隧道預支護技術分類及技術特點

超前預支護技術在破碎或松散地層、自穩能力差的隧道施工中被廣泛采用。所謂的超前預支護，就是隧道開挖之前，在掌子面前方的自然地層設置一個像拱殼的連續體，使其既加固掌子面前方的自然地層，同時利用初期支護又保持自然地層的特性，從而保證掌子面及地層的穩定，減少地表沉降量。早期的隧道施工，預支護的形式主要為打插鋼板、木板或型鋼，即所謂的插板法。現代常用的超前預支護方法有超前錨桿、超前小導管、水平旋噴注漿、機械預切槽法和超前管棚法。1超前錨桿

超前錨桿是沿隧道開挖面外輪廓鉆孔，插入鋼筋桿體并用水泥砂漿使桿體與圍巖固結成整體。超前錨桿

隧道開挖后，桿體及周邊固結的部分圍巖支承上覆巖土體，防止圍巖坍塌，減少洞室變形。在破碎巖石地層中，該方法工藝簡單，造價低，應用十分廣泛。在砂土質松軟地層中，因砂漿與粘土體粘結力較低，限制了應用；同時因為一次施作距離短，預支護剛度小，在地應力較大、地層位移控制嚴時，也限制了它的使用。

(1)布置原則超前錨桿的安裝必須作為開挖循環的一個組成部分來完成，旨在作為超前預支護及加固巖體的作用。超前錨桿的設置充分考慮巖體的結構面特性和圍巖地質情況。超前錨桿外插角：10~30°。超前錨桿縱向兩排的水平投影應有不小于100cm的搭接長度。超前錨桿尾端一般焊接在鋼拱架上，以增強共同支護作用。(2)施工工藝材料加工與錨孔布置：錨桿除銹調直；按設計標孔位。鉆孔：準確控制外插角，以防增加超欠挖。注漿：先用水和稀漿濕潤管路，再開始注漿。插入錨桿：迅速將錨桿插入眼孔，并用錘擊方法插至孔底，再用木楔堵塞孔口，防止砂漿流失。清洗整理注漿用具：除掉砂漿，以備下一循環使用。2超前小導管超前小導管與超前錨桿所不同的是將鋼筋桿體改為空心鋼管，通常管徑36~50mm，管壁預留注漿孔，管口止漿封面后，注入水泥漿。壓力注漿滲透擴散管周較大的砂土體。管周注漿固結體形成一定厚度的隧道加固圈后，實現超前支護的目的。該方法工藝簡單，造價低，特別是砂、土質松軟地層中，應用十分廣泛。但因其一次施作距離短，預支護剛度小，在地層壓力大，地層位移控制要求嚴時，也限制了它的應用。鉆孔15°小導管鋼支撐0.2ma<40cmrrb(取30cm)3.5~6.0m管箍(φ6鋼筋加焊)出漿孔1.5m不鉆孔0.2mφ25~35mm有縫鋼管小導管常與格柵鋼架共同組成支護系統。小導管起雙重作用：一是起超前管棚作用，二是起注漿管的作用，通過注漿，加固軟弱圍巖。漿液擴散半徑的確定：擴散半徑不是漿液在地層中擴散的最遠距離，而是指漿液能符合設計要求的擴散距離。考慮到注漿擴散范圍相互重疊的情況，可按下式計算：R=(0.6~0.7)L0

，其中L0為導管中心間距(m)。(1)基本原理及注漿范圍注漿量確定：先計算出單孔注漿量，然后乘以注漿管數即可得：

式中，Q——注漿量(m3)；N——注漿管數量(個)；

R——漿液擴散半徑(m)；L——注漿長度(m)；

n——圍巖孔隙率(%)；

α——漿液充填系數，一般取0.7~0.9；

