3-隧道预加固原理和应用.

隧道预加固技术湖北宜万铁路最长的隧道野三关隧道内容•预加固措施•管棚超前支护原理与应用•小导管注浆原理与应用•开挖面超前帷幕注浆原理与应用•其它何谓预加固？在软弱围岩隧道开挖中，为防止隧道崩塌、围岩松弛、地表沉陷等，在开挖前对掌子面进行加固或从地表对隧道开挖前方的岩体进行加固的工程措施。预加固措施不同埋深时掌子面的破坏状态掌子面破坏未支护段破坏未支护段与掌子面同时破坏典型掌子面崩塌预加固措施为什么要进行预加固？稳定掌子面；控制地层松弛，减少支护荷载；控制围岩变形等。预加固措施预加固措施目的围岩情况稳定掌子面控制地表下沉临近施工硬岩软岩干砂超前加固金属锚杆√√小导管√√√√√管棚√√√√√水平旋喷√√√√预衬砌√√√√正面加固喷混凝土√√√玻璃纤维锚杆√√临时仰拱√√√基脚锚杆√√√涌水处理排水坑√√√排水钻孔√√井点或洞内降水√√围岩加固井点或洞内降水√√地表压浆√√√√√√地表垂向锚杆√√隔断墙√√√预加固措施－有哪些？隧道施工中常用预加固措施，包括：管棚工法注浆工法小导管超前预注浆；超前帷幕注浆；径向注浆地表旋喷桩加固；地表钢管桩注浆；水平高压旋喷法；冷冻法；垂直锚杆法；隔断墙法；预衬砌（预切槽）法等。预加固措施管棚工法：管棚工法是在隧道开挖之前沿隧道开挖面内轮廓，以一定间隔与隧道平行钻孔、插入钢管，再从插入的钢管内压注充填水泥浆或砂浆，来增加钢管外围岩的抗剪强度，并使钢管与围岩一体化，由管棚与围岩构成棚架体系。管棚超前支护管棚的工作原理：梁效应。形成梁式结构，防止围岩崩塌和松弛；加强效应。提高钢管周围围岩的强度和刚度；管棚超前支护长管棚的布设：•在隧道洞口、浅埋段、拱顶地质松软易塌落、下穿公路与建筑物、地表沉降要求严格的地段，沿着隧道断面周边的一部分或全部，以一定的间距环向布设，以形成管棚群；•沿周边布设的长度及形状,主要取决于地形、地层以及地中或地面和周围建(构)筑物的状况。管棚超前支护管棚的布设形式管棚超前支护(a)扇形布设；(b)半圆形布设；(c)门型布设；(d)全周布设；(e)上部双层布设；(f)上部一侧布设；(g)一字形布设长管棚的布设形式①扇形布设:用于隧道断面内地层比较稳定,但拱部附近的地层不稳定的场合。②半圆形布设:用于隧道下半部地层稳定,但起拱线以上的地层不稳定的场合。③门形布设:隧道基础稳定,但边墙和拱部不稳定时。④全周布设:用于软弱地层或膨胀性、挤出性围岩等。⑤上部一侧布设:隧道一侧有公路、铁路、重要结构物等需防护,或斜坡地形可能形成偏压时采用。⑥上部双层布设:用于隧道上部有重要设施,拱部地层不稳定的地段,或地铁车站等大断面地铁施工时。⑦一字形布设:在铁路、公路正下方施工,或在某些结构物下方施工时采用。管棚超前支护管棚超前支护参数的选择•钢管的选择：–从确保管棚施工质量出发,管棚长度一般为10～35m不等,最近也有管棚一次施工长度超过100m的记录。–采用长管棚超前支护施工时,管棚一般选用Φ70～180mm的焊接钢管,入土端制作成尖靴状或楔形,顶进端焊一圈Φ8mm圆钢筋箍。对于特殊地段,可采用长大管棚,大直径钢管多为Φ300～500mm。管棚超前支护钢管环向布设间距的选择：–钢管环向布设间距对防止上方土体塌落及松弛有很大影响,施工中须根据结构埋深、地层情况、周围结构物状况等合理选择；–一般采用的间距为2.0～2.5倍钢管直径；–在铁路、公路正下方施工时,要采用刚度大的大中直径钢管连续布设。管棚超前支护管棚超前支护施工管棚法的施工工艺流程为:设置管棚基地→水平钻孔→压入钢管→向钢管内或管周圈土体注浆→管棚支护条件下进行开挖。如隧道内的岩土层结构松软,或有破碎带,或自承力很低,可再提高管棚的支承力及侧墙的承载力,包括在管棚间的缝隙打上顶板锚杆或扇状锚杆、管棚孔内安放小钢筋笼。管棚超前支护管棚超前支护中壁法施工典型支护图注浆法是将注浆材料按一定配合比制成的浆液,通过一定的方式压入隧道围岩或衬砌背后的空隙中,经凝结、硬化后起到堵水和加固围岩作用的一种辅助施工方法。