要高于普通喷射混凝土30%~40%。(4)风压要比普通喷射混凝土高0.02~0.05MPa；当输送距离不大于40m时，风压一般可为0.05~0.18MPa。6、聚丙稀纤维喷射混凝土

聚丙烯纤维根据其形状和构造不同，可分为单丝纤维和网状纤维。单丝纤维网状纤维(1)聚丙烯纤维在混凝土的碱性环境下非常稳定，熔点较高，表面憎水;(2)质量轻，价格低，加工性能优良、不成团、不缠结;(3)混凝上的能量吸收能力和延性提高了，抗弯强度和疲劳极限也有提高，但抗压强度提高不多;(4)减少了混凝土的早期塑性收缩裂纹并能阻止它们的发展，从而提高了混凝土的抗渗性;(5)推迟混凝土表面的劣化，提高耐久性。·聚丙烯纤维喷混凝土的特点·施工要点：(1)喷混凝土中所使用纤维长度宜为19mm。(2)合成纤维抗拉强度不宜小于280MPa。(3)合成纤维掺入量为0.9kg/m3。(4)拌和时间宜为4~5min，且纤维已均匀分散成单丝，否则至少需要延长拌和时间30s方可使用。(5)喷合成纤维混凝土的强度等级应符合设计要求，粗骨料粒径不宜大于20mm。(6)喷合成纤维混凝土的水胶比宜为0.35~0.45。(7)合成纤维加入喷混凝土拌和料中时不需要改变原混凝土的配合比。7、钢筋网喷射混凝土构造组成钢筋网通常作环向和纵向布置。环向筋一般为受力筋，直径φ12左右；纵向筋一般为构造筋，直径φ6~φ10；网格尺寸一般为20cm×20cm，20cm×25cm，25cm×25cm，25cm×30cm或30cm×30cm。施工要点(1)钢筋网应根据被支护围岩面上的实际起伏形状铺设，且应在喷射一层混凝土后再行铺设。钢筋与岩面或与初喷混凝土面的间隙应不小于3~5cm，钢筋网保护层厚度不小于3cm，有水部位不小于4cm。(2)为便于挂网安装，常将钢筋网先加工成网片，长宽可为100~200cm。(3)钢筋网应与锚杆或锚钉头连结牢固，并应尽可能多点连接，以减少喷射混凝土时使钢筋发生“弦振”。锚钉的锚固深度不得小于20cm。(4)开始喷射时，应缩短喷头至受喷面之间的距离，并适当调整喷射角度，使钢筋网背面混凝土密实。对于干燥土质隧道，第一次喷射不能太厚，以防起鼓剥落。四、钢拱架1、构造组成钢拱架可以采用型钢、钢管或钢筋制成。现场采用以钢筋制作的格