第四節(jié)　隧道支護(hù)施工

一、隧道支護(hù)的作用及分類

隧道開挖后，為了有效地約束和控制圍巖的變形，增強圍巖的穩(wěn)定性，保證施工安全，以及為了確保運營過程中的穩(wěn)定、耐久，減少阻力和增強美觀，均需施作必要的結(jié)構(gòu)作為支護(hù)。

隧道支護(hù)分為超前支護(hù)（預(yù)支護(hù)）、初期支護(hù)和二次襯砌三種類型。本節(jié)主要介紹了超前支護(hù)（預(yù)支護(hù)）的相關(guān)內(nèi)容。

二、超前支護(hù)（預(yù)支護(hù)）的概念及分類

隧道在潛埋軟巖地段，自穩(wěn)性差的軟弱破碎圍巖、嚴(yán)重偏壓、巖溶泥流地段砂土層、斷層破碎帶以及大面積淋水涌水等地段施工時，常會發(fā)生開挖面（掌子面）圍巖失穩(wěn)，產(chǎn)生坍塌等現(xiàn)象，這不僅使圍巖條件更加惡化，甚至?xí)绊懙胶蠓降氖┳髦ёo(hù)部分的穩(wěn)定，或者波及地表沉陷。會給施工帶來極大困難，而且造成人力、物力、財力的大量消耗，并影響施工安全，延誤工期。為了避免這種情況，可在隧道開挖前采用輔助施工方法，對地層進(jìn)行預(yù)加固或止水，來加強隧道圍巖的穩(wěn)定。這種預(yù)加固或止水稱為超前支護(hù)（預(yù)支護(hù)）。

超前支護(hù)主要有超前錨桿、管棚、超前小導(dǎo)管注漿、超前深孔圍幕注漿四種。

三、超前錨桿

（一）構(gòu)造組成

超前錨桿是沿開挖輪廓線，以稍大的外插角，向開挖面前方安裝錨桿，形成對前方圍巖的預(yù)錨固，在提前形成的圍巖錨固圈的保護(hù)下進(jìn)行開挖等作業(yè)（圖2-26）。

（二）性能特點及適用條件

這類超前支護(hù)的柔性較大，整體剛度較小。雖然它們都可以與系統(tǒng)錨桿焊接以增強其整體性，但對圍巖應(yīng)力較大時，其后期支護(hù)剛度就有些不足。因此此類超前支護(hù)主要適用于應(yīng)力不太大、地下水較少的軟弱破碎圍巖的隧道工程中，如土砂質(zhì)地層、弱膨脹性地層、流變性較小的地層、裂隙發(fā)育的巖體、斷層破碎帶、淺埋無顯著偏壓的隧道，也適用于采用中小型機(jī)械施工的隧道。

（三）設(shè)計、施工要點

（1）超前錨桿的超前量、環(huán)向間距、外插角等參數(shù)，應(yīng)視圍巖地質(zhì)條件、施工斷面大小、開挖循環(huán)進(jìn)尺和施工條件而定。一般，超前長度為循環(huán)進(jìn)尺的3～5倍，宜為3～5m；環(huán)向間距宜為0.3～1.0m；外插角宜為10°～30°；搭接長度宜為超前長度的40％～60％左右，即大致形成雙層或雙排錨桿。

（2）超前錨桿宜用早強砂漿全黏結(jié)式錨桿，錨桿材料可用不小于ф22mm的螺紋鋼筋。

（3）超前錨桿的安裝誤差，一般要求孔位偏差不超過10cm，外插角不超過1°～2°，錨入長度不小于設(shè)計長度的96％。

（4）開挖時應(yīng)注意保留前方一定長度的錨固區(qū)，以使超前錨桿的前端有一個穩(wěn)定的支點。其尾端要盡可能多地與系統(tǒng)錨桿及鋼筋網(wǎng)焊接。若開挖面出現(xiàn)滑坍現(xiàn)象，則應(yīng)及時噴射混凝土封閉開挖面，并盡快打入下一排錨桿，然后才能繼續(xù)開挖。

（5）開挖后應(yīng)及時噴射混凝土，并盡快封閉環(huán)形初期支護(hù)。

（6）開挖過程中應(yīng)密切注意觀察錨桿變形及噴射混凝土層的開裂、起鼓等情況，以掌握圍巖動態(tài)，及時調(diào)整開挖及支護(hù)參數(shù)，如遇地下水，則可鉆孔引排。

