隧道开挖

机械预切槽法的优点 ①可减轻在硬岩爆破时，振动的扩展；②在作
业面开挖前，快速建成一临时的整体弧形拱， 从而减小围岩变形与地表沉陷；③为人员和设 备提供清洁、安全的工作条件；④有利于作业 全过程的工业化及机械化，从而使进度快速均 衡，适应性增强，大大节约了成本。机械预切 槽法在硬岩地层中应用的最大弱点是推进速度 慢，较适合用于市区隧道工程、松散地层和大 断面隧道。

钻孔 15°
小导管
钢支撑
0.2m
a<40cm 管箍(φ6钢筋加焊) r r φ25~35mm有缝钢管
b (取30cm)
1.5m不钻孔
出浆孔 3.5~6.0m
0.2m
(1)基本原理及注浆范围
小导管常与格栅钢架共同组成支护系统。小导 管起双重作用：一是起超前管棚作用，二是起 注浆管的作用，通过注浆，加固软弱围岩。 浆液扩散半径的确定：扩散半径不是浆液在地 层中扩散的最远距离，而是指浆液能符合设计 要求的扩散距离。考虑到注浆扩散范围相互重 叠的情况，可按下式计算：R=(0.6~0.7)L0 ，其 中L0为导管中心间距(m)。
(2)注浆材料
断层破碎带及砂卵石地层，当裂隙宽度（或粒 径）大于１mm或渗透系数大于5×10-4m/s时， 应采用料源广且价格便宜的注浆材料。一般对 于无水的松散地层，宜优先选用单液水泥浆； 对于有水的强渗透地层，则宜选用水泥－水玻 璃双浆液，以控制注浆范围。 细、粉砂层、断层带，当裂隙宽度(或粒径)小 于1mm，或渗透系数k≥10-４m/s时，注浆材料 宜优先选用水玻璃类和木胺类或超细水泥浆液。
(2Байду номын сангаас施工工艺
材料加工与锚孔布置：锚杆除锈调直；按设计 标孔位。 钻孔：准确控制外插角，以防增加超欠挖。 注浆：先用水和稀浆湿润管路，再开始注浆。 插入锚杆：迅速将锚杆插入眼孔，并用锤击方 法插至孔底，再用木楔堵塞孔口，防止砂浆流 失。 清洗整理注浆用具：除掉砂浆，以备下一循环 使用。
2 超前小导管
(2)施工工艺



工作室施工：隧道开挖至设计工作室里程后， 将隧道标准断面扩大到管棚工作室断面。 预制导向架，安装导向管：架立导向架，并按 设计角度将导向管焊接到导向架上，确认无误 后，封堵导向管管口加以保护，再用喷射混凝 土将导向架与工作室构成整体。 工作面处理：掌子面上挂网喷混凝土，封闭掌 子面，并作为注浆的止浆墙，确保管棚施工中 工作面安全。

注浆结束后，应做一定数量的钻孔检查或用 声波探测仪检查注浆效果，如未达到要求， 应进行补注浆。 注浆后应视浆液种类，等待4h (水泥－水玻 璃浆)~8 h(水泥浆)方可开挖，开挖长度应按 设计循环进尺的规定，以保留一定长度的止 浆墙。

(4)特点
超前小导管施工简易，应急速度快，比超前 锚杆支护能力大； 比管棚简单易行、灵活、经济、施工速度快， 但支护能力较弱； 格栅内空间被喷射混凝土充填，其表面被覆 盖，所形成的初期支护具有较强的承载能力， 并有一定的防水性能； 与围岩紧密粘结，形成一个刚度较接近的共 同变形体，易形成有效的压力拱，使隧道结 构受力条件趋于合理。
6.1 国外管幕技术的发展

美国是最早采用管幕技术的国家，在1922~1947年 间，美国采用管幕法累计完成铺管工程830项，铺 管总长度16800m。20世纪50年代开始长距离管幕， 20世纪70年代出现了小口径管幕，以1977~1984年 下水道敷设看，短距离、手挖式的一次顶进方法占 半数以上，长距离的管幕施工方法、半盾构方法则 逐渐增加。美国1990年以前是液压管幕占主导，随 着气动钢管顶打技术出现，迅速发展并取代液压， 液压管幕已由1990年的80%迅速降为1994年的40%。





钻机就位：用仪器量测导向管，固定钻杆转轴， 使之与钻杆共线。 钻孔：用低档开钻，钻到一定深时，接杆继续 钻进，经常复核钻孔角度，确保钻孔方向，若 发现偏斜，及时高速处理。 插入导管：插前应对每个钻孔的管子配管编号， 保证同一断面上钢管接头数≤50%。 孔口密封处理：注浆前对管口与孔口间空隙密 封，防止水泥浆外渗。 导管注浆：通过注浆，即可增强导管刚度，又 可使浆液渗入周围地层，加固地层。

