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地下工程超前支護技術

發布者:君小豪

管棚超前支護技術作為隧道開挖的一種輔助工法,在防止隧道塌方、抑制地層位移、控制地表沉降方面發揮著重要的作用,今天和大家一起來詳細的學習一下這項隧道施工技術都有什么需要注意的地方吧!


地下工程超前支護方法

超前支護技術是指在隧道開挖之前,通過向掌子面前方地層里注漿、冷凍、打入鋼管、鋼板、錨桿等技術措施在隧道橫斷面上形成一個拱形連續體,使其加固開挖面前方地層,同時利用其支撐力保持前方土體的穩定,減少地表沉降量的技術總稱。研究表明,圍巖注漿加固可提高其強度和變形模量,從根本上改善圍巖的變形規律,資料表明,砂巖在注漿后的強度可增加50%-70%,粉砂巖和泥質巖增加2-4倍,而巖石強度的增大可使支護荷載減少2/3 -4/5。

實踐表明超前支護體系能夠有效地限制地面沉降,并全面地保持自然地層在穩定狀態下開挖隧道。研究表明地面的整個沉降量的30%-40%和地下地層的整個沉降量的40%-50%是在一般的支護開始發生作用之前發生的,超前支護對地面沉降有30-35%的抑制效果,對隧道頂上地層(拱頂)沉降有40%的抑制效果,所以,加固掌子面前方的地層對抑制地面沉降有非常重要的作用。超前支護技術作為加固地層、穩定拱頂及掌子面、減少地表沉降的輔助施工工法,己經在地下工程施工中得到了廣泛地應用。 
根據采取的加固措施對周圍地層特性和應力分布的影響,可將超前支護分為地層改良法和預支護法。地層改良法就是提高開挖面周圍地層土的特性的方法,這種方法包括注漿、土壤加固、排水和地層凍結等;預支護法就是在隧道開挖前,先超前對圍巖進行加固,以增加圍巖的自穩能力,并使開挖面周圍應力干擾達到最小的方法。超前支護方法主要包括:管棚法,機械預切糟法,預襯砌法,水平旋噴注漿法,超前小導管法,超前錨桿法、凍結法等等。其中管棚法、水平旋噴注漿法、小導管法等支護方法同時也改良和加固了地層。

管棚注漿支護

就是把一組鋼管沿開挖輪廓外己鉆好的孔中打入地層內,并與鋼拱架組合形成強大的棚架預支護加固體系,支承來自于管棚上部的荷載,通過鋼管的梅花形布置的注漿孔加壓向地層中注漿,以加固軟弱破碎的地層,提高地層的自穩能力。管棚注漿是一種長距離超前支護方法,超前距離長,剛度較大,適用于掌子面不能自穩、含水的地層,控制地表沉降、防滲止水的效果較好,施工工藝要求較高。如將管棚注漿與小導管補充注漿法結合,除具有大管棚的特點外,能夠防止管棚下方三角土體的塌落,這種長短結合的預支護效果更為理想。

管棚支護的主要作用和優點

(1)梁拱效應:先行施設的管棚,以掌子面和后方支撐為支點,形成一個梁式結構,二者構成環繞隧洞輪廓的殼狀結構,可有效抑制圍巖松動和垮塌。(2)加固效應:注漿漿液經管壁孔壓入圍巖裂隙中,使松散巖體膠結、固結,從而改善了軟弱圍巖的物理力學性質,增強了圍巖的自承能力,達到加固鋼管周邊軟弱圍巖的目的。(3)環槽效應:掌子面爆破產生的爆炸沖擊波傳播和爆生氣體擴展遇管棚密集環形孔槽后被反射、吸收或繞射,大大降低了反向拉伸波所造成的圍巖破壞程度及擾動范圍。

(4)確保施工安全:管棚支護剛度較大,施工時如發生塌方,塌碴也是落在管棚上部巖碴上,起到緩沖作用,即使管棚失穩,其破壞也較緩慢。

隧道超前支護法一覽

根據采取的加固措施對周圍地層特性和應力分布的影響,可將超前支護分為地層改良法和預支護法。地層改良法就是提高開挖面周圍地層土的特性的方法,這種方法包括注漿、土壤加固、排水和地層凍結等;預支護法就是在隧道開挖前,先超前對圍巖進行加固,以增加圍巖的自穩能力,并使開挖面周圍應力干擾達到最小的方法。超前支護方法主要包括:管棚法,機械預切糟法,預襯砌法,水平旋噴注漿法,超前小導管法,超前錨桿法、凍結法等等。其中管棚法、水平旋噴注漿法、小導管法等支護方法同時也改良和加固了地層。


