隧道施工超前预支护技术

1.构造组成：沿开挖轮廓线，以外插角向前方安装锚杆，形成预锚固；在围岩锚固圈保护下开挖。

2.性能特点及适用条件：特点是柔性较大，整体刚度较小；适用于地下水较少的软弱围岩；

3.设计及施工要点：超前长度：循环进尺的3~5倍，宜3~5m；环向间距：3~5m；外插角：10~30度；搭接长度：超前长度的40%~60%。

1.构造组成：利用钢拱架，沿开挖轮廓线，以较小外插角向前方打入钢管或钢插板；形成棚架，对前方围岩进行预支护；在管棚预支护保护下开挖。

2.性能特点及适用条件：特点是整体刚度大，对围岩变形限制能力较强；能提前承受早期围岩压力。适用于围岩压力来得快、来得大；对围岩变形及地表沉降要求严格；洞口围岩软弱破碎。

3.设计及施工要点：

●工艺：设置管棚基底－水平钻孔－压（打）入钢管－开挖

●长度：不宜小于10m，一般为10~45m

●管径：70~180mm，孔径比管径大20~30mm

●环向间距：0.2~0.8m；外插角：1~2度

●纵向搭接长度：不小于1.5m

●钢拱架：工字钢或钢格栅

●钻孔平面误差：不大于15cm，角度误差：不大于0.5度

●钢管不得侵入开挖轮廓线

●用4~6m的管节逐段接长，连接头用厚壁管箍，上满丝扣，丝扣长度不小于15cm

1.概念及构造组成：开挖前用5~10cm厚喷混凝土将开挖面和5m范围内隧道封闭；然后沿隧道周边打入带孔的纵向小导管；由上而下向小导管内压浆，渗透到地层中；浆液硬化后，在隧道周围形成一个加固圈；在此加固圈防护下安全开挖。

2.性能特点及适用条件：加固和堵水；适用于一般软弱破碎围岩和地下水丰富的软弱破碎围岩。

3.布置及安装：

●小导管：φ32mm的焊接钢管或φ 40mm的无缝钢管

●长度：3~6m，前端尖锥

●前端管壁每隔10~20cm交错钻眼，眼孔直径6~8mm

●钻孔直径：比管径大20mm以上

●环向间距：一般20~50cm

●外插角：10~30度，一般15度

●小导管应外露一定长度，以连接注浆管，并用塑胶泥封堵导管周围孔隙

●极破碎或处理塌方、地下水丰富的软弱地层、大断面等可用双排管

4.注浆材料：

（1）种类及适用条件

●断层破碎带及砂卵石地层，裂隙宽度(或粒径)大于1mm或渗透系数大于5×10-4m/s时：应采用来源广价格便宜的注浆材料。

一般无水松散地层：优选单液水泥浆

无水强渗透地层：优选水泥-水玻璃双液浆

●断层带，裂隙宽度(或粒径)大于1mm或渗透系数大于1×10-4m/s时，应优选水玻璃类或木胺类浆液。

●细、粉砂层、细小裂隙岩层及断层弱透水地层：选渗透性好、低毒及遇水膨胀的化学浆液，如聚氨酯类或超细水泥类。

●不透水粘土地层：选水泥浆、水泥-水玻璃双液浆，用高压劈裂注浆。

（2）注浆材料配比

●水泥浆：水灰比0.5:1~1.1，需缩短凝结时间时加入速凝剂

●水泥-水玻璃：水泥浆水灰比0.5:1~1:1，水玻璃浓度25~400Be，水泥与水玻璃体积比：1:1~1:0.3

（3）注浆要求

●注浆设备良好，工作压力满足压力要求，并进行现场试运转。

●注浆压力：一般0.5~1.0MPa。

●要求单管注浆扩散到管周0.5~1.0m的半径范围。

●要控制注浆量。

●注浆效果检查：钻孔检查或超声波探测。

●注浆后开挖时间：水泥-水玻璃浆4h，水泥浆8h。

●开挖长度应保留一定长度的止浆墙。

1.概念：在掌子面前方的围岩中注浆，提高地层强度和稳定性，降低渗透性，形成较大范围筒状封闭加固区，在其范围内进行开挖作业。

2.注浆机理及适用条件：

注浆机理分为二种：

第一种：包括“浸透”注浆、“裂缝”注浆和“空穴”注浆。适用于破碎岩体、砂卵石地层、中、细粉砂层等

第二种：“劈裂”注浆：适用于粘性土地层，先劈裂再充填，起挤压加固作用。

3.注浆方式：

用预注浆加固围岩的三种方式：

●在开挖工作面上打超前长导管注浆；

●从地表向隧道所在区域打幅射状或平行状钻孔注浆(图6-92b)适用于浅埋隧道；

●设置平行导坑，然后由平行导坑向正洞所在区域钻孔注浆，适用于上述二种都有困难，经技术经济比选后选用。

4.注浆孔距和加固范围：

确定注浆孔距的理论公式很多，根据实践经验最大取1.5m。

为了确定加固范围，即确定围岩塑性破坏区的大小，可以按岩体力学和弹塑性理论计算出开挖坑道后围岩的压力重力分布结果，并确定其塑性破坏区的大小(R0—r0)，这也就是应加固区的大小。