β——注漿材料損耗系數，常取0.1左右。(2)注漿材料斷層破碎帶及及砂卵石地層層，當裂隙寬寬度（或粒徑徑）大于１mm或滲透系數大大于5×10-4m/s時，應采用料料源廣且價格格便宜的注漿漿材料。一般般對于無水的的松散地層，，宜優先選用用單液水泥漿；對于有水的的強滲透地層層，則宜選用用水泥－水玻璃璃雙漿液，以控制注漿漿范圍。細、粉砂層、、斷層帶，當當裂隙寬度(或粒徑)小于1mm，或滲透系數數k≥10-４m/s時，注漿材料料宜優先選用用水玻璃類和木胺類或超細水泥漿液。各種漿材的適適用范圍采用水泥漿液液時，水灰比比可采用0.5:1~1:1，需縮短凝結結時間，則可可加入氯鹽、、三乙醇胺速速凝劑。采用水泥－水水玻璃漿液時時，水泥漿的的水灰比可用用0.5:1~1:1；水玻璃濃度度為25~40ooBe，水泥漿與水水玻璃的體積積比宜為1:1~1:0.3。(3)注漿孔口最高壓力力應嚴格控制制在允許范圍圍內，以防壓壓裂開挖面，，注漿壓力一一般為0.5~1.0MPa，止漿塞應能能經受注漿壓壓力。注漿壓壓力與地層條條件及注漿范范圍要求有關關，一般要求求單管注漿能能擴散到管周周0.5~1.0m的半徑范圍內內。要控制注漿量量，即每根導導管內已達到到規定注入量量時，就可結結束；若孔口口壓力已達到到規定壓力值值，但注入量量仍不足，亦亦應停止注漿漿。注漿結束后，，應做一定數數量的鉆孔檢檢查或用聲波波探測儀檢查查注漿效果，，如未達到要要求，應進行行補注漿。注漿后應視漿漿液種類，等等待4h(水泥－水玻璃璃漿)~8h(水泥漿)方可開挖，開開挖長度應按按設計循環進進尺的規定，，以保留一定定長度的止漿漿墻。超前小導管施施工簡易，應應急速度快，，比超前錨桿桿支護能力大大；比管棚簡單易易行、靈活、、經濟、施工工速度快，但但支護能力較較弱；格柵內空間被被噴射混凝土土充填，其表表面被覆蓋，，所形成的初初期支護具有有較強的承載載能力，并有有一定的防水水性能；與圍巖緊密粘粘結，形成一一個剛度較接接近的共同變變形體，易形形成有效的壓壓力拱，使隧隧道結構受力力條件趨于合合理。(4)特點3水平旋噴注漿漿噴射注漿法，，又稱旋噴法法，分為垂直直和水平旋噴噴注漿兩種方方法。水平旋旋噴注漿的施施工原理類似似于垂直旋噴噴注漿，只是是一個為水平平一個為垂直直。其施工方方法為，首先先使用旋噴注注漿機，沿著著隧道掌子面面周邊的設計計位置旋噴注注漿形成旋噴噴柱體，通過過固結體的相相互咬合形成成預支護拱棚棚。一般每根旋噴噴體，首先通通過水平鉆機機成孔，鉆到到設計位置以以后，隨著鉆鉆桿的退出，，用水泥漿或或水泥－水玻玻璃雙漿液旋旋噴注入鉆成成的孔腔，通通過高壓射流流切割腔壁土土體，被切割割下的土體與與漿液攪拌混混合、固結形形成直徑600mm左右的固結體體，同時周圍圍地層受到壓壓縮和固結，，其土體的物物理力學性能能得到一定程程度的改善。。旋噴柱體沿隧隧道拱部形成成環向咬合、、縱向搭接的的預支護拱棚棚，在松散不不穩定地層隧隧道中，可有有效控制坍塌塌和地層變形形。水平旋噴噴注漿樁的應應用在我國還還不是很廣，，旋噴樁抗彎彎性能不強，，施工控制的的難度較大，，特別是目前前我國的水平平旋噴鉆機性性能尚未過關關，制約了水水平旋噴預支支護技術的應應用和發展。。它主要適用于于粘性土、砂砂類土、淤泥泥等地層。（a）意大利產重重型水平選噴噴鉆機（b）1983年研制的輕型型水平選噴鉆鉆機（c）三一重工2008年產中型水平平選噴鉆機4械預切槽法機械預切槽法法首次應用于于20世紀70年代法國巴黎黎快速軌道運運動系統的一一個車站的建建造工程中。。它是利用專專業的切槽機機械，沿隧道道外輪廓切割割一定深度的的切槽。切槽槽方式有帶鋸鋸式和排鉆式式兩種。在硬硬巖地層中，，利用該切槽槽，作為爆破破振動的隔振振層，主要起起隔振或減振振的目的。