北京交通大学---隧道设计与施工---第9部分软弱围岩的.ppt

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1、主讲主讲:谭忠盛谭忠盛隧道工程设计与施工隧道工程设计与施工隧道工程设计与施工隧道工程设计与施工北京交大隧道系北京交大隧道系第九部分第九部分软弱围岩的隧道施工软弱围岩的隧道施工（1）软弱围岩的自支护能力比较弱，甚至没有自支护能力。因软弱围岩的自支护能力比较弱，甚至没有自支护能力。因此，在软弱围岩中施工最重要的是：如何提高围岩的自支护能此，在软弱围岩中施工最重要的是：如何提高围岩的自支护能力，来保证开挖及后续作业的进行。力，来保证开挖及后续作业的进行。在软弱围岩中，提高围岩自支护能力的方法很多。根据国在软弱围岩中，提高围岩自支护能力的方法很多。根据国内外的施工经验，基本方法是控制围岩的松弛、流失。

2、其原则内外的施工经验，基本方法是控制围岩的松弛、流失。其原则是：稳定掌子面、及时闭合和加固地层。具体方法如下：是：稳定掌子面、及时闭合和加固地层。具体方法如下：1）稳定掌子面的方法）稳定掌子面的方法正面喷混凝土和锚杆；超前支护；留核心土。正面喷混凝土和锚杆；超前支护；留核心土。2）及时闭合的方法）及时闭合的方法临时仰拱或底部横撑；加强基脚；向底部地层注浆加固；临时仰拱或底部横撑；加强基脚；向底部地层注浆加固；底部锚杆；改变施工方法。底部锚杆；改变施工方法。3）加固地层）加固地层注浆加固；超前支护；地表面加固。注浆加固；超前支护；地表面加固。一、掌子面自稳性评价方法一、掌子面自稳性评价方法日本根

3、据近日本根据近9000个掌子面的数据，其中典型的崩塌事例个掌子面的数据，其中典型的崩塌事例列于下表。列于下表。掌子面崩塌现象掌子面崩塌现象:（1）在断层中，根据断层破碎程度可能产生小的崩塌，也）在断层中，根据断层破碎程度可能产生小的崩塌，也可能出现很大规模的崩塌，可能出现一次，也可能出现多次；可能出现很大规模的崩塌，可能出现一次，也可能出现多次；（2）在互层围岩中，崩塌一般多是小规模的。例如第三纪）在互层围岩中，崩塌一般多是小规模的。例如第三纪的砂岩页岩互层，可能由于少量的涌水使固结度低的砂岩层流的砂岩页岩互层，可能由于少量的涌水使固结度低的砂岩层流出，残留的泥岩也会呈块状剥落。崩塌的程度因砂

4、岩的固结度、出，残留的泥岩也会呈块状剥落。崩塌的程度因砂岩的固结度、层理面间隔、层理面的固结度、砂岩层的滞水水量、水压等而层理面间隔、层理面的固结度、砂岩层的滞水水量、水压等而异。崩塌的时间多在涌水状况有急剧变化的时期发生。异。崩塌的时间多在涌水状况有急剧变化的时期发生。（3）在强风化的围岩中，会产生比较大的崩塌，有涌水时）在强风化的围岩中，会产生比较大的崩塌，有涌水时崩塌的规模会更大；崩塌的规模会更大；（4）在有层理面的容易崩塌的围岩中，会产生比较大规模）在有层理面的容易崩塌的围岩中，会产生比较大规模的崩塌。根据层理面的强度、涌水的状况，在几小时内就会产的崩塌。根据层理面的强度、涌水的状况，

5、在几小时内就会产生多次崩塌，瞬时发生大规模崩塌的情况也不少。生多次崩塌，瞬时发生大规模崩塌的情况也不少。（5）在砂层中，多发生比较小规模的和中等规模的崩塌。）在砂层中，多发生比较小规模的和中等规模的崩塌。在没有涌水的砂砾层中，掌子面可能是自稳的，但会从拱顶发在没有涌水的砂砾层中，掌子面可能是自稳的，但会从拱顶发生小规模的掉落。生小规模的掉落。评价指标及方法：评价指标及方法：表表2列出有关评价掌子面稳定性的评价指标及方法。列出有关评价掌子面稳定性的评价指标及方法。表表3给出砂质围岩的掌子面自稳性的最简易的判断指标。给出砂质围岩的掌子面自稳性的最简易的判断指标。表表2评评价指价指标标和方法和方法不

6、不稳稳定原因定原因对对象象围围岩岩评评价方法价方法评评价指价指标标沿沿龟龟裂、裂、层层理的理的崩塌崩塌龟龟裂性的岩裂性的岩层层层层状岩状岩层层块块体理体理论论不不连续连续面情面情报报（走向、（走向、倾倾斜、斜、连续连续性、摩擦角、性、摩擦角、间间隔等）隔等）法法不不连续连续面情面情报报RQD、岩石、岩石强强度度因涌水因涌水压压、凝聚、凝聚力降低引起的崩力降低引起的崩塌塌土砂土砂围围岩岩未固未固结围结围岩岩均均质质系数系数细颗细颗粒含有率粒含有率颗颗粒粒组组成、含水比、比重、成、含水比、比重、单单位体位体积积重量、透水系数、重量、透水系数、涌水涌水压压因因围围岩岩强强度不足，度不足，变变形大引起