注浆方法包括:小导管超前预注浆工法;超前帷幕注浆工法;径向局部注浆工法;地表旋喷桩加固工法；水平高压旋喷法，等。注浆法施做方法：隧道周围小导管注浆，是在开挖面前方，沿开挖面的拱部外周打入直径为38～70mm的钢管，压注浆液，开挖时用钢架支护等支承这种钢管。作用：起到稳定开挖面和止水作用；起到超前管棚支护作用；同时，拱脚径向小导管注浆法还具有锁脚锚杆的功能，对防止正台阶落底时的下沉非常有利。小导管预注浆工法优点：该工法具有施工设备少、工艺简单、成本低、质量可靠、安全等特点。小导管预注浆工法注浆小导管用风镐打入。小导管预注浆工法适用范围：小导管预注浆法适用于拱顶薄层松软带、断层破碎带、有地下水影响的地质不稳定、易于塌落掉块的Ⅳ、Ⅴ级围岩隧道段,它常同台阶法施工配合使用。注浆压力一般控制在0.5～1.0MPa之间小导管预注浆参数：•注浆小导管采用Φ32～50mm的焊接钢管制成，导管沿掘进面的上半断面轮廓线布置，间距0.2～0.3m，仰角控制在10o～15o。•注浆小导管管头为25o～30o的锥体，管长3.0～3.5m，其中端头花管长2.0~2.5m，花管部分钻有Φ6～10mm的孔眼，每排4个孔，交叉排列，间距10～20cmm左右。围岩预加固和预支护帷幕注浆是在隧道开挖前，为了固结围岩，填充空隙或堵水而沿着开挖面及周围进行的注浆。帷幕注浆工法主要适用于极软弱围岩、大的富水断层破碎带、地下水发育可能引起大量地下水流失的隧道。帷幕注浆工法全断面超前帷幕注浆开挖边界Ⅰ序孔Ⅱ序孔补强灌浆孔灌浆理论有效范围包络线掌子面出水管道或裂隙封堵深部来水的灌浆孔开挖边界Ⅰ序孔Ⅱ序孔补强灌浆孔灌浆理论有效范围包络线掌子面出水管道或裂隙封堵深部来水的灌浆孔局部超前帷幕注浆帷幕注浆工法高压断层涌水的局部超前预灌浆帷幕注浆工法对于开挖断面较大的双线隧道或跨度较大的渡线隧道，因注浆小导管加固范围有限，故一般采用开挖面深孔注浆。对于70～100m2断面的隧道可布置12~18个注浆孔，其中15m左右的长孔布置6~11个，5m左右的短孔布置6~7个，并采用隔孔注浆的方法。开挖面深孔注浆工法径向注浆是在隧道开挖后,沿隧道径向进行的钻孔注浆。径向注浆工法主要适用于封堵隧道周边局部股流或小面积渗水以及固结局部围岩。径向注浆工法径向封堵灌浆径向封堵灌浆是指高压大流量地下水被揭露后，对出水点进行封堵。处理处理顺序非常重要：“先易后难、先引后堵、宜先拱顶后边墙再底板、局部集中处理；兼顾及其它部位系统处理，综合治理”。径向封堵灌浆径向封堵灌浆工艺要求:以砂浆和水泥浆及惰性材料为主，按先粗后细、先浓后稀浆的原则灌注。孔口管是确保灌浆顺利的关键工艺。强富水区封堵前涌水情况强富水区封堵后效果情况强富水区灌前强富水区灌后强富水区底板灌后强富水区底板灌前径向封堵灌浆岩溶地下水处理小厅堂式溶洞岩溶管道涌水水压较高时封堵比较困难，此时可使用模袋、索囊技术，采用水泥砂浆灌注，压力略大于水压力即可。岩溶地下水处理模袋与索囊是由特殊的纺织工艺织成，使用的基本材料为尼龙、聚酯或聚丙烯等材料。织物的强度高，灌注时具有一定的渗水性而不漏水泥。通过试验发现有其独特的优点：－灌注成型，施工简便、速度快，且耐高速水流(15m/s)，在高速水流下，保证水泥不分散，不被冲走；－具有一定的透水性，在混凝土或水泥砂浆灌入以后，多余的水分通过织物空隙渗出，可以迅速降低水灰比，加快混凝土的凝固速度，增加混凝土的抗压强度。水泥浆经模袋析水后，不但硬化速度加快，而且固化强度提高。岩溶地下水处理模袋材料由于具有强度高、整体性和析水固结性能好、柔软可变形等特性，适合于大流量、高流速情况下的堵水。因此，它非常适合辅助洞串珠状溶蚀孔洞、溶蚀管道以及溶洞群和厅堂式洞穴等较大规模的岩溶危害的处理。索囊的原理与模袋类似，是微缩版的模袋，主要针对溶蚀裂隙、溶蚀宽缝、串珠状溶蚀孔洞等小型的漏水体系。