在在軟石或砂質質地層中，在在切槽內填筑筑混凝土，形形成預支護拱拱，提高隧道道穩定性。機械切槽預支支護，在國外外已有多次成成功應用的實實例，取得了了較好的經濟濟和社會效益益。在國內，，軟巖鋸式切切槽機尚在研研制當中。在安全穩定的的作業環境下下，用挖掘機機或臂式掘進進機開挖前作作業面。自卸卸汽車或翻斗斗車可穿行于于預切槽機內內。必要時，作業業面裝以玻璃璃纖維錨桿，，以穩定作業業面。隨后在在作業面上噴噴混凝土。緊隨其后，安安裝隧道防水水層，進行二二次襯砌。作業過程如下下：用預切槽鋸沿沿隧道外廓弧弧形拱深切一一寬15~30cm、長約5m的切槽。在切槽內立即即填充高強度度噴射混凝土土，形成長3~5m的整體連續拱拱，兩次連續續拱的搭接長長度為0.5~2.0m，視圍巖的不不同而定。①可減輕在硬巖巖爆破時，振振動的擴展；；②在作業面面開挖前，快快速建成一臨臨時的整體弧弧形拱，從而而減小圍巖變變形與地表沉沉陷；③為人人員和設備提提供清潔、安安全的工作條條件；④有利利于作業全過過程的工業化化及機械化，，從而使進度度快速均衡，，適應性增強強，大大節約約了成本。機機械預切槽法法在硬巖地層層中應用的最最大弱點是推推進速度慢，，較適合用于于市區隧道工工程、松散地地層和大斷面面隧道。機械預切槽法法的優點5超前管棚大管棚(一般管徑70~180mm，長度10~30m)是指開挖掘進進前在隧道開開挖工作面的的上半斷面(呈扇形)或全部沿隧道道斷面周邊間間隔一定距離離用大型水平平鉆機鉆孔，，鋼管跟入或或向孔內壓入入鋼管而形成成鋼管群體。。為提高鋼管管剛度常向管管內灌注混凝凝土或鋼筋籠籠混凝土。由由于一次施作作距離大，支支護剛度大，，它能有效控控制土質圍巖巖的下沉松馳馳和坍塌，好好地控制地表表沉降量，在在城市地鐵施施工中廣泛應應用。a)管棚的環向布置b)管棚鋼管縱向錯接c)鋼管端部橫向聯接鋼管型號的選選擇：根據實際地層層和技術經濟濟因素分析，，土體凝聚力力較高的粘性性土，可選取取φ89mm；一般土層在在多數情況下下選取φ108mm型鋼管。間距的選擇：：對于松散地層層，鋼管間距距應適當縮小小，考慮鉆進進等因素，選選擇間距在0.1~0.2m為宜；一般地地層選擇間距距為0.3~0.4m；土體凝聚力力較高的粘性性土也可適當當加大。(1)支護參數的選選擇支護掘進步距距的選擇：管棚支護掘進進步距過小，，會增加工序序轉換時間，，影響施工效效率；管棚支支護掘進步距距過大，又可可能會產生塌塌幫等安全事事故，根據實實際地質條件件，掘進步距距應確定在1.0~2.0m。支護長度的選選擇:管棚支護長度度越長，越能能節省輔助時時間，提高施施工效率，但但是由于受到到鉆孔機具、、鉆進技術和和鋼管柔性彎彎曲等條件限限制，如果管管棚支護長度度過長，就很很難確保管棚棚的水平角度度和排列整齊齊，從而影響響施工質量，，一般根據不不同地質條件件管棚支護長長度選擇為10~30m。仰角的確定:因土層松軟及及鉆桿重力，，管棚在鉆進進過程中要發發生向下彎曲曲，在開孔鉆鉆進時要有一一定的上仰角角度。如果上上仰角度過小小，管棚會因因向下彎曲而而進入隧道區區域，在隧道道掘進時需要要將鋼管割去去，從而嚴重重影響隧道掘掘進速度和安安全；如果上上仰角度過大大，使管棚遠遠離隧道外徑徑而失去支護護作用，而且且使管棚有效效支護長度縮縮短。為此需需要選擇合適適的管棚上仰仰角度(一般1~5°)。