隧道施工预支护技术——高效预加固方法

隧道洞口段属于隧道施工的薄弱环节，进洞前往往需要预支护措施作为辅助施工。前面介绍的隧道开挖方法，基本上是假定开挖面（或称掌子面）岩体和开挖后的隧道围岩能够暂时稳定，不出现坍塌破坏的基本稳定岩体。但实际上这种假定只适用于稳定性较好的围岩，对于软弱破碎围岩则不然。在软弱破碎围岩中，即使是采取短进尺开挖，开挖面和开完后的隧道也不稳定。当地下水丰富时，这种情况就更为严重。在隧道工程历史中，隧道坍方的事例并不鲜见，造成了人、财、物的大量浪费。对于不稳定的岩体，掌子面前方围岩的预加固和预支护是控制和减少隧道开挖后周边收敛变形、防止坍塌的关键环节。

随着开挖技术、锚喷支护技术、地层改良技术的研究应用和发展，隧道工作者研究出了许多辅助稳定措施，从而使得现代隧道工程施工的开挖和支护变得更简捷、及时、有效，也更具有可预防性和安全性。

隧道施工中常用的辅助稳定措施如下：

上述辅助稳定措施的选用应视围岩地质条件、地下水情况、施工方法、环境要求等具体情况而定，并尽量与常规施工方法相结合，进行充分的技术经济比较，选择一种或几种同时使用。

（一）超前锚杆

1.构造组成

超前锚杆是指沿开挖轮廓线，以一定的外插角，向开挖面前方钻孔安装锚杆，形成对前方围岩的预锚固，在提前形成的围岩锚固圈的保护下进行开挖等作业（图4-3-2）。

图4-3-2　超前锚杆预锚固围岩

2.性能特点及适用条件

锚杆超前支护的柔性较大，整体刚度较小。它主要适用于地下水较少的破碎、软弱围岩的隧道工程中，如裂隙发育的岩体、断层破碎带、浅埋无显著偏压的隧道。采用风枪、凿岩机或专用的锚杆台车钻孔，锚固剂或砂浆锚固，其工艺简单、工效高。

3.设计、施工要点

（1）超前锚杆的长度、环向间距、外插角等参数，应视围岩地质条件、施工断面大小、开挖循环进尺和施工条件而定。一般超前长度为循环进尺的3～5倍，环向间距采用0.3～1.0m；外插角宜用10°～30°；搭接长度宜为超前长度的40%～60%左右，即大致形成双层或双排锚杆。

（2）超前锚杆宜用早强砂浆全黏结式锚杆，锚杆材料可用不小于φ22mm的螺纹钢筋。

（3）超前锚杆的安装误差，一般要求孔位偏差不超过10cm，外插角不超过1°～2°，锚入长度不小于设计长度的96%。

（4）开挖时应注意保留前方有一定长度的锚固区，以使超前锚杆的前端有一个稳定的支点。其尾端应尽可能多地与系统锚杆及钢筋网焊连。若掌子面出现滑坍现象，则应及时喷射混凝土封闭开挖面，并尽快打入下一排超前锚杆，然后才能继续开挖。

（5）开挖后应及时喷射混凝土，并尽快封闭环形初期支护。

（6）开挖过程中应密切注意观察锚杆变形及喷射混凝土层的开裂、起鼓等情况，以掌握围岩动态，及时调整开挖及支护参数，如遇地下水时，则可钻孔引排。

（二）管棚

1.构造组成

管棚是指利用钢拱架沿开挖轮廓线以较小的外插角、向开挖面前方打入钢管构成的棚架形成对开挖面前方围岩的预支护（图4-3-3）

图4-3-3　管棚预支护围岩（长管棚）

采用长度小于10m的钢管，称为短管棚；采用长度为10～45m且较粗的钢管，称为长管棚。

2.性能特点及适用条件

管棚因采用钢管或钢插板作纵向预支撑，又采用钢拱架作环向支撑，其整体刚度较大，对围岩变形的限制能力较强，且能提前承受早期围岩压力。因此管棚主要适用于围岩压力来得快来得大、对围岩变形及地表下沉有较严格要求的软弱、破碎围岩隧道工程中，如土砂质地层、强膨胀性地层、强流变性地层、裂隙发育的岩体、断层破碎带、浅埋有显著偏压等围岩的隧道中。此外，采用插板封闭较为有效；在地下水较多时，可利用钢管注浆堵水和加固围岩。