（a）意大利产重型水平选喷钻机
（b）1983年研制的轻型水平选喷钻机
（c）三一重工2008年产中型水平选喷钻机
4 械预切槽法

机械预切槽法首次应用于20世纪70年代法国巴 黎快速轨道运动系统的一个车站的建造工程中。 它是利用专业的切槽机械，沿隧道外轮廓切割 一定深度的切槽。切槽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，主要起隔振或减振的目的。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。

机械切槽预支护，在国外已有多次成功应用的 实例，取得了较好的经济和社会效益。在国内， 软岩锯式切槽机尚在研制当中。
作业过程如下： 用预切槽锯沿隧道外廓弧形拱深切一宽15~30cm、 长约5m的切槽。 在切槽内立即填充高强度喷射混凝土，形成长 3~5m的整体连续拱，两次连续拱的搭接长度为 0.5~2.0m，视围岩的不同而定。 在安全稳定的作业环境下，用挖掘机或臂式掘进 机开挖前作业面。自卸汽车或翻斗车可穿行于预 切槽机内。 必要时，作业面装以玻璃纤维锚杆，以稳定作业 面。随后在作业面上喷混凝土。 紧随其后，安装隧道防水层，进行二次衬砌。
(3)技术特点


大管棚刚度大、结构强度高、所形成的拱棚承 载能力强； 一次支护长度大，可以减少超前支护的次数， 缩短施工时间； 由工程经验得知，大管棚预注浆支护效果可靠， 劳动消耗量相对较少，虽然材料费用要高些， 但安全系数也能相对提高，可望能有效地保持 隧道周边围岩的稳定，提高施工安全。
6 管幕预支护技术

注浆量确定：先计算出单孔注浆量，然后乘以 注浆管数即可得：
Q NR Ln (1 )
2
式中，Q——注浆量(m3)；
N——注浆管数量(个)； R——浆液扩散半径(m)；L——注浆长度(m)； n——围岩孔隙率(%)； α——浆液充填系数，一般取0.7~0.9； β——注浆材料损耗系数，常取0.1左右。

各种浆材的适用范围
系别 浆液类别 单液水泥类 水泥粘土类 无机系 水泥-水玻璃类 水玻璃类 粘土类 超细水泥类 丙烯酰胺类 木质素类 有机系 脲醛树脂类 聚氨脂类 糠醛树脂类 改性环氧树脂类 粒径/mm 渗透系数/cm·s-1 10 10-1 4 10-2 2 0.5 0.25 10-3 0.05 10-4 0.005 10-6 砾石 大 中 小 粗 砂粒 中 细 粉粒 粘粒

仰角的确定:因土层松软及钻杆重力，管棚在钻进 过程中要发生向下弯曲，在开孔钻进时要有一定 的上仰角度。如果上仰角度过小，管棚会因向下 弯曲而进入隧道区域，在隧道掘进时需要将钢管 割去，从而严重影响隧道掘进速度和安全；如果 上仰角度过大，使管棚远离隧道外径而失去支护 作用，而且使管棚有效支护长度缩短。为此需要 选择合适的管棚上仰角度(一般1~5° )。
采用水泥浆液时，水灰比可采用0.5:1~1:1， 需缩短凝结时间，则可加入氯盐、三乙醇胺 速凝剂。 采用水泥－水玻璃浆液时，水泥浆的水灰比 可用0.5:1~1:1；水玻璃浓度为25~40º Be，水 泥浆与水玻璃的体积比宜为1:1~1:0.3。

(3)注浆
孔口最高压力应严格控制在允许范围内，以防 压裂开挖面，注浆压力一般为0.5~1.0MPa，止 浆塞应能经受注浆压力。注浆压力与地层条件 及注浆范围要求有关，一般要求单管注浆能扩 散到管周0.5~1.0m的半径范围内。 要控制注浆量，即每根导管内已达到规定注入 量时，就可结束；若孔口压力已达到规定压力 值，但注入量仍不足，亦应停止注浆。
第三讲
隧道预支护技术
李文江 石家庄铁道学院
超前预支护技术在破碎或松散地层、自 稳能力差的隧道施工中被广泛采用。所谓的 超前预支护，就是隧道开挖之前，在掌子面 前方的自然地层设置一个像拱壳的连续体， 使其既加固掌子面前方的自然地层，同时利 用初期支护又保持自然地层的特性，从而保 证掌子面及地层的稳定，减少地表沉降量。 早期的隧道施工，预支护的形式主要为打插 钢板、木板或型钢，即所谓的插板法。现代 常用的超前预支护方法有超前锚杆、超前小 导管、水平旋喷注浆、机械预切槽法和超前 管棚法。
旋喷柱体沿隧道拱部形成环向咬合、纵向搭接的 预支护拱棚，在松散不稳定地层隧道中，可有效 控制坍塌和地层变形。水平旋喷注浆桩的应用在 我国还不是很广，旋喷桩抗弯性能不强，施工控 制的难度较大，特别是目前我国的水平旋喷钻机 性能尚未过关，制约了水平旋喷预支护技术的应 用和发展。 它主要适用于粘性土、砂类土、淤泥等地层。