工作室施工：：隧道開挖至設設計工作室里里程后，將隧隧道標準斷面面擴大到管棚棚工作室斷面面。預制導向架，，安裝導向管管：架立導向架，，并按設計角角度將導向管管焊接到導向向架上，確認認無誤后，封封堵導向管管管口加以保護護，再用噴射射混凝土將導導向架與工作作室構成整體體。工作面處理：：掌子面上掛網網噴混凝土，，封閉掌子面面，并作為注注漿的止漿墻墻，確保管棚棚施工中工作作面安全。(2)施工工藝鉆機就位：：用儀器量測測導向管，，固定鉆桿桿轉軸，使使之與鉆桿桿共線。鉆孔：用低檔開鉆鉆，鉆到一一定深時，，接桿繼續續鉆進，經經常復核鉆鉆孔角度，，確保鉆孔孔方向，若若發現偏斜斜，及時高高速處理。。插入導管：：插前應對每每個鉆孔的的管子配管管編號，保保證同一斷斷面上鋼管管接頭數≤≤50%。孔口密封處處理：注漿前對管管口與孔口口間空隙密密封，防止止水泥漿外外滲。導管注漿：：通過注漿，，即可增強強導管剛度度，又可使使漿液滲入入周圍地層層，加固地地層。大管棚剛度度大、結構構強度高、、所形成的的拱棚承載載能力強；；一次支護長長度大，可可以減少超超前支護的的次數，縮縮短施工時時間；由工程經驗驗得知，大大管棚預注注漿支護效效果可靠，，勞動消耗耗量相對較較少，雖然然材料費用用要高些，，但安全系系數也能相相對提高，，可望能有有效地保持持隧道周邊邊圍巖的穩穩定，提高高施工安全全。(3)技術特點6管幕預支護護技術美國是最早早采用管幕幕技術的國國家，在1922~1947年間，美國國采用管幕幕法累計完完成鋪管工工程830項，鋪管總總長度16800m。20世紀50年代開始長長距離管幕幕，20世紀70年代出現了了小口徑管管幕，以1977~1984年下水道敷敷設看，短短距離、手手挖式的一一次頂進方方法占半數數以上，長長距離的管管幕施工方方法、半盾盾構方法則則逐漸增加加。美國1990年以前是液液壓管幕占占主導，隨隨著氣動鋼鋼管頂打技技術出現，，迅速發展展并取代液液壓，液壓壓管幕已由由1990年的80%迅速降為1994年的40%。6.1國外管幕技技術的發展展日本自20世紀70~80年代下水道道敷設中，，直徑1000~1850mm者大部分是是管幕，直直徑大于2000mm的多用襯砌砌盾構施工工法，頂進進施工法其其施工管道道長度占下下水道總長長度的6.3%，另外盾構構法占2.3%，而明挖施施工法占36%。各種工法法如鐵鼠掘掘進機施工工法、水平平螺旋鉆施施工法、鼴鼴鼠式掘進進機施工法法、土箭施施工法應運運而生。微型機械施施工法能使使原先不可可能的小口口徑管幕進進行長距離離轉彎施工工，且比較較經濟。施施工機具主主要分為壓壓入式、水水平螺旋鉆鉆機、水平平鉆孔、泥泥漿加壓式式施工，其其中前兩種種使用較多多且可修正正方向。20世紀90年代日本super-mini施工法協會會開發的適適于大、中中口徑1600～3000mm的長距離管管幕施工法法，即覆膜膜管幕法又又一次飛躍躍地提高了了管幕一次次頂進的最最大距離。。日本還自自行研制開開發了閉水水性、耐酸酸性好的鋼鋼筋混凝土土管、聚乙乙烯塑料管管、鑄鐵管管、增強塑塑料管等專專用規范管管材。英國管幕技技術發展也也較快，1980年從日本引引進泥水平平衡式管幕幕機械與當當時西德合合作施工的的一條內徑徑為2489mm，長度為3.2km的管道已獲獲成功，且且曾達到不不用中繼間間最大頂距距178m的記錄。