鐵路隧道預(yù)支護(hù)的作用原理

1、第四章頂管預(yù)支護(hù)的作用原理第四章頂管預(yù)支護(hù)的作用原理頂管法是非開挖施工中用的較多的一種方法，主要用于鋪設(shè)地下管線，如排水管道、給水管道、燃?xì)夤艿?、熱力管道、工業(yè)管道、電力電纜和電訊電纜等七大類。但本文研究的頂管主要用作隧道預(yù)支護(hù)，用頂管作為崇文門車站施工的一種預(yù)支護(hù)技術(shù)主要用到兩個(gè)方面的原理，一是超前預(yù)支護(hù)原理，二是洞室大小效應(yīng)原理。4.1 傳統(tǒng)的超前預(yù)支護(hù)技術(shù)及特性分析新奧法在隧道中已得到長足的發(fā)展，并在隧道開挖中被廣泛采用，但為了提高圍巖穩(wěn)定性，控制地表沉降量，確保隧道施工安全，通常采用超前預(yù)支護(hù)技術(shù)對(duì)圍巖進(jìn)行可靠有效地預(yù)加固。所謂的超前預(yù)支護(hù)體系就是在隧道開挖之前，在掌子面前方的自然地層

2、里，沿隧道橫斷面設(shè)置一個(gè)像拱殼的連續(xù)體，使其既加固掌子面前方的自然地層，同時(shí)利用初期支護(hù)又保持自然地層的特性，從而保證掌子面及地層的穩(wěn)定，減少地表沉降量，形成一個(gè)超前的支護(hù)體系。傳統(tǒng)的隧道施工，在松散或極破碎地層、洞室穩(wěn)定性差時(shí)，為防止開挖中拱頂坍塌，采用打插鋼板、木板或型鋼，即所謂的插板法?，F(xiàn)代常用的超前預(yù)支護(hù)方法有超前錨桿、超前小導(dǎo)管、水平旋噴注漿、機(jī)械預(yù)切槽法、超前管棚法以及一種開拓地下空間新途徑的方法頂管預(yù)支護(hù)。4.1.1超前錨桿超前錨桿是沿隧道開挖面外輪廓鉆孔，插入鋼筋桿體并用水泥砂漿使桿體與圍巖固結(jié)成整體。隧道開挖后，桿體及周邊固結(jié)的部分圍巖支承上覆巖土體，防止圍巖坍塌，減少洞室變

3、形。它分為兩類：一類是拱部超前錨桿，用于支護(hù)上部臨空圍巖，起插板作用；另一類是邊墻超前錨桿，將起拱線附近巖土體承受的較大拱部荷載傳遞至深部圍巖，提高圍巖穩(wěn)定性。(1)布置原則超前錨桿的安裝必須作為開挖循環(huán)的一個(gè)組成部分來完成，旨在作為超前預(yù)支護(hù)及加固巖體的作用。超前錨桿的設(shè)置充分考慮巖體的結(jié)構(gòu)面特性和圍巖地質(zhì)情況。超前錨桿外插角：級(jí)圍巖中5°10°，級(jí)圍巖中5°7°。超前錨桿縱向兩排的水平投影應(yīng)有不小于100cm的搭接長度。超前錨桿尾端一般焊接在鋼拱架上，以增強(qiáng)共同支護(hù)作用。(2)施工工藝材料加工與錨孔布置：錨桿除銹除油調(diào)直；按設(shè)計(jì)標(biāo)孔位。鉆孔：準(zhǔn)確控制

4、外插角，以防增加超欠挖。注漿：先用水和稀漿濕潤管路，再開始注漿。插入錨桿：迅速將錨桿插入眼孔，并用錘擊方法插至孔底，再用木楔堵塞孔口，防止砂漿流失。清洗整理注漿用具：除掉砂漿，以備下一循環(huán)使用。4.1.2超前小導(dǎo)管超前小導(dǎo)管與超前錨桿所不同的是將鋼筋桿體改為空心鋼管，管徑3650mm，管壁預(yù)留注漿孔，管口止?jié){封面后，注入水泥漿。壓力注漿滲透擴(kuò)散管周較大的砂土體。管周注漿固結(jié)體咬合搭接形成一定厚度的隧道加固圈后，實(shí)現(xiàn)超前支護(hù)的目的。(1)基本原理小導(dǎo)管常與格柵鋼架共同組成支護(hù)系統(tǒng)。小導(dǎo)管起雙重作用：一是起超前管棚作用，二是起注漿管的作用，通過注漿，加固軟弱圍巖。漿液擴(kuò)散半徑的確定：擴(kuò)散半徑不是漿