7、的崩形大引起的崩塌塌膨膨胀胀性性围围岩岩围围岩岩强强度比等度比等颗颗粒粒组组成、含水比、比重、成、含水比、比重、液限、塑限、阳离子交液限、塑限、阳离子交换换容容量、量、单单位体位体积积重量、重量、单轴单轴抗抗压压强强度度初期位移速度初期位移速度初期位移速度初期位移速度土砂土砂围围岩岩单单位体位体积积重量、凝聚力、内重量、凝聚力、内摩擦角摩擦角未固未固结围结围岩岩准准弹弹性系数性系数净净空位移空位移表表3掌子面掌子面稳稳定性定性评评价（砂价（砂质围质围岩）岩）围围岩岩级别级别围围岩状岩状态态分分类类指指标标相相对对密度（密度（DR）细颗细颗粒含有率粒含有率(FC)IN掌子面基本掌子面基本稳稳定的

8、定的围围岩岩DRFCIL掌子面不掌子面不稳稳定，只要有很小定，只要有很小变变化，就可能流出的化，就可能流出的围围岩岩FC 特特L掌子面掌子面稳稳定性定性显显著差，开挖著差，开挖会引起重大会引起重大变变化的化的围围岩岩DR 根据统计，涌水的影响很大，一般说掌子面涌水量在根据统计，涌水的影响很大，一般说掌子面涌水量在100L/min附近，可作为稳定和坍塌的判断基准，在附近，可作为稳定和坍塌的判断基准，在500L/min以上几乎都是坍塌。以上几乎都是坍塌。埋深对掌子面的自稳定性也有很大影响。浅埋与深埋相埋深对掌子面的自稳定性也有很大影响。浅埋与深埋相比，主要是难以形成承载拱。同时，在这种情况下多数会

9、有比，主要是难以形成承载拱。同时，在这种情况下多数会有地形偏压、表层软弱堆积物、风化带等对隧道开挖有很大影地形偏压、表层软弱堆积物、风化带等对隧道开挖有很大影响的特殊问题。响的特殊问题。地表下沉与埋深有密切关系。埋深大时，在隧道横断面地表下沉与埋深有密切关系。埋深大时，在隧道横断面内形成了承载拱，开挖引起的下沉局限在隧道周边，而埋深内形成了承载拱，开挖引起的下沉局限在隧道周边，而埋深小时，没有形成承载拱，开挖下沉会直接达到地表面。小时，没有形成承载拱，开挖下沉会直接达到地表面。在这种情况下，埋深小的隧道，因不能期待形成承载拱，在这种情况下，埋深小的隧道，因不能期待形成承载拱，故为防止支护下沉、

10、增强支承力而应采取必要的措施，并研故为防止支护下沉、增强支承力而应采取必要的措施，并研究采用药液压注、垂直锚杆等辅助工法。究采用药液压注、垂直锚杆等辅助工法。如图如图1所示，浅埋隧道的掌子面松弛将达到地表面，在横所示，浅埋隧道的掌子面松弛将达到地表面，在横断面方向不能形成承载拱，在纵向的掌子面前方也形成不了断面方向不能形成承载拱，在纵向的掌子面前方也形成不了承载拱。根据实测结果的分析，首先是接近掌子面前方的围承载拱。根据实测结果的分析，首先是接近掌子面前方的围岩急剧下沉，并向后方扩展，结果形成了图岩急剧下沉，并向后方扩展，结果形成了图2所示的盆状的地所示的盆状的地表下沉。表下沉。此下沉槽的坡度

11、是与围岩中发生的剪应变相对应的。超此下沉槽的坡度是与围岩中发生的剪应变相对应的。超过此限界后，如图所示就会发生地表开裂。过此限界后，如图所示就会发生地表开裂。图图1 1 埋深与隧道纵断面内的下沉埋深与隧道纵断面内的下沉a)a)开挖上半断面（埋深小时）；开挖上半断面（埋深小时）；b)b)开挖下半断面（埋深小时）；开挖下半断面（埋深小时）；c)c)开挖上半断面（埋深大时）；开挖上半断面（埋深大时）；d)d)开挖下半断面（埋深小时）。开挖下半断面（埋深小时）。图图2地表下沉与地表地表下沉与地表 二、稳定掌子面的方法二、稳定掌子面的方法有代表性的有代表性的稳稳定掌子面的工法的分定掌子面的工法的分类类列

12、于表列于表1。工法工法拱拱顶顶稳稳定定掌子面掌子面稳稳定定使用材料使用材料工法工法说说明明超前支超前支护护（超（超前前锚锚杆、小杆、小导导管等）管等）锚锚杆杆小小导导管（注管（注浆浆）钢钢筋筋采用采用锚锚杆等提高前方杆等提高前方围围岩岩约约束的方法束的方法使用小使用小导导管注管注浆浆加固掌子面加固掌子面插入角度：插入角度：1030；超前支超前支护护（钢钢插板等）插板等）钢钢筋筋钢钢背板背板L型型钢钢在掌子面自在掌子面自稳稳性差的性差的围围岩中，岩中，喷喷混凝混凝土施工前有崩塌土施工前有崩塌时时，可采用此法。，可采用此法。斜斜锚锚杆杆锚锚杆杆插入角度：插入角度：4570短管棚短管棚管棚管棚在没有