岩溶地下水处理安放带灌浆管的模袋(5)灌浆管灌浆(6)固定模袋支撑(4)锚杆带灌浆加固围岩(1)施工泄水孔(2)灌浆作业(8)溶洞侧壁安装排水管(3)(灌浆作业(7)锚杆带灌浆加固围岩(1)地下水流溶洞关键：1、随模袋灌浆，模袋逐渐彭胀充填溶洞口；同时工序（3）和工序（2）水量变大、压力上升；2、灌浆工序（7）随灌浆进展，工序（2）水量变大，压力上升；3、工序（8）最后封堵，逐渐无水，达到完全封堵的目的。定作模袋要适合溶洞或管道体积注意之一注意灌浆先后顺序及模袋闭浆注意之三注意之二：减压分流孔要截断前方突涌水点溶洞涌水模袋封堵索囊封堵封堵后钻孔取芯地表旋喷桩加固是指在需要进行加固的土体上方，从地表垂直钻设灌浆孔，高压注入空气、水及水泥浆，撕裂土体扩大灌浆范围，并利用水泥浆固结土壤，达到增加土壤自承力不足的作用。地表旋喷桩加固工法主要适用于软岩浅埋隧道、基础支承承载力不足、地下水位较高的明挖法围护结构的防水等。地表旋喷桩加固工法在未固结围岩,特别是城市的浅埋隧道,必须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；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泥浆的超前支护工法。水平高压旋喷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。水平高压旋喷法在掌子面与隧道轴线平行时,用特殊机械钻孔,同时向管体内高压喷射水泥浆液,形成直径50～70cm的圆柱体(桩)的工法。材料3天的强度可达8～10MPa，改善围岩的效果很好，是改善掌子自稳性和控制地表下沉的较好方法。但施工设备多,系统庞大。水平高压旋喷法常用的注浆浆液有：水泥浆液；超细水泥浆液；特种水泥浆液；水泥一水玻璃浆液；各种化学浆液(如铬木素、聚氨酯、丙凝)等。注浆材料在很大程度上直接影响到堵水防渗和固结的效果,并关系到注浆工艺、工期及工程费用。注浆材料注浆材料的要求:浆液在地层中要有良好的可灌性，即在一定的压力下，能渗到一定宽度的空隙和裂隙中；浆液凝胶时间可以调节；固化时收缩小，与岩石、混凝土、土壤等有一定的粘结力；固结后有一定的抗压、抗拉强度和抗渗性、耐久性；稳定性好，以免过早地发生沉淀，影响浆液的压注；为便于施工和增大浆液的扩散范围，浆液须具有良好的流动性；当地下水有侵蚀性时，应具有相应的耐侵蚀性；无毒或低毒，对环境污染小；注浆工艺简单,操作方便、安全。注浆材料地层条件方面的要求:断层破碎带和砂卵砾石层,当裂隙宽度(或粒径)大于1mm或渗透系数Κ≥5×10-4m/s时，加固或堵水注浆宜有限选用单液水泥浆和水泥一水玻璃浆。断层泥带,当裂隙宽度(或粒径)小于1mm或渗透系数Κ≥1×10-4m/s时,加固压浆宜有限选用水玻璃类。中、细、粉砂及细小类型岩层、断层泥段堵水压浆宜选用渗透性好、低毒、遇水膨胀的化学浆液，如聚氨酯类；对于颗粒更小的粘土层,采用水泥浆、水泥一水玻璃类,可在水泥浆中加人嘭润土、粉煤灰等填料,使浆液具有触变性能,并能防止材料的分离和水泥颗粒的沉淀。岩溶地段突泥、突水和裂隙较大的地质构造中,为堵塞突泥、涌水通道,在适应压浆设各条件下.可用劈裂法代替渗透法。注浆材料对于注浆浓度，在每段每次压浆时先稀后浓，同一分段多次压浆时则先浓后稀。一般水泥浆液起始浓度较高，特别在初期压浆阶段，因稀释浆液使结石率低，并增大扩散半径,延长压浆时间。常用的水泥浆液浓度为1.5:1～0.5:1。水泥浆液压浆过程中，某一种浓度级的吸浆率约为吸水率的80%～85%时,可以认为浓度适宜。在某一种浓度压力保持不变、吸浆率随压浆时间延长而逐渐减少,或吸浆率不变而压力却逐渐升高时,不需改变浆液浓度。遇有冒浆或岩层破碎带、大裂隙、裂隙发育地层时,应越级加浓,或采用间歇注浆、水泥一水玻璃双液注浆等措施。浆液浓度注浆压力影响注浆效果,其大小决定于涌水压力(开挖工作面静水压力、突水的动压力)、裂隙大小和粗糙度、浆