铁路隧道预支护的作用原理

第四章 顶管预支护的作用原理

第四章 顶管预支护的作用原理

顶管法是非开挖施工中用的较多的一种方法，主要用于铺设地下管线，如排水管道、给水管道、燃气管道、热力管道、工业管道、电力电缆和电讯电缆等七大类。但本文研究的顶管主要用作隧道预支护，用顶管作为崇文门车站施工的一种预支护技术主要用到两个方面的原理，一是超前预支护原理，二是洞室大小效应原理。

4.1 传统的超前预支护技术及特性分析

新奥法在隧道中已得到长足的发展，并在隧道开挖中被广泛采用，但为了提高围岩稳定性，控制地表沉降量，确保隧道施工安全，通常采用超前预支护技术对围岩进行可靠有效地预加固。所谓的超前预支护体系就是在隧道开挖之前，在掌子面前方的自然地层里，沿隧道横断面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，形成一个超前的支护体系。传统的隧道施工，在松散或极破碎地层、洞室稳定性差时，为防止开挖中拱顶坍塌，采用打插钢板、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、超前管棚法以及一种开拓地下空间新途径的方法——顶管预支护。

4.1.1 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。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。它分为两类：一类是拱部超前锚杆，用于支护上部临空围岩，起插板作用；另一类是边墙超前锚杆，将起拱线附近岩土体承受的较大拱部荷载传递至深部围岩，提高围岩稳定性。

(1)布置原则

①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

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固岩体的作用。

②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。 ③超前锚杆外插角：Ⅴ级围岩中5°~10°，Ⅳ级围岩中5°~7°。 ④超前锚杆纵向两排的水平投影应有不小于100cm的搭接长度。 ⑤超前锚杆尾端一般焊接在钢拱架上，以增强共同支护作用。 (2)施工工艺

①材料加工与锚孔布置：锚杆除锈除油调直；按设计标孔位。 ②钻孔：准确控制外插角，以防增加超欠挖。 ③注浆：先用水和稀浆湿润管路，再开始注浆。

④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。

⑤清洗整理注浆用具：除掉砂浆，以备下一循环使用。

4.1.2 超前小导管

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，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。管周注浆固结体咬合搭接形成一定厚度的隧道加固圈后，实现超前支护的目的。

(1)基本原理

①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。

②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)。

③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?N?R2Ln?(1??)

式中，Q——注浆量(m3)； N——注浆管数量(个)；

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R——浆液扩散半径(m)； L——注浆长度(m)； n——围岩孔隙率(%)；

?——浆液充填系数，一般取0.7~0.9；

?——注浆材料损耗系数，常取0.1左右； n??1???——填充率，可用经验取值。 (2)特点

①超前小导管施工简易，应急速度快，比超前锚杆支护能力大； ②比管棚简单易行、灵活、经济、施工速度快，但支护能力较弱；

③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；

④初期支护与围岩紧密粘结，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。

4.1.3 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，在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，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工法。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，我国垂直旋喷注浆技术已比较成熟。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峁隧道和宋家坪隧道。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。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。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

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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。

4.1.4 机械预切槽法

机械预切槽法首次用运于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。

作业过程如下：

(1)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。

(2)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。

(3)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。

(4)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。 (5)紧随其后，安装隧道防水层，进行二次衬砌。

机械预切槽法的优点是：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。

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，硬岩锯式切槽机尚在研制当中。

4.1.5 超前管棚法

大管棚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，然后向孔内压入钢管而形成钢管群体。为提高钢管刚度常

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向管内灌注混凝土或设钢筋笼注入水泥砂浆。大管棚可以与型钢钢架组合成预支护体系。它能有效控制土质围岩的下沉松驰和坍塌，较好地控制地表沉降量，在城市地铁施工中广泛应用。通常所说的大管棚是指直径为80~150mm钢管，此种大管棚只作为临时支护用，因此又称

为支护性管棚。

(1)支护参数的选择 ①钢管型号的选择

根据实际地层和技术经济因素分析，管棚钢管型号对于支护条件要求较高的极松散地层，应选取φ127mm；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。

②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0.2~0.3m；土体凝聚力较高的粘性土也可适当加大。

③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。

④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10~20m。

⑤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。

一般影响管棚向下弯曲程度的因素主要有：

a)层条件，如松软、破碎、强度不均匀或存在空洞等；

b)棚材料质量，如管材强度、抗弯程度、管棚前端钻头加工质量、管棚同心度等； c)进工艺，如钻机位置、高度、方向的准确度、钻进时给进力度、循环液流量以及钻机

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