13、凝聚力的在没有凝聚力的围围岩中采用。岩中采用。管管长长：57m；直径：小于直径：小于45cm；视视情况可情况可进进行注行注浆浆。正面正面喷喷混凝土混凝土喷喷混凝土混凝土提高掌子面正面的自提高掌子面正面的自稳稳性性正面正面锚锚杆杆锚锚杆杆玻璃玻璃纤维锚纤维锚杆杆保持掌子面自保持掌子面自稳稳性的方法性的方法表表1稳定掌子面工法的分类稳定掌子面工法的分类掌子面稳定性降低的原因，视围岩条件而异，在多数情掌子面稳定性降低的原因，视围岩条件而异，在多数情况下，可考虑以下几点：况下，可考虑以下几点：凝聚力不足而崩塌（未固结围岩、裂隙性围岩）；凝聚力不足而崩塌（未固结围岩、裂隙性围岩）；因地下水而崩塌（未固结

14、围岩、裂隙性围岩）；因地下水而崩塌（未固结围岩、裂隙性围岩）；因强度不足产生大变形而崩塌（膨胀性围岩）。因强度不足产生大变形而崩塌（膨胀性围岩）。此外，作为特殊情况，也有掌子面沿地质结构面挤出的此外，作为特殊情况，也有掌子面沿地质结构面挤出的情况。情况。根据功能不同，稳定掌子面的方法可分为以下几种：根据功能不同，稳定掌子面的方法可分为以下几种：支持围岩的（超前支护、短管棚等）；支持围岩的（超前支护、短管棚等）；改良围岩的（注浆等）；改良围岩的（注浆等）；发挥锚杆作用的（斜锚杆、正面锚杆等）；发挥锚杆作用的（斜锚杆、正面锚杆等）；喷混凝土加强的等。喷混凝土加强的等。1、超前支护、超前支护超前支护

15、是使用锚杆、单一钢管、钢筋等，沿隧道外轮超前支护是使用锚杆、单一钢管、钢筋等，沿隧道外轮廓以低角度打设的方式防止掉块，是加固掌子面前方围岩、廓以低角度打设的方式防止掉块，是加固掌子面前方围岩、约束围岩的方法。也可加设插板防止掉块。超前支护基本上约束围岩的方法。也可加设插板防止掉块。超前支护基本上是借助构件的抗弯刚度发挥作用的，因此，采用抗弯刚度大是借助构件的抗弯刚度发挥作用的，因此，采用抗弯刚度大的构件是有利的。的构件是有利的。（1）单管）单管用于没有凝聚力的围岩，防止拱顶松弛、崩落。一般采用于没有凝聚力的围岩，防止拱顶松弛、崩落。一般采用用3448mm的钢管，以的钢管，以3060cm的间隔和

16、的间隔和530 的仰角的仰角打入。打入长度一般为掘进进尺的打入。打入长度一般为掘进进尺的23倍。倍。此法的主要问题是：在有砾石（孤石）或固结好的围岩此法的主要问题是：在有砾石（孤石）或固结好的围岩中应用困难。其次是钢管下方的围岩易崩落，超挖大。为减中应用困难。其次是钢管下方的围岩易崩落，超挖大。为减少超挖可减少打入角度，使钢管从支护构件中通过。少超挖可减少打入角度，使钢管从支护构件中通过。图图1 单钢管超前支护例单钢管超前支护例（2）钢插板）钢插板钢插板是在崩塌性显著的围岩中，以较大面积支护拱顶钢插板是在崩塌性显著的围岩中，以较大面积支护拱顶为的手段。钢插板的宽度一般采用为的手段。钢插板的宽度

17、一般采用15cm，长度为，长度为1.21.6m，以间隔以间隔30cm左右打入。一般都在拱顶左右打入。一般都在拱顶120 范围内施设。其实范围内施设。其实施例参见图施例参见图2图图4。图图2钢钢背板超前支背板超前支护护 图图3钢钢背板施工例背板施工例图图4钢钢插板施工示意插板施工示意图图（3）注浆小导管）注浆小导管注浆小导管是向掌子面附近的围岩注浆，以改善围岩状注浆小导管是向掌子面附近的围岩注浆，以改善围岩状况，保证掌子面稳定的方法。实践证实：掌子面斜上方对隧况，保证掌子面稳定的方法。实践证实：掌子面斜上方对隧道的稳定具有很大的影响，因此，开挖前改善此部分的状况，道的稳定具有很大的影响，因此，开

18、挖前改善此部分的状况，对增加隧道的稳定性是极为重要的。小导管注浆不仅是掌子对增加隧道的稳定性是极为重要的。小导管注浆不仅是掌子面稳定的对策，也是改善隧道稳定性的对策，要充分加以研面稳定的对策，也是改善隧道稳定性的对策，要充分加以研究和运用。究和运用。小导管注浆视有无锚杆、药液的不同、改良深度等而不小导管注浆视有无锚杆、药液的不同、改良深度等而不同。图同。图5是一个施工例，成功运用于洞口有崩塌危险的地段。是一个施工例，成功运用于洞口有崩塌危险的地段。图图6是采用布压注塞的压注锚杆实例，打入锚杆后，通过压是采用布压注塞的压注锚杆实例，打入锚杆后，通过压注塞将水泥砂浆、水玻璃注入，压注压力注塞将水泥