短管棚一次超前量少，基本上与开挖作业交替进行，占用循环时间较多，但钻孔安装或顶入安装较容易。

长管棚一次超前量大，虽然增加了单次钻孔或打入长钢管的作业时间，但减少了安装钢管的次数，减少了与开挖作业之间的干扰。在长钢管的有效超前区段内，基本上可以进行连续开挖，也更适于采用大中型机械进行大断面开挖。

3.施工要点

（1）管棚施工工艺流程如图4-3-4所示。管棚的各项技术参数要视围岩地质条件和施工条件而定。长管棚长度不宜小于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°。

图4-3-4　管棚施工工艺流程图

（2）两组管棚间的纵向搭接长度短管棚不小于1.5m，长管棚不小于3m；钢拱架常采用工字钢拱架或格栅钢架。

（3）钢拱架应安装稳固，其垂直度允许误差为+2°，中线及高程允许误差为士5cm。

（4）钻孔平面误差不大于15cm，角度误差不大于0.5°，钢管不得侵入开挖轮廓线。

（5）第一节钢管前端要加工成尖锥状，以利导向插入。要打一眼，装一管，由上而下顺序安装。

（6）长钢管应用4～6m的管节逐段接长，打入一节，再连接后一节，连接头应采用厚壁管箍，上满丝扣，丝扣长度应小于15cm；为保证受力的均匀性，钢管接头应纵向错开。

（7）当需增加管棚刚度时，可在安装好的钢管内注入水泥砂浆，一般在第一节管的前段管壁交错钻10～15mm孔若干，以利排气和出浆，或在管内安装出气导管，浆注满后方可停止压注。

（8）钻孔时如出现卡钻或坍孔，应注浆后再钻，有些土质地层则可直接将钢管顶入。

（三）超前注浆小导管

1.构造组成

超前注浆小导管是在开挖前，沿隧道周边，向前方围岩钻孔并安装带孔小导管，或直接打入带孔小导管，并通过小导管向围岩压注起胶结作用的浆液，待浆液硬化后，坑道周围岩体就形成了有一定厚度的加固圈。在此加固圈的保护下即可安全地进行开挖等作业（图4-3-5）。若小导管前端焊一个简易钻头，则可钻孔、插管一次完成，称为自进式注浆锚杆。

图4-3-5　超前小导管注浆预加固围岩

2.性能特点及适用条件

浆液被压注到岩体裂隙中并硬化后，不仅将岩石碎块胶结为整体起到了加固作用，而且填塞了裂隙，阻隔了地下水向坑道渗流的通道，起到了堵水作用。因此，超前注浆小导管不仅适用于一般软弱破碎围岩，也适用于含水的软弱破碎围岩。

3.小导管布置和安装

（1）小导管钻孔安装前，应对开挖面及5m范围内的坑道喷射5～10cm厚的混凝土封闭。

（2）小导管一般采用φ32mm的焊接管或φ40mm的无缝钢管制作，长度宜为3～6m，前端做成尖锥形，前段管壁上每隔10～20cm交错钻眼，眼孔直径宜为6～8mm。

（3）钻孔直径应较管径大35mm以上，环向间距应按地层条件而定，一般采用35～50cm；外插角应控制在3°～15°之间。(www.xing528.com)

（4）极破碎围岩或处理坍方时可采用双排管；地下水丰富的松软层，可采用双排以上的多排管；大断面或注浆效果差时，可采用双排管。

（5）小导管插入后应外露一定长度，以便连接注浆管，并用塑胶泥将导管周围孔隙封堵密实。

4.注浆材料

（1）注浆材料种类及适用条件

①在断层破碎带及砂卵石地层（裂隙宽度或颗粒粒径大于1mm，渗透系数k≥5×10-4m/s）等强渗透性地层中，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。