德國在大口口徑管頂進進方面技術術比較先進進，一次頂頂進最長2.2km，最大直徑徑4.4m，如VS864掘進系統，，用感應式式激光屏幕幕顯示頂進進位置，采采用快速運運行的液壓壓千斤頂推推頂，每天天進尺達40~50m。1970年的德國漢漢堡下水道道管幕工程程是世界上上首次一次次頂進超千千米的混凝凝土管幕工工程，1987年完成的西西柏林供熱熱水鋼筋混混凝土管道道，內徑4.1m，一次頂進進1088m，工程總長長3607m。在小口徑徑管幕方面面：施密特特克朗茨有有限公司開開發了一種種新的PBA38型頂壓鉆進進設備可有有效控制敷敷設接戶支支管以及最最大內徑DN300mm的管道且目目標精度高高，管接口口為雙層密密封。6.2國內管幕技技術的發展展管幕施工法法是中國最最早使用的的非開挖施施工方法，，1953年首次用于于北京西郊郊行政區污污水管工程程，采用人人工挖掘頂頂進直徑900mm管徑的鑄鐵鐵管。隨后后，上海等等城市也相相繼采用這這一技術，，但都是手手掘式管幕幕，設備也也較簡陋。。20世紀紀70年代代，，為為適適應應大大口口徑徑管管道道穿穿越越江江河河的的需需要要，，我我國國開開始始發發展展長長距距離離頂頂進進技技術術。。1978年研研制制成成功功的的三三段段雙雙鉸鉸型型工工具具管管解解決決了了百百米米管管幕幕技技術術，，同同年年，，上上海海又又成成功功開開發發適適于于軟軟粘粘土土和和淤淤泥泥質質粘粘土土的的擠擠壓壓法法管管幕幕，，比比普普通通手手掘掘式式管管幕幕效效率率提提高高一一倍倍以以上上。。從20世紀紀80年代代開開始始，，管管幕幕技技術術在在中中國國有有了了很很大大發發展展。。1981年在在穿穿越越甬甬江江的的管管道道工工程程中中，，第第一一次次應應用用中中繼繼間間獲獲得得成成功功，，頂頂進進長長度度達達581m，成成為為當當時時繼繼美美國國依依里里諾諾斯斯州州一一次次頂頂進進585m之后后，，世世界界一一次次頂頂進進最最長長的的管管幕幕工工程程。。20世紀紀90年代代我我國國的的管管幕幕技技術術已已處處于于世世界界先先進進水水平平。。1992年上上海海研研制制成成功功國國內內第第一一臺臺加加泥泥式式φ1440mm土壓壓平平衡衡掘掘進進機機，，在在奉奉賢賢排排污污工工程程中中，，直直徑徑DN1600mm鋼筋筋混混凝凝土土管管一一次次頂頂進進1511m，創創單單向向一一次次頂頂進進混混凝凝土土管管的的世世界界記記錄錄。。1996年底底又又設設計計成成功功可可調調換換止止水水帶帶的的中中繼繼間間在在上上海海黃黃浦浦江江上上游游引引水水工工程程中中，，將將內內徑徑3500mm的鋼鋼管管，，單單向向一一次次頂頂進進1743m，再再創創世世界界之之最最，，該該工工程程地地面面用用微微機機監監控控，，采采用用無無線線電電通通訊訊手手段段傳傳達達到到地地下下，，可可隨隨時時調調整整其其偏偏差差，，減減輕輕人人工工負負擔擔且且確確保保施施工工精精度度，，目目前前我我國國管管幕幕工工程程的的管管幕幕直直徑徑之之大大、、頂頂進進長長度度之之長長均均屬屬世世界界領領先先水水平平，，已已具具備備一一次次頂頂進進3000m管道的能能力。管幕技術術顯著的的優越性性使它得得到了廣廣泛的應應用，在在給排水水工程、、煤氣熱熱力工程程、通信信電纜和和發電廠廠循環水水冷卻系系統中采采用管幕幕施工法法的愈來來愈多，，從經濟濟效益和和社會效效益、環環境效益益，及三三者綜合合比較來來看，管管幕施工工明顯具具有實際際的可用用性。