19、砂浆、水玻璃注入，压注压力25kg/cm2。压注。压注材料不仅有水泥、水玻璃，还有以高压（材料不仅有水泥、水玻璃，还有以高压（30kg/cm2）压注的）压注的泡沫尿烷，此法的施工步骤见图泡沫尿烷，此法的施工步骤见图7。图图5小小导导管注管注浆浆例例图图6 6 注浆锚杆注浆锚杆 图图7 7 压注泡沫尿烷的超前支护压注泡沫尿烷的超前支护2、斜锚杆、斜锚杆斜锚杆是作为支护结构的一部分轴力构件而发挥其作用斜锚杆是作为支护结构的一部分轴力构件而发挥其作用的，用以改善拱顶斜上方的围岩。多采用在易崩塌的围岩中，的，用以改善拱顶斜上方的围岩。多采用在易崩塌的围岩中，作为支护拱顶的辅助方法。作为支护拱顶的辅助方

20、法。斜锚杆通常与系统锚杆同时施工。向掌子面拱部的斜上斜锚杆通常与系统锚杆同时施工。向掌子面拱部的斜上方，以方，以5080cm的间隔，在拱部的间隔，在拱部60100cm范围内，打入异型范围内，打入异型钢筋，锚固材采用砂浆。锚杆长钢筋，锚固材采用砂浆。锚杆长34m，仰角，仰角3060。包括。包括通常锚杆在内的锚杆实施例见图通常锚杆在内的锚杆实施例见图8。图图8锚锚杆的杆的实实例例3、小管棚注浆、小管棚注浆小管棚的施工，基本上与注浆小导管相同。因超前支护小管棚的施工，基本上与注浆小导管相同。因超前支护范围大，多采用长度范围大，多采用长度57m的钢管，以间隔的钢管，以间隔3060cm的距的距离打入。超

21、前支护效果好，但费时，对施工循环有一定影响。离打入。超前支护效果好，但费时，对施工循环有一定影响。4、掌子面正面喷混凝土、掌子面正面喷混凝土正面喷射混凝土是在开挖后的自稳性差的开挖面喷射正面喷射混凝土是在开挖后的自稳性差的开挖面喷射310cm左右的混凝土，覆盖掌子面，以防止掌子面松弛，左右的混凝土，覆盖掌子面，以防止掌子面松弛，提高掌子面的自稳性（图提高掌子面的自稳性（图9）。喷混凝土不是作为轴力构件）。喷混凝土不是作为轴力构件发挥作用的，是防止剥离的，常常与正面锚杆同时使用。发挥作用的，是防止剥离的，常常与正面锚杆同时使用。此外通过观察喷射表面是否有龟裂发生，还可以获得有无崩此外通过观察喷射

22、表面是否有龟裂发生，还可以获得有无崩塌发生的信息。塌发生的信息。5、正面锚杆、正面锚杆正面锚杆是在掌子面有显著崩塌的情况下采用的。锚杆正面锚杆是在掌子面有显著崩塌的情况下采用的。锚杆长长23m，视崩塌情况施设。，视崩塌情况施设。在膨胀性围岩中进行掌子面加强的施工例见图在膨胀性围岩中进行掌子面加强的施工例见图10。、留核心土、留核心土为了充分利用掌子面的空间支护效应，留核心土，也是为了充分利用掌子面的空间支护效应，留核心土，也是比较有效的稳定掌子面的方法。比较有效的稳定掌子面的方法。图图9 9 正面喷射混凝土例正面喷射混凝土例图图10 10 膨胀性围岩的掌子面加强例膨胀性围岩的掌子面加强例三、控

23、制地层松弛的加固地层的方法三、控制地层松弛的加固地层的方法稳定围岩和控制地表下沉的方法包括：稳定围岩和控制地表下沉的方法包括：（1）压注法）压注法以加固围岩、止水为目的而采用的工法。向砂质土压注以加固围岩、止水为目的而采用的工法。向砂质土压注易于获得较好的效果，在黏性土中的效果不好。为进行有效易于获得较好的效果，在黏性土中的效果不好。为进行有效地压注，要采用与围岩性质相适应的药液和方法。地压注，要采用与围岩性质相适应的药液和方法。（2）冻结法）冻结法在山岭隧道中采用较少，但其加固围岩、止水的效果非在山岭隧道中采用较少，但其加固围岩、止水的效果非常好，可靠性高。在软弱粉砂层、大量涌水围岩、接近结

24、构常好，可靠性高。在软弱粉砂层、大量涌水围岩、接近结构物施工的场合是很合适的。缺点是从准备时间到发挥效果的物施工的场合是很合适的。缺点是从准备时间到发挥效果的时间很长。时间很长。（3）垂直锚杆法）垂直锚杆法是一种用锚杆从隧道上方加固地层的一种方法。一般从是一种用锚杆从隧道上方加固地层的一种方法。一般从地表面钻地表面钻 60125mm的钻孔，而后插入钢筋。其作用是：的钻孔，而后插入钢筋。其作用是：利用砂浆和周边围岩的凝聚力控制下沉、利用抗剪能力防止利用砂浆和周边围岩的凝聚力控制下沉、利用抗剪能力防止洞口滑坡，施工实例较多。洞口滑坡，施工实例较多。（4）管棚法）管棚法一般多在洞口施工时采用。根据使

25、用的钢管直径分类，一般多在洞口施工时采用。根据使用的钢管直径分类，有小直径钢管管棚和中、大直径钢管的管棚。在埋深小的隧有小直径钢管管棚和中、大直径钢管的管棚。在埋深小的隧道，正上方有建筑物时，也可采用此法。最近，利用特殊的道，正上方有建筑物时，也可采用此法。最近，利用特殊的钻孔机械，边钻孔、边注浆，在土砂隧道中产生较好的效果。钻孔机械，边钻孔、边注浆，在土砂隧道中产生较好的效果。（5）水平高压旋喷法）水平高压旋喷法在掌子面与隧道轴线平行，用特殊机械钻孔，同时向管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，形成体内高压喷射水泥浆液，形成 5070cm的圆柱体的工法。的圆