四、管棚

（一）構(gòu)造組成

管棚是利用鋼拱架沿開挖輪廓線，以較小的外插角、向開挖面的前方打入鋼管或鋼插板構(gòu)成的棚架來形成對開挖面前方圍巖的預(yù)支護(hù)（圖2-27）。

采用長度小于10m的小鋼管的稱為短管棚；采用長度為10～45m且較粗鋼管的稱為長管棚；采用鋼插板（長度小于10m）的稱為板棚。

（二）性能特點及適用條件

管棚因采用鋼管或鋼插板做縱向預(yù)支撐，又采用鋼拱架做環(huán)向支撐，其整體剛度加大，對圍巖變形的限制能力較強，且能提前承受早期圍巖壓力。因此，管棚主要適用于圍巖壓力來得快、來得大，對圍巖變形及地表下沉有較嚴(yán)格限制要求的軟弱破碎圍巖隧道工程中。如土砂質(zhì)地層、強膨脹性地層、強流變性地層、裂隙發(fā)育的巖體、斷層破碎帶、淺埋有顯著偏壓等圍巖的隧道中。此外，在一般無膠結(jié)的土及砂質(zhì)圍巖中，可采用插板封閉較為有效；在地下水較多時，則可利用鋼管注漿堵水和加固圍巖。

短管棚一次超前量少，基本上與開挖作業(yè)交替進(jìn)行，占用循環(huán)時間較多，但鉆孔安裝或頂入安裝較容易。

長管棚一次超前量多，雖然增加了單次鉆孔或打入長鋼管的作業(yè)時間，但減少了安裝鋼管的次數(shù)，減少了與開挖作業(yè)之間的干擾。在長鋼管的有效超前區(qū)段內(nèi)，基本上可以進(jìn)行連續(xù)開挖，也更適用于采用大中型機(jī)械進(jìn)行大斷面開挖。

（三）設(shè)計、施工要點

（1）管棚的各項技術(shù)參數(shù)要視圍巖地質(zhì)條件和施工條件而定。長管棚長度不宜小于10m，一般為10～45m；管徑70～180mm，孔徑比管徑大20～30mm，環(huán)向間距為0.2～0.8m，外插角1°～2°；兩組管棚間的縱向搭接長度不小于1.5m；鋼拱架常采用工字鋼拱架或格柵鋼架。

（2）鋼架應(yīng)安裝穩(wěn)固，其垂直度允許誤差±2°，中線及高程允許誤差為±5cm；鋼管應(yīng)從工字鋼腹板圓孔穿過，或穿過花鋼拱架；鉆孔方向應(yīng)用側(cè)斜儀檢查控制，鋼管不得侵入開挖輪廓線。鉆孔平面誤差不大于15cm，角度誤差不大于0.5°。

（3）第一節(jié)鋼管前端要加工成尖錐狀，以利于導(dǎo)向插入。要打一眼、裝一管，由上而下順序進(jìn)行。

（4）長鋼管應(yīng)用4～6m的管節(jié)逐段接長，打入一節(jié)、再接續(xù)后一節(jié)，連接頭應(yīng)采用厚壁管箍，上滿絲扣，絲扣長度不小于15cm；為保證受力的均勻性，鋼管接頭應(yīng)縱向錯開，一般按編號，偶數(shù)第一節(jié)用3（4.5）m，奇數(shù)第一節(jié)用6（9）m，以后各節(jié)均采用6（9）m。

（5）當(dāng)需增加管棚剛度時，可在安裝好的鋼管內(nèi)注入水泥砂漿，一般在第一節(jié)管的前段管壁交錯處鉆10～15mm的孔若干，以便排氣和出漿，或在管內(nèi)安裝出氣導(dǎo)管，漿液注滿后方可停止壓注。

（6）水泥砂漿應(yīng)用牛角泵或其他能滿足要求的設(shè)備灌注。砂漿等級可用M20～M30，并應(yīng)適當(dāng)加大灰砂比。

（7）鉆孔時如出現(xiàn)卡鉆現(xiàn)象或坍孔，應(yīng)注漿后再鉆，有些土質(zhì)地層則可直接將鋼管頂入。

五、超前小導(dǎo)管注漿

（一）構(gòu)造組成

超前小導(dǎo)管注漿是在開挖前，先用噴射混凝土將開挖面和5m范圍內(nèi)的坑道封閉，然后沿坑道周邊向前方圍巖打入小導(dǎo)管，并通過小導(dǎo)管向圍巖壓住起膠結(jié)作用的漿液，待漿液硬化后，坑道周圍巖體就形成了一個有一定厚度的加固圈。在此加固圈的保護(hù)下既可安全的進(jìn)行開挖等作業(yè)（圖2-28）。若小導(dǎo)管前段焊一個簡易鉆頭，則可鉆孔、插管一次完成，稱為自進(jìn)式注漿錨桿。