管棚注漿支護

就是把一組鋼管沿開挖輪廓外己鉆好的孔中打入地層內,并與鋼拱架組合形成強大的棚架預支護加固體系,支承來自于管棚上部的荷載,通過鋼管的梅花形布置的注漿孔加壓向地層中注漿,以加固軟弱破碎的地層,提高地層的自穩能力。管棚注漿是一種長距離超前支護方法,超前距離長,剛度較大,適用于掌子面不能自穩、含水的地層,控制地表沉降、防滲止水的效果較好,施工工藝要求較高。如將管棚注漿與小導管補充注漿法結合,除具有大管棚的特點外,能夠防止管棚下方三角土體的塌落,這種長短結合的預支護效果更為理想。


管棚支護

適用范圍根據國內外的施工實踐,綜合我國目前地下工程管棚支護應用的實際案例,管棚支護可適用于:軟弱砂土質地層、砂卵礫石地層,膨脹性軟流塑、硬可塑狀粉質粘土地層,裂隙發育巖體、突泥突水段、斷層破碎帶、塌方段、破碎土巖堆地段、淺埋大偏壓等地質和地下水豐富條件的地下構筑物施工的支護,隧道進出口段開挖的支護,也多應用于地鐵等穿越城區的地下工程的開挖預支護,可作為穿越既有建筑物、公路、鐵路及地下結構物下方修建隧道的輔助方法;作為隧道洞口段及修建大斷面隧道施工的輔助工法及作為其他施工的輔助工法,也常用于淺埋但不宜明挖地段或淺埋隧道情況下,地表有建筑物、或隧道接近地中結構物時等對施工沉降有特殊要求的工程等。


管棚支護的設計

管棚支護的設計參數主要包括:鋼管直徑、長度、間距、仰角、水平搭接長度、鋼架間距、注漿參數等,當需要增大鋼管的強度和剛度時,可在管內設置鋼筋籠而后用水泥砂漿填充。我國《鐵路隧道施工規范》規定:管棚用鋼管直徑宜為φ70-φ127mm;鋼管中心間距宜為管徑的2-3倍;管棚長度應根據地層情況選用,不宜小于10m;縱向兩組管棚的搭接長度應大于3m。管棚支護參數可按工程類比法確定,并在施工中根據實際情況調整。   


管徑的選擇

大部分工程的鋼管直徑在中φ50-φ180mm之間,有學者將管棚支護按管徑分類為小管棚和大管棚,小管棚管徑一般在φ30-φ50mm,大管棚管徑介于φ89-φ159mm,工程中多用φ108mm的鋼管,環向間距以不大于3-5倍管徑為宜。管棚鋼管的選擇根據計算結果和技術經濟因素分析,對于支護條件要求較高的松軟地層,應選取φ127mm鋼管,土體凝聚力較高的粘性土,可選取φ89mm鋼管,一般土層在多數情況下選取φ108mm鋼管。


管棚鋼管環向間距的確定

常規的沿隧道開挖輪廓線等間距設置管棚的方法是不科學的,應針對不同情況合理設計。鋼拱架布置間距根據塌方體的松散與開挖難易程度及施工效果,可在40-80cm范圍內調整選擇,特殊情況下需加密。根據對工程實例的地質條件、工程斷面尺寸、埋深等影響因素的總結和對比分析,得出以下經驗結論,可用于地下工程支護的施工依據:管棚鋼管直徑范圍一般為φ70-180mm,我們可將管棚支護按管徑分類為小管棚、中管棚、大管棚。小管棚管徑一般在φ32~50mm范圍內,多采用管徑為φ42mm的鋼管,管長以3.5-5m為宜,環向間距一般取0.3-0.4m,水平搭接長度1-1.5m。中管棚管徑一般在φ50-φ89mm范圍內,管長一般不超過20m,環向間距一般取0.3-0.4m,水平搭接長度1-2m。大管棚一般可選用φ89-φ159mm的鋼管,常用管徑φ108mm,管長以不超過40m為宜,鋼管一般分節長4m或6m,以絲扣連接,絲扣長不小于150mm,環向間距一般不大于3-5倍管徑為宜。


外插角的合理確定

角度過小,將可能導致管棚遠端下垂至隧道開挖幅員內影響后期施工;相反,角度過大,管棚離開挖幅員距離過大,管棚下方的三角土體坍塌給洞身開挖支護帶來很大困難,還應根據管棚鉆機工作室空間大小,以及鉆桿長度等情況綜合考慮確定。小管棚外插角常取5o-15o,中管棚常取2o-8o,長管棚多取1o-3o。鋼拱架支撐一般用工字鋼,或工字鋼與格柵鋼架間隔使用,間距一般不大于1米,特殊情況下需加密。 

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