26、柱体的工法。材料材料3天的强度可达天的强度可达810MPa，改善围岩的效果很高。是改，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。但施工设备善掌子面自稳性和控制地表下沉的较好的方法。但施工设备多，系统庞大。多，系统庞大。（6）隔断墙法）隔断墙法一般作为止水的辅助工法采用，但也有用于控制地表下一般作为止水的辅助工法采用，但也有用于控制地表下沉的对策而采用的。它可以降低开挖引起的地表下沉及其向沉的对策而采用的。它可以降低开挖引起的地表下沉及其向周围的传播。周围的传播。在隧道两侧用刚性材料构筑地中墙，用以隔断下沉向周在隧道两侧用刚性材料构筑地中墙，用以隔断下沉向周围的波及。施工

27、时要注意地表条件的影响。围的波及。施工时要注意地表条件的影响。（）预衬砌法（）预衬砌法应该指出，控制围岩松弛和地表下沉的方法，许多是与应该指出，控制围岩松弛和地表下沉的方法，许多是与止水方法相联系的，很难截然分开。为了说明的方便，一些止水方法相联系的，很难截然分开。为了说明的方便，一些方法将在地下水对策中加以说明。此处重点说明以下方法。方法将在地下水对策中加以说明。此处重点说明以下方法。1、地表垂直锚杆工法、地表垂直锚杆工法垂直锚杆工法是在隧道开挖之前，在隧道上部钻设直径垂直锚杆工法是在隧道开挖之前，在隧道上部钻设直径100120mm的钻孔，钻孔中插入粗钢筋（一般的钻孔，钻孔中插入粗钢筋（一般

28、D2532mm），再充填砂浆或水泥浆，在地中形成棒状的钢筋加），再充填砂浆或水泥浆，在地中形成棒状的钢筋加固体，可以阻止因开挖产生的围岩变形，提高围岩的抗剪切固体，可以阻止因开挖产生的围岩变形，提高围岩的抗剪切强度。强度。此工法广泛应用于：此工法广泛应用于：防止地表下沉、稳定隧道掌子面、防止地表下沉、稳定隧道掌子面、处理偏压、防止坡面崩塌。尤其适用于浅埋的软弱围岩和滑处理偏压、防止坡面崩塌。尤其适用于浅埋的软弱围岩和滑坡地段等施工条件恶劣的地点。坡地段等施工条件恶劣的地点。此工法优点是与开挖作业无干扰。但视地表的土地利用此工法优点是与开挖作业无干扰。但视地表的土地利用情况选用，适用性较差。情况

29、选用，适用性较差。目前在设计中，主要是采用经验的方法进行设计。如采目前在设计中，主要是采用经验的方法进行设计。如采用用D2532mm的钢筋，钻孔直径多采用的钢筋，钻孔直径多采用100120mm，间隔，间隔采用采用1.51.52.02.0。或者根据滑坡线及阻止坡体滑动的。或者根据滑坡线及阻止坡体滑动的计算决定钢筋量、打设长度、打设间隔及钢筋直径等。其设计算决定钢筋量、打设长度、打设间隔及钢筋直径等。其设计例见图计例见图1、图、图2。图图1 1 垂直垂直锚锚杆工法杆工法设计设计例例图图2 2 垂直锚杆工法施工例垂直锚杆工法施工例 、管棚工法、管棚工法管管棚棚工工法法是是在在隧隧道道开开挖挖之之前前

30、，沿沿隧隧道道开开挖挖断断面面外外轮轮廓廓，以以一一定定间间隔隔与与隧隧道道平平行行钻钻孔孔、插插入入钢钢管管，再再从从插插入入的的钢钢管管内内压压注注充充填填水水泥泥浆浆或或砂砂浆浆，来来增增加加钢钢管管外外周周围围岩岩的的抗抗剪剪切切强强度度，并并使使钢钢管管与与围围岩岩一一体体化化，由由管管棚棚和和围围岩岩构构成成的的棚棚架架体体系系。其其效果可归纳为：效果可归纳为：粱粱效效应应：因因钢钢管管是是先先行行施施设设的的，在在掘掘进进时时，钢钢管管在在掌掌子子面面和和后后方方的的支支撑撑支支持持下下，形形成成粱粱式式结结构构，以以防防止止围围岩岩的的崩崩塌塌和松弛。和松弛。加加强强效效应应：

31、钢钢管管插插入入后后，压压注注水水泥泥浆浆，加加强强了了钢钢管管周周边边的围岩。的围岩。管棚的配置和形状管棚的配置和形状一般说，多采用图一般说，多采用图3所示的形状。所示的形状。图图3管棚的配置和形状管棚的配置和形状施工范围施工范围沿隧道轴向，管棚设置到多长范围要根据隧道周边的地沿隧道轴向，管棚设置到多长范围要根据隧道周边的地形、地表结构物的状况等决定。管棚的终端位置，应达到防形、地表结构物的状况等决定。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。护对象的长度加上因开挖而造成的掌子面松弛范围。此工法施工可能的长度，根据钻孔机械的施工精度，可此工法施工可能的长度，根据钻