（二）性能特點及適用條件

漿液被壓注到巖體裂隙中并硬化后，不僅將巖塊或顆粒膠結(jié)為整體起到加固作用，而且填塞了裂隙，阻隔了地下水向坑道滲流的通道，起到了堵水的作用。因此，超前小導(dǎo)管注漿不僅適用于一般軟弱破碎圍巖，也適用于地下水豐富的軟弱破碎圍巖。

（三）小導(dǎo)管布置和安裝

（1）小導(dǎo)管安裝前，應(yīng)對開挖面及5m范圍內(nèi)的坑道噴射5～10cm厚的混凝土封閉。

（2）小導(dǎo)管一般采用ф32mm的焊接鋼管或ф40mm的無縫鋼管制作，長度為3～6m，前端做成尖錐形，前段管壁上每隔10～20mm交錯鉆眼，眼孔直徑宜為6～8mm。

（3）鉆孔直徑應(yīng)較管徑大20mm以上，環(huán)向間距應(yīng)按地層條件而定。滲透系數(shù)大的，間距亦應(yīng)加大，一般采用20～50cm；外插角應(yīng)控制在10°～30°之間，一般采用15°。

（4）Ⅴ級圍巖劈裂、壓密注漿時可采用單排管；Ⅵ級圍巖或處理坍方時可采用雙排管；地下水豐富的松軟層，可采用雙排以上的多排管；滲入性注漿宜采用單排管；大斷面或注漿效果差時可采用雙排管。

（5）小導(dǎo)管插入后應(yīng)外露一定長度，以便連接注漿管，并用塑膠泥將小導(dǎo)管周圍空隙封堵密實。

（四）注漿材料及注漿

注漿材料主要包括單液水泥漿、雙液水泥—水玻璃漿、木胺類漿液、聚氨酯類等。

注漿應(yīng)采用注漿泵，為加速注漿，可安裝分漿器同時多管注漿，漿液隨配隨用，注漿時注漿順序應(yīng)由上至下、漿液先稀后濃。

注漿施工要點如下：

（1）注漿設(shè)備性能良好，工作壓力應(yīng)滿足注漿壓力要求，并應(yīng)進(jìn)行現(xiàn)場試驗運轉(zhuǎn)。

（2）小導(dǎo)管注漿的孔口最高壓力應(yīng)嚴(yán)格控制在允許范圍內(nèi)，以防壓裂開挖面，注漿壓力一般為0.5～1.5MPa，止?jié){塞應(yīng)能經(jīng)受注漿壓力。注漿壓力與地層條件及注漿范圍要求有關(guān)，一般要求單管注漿能力擴(kuò)散到管周0.5～1.0m的半徑范圍內(nèi)。

（3）要控制注漿量，即每根導(dǎo)管內(nèi)已達(dá)到規(guī)定注漿量時，就可結(jié)束；若孔口壓力已達(dá)到規(guī)定壓力值，但注入量仍然不足，也應(yīng)停止注漿。

（4）注漿結(jié)束后，應(yīng)做一定數(shù)量的鉆孔檢查或用聲波探測儀檢查注漿效果；若未達(dá)到要求，應(yīng)進(jìn)行補注漿。

（5）注漿后應(yīng)視漿液種類，等待4（水泥—水玻璃漿）～8h（水泥漿）方可開挖，開挖長度應(yīng)按設(shè)計循環(huán)進(jìn)尺規(guī)定，以保留一定長度的止?jié){墻（亦即超前注漿的最短超前量）。

六、超前深孔圍幕注漿

上述超前小導(dǎo)管注漿，對圍巖加固的范圍和加固處理的程度是有限的，作為軟弱破碎圍巖隧道施工的一項主要輔助措施，其占用時間和循環(huán)次數(shù)較多。因此，在不便采取其他施工方法（如盾構(gòu)法）時，深孔預(yù)注漿加固圍巖就較好的解決了這些問題。注漿后既可形成較大范圍的筒狀封閉加固區(qū)，稱為圍幕注漿。

（一）注漿機(jī)理及適用條件

注漿機(jī)理可分為兩種：

一種是對于破碎巖層，砂卵石層，中、細(xì)、粉砂層等有一定滲透性的地層，采用中低壓力將漿液注到地層中的空穴、裂縫、孔隙里，凝固后將巖土或土顆粒膠結(jié)為整體，稱為“滲透注漿”。

另一種是對顆粒更細(xì)的黏土質(zhì)不透水（漿）地層，采用高壓漿液強行擠壓孔周，使黏土層劈裂成縫并充塞凝結(jié)于其中，從而對黏土層起到了擠壓加固和增加高強夾層加固作用，稱為劈裂注漿。因此深孔預(yù)注漿可適用于所有軟弱破碎圍巖的加固。