3 水平旋喷注浆

喷射注浆法，又称旋喷法，分为垂直和水平 旋喷注浆两种方法。水平旋喷注浆的施工原 理类似于垂直旋喷注浆，只是一个为水平一 个为垂直。其施工方法为，首先使用旋喷注 浆机，沿着隧道掌子面周边的设计位置旋喷 注浆形成旋喷柱体，通过固结体的相互咬合 形成预支护拱棚。

一般每根旋喷体，首先通过水平钻机成孔，钻 到设计位置以后，随着钻杆的退出，用水泥浆 或水泥－水玻璃双浆液旋喷注入钻成的孔腔， 通过高压射流切割腔壁土体，被切割下的土体 与浆液搅拌混合、固结形成直径600mm左右的固 结体，同时周围地层受到压缩和固结，其土体 的物理力学性能得到一定程度的改善。
超前小导管与超前锚杆所不同的是将钢筋杆体 改为空心钢管，通常管径36~50mm，管壁预留 注浆孔，管口止浆封面后，注入水泥浆。压力 注浆渗透扩散管周较大的砂土体。管周注浆固 结体形成一定厚度的隧道加固圈后，实现超前 支护的目的。 该方法工艺简单，造价低，特别是砂、土质松 软地层中，应用十分广泛。但因其一次施作距 离短，预支护刚度小，在地层压力大，地层位 移控制要求严时，也限制了它的应用。
1 超前锚杆
超前锚杆是沿隧道开挖面外轮廓钻孔，插 入钢筋杆体并用水泥砂浆使杆体与围岩固结 成整体。
超前锚杆
隧道开挖后，杆体及周边固结的部分围岩 支承上覆岩土体，防止围岩坍塌，减少洞室 变形。在破碎岩石地层中，该方法工艺简单， 造价低，应用十分广泛。在砂土质松软地层 中，因砂浆与粘土体粘结力较低，限制了应 用；同时因为一次施作距离短，预支护刚度 小，在地应力较大、地层位移控制严时，也 限制了它的使用。
a)管棚的环向布置
b)管棚钢管纵向错接
c)钢管端部横向联接
(1)支护参数的选择


钢管型号的选择：根据实际地层和技术经济因素 分析，土体凝聚力较高的粘性土，可选取φ89mm； 一般土层在多数情况下选取φ108mm型钢管。 间距的选择：对于松散地层，钢管间距应适当缩 小，考虑钻进等因素，选择间距在0.1~0.2m为宜； 一般地层选择间距为0.3~0.4m；土体凝聚力较高 的粘性土也可适当加大。
(1)布置原则 超前锚杆的安装必须作为开挖循环的一个组 成部分来完成，旨在作为超前预支护及加固 岩体的作用。 超前锚杆的设置充分考虑岩体的结构面特性 和围岩地质情况。 超前锚杆外插角：10~30°。 超前锚杆纵向两排的水平投影应有不小于 100cm的搭接长度。 超前锚杆尾端一般焊接在钢拱架上，以增强 共同支护作用。
5 超前管棚

大管棚(一般管径70~180mm，长度10~30m)是 指开挖掘进前在隧道开挖工作面的上半断面 (呈扇形)或全部沿隧道断面周边间隔一定距离 用大型水平钻机钻孔，钢管跟入或向孔内压入 钢管而形成钢管群体。为提高钢管刚度常向管 内灌注混凝土或钢筋笼混凝土。由于一次施作 距离大，支护刚度大，它能有效控制土质围岩 的下沉松驰和坍塌，好地控制地表沉降量，在 城市地铁施工中广泛应用。


支护掘进步距的选择：管棚支护掘进步距过小， 会增加工序转换时间，影响施工效率；管棚支 护掘进步距过大，又可能会产生塌帮等安全事 故，根据实际地质条件，掘进步距应确定在 1.0~2.0m。 支护长度的选择:管棚支护长度越长，越能节省 辅助时间，提高施工效率，但是由于受到钻孔 机具、钻进技术和钢管柔性弯曲等条件限制， 如果管棚支护长度过长，就很难确保管棚的水 平角度和排列整齐，从而影响施工质量，一般 根据不同地质条件管棚支护长度选择为10~30m。