32、孔机械的施工精度，可达达80m，如施工地段更长时，应分段施工。，如施工地段更长时，应分段施工。管棚配置间隔管棚配置间隔隧道在公路、铁道下方通过时，或者接近结构物施工时，隧道在公路、铁道下方通过时，或者接近结构物施工时，或者隧道开挖对周边环境有直接影响时，或者在管棚间土粒或者隧道开挖对周边环境有直接影响时，或者在管棚间土粒子能够流出的软弱围岩时，为了能直接承受荷载、防止土粒子能够流出的软弱围岩时，为了能直接承受荷载、防止土粒子流出，应选用刚性大的、中直径（子流出，应选用刚性大的、中直径（165.2mm216.3mm）或大直径（或大直径（318.5mm）的，带接头的钢管。各种带接头钢管）的，带接头

33、的钢管。各种带接头钢管的构造见图的构造见图4。钢管断面钢管断面根据隧道的开挖方法、断面、地质及埋深等条件，设定根据隧道的开挖方法、断面、地质及埋深等条件，设定作用在作用在1根钢管上的荷载，以支撑和前方围岩为支点，按粱根钢管上的荷载，以支撑和前方围岩为支点，按粱模式，计算断面力决定所需的断面性能，选择钢管断面。计模式，计算断面力决定所需的断面性能，选择钢管断面。计算图示见图算图示见图5。图图4带带接接头钢头钢管例管例 施工例施工例在一座位于市街区的公路隧道，隧道长度在一座位于市街区的公路隧道，隧道长度180m，断面积，断面积达达152m2，隧道上部房屋密集，埋深仅有，隧道上部房屋密集，埋深仅有6

34、m。隧道两洞口有。隧道两洞口有崩塌的危险。隧道地质条件是：从上到下为表土、火山灰质崩塌的危险。隧道地质条件是：从上到下为表土、火山灰质黏性土、砂砾、粉细砂，下面的基岩是安山岩质凝灰岩。隧黏性土、砂砾、粉细砂，下面的基岩是安山岩质凝灰岩。隧道是在软弱的火山灰质黏性土、砂砾、粉细砂层中通过的。道是在软弱的火山灰质黏性土、砂砾、粉细砂层中通过的。为此，在全洞采用管棚法施工。管棚的配置见图为此，在全洞采用管棚法施工。管棚的配置见图6。图图5管棚的计算图示管棚的计算图示施工的管棚，根据过去的施工实例、目前的管棚机械等施工的管棚，根据过去的施工实例、目前的管棚机械等条件，决定采用直径条件，决定采用直径40

35、6.4mm、t9.5mm、间隔、间隔650cm的管的管棚。为全部施工的安全性，在两洞口设置推进基地，每一洞棚。为全部施工的安全性，在两洞口设置推进基地，每一洞口各施设口各施设90m。拱部初期支护采用钢支撑和喷混凝土（厚。拱部初期支护采用钢支撑和喷混凝土（厚25cm），钢支撑架设后立即在钢支撑和钢管间打入楔块，并），钢支撑架设后立即在钢支撑和钢管间打入楔块，并喷射混凝土（图喷射混凝土（图6）。钢管管棚的施设精度见图）。钢管管棚的施设精度见图7。图图6管棚布置管棚布置图图7管棚设置精度管棚设置精度 、水平高压旋喷压注工法和高压喷射搅拌工法、水平高压旋喷压注工法和高压喷射搅拌工法在未固结围岩，特别是

36、城市的浅埋隧道，必需注意防止隧在未固结围岩，特别是城市的浅埋隧道，必需注意防止隧道变形和地表下沉以及确保大断面的掌子面的稳定两大难题。道变形和地表下沉以及确保大断面的掌子面的稳定两大难题。而水平高压旋喷压注工法，是在一般的初期导管注浆的基础而水平高压旋喷压注工法，是在一般的初期导管注浆的基础上发展起来的，能较大规模地，以高压旋喷的方式，压注水上发展起来的，能较大规模地，以高压旋喷的方式，压注水泥浆的超前支护工法。此方法是在水平钻孔内采用高压旋喷泥浆的超前支护工法。此方法是在水平钻孔内采用高压旋喷的技术，在隧道开挖外轮廓形成拱形预衬砌、以防护掌子面。的技术，在隧道开挖外轮廓形成拱形预衬砌、以防护

37、掌子面。本方法具有以下特征：本方法具有以下特征：在隧道开挖之前，在掌子面前方构筑拱形刚性体，减在隧道开挖之前，在掌子面前方构筑拱形刚性体，减轻传到掌子面和支护上的荷载，控制开挖引起的变形；轻传到掌子面和支护上的荷载，控制开挖引起的变形；因采用高压旋喷，形成改良的、强度高的改良体；因采用高压旋喷，形成改良的、强度高的改良体；因采用专门机械施工，施工速度快。因采用专门机械施工，施工速度快。因从洞内施工，钻孔应以较小角度沿外轮廓施设。纵向因从洞内施工，钻孔应以较小角度沿外轮廓施设。纵向的施工间隔，因采用高压旋喷，最好按机械的适用范围采用，的施工间隔，因采用高压旋喷，最好按机械的适用范围采用，如采用日