6.3管幕預支支護技術術考慮到流流塑狀淤淤泥質含含水地層層，淺埋埋和城市市環境(周邊建筑筑物和地地下管線線)等因素，，把隧道道暗挖施施工對環環境安全全、對地地面交通通和既有有建筑物物的干擾擾減少到到最低程程度，超超前預支支護是一一項重要要的工程程技術措措施。傳傳統的超超前預支支護剛度度較小、、一次施施作距離離短，而而管幕預預支護中中的鋼管管一般直直徑為200~2500mm，一次施施作距離離長，這這種支護護鋼管可可作為整整個支護護結構的的一部分分，因此此又稱為為結構性性管棚。。6.3.1管幕用作作隧道預預支護應應用現狀狀北京地鐵鐵五號線線崇文門門站總長長202.9m，兩端為為兩層三三拱結構構，中間間下穿既既有環線線地鐵區區間段，，為單層層三拱結結構，既既有線區區間結構構底板與與車站單單層斷面面頂部凈凈距2.858m。由于既既有區間間地鐵軌軌道允許許沉降小小，傳統統的超前前支護技技術不能能控制車車站暗挖挖施工引引起的過過量地層層位移。。因此，，采用了了雙排φ600大直徑鋼鋼管，長長28m一次施作作；振動動錘夯入入，螺旋旋鉆出土土的施工工方法，，取得了了工程的的預期效效果。(1)北京地鐵鐵五號線線崇文門門站穿越越既有地地鐵段北京地鐵鐵五號線線東四站站穿越朝朝內菜市市場段，，為嚴格格控制暗暗挖施工工沉降，，采用φ159長50.54m、間距0.5m拱部大管管棚預支支護。由由于該區區段管棚棚一次施施作長度度大，普普通鉆機機無法施施作，采采用地質質鉆機引引孔、振振動錘夯夯入、管管內高壓壓水出土土的施工工方法，，也取得得了工程程的預期期效果。。(2)北京地鐵鐵五號線線東四站站穿越地地面建筑筑物段6.3.2管幕預支支護的特特點因管幕鋼鋼管頂入入時，正正面土體體封閉形形式、開開挖方法法和出土土方式的的不同，，形成了了不同類類別的管管幕施工工方式，，但均遵遵循一個個共同的的原理，，即無論論是否使使用工具具管，首首節切入入管均是是切土頂頂進，切切入段的的長度視視地層松松軟和穩穩定性的的不同而而不同，，如采用用全長切切土頂入入。因此此，管幕幕施工自自身對地地層擾動動極小，，施工安安全可靠靠。管幕幕作為隧隧道施工工的預支支護，管管幕自身身施工遵遵守著預預支護原原理。因因此：(5)高精度的的管幕機機研制或或購置費費用較高高，但作作為隧道道預支護護一次頂頂進長度度較短時時，其精精度要求求相對較較低，也也可采用用較為簡簡單的正正面土體體開挖方方法和出出土方式式。(2)可以在不不采用氣氣壓振動動條件下下，使鋼鋼管頂入入，不擾擾動砂土土和淤泥泥地層；；(3)可以在既既有建筑筑物鄰近近施工，，小直徑徑管自身身頂入施施工引起起的地表表沉降通通常可控控制在3mm以內，一一般不需需對建筑筑進行基基礎托換換和地下下管線改改移；(4)預支護鋼鋼管埋入入土體不不能再回回收，成成本較高高；(1)該工法施施工時無無噪音和和震動，，不影響響城市道道路交通通；6.3.3施工步驟驟(1)工作面封封閉或加加固處理理對待預支支護的隧隧道或導導坑工作作面進行行封閉。。(2)推進基坑坑或反力力座準備備根據所采采用推進進設備的的作業要要求，鋪鋪設推進進機作業業軌道或或修筑頂頂力后背背，以及及頂入管管的安裝裝，存放放場地。。(3)推管利用推進進設備，，將整長長或分節節管推入入地層，，形成管管幕的預預支護拱拱。(4)隧道