深孔預(yù)注漿一般可超前開挖30～50m，可以形成有相當(dāng)厚度和較長區(qū)段的筒狀加固區(qū)，從而使得堵水的效果更好，也使得注漿作業(yè)的次數(shù)減少，更適用于有壓地下水及地下水豐富的地層中，也更適用于采用大中型機(jī)械化施工，如圖2-29所示。

如果隧道埋深較淺，則注漿作業(yè)可在地表面上進(jìn)行；對于深埋長大隧道可利用輔助平行導(dǎo)坑對正洞進(jìn)行預(yù)注漿，這樣都可以避免于正洞施工的干擾，縮短施工工期（圖2-29）。

（二）注漿范圍

圖2-29中已示意出對圍巖進(jìn)行注漿加固的大致范圍，即形成筒狀加固區(qū)。要確定加固區(qū)的大小，即確定圍巖塑性破壞區(qū)的大小，可以按巖體力學(xué)和彈塑性理論計算出開挖坑道后圍巖的壓力重分布結(jié)果，并確定其塑性破壞區(qū)的大小，這也就是應(yīng)加固的區(qū)域大小。

（三）注漿數(shù)量及注漿材料選擇

注漿數(shù)量應(yīng)根據(jù)加固區(qū)需要充填的地層空隙數(shù)量來確定。一般來講，不可能也無需將全部空隙充填密實，就可以達(dá)到加固和堵水的目的。

為了做好注漿工作，必須事先對被加固圍巖進(jìn)行土力學(xué)實驗，查清圍巖的透水系數(shù)、土顆粒組成、孔隙率、飽和度、密度等，必要時還要做現(xiàn)場注漿和抽水實驗。注漿材料的選擇參見小導(dǎo)管注漿部分。

（四）鉆孔布置及注漿壓力

圖2-29中已示意出了幾種注漿鉆孔的布置方式。另外，對于淺埋隧道，還可以采用平行布置方式，即注漿鉆孔均呈豎直方向并相互平行分布，但每鉆一孔即需移動鉆機(jī)。

鉆孔距要視地層條件、注漿壓力及鉆孔能力等來確定。一般滲透性強的地層，可采用較低的注漿壓力和較大的鉆孔間距，鉆孔量也少，但平均單孔注漿量大。

注漿壓力應(yīng)根據(jù)地層條件、機(jī)械能力等因素在現(xiàn)場試驗確定。

（五）施工要點

（1）注漿管。一般采用帶孔眼的焊接鋼管式無縫鋼管。注漿管壁上有眼部分的長度應(yīng)根據(jù)注漿孔的位置和注漿區(qū)域來確定，其余部分不鉆眼，并用止?jié){塞將其隔開，使?jié){液只注入到有效區(qū)域。

（2）鉆孔。鉆孔可用沖擊式鉆機(jī)或旋轉(zhuǎn)式鉆機(jī)，應(yīng)根據(jù)地層條件及成孔效果來選擇。鉆孔位置應(yīng)滿足設(shè)計要求，孔口位置偏差不超過5cm，孔底位置偏差不超過孔深的1％。鉆孔應(yīng)清洗干凈，并作好鉆孔檢查記錄。

（3）注漿順序。應(yīng)先上方后下方，或先內(nèi)圈后外圈，先無水孔后有水孔，先上游（地下水）后下游順序進(jìn)行。應(yīng)利用止?jié){閥保持孔內(nèi)壓力直至漿液完全凝固。

（4）結(jié)束條件。應(yīng)根據(jù)注漿壓力和單孔注漿量兩個指標(biāo)來判斷確定。單孔結(jié)束條件為：注漿壓力達(dá)到設(shè)計終壓；漿液注入量已達(dá)到計算值的80％以上。全段結(jié)束條件為：所有注漿孔均已符合單孔結(jié)束條件，無漏注。注漿結(jié)束后必須對注漿效果進(jìn)行檢查，如未到設(shè)計要求，應(yīng)進(jìn)行補孔注漿。

（5）注漿檢查。除在注漿前進(jìn)行鉆孔質(zhì)量、材料質(zhì)量檢查，注漿后對注漿效果檢查外，注漿過程中應(yīng)密切注意注漿壓力的變化。采用雙液注漿時，應(yīng)經(jīng)常測試混合漿液膠凝時間，發(fā)現(xiàn)問題應(yīng)及時處理。

（6）開挖時間。注漿后應(yīng)視漿液種類，等待4（水泥—水玻璃漿）～8h（水泥漿）方可開挖，但最后應(yīng)注意保留止?jié){墻，再進(jìn)行下一循環(huán)的注漿。若注漿工作在正洞以外進(jìn)行，則超前時間易于保證。