38、本的如采用日本的SR11或或SR510时，其长度分别为时，其长度分别为11m和和18m，这样，改良体的范围约为，这样，改良体的范围约为814m。改良体的搭接长度。改良体的搭接长度不宜小于不宜小于1.0m。横向间隔，以相互间能相互形成拱形结构体。横向间隔，以相互间能相互形成拱形结构体为原则，通常，视围岩状况，采用为原则，通常，视围岩状况，采用4060cm左右。图左右。图8是某是某一隧道采用旋喷压注工法的模式例，该隧道是在砂层中通过一隧道采用旋喷压注工法的模式例，该隧道是在砂层中通过的，埋深为的，埋深为157m不等。在隧道拱部形成约不等。在隧道拱部形成约60 的拱形预衬的拱形预衬砌。砌。表表1是施

39、工规格和水泥浆配比。是施工规格和水泥浆配比。采用水平喷射法进行超前加固地层。成桩直径约采用水平喷射法进行超前加固地层。成桩直径约650700mm，间距，间距600mm，超前长度，超前长度12.5m。如图。如图9所示。所示。图图8 高压旋喷工法模式例高压旋喷工法模式例 表表1施工施工规规格和配比格和配比施施工工规规格格项项目目规规格格喷喷嘴嘴1.8mm2喷喷射射压压力力400kgf/cm2喷喷射量射量310340l/m配配比比水泥水泥760kg超高超高压压用流化用流化剂剂12kg水水750l图图9 9水平水平喷喷射法射法 高压喷射搅拌工法是采用高压喷流切削围岩，将开挖的高压喷射搅拌工法是采用高压

40、喷流切削围岩，将开挖的土砂和硬化剂置换或混合搅拌，在计划范围内形成圆柱形的土砂和硬化剂置换或混合搅拌，在计划范围内形成圆柱形的改良体的方法。通常与压注法的目的一样，但需要更大的强改良体的方法。通常与压注法的目的一样，但需要更大的强度和止水性的场合采用。度和止水性的场合采用。有只用超高压水和超高压硬化剂切削围岩的方法与空气有只用超高压水和超高压硬化剂切削围岩的方法与空气并用的方法。用高压空气的方法有采用空气和超高压硬化剂并用的方法。用高压空气的方法有采用空气和超高压硬化剂切削和高压充填的双重管法，以及采用超高压水和高压空气切削和高压充填的双重管法，以及采用超高压水和高压空气切削围岩，切削部用硬化

41、剂高压充填的三重管的方法。切削围岩，切削部用硬化剂高压充填的三重管的方法。、预衬砌法、预衬砌法预衬砌法是超前支护的一种方法。在开挖前，先沿隧道预衬砌法是超前支护的一种方法。在开挖前，先沿隧道外周开挖一厚约外周开挖一厚约2050cm的拱形槽，开挖后或开挖的同时，的拱形槽，开挖后或开挖的同时，向槽内充填混凝土，形成一个连续的、刚性很大的拱壳，谓向槽内充填混凝土，形成一个连续的、刚性很大的拱壳，谓之预衬砌。通常纵向长度约之预衬砌。通常纵向长度约5m。此方法在土砂等围岩强度极。此方法在土砂等围岩强度极低的地层，埋深小需要控制地表下沉的场合以及接近重要结低的地层，埋深小需要控制地表下沉的场合以及接近重要

42、结构物的场合采用是极为有效的方法。拱形槽的开挖要采用专构物的场合采用是极为有效的方法。拱形槽的开挖要采用专用的链式切削机（图用的链式切削机（图10）或多轴钻机（图）或多轴钻机（图11）进行。）进行。图图10链式切削机开挖链式切削机开挖图图11多轴钻机开挖多轴钻机开挖 四、断面及时封闭（闭合）四、断面及时封闭（闭合）在软弱围岩中，断面及时闭合是成功的关键，许多工程实在软弱围岩中，断面及时闭合是成功的关键，许多工程实践，都充分地证实了这一点。我们在这方面的教训也是深刻的。践，都充分地证实了这一点。我们在这方面的教训也是深刻的。在任何情况下，使隧道断面能在较短时间内闭合是极为重在任何情况下，使隧道断

43、面能在较短时间内闭合是极为重要的，在岩石隧道中，因围岩的结构作用，能要的，在岩石隧道中，因围岩的结构作用，能“自封闭自封闭”；而；而在软弱、土砂围岩中，则必需改变在软弱、土砂围岩中，则必需改变“重视上部支护、忽视断面重视上部支护、忽视断面闭合闭合”的做法。断面及时封闭的方法视施工方法而异，下面分的做法。断面及时封闭的方法视施工方法而异，下面分种情况加以说明。种情况加以说明。1、临时仰拱、临时仰拱在台阶法中，常常采用修筑临时仰拱的方法，如图。在台阶法中，常常采用修筑临时仰拱的方法，如图。图图1临时临时仰拱施工例仰拱施工例 2、加强底部、加强底部也可以采用加强底部的方法，如加强基脚、向底部地层也可

44、以采用加强底部的方法，如加强基脚、向底部地层注浆或设置底部锚杆等。为了控制上部断面的下沉，并确保注浆或设置底部锚杆等。为了控制上部断面的下沉，并确保底脚处的承载力，设置了钢管桩。如图底脚处的承载力，设置了钢管桩。如图2所示。其最大轴力是所示。其最大轴力是800kN。图图2 2底脚加固底脚加固 也可以用高压喷射搅拌方法加固掌子面前方的地层和底脚也可以用高压喷射搅拌方法加固掌子面前方的地层和底脚的地层，如图的地层，如图3和图和图4所示。所示。图图3底部加固底部加固图图4各种加固方法的应用各种加固方法的应用 3、改变施工方法、改变施工方法如将全断面法该为超短台阶法，或将如将全断面法该为超短台阶法，或