5.注浆数量控制

●注浆数量应根据加固区需充填的地层孔隙数量来确定。

●现代注浆技术都是采用定压和定量相结合的方法，也就是注浆的数量基本是固定的。这个数量按浆液需填充的孔隙数量选定，而且常以被处理围岩总体积的百分比数表示。

这个百分数在砂层可高达40％，而裂隙岩体也许只为5％ ，具体计算公式如下：

6.施工要点：

1）注浆管

2）钻孔

3）注浆顺序

4）结束条件

5）注浆检查

6）开挖时间

旋喷预支护又称喷射注浆，分水平旋喷和垂直旋喷；水平旋喷：用旋喷注浆机沿开挖面周边设计位置旋喷现场旋喷柱体，通过固结体相互咬合形成预支护拱棚。

单根旋喷体形成：

●钻机成孔

●随钻杆退出

●将浆液旋喷注入空腔

●高压射流切割腔壁土体

●搅拌混合

●固结形成直径600mm左右固结体

●地层受到压缩和固结

●改善土体物理力学性能

预切槽技术是在开挖工作面之前，用特制的链式机械切刀沿隧道断面周边连续切割出一条厚约数十厘米深数米的窄槽，同时应用和切刀一体化的混凝土灌注设备注入混凝土，从而形成一个连续的起预先支护作用的混凝土壳体。然后在该混凝土壳体的支护下进行工作面机械挖掘。该技术兼备超前预支护以控制地层的变形和提供施工支护及永久支护的功能。

用预切槽机沿隧道横断面周边预先切割或钻出一条有限宽度的沟槽，进行预衬砌，方式有带锯式和排钻式两种。

在硬岩地层中，利用该切槽，作为爆破振动的隔振层，主要起隔振或减振目的。切槽宽度8-10cm，3-4m。

在软石或砂质地层中，在切槽内填筑混凝土，形成预支护拱，提高隧道稳定性。切槽宽度10-25cm，3-5m，沿隧道轮廓稍呈喇叭状，以便搭接；要求切槽内混凝土2-4h后，强度达6-10MPa。

（1）由于预槽开挖和混凝土灌注同时完成，避免了导致土层应变的应力释放。

（2）由于沿隧道横向预置连续拱壳，沿隧道纵向拱与拱之间也有搭接，从而形成连续的空间拱形结构，具有高度的力学安定性。

（3）由于采用机械化切割施工，可以减少对围岩的破坏。

（4）作为独立的隧道挖掘施工技术使用。避免喷混凝土等二次衬砌和钢支架支护等作业。

基于预切槽的施工原理和支护拱壳的力学合理性，主要适用于未固结地层和软岩地层的铁路，高速公路等大断面隧道的施工。

●有效控制覆盖层沉降，适合覆盖层很薄的未固结地层和软岩地层

●有效控制对地表构造物的影响，适合城市等建筑物密集地点的施工

●有效控制对地下邻接构造物的影响，适合超接近隧道，地下建筑物，地下管线的施工

●基于全断面开挖工艺，作业空间大，适于大型机械作业

●掌子面作业人员少，且在拱壳下作业，保障安全和施工环境

●由于避免锚杆作业，也适合小断面隧道施工

●施工为单纯重复型工艺过程，可以缩短工期，降低造价

以下的数据是基于日本道路公团的特定机械以及日本式的施工管理模式和作息制度得出的，仅作为参考总结如下。其指标可以通过技术革新加以改善。

（1）考虑到切刀的磨耗，宜用于抗压强度小于100kgf/cm2 (10MPa)的地层。切刀具有切割100kgf/cm2 以上的混凝土壳体的能力。

（2）施工能力为月进尺50米以上，和城市NATM（新奥法）基本相同。

（3）地层中的碎石，砾石的粒径不宜大于切槽厚度。

（4）100l/min地下涌水时，不影响混凝土的灌注施工和质量。

（5）有关施工原价和预槽机价格等具体数据，正在调查。