②断层带，当裂隙宽度（或粒径）小于1mm，或渗透系数k≥10-5m/s时，注浆材料宜优先选用水玻璃类和木胺类浆液。

③细、粉砂层、细小裂隙岩层及断层地段等弱渗透地层中，宜选用渗透性好、低毒及遇水膨胀的化学浆液，如聚胺酯类，或超细水泥浆。

④对于不透水的黏土层，则宜采用高压劈裂注浆。

（2）注浆材料的配比

注浆材料的配比应根据地层情况和胶凝时间要求，并经过试验而定。

①采用水泥浆液时，水灰比可采用0.5：1～1：1，需缩短凝结时间时，可加入氯盐、三乙醇胺速凝剂。

②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25～40°Be，水泥浆与水玻璃的体积比宜为1：1～1：0.3。

5.注浆

（1）注浆设备应性能良好，工作压力应满足注浆压力要求，并应进行现场试验运转。

（2）小导管注浆的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。

（3）要控制注浆量，即每根导管内达到规定注入量时就可结束；若孔口压力达到规定压力值，但注入量仍不足时，亦应停止注浆。

（4）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。

（5）注浆后应视浆液种类，等待4h（水泥-水玻璃浆）～8h（水泥浆）方可开挖，开挖长度不宜太长，以保留一定长度的止浆墙（亦即超前注浆的最短超前量）。

（四）超前深孔帷幕注浆

上述超前注浆小导管，对围岩加固的范围和止水的效果是有限的，作为软弱破碎围岩隧道施工的一项主要辅助措施，它占用的时间和循环次数较多。超前深孔帷幕注浆能较好地解决这些问题。注浆后即可形成较大范围的筒状封闭加固区，称为帷幕注浆。

按注浆机理可以分成如下四种。

（1）渗透注浆

对于破碎岩层、砂卵石层、中细砂层、粉砂层等有一定渗透性的地层，采用中低压力将浆液压注到地层中的空穴、裂缝、孔隙里，凝固后将岩土或土颗粒胶结为整体，以提高地层的稳定性和强度。

（2）劈裂注浆

对于颗粒更细的黏土质不透水（浆）地层，采用高压浆液强行挤压孔周，在注浆压力的作用下，浆液作用的周围土体被劈裂并形成裂缝，通过土体中形成的浆液脉状固结作用对黏土层起到挤压加固和增加高强夹层加固作用，以提高其强度和稳定性。

（3）压密注浆

即用浓稠的浆液注入土层中，使土体形成浆泡，向周围土层加压使土层得到加固。

（4）高压喷灌注浆

通过灌浆管在高压作用下，从管底部的特殊喷嘴中喷射出高速浆液射流，促使土粒在冲击力、离心力及重力作用下被切割破碎，随注浆管的向外抽出与浆液混合形成柱状固结体，以达到加固之目的。

深孔预注浆一般可超前开挖面30～50m，可以形成有相当厚度和较长区段的筒状加固区，从而使得堵水的效果更好，也使得注浆作业次数减少，它更适用于有压地下水及地下水丰富的地层中，也更适用于采用大中型机械化施工，如图4-3-6所示。

图4-3-6　超前深孔帷幕注浆

如果隧道埋深较浅，则注浆作业可在地面进行；对于深埋长大隧道可利用辅助平行导坑对主洞进行预注浆，这样都可以避免与主洞施工的干扰，缩短施工工期。

（五）水平旋喷预支护

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。20世纪70年代初期日本首次开发使用了这种地层加固技术。水平旋喷注浆法是在一般的初期导管注浆的基础上发展起来的，它以高压旋喷的方式压注水泥浆，从而在隧道开挖轮廓外形成拱形预衬砌的超前预支护方法。垂直旋喷注浆的施工原理类似于水平旋喷注浆，只是一个为水平，一个为垂直，我国垂直旋喷注浆技术已比较成熟。

目前，水平旋喷注浆技术在我国已初步获得应用，如神延铁路的沙哈拉茆隧道和宋家坪隧道。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。旋喷柱体的形成方法：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，用水泥浆或水泥一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。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。

目前采用旋喷加固土体主要问题是浆液流失较大，另外长距离水平旋喷方向性偏差。水平旋喷施工期间会有较大沉降，有时可超过10mm，但开挖时沉降较小，初支背后压浆亦少，对于个别点棚护不好时，可补打小导管注浆处理。

水平旋喷预支护的应用在我国还不是很广，旋喷柱体抗弯性能不强，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。

水平旋喷预支护主要适用于黏性土、沙类土、淤泥等地层。图4-3-7所示为水平旋喷工法的操作程序和旋喷柱布置。

图4-3-7　水平旋喷工法