45、将CD法该为法该为CRD法等，法等，也可以大大缩短断面封闭时间。也可以大大缩短断面封闭时间。【例一例一】全断面法超短台阶法全断面法超短台阶法宝中线上的大寨岭隧道全长宝中线上的大寨岭隧道全长3136m，最大埋深约，最大埋深约170m。隧。隧道穿越大寨黄土塬，进口位于洞沟旁居民的窑洞下面，出口位道穿越大寨黄土塬，进口位于洞沟旁居民的窑洞下面，出口位于三岔沟右岸两条冲沟交汇处的小土梁下。于三岔沟右岸两条冲沟交汇处的小土梁下。隧道穿越黄土梁，洞身除出口约隧道穿越黄土梁，洞身除出口约80m范围为范围为Q2老黄土地层老黄土地层外，其余均为外，其余均为Q1砂粘土地层，砂粘土地层，Q1砂粘土结构紧密，质地坚硬

46、，砂粘土结构紧密，质地坚硬，硬塑，天然含水量硬塑，天然含水量14.926。隧道围岩分类为。隧道围岩分类为、V类。类。隧道采用复合衬砌，初期支护及二次衬砌的有关设计参数隧道采用复合衬砌，初期支护及二次衬砌的有关设计参数如表如表1。表表1大寨岭隧道施工大寨岭隧道施工设计设计参数表参数表起起止止里里程程DK159十十632DK159十十850DK159+850DK162+450DK162+450DIkl62十十768备备注注围围岩岩级别级别长长度度V级级218m级级2600mV级级318m初初期期支支护护C20喷喷混凝土混凝土厚度厚度15cm10cm15cm66(环环纵纵)钢钢筋网筋网拱拱墙设墙设拱

47、拱墙设墙设拱拱墙设墙设网格网格20cm20cm22锚锚杆杆L=2.5m100cm80cm(环环纵纵)L=2.0m120cm100cm(环环纵纵)L=2.5m100cm80cm(环环纵纵)系系统锚统锚杆杆V级级24.4根根m级级16.5根根m二二次次衬衬砌砌拱拱墙墙C20素混素混凝土厚度凝土厚度35cm30cm35cm仰拱仰拱C15混凝混凝土厚度土厚度40cm35cm40cm仰拱仰拱C20混凝混凝土厚度土厚度(长长63m)40cm无无(长长18m)40cm预预留留变变形量形量10cm7cm10cm 隧道进、出口分别于隧道进、出口分别于1990年年12月月20日及日及25日开工，进口居日开工，进口

48、居民窑洞室内地坪距洞顶开挖线仅民窑洞室内地坪距洞顶开挖线仅2.5m，进深，进深27m处，洞顶埋深处，洞顶埋深20m；出口洞顶埋深；出口洞顶埋深8.0m，进深，进深30m处埋深处埋深18.0m，两口进洞，两口进洞段均属浅埋地段。段均属浅埋地段。施工时先对洞顶施工时先对洞顶2倍洞径范围设地表予加固锚杆，锚杆长倍洞径范围设地表予加固锚杆，锚杆长L=3.5m，间距，间距1.0ml.0m交错排列，洞门仰坡刷至起拱线后，交错排列，洞门仰坡刷至起拱线后，沿洞体开挖线外沿洞体开挖线外0.2m设双层水平超前锚杆长设双层水平超前锚杆长3.5m，锚杆尾端用，锚杆尾端用环筋联结成支承构架，按先拱后墙法完成了洞口段的施

49、工，洞环筋联结成支承构架，按先拱后墙法完成了洞口段的施工，洞身地段按短台阶法施工，上台阶用风镐开挖，架子车运土倒在身地段按短台阶法施工，上台阶用风镐开挖，架子车运土倒在下台阶，下台阶以下台阶，下台阶以0.6m3电动反铲电动反铲(WY60A)控装，配合控装，配合3m3梭矿梭矿有轨运输，自制构件衬砌台车进行二次衬砌，每有轨运输，自制构件衬砌台车进行二次衬砌，每12小时完成一小时完成一个开挖、出碴、喷锚、仰拱开挖灌注作业循环，每天基本完成个开挖、出碴、喷锚、仰拱开挖灌注作业循环，每天基本完成二个循环，施工作业程序如图二个循环，施工作业程序如图5所示。所示。图图5隧道施工作业程序图隧道施工作业程序图

50、根据施工量测得到的数据进行分析，判断施工设计的初期根据施工量测得到的数据进行分析，判断施工设计的初期支护参数，不能抑制围岩变形，围岩与初期支护变形无稳定趋支护参数，不能抑制围岩变形，围岩与初期支护变形无稳定趋势，经多次研究，对初期支护进行多次修改与调整。如进口段势，经多次研究，对初期支护进行多次修改与调整。如进口段的的V级围岩地段初期支护参数，调整为预留变形量级围岩地段初期支护参数，调整为预留变形量100mm，锚，锚杆长由杆长由2.0m改为改为2.5m，间距由，间距由1.2ml.0m改为改为1.0ml.0m(环环纵纵)，喷层厚度改为，喷层厚度改为15cm，增设格栅等，并采用硫铝酸盐早强水，增设