5、液在地層中擴(kuò)散的最遠(yuǎn)距離，而是指漿液能符合設(shè)計(jì)要求的擴(kuò)散距離?？紤]到注漿擴(kuò)散范圍相互重疊的情況，可按下式計(jì)算：R=(0.60.7)L0 ，其中L0為導(dǎo)管中心間距(m)。注漿量確定：先計(jì)算出單孔注漿量，然后乘以注漿管數(shù)即可得：式中，Q注漿量(m3)； N注漿管數(shù)量(個(gè))；R漿液擴(kuò)散半徑(m)； L注漿長度(m)； n圍巖孔隙率(%)； 漿液充填系數(shù)，一般取0.70.9；注漿材料損耗系數(shù)，常取0.1左右；填充率，可用經(jīng)驗(yàn)取值。(2)特點(diǎn)超前小導(dǎo)管施工簡易，應(yīng)急速度快，比超前錨桿支護(hù)能力大；比管棚簡單易行、靈活、經(jīng)濟(jì)、施工速度快，但支護(hù)能力較弱；格柵內(nèi)空間被噴射混凝土充填，其表面被覆蓋，所形成的初期

6、支護(hù)具有較強(qiáng)的承載能力，并有一定的防水性能；初期支護(hù)與圍巖緊密粘結(jié)，形成一個(gè)剛度較接近的共同變形體，易形成有效的壓力拱，使隧道結(jié)構(gòu)受力條件趨于合理。4.1.3水平旋噴注漿噴射注漿法，又稱旋噴法，分為垂直和水平旋噴注漿兩種方法，在20世紀(jì)70年代初期日本首次開發(fā)使用了這種地層加固技術(shù)。水平旋噴注漿法是在一般的初期導(dǎo)管注漿的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，以高壓旋噴的方式壓注水泥漿，從而在隧道開挖輪廓外形成拱形預(yù)襯砌的超前預(yù)支護(hù)工法。水平旋噴注漿的施工原理類似于垂直旋噴注漿，只是一個(gè)為水平一個(gè)為垂直，我國垂直旋噴注漿技術(shù)已比較成熟。水平旋噴注漿技術(shù)在我國已初步獲得應(yīng)用，如神延鐵路的沙哈拉峁隧道和宋家坪隧道。其施

7、工方法為，首先使用旋噴注漿機(jī)，沿著隧道掌子面周邊的設(shè)計(jì)位置旋噴注漿形成旋噴柱體，通過固結(jié)體的相互咬合形成預(yù)支護(hù)拱棚。一般每根旋噴體，首先通過水平鉆機(jī)成孔，鉆到設(shè)計(jì)位置以后，隨著鉆桿的退出，用水泥漿或水泥水玻璃雙漿液旋噴注入鉆成的孔腔，通過高壓射流切割腔壁土體，被切割下的土體與漿液攪拌混合、固結(jié)形成直徑600mm左右的固結(jié)體，同時(shí)周圍地層受到壓縮和固結(jié)，其土體的物理力學(xué)性能得到一定程度的改善。旋噴柱體沿隧道拱部形成環(huán)向咬合、縱向搭接的預(yù)支護(hù)拱棚，在松散不穩(wěn)定地層隧道中，可有效控制坍塌和地層變形。水平旋噴注漿樁的應(yīng)用在我國還不是很廣，旋噴樁抗彎性能不強(qiáng)，施工控制的難度較大，特別是目前我國的水平旋噴

8、鉆機(jī)性能尚未過關(guān)，制約了水平旋噴預(yù)支護(hù)技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展。它主要適用于粘性土、砂類土、淤泥等地層。4.1.4機(jī)械預(yù)切槽法機(jī)械預(yù)切槽法首次用運(yùn)于20世紀(jì)70年代法國巴黎快速軌道運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的一個(gè)車站的建造工程中。它是利用專業(yè)的切槽機(jī)械，沿隧道外輪廓切割一定深度的切槽。切槽方式有帶鋸式和排鉆式兩種。在硬巖地層中，利用該切槽，作為爆破振動(dòng)的隔振層，主要起隔振或減振的目的。在軟石或砂質(zhì)地層中，在切槽內(nèi)填筑混凝土，形成預(yù)支護(hù)拱，提高隧道穩(wěn)定性。作業(yè)過程如下：(1)用預(yù)切槽鋸沿隧道外廓弧形拱深切一寬1530cm、長約5m的切槽。(2)在切槽內(nèi)立即填充高強(qiáng)度噴射混凝土，形成長35m的整體連續(xù)拱，兩次連續(xù)拱的搭接長

9、度為0.52.0m，視圍巖的不同而定。(3)在安全穩(wěn)定的作業(yè)環(huán)境下，用挖掘機(jī)或臂式掘進(jìn)機(jī)開挖前作業(yè)面。自卸汽車或翻斗車可穿行于預(yù)切槽機(jī)內(nèi)。(4)必要時(shí)，作業(yè)面裝以玻璃纖維錨桿，以穩(wěn)定作業(yè)面。隨后在作業(yè)面上噴混凝土。(5)緊隨其后，安裝隧道防水層，進(jìn)行二次襯砌。機(jī)械預(yù)切槽法的優(yōu)點(diǎn)是：可減輕在硬巖爆破時(shí)，振動(dòng)的擴(kuò)展；在作業(yè)面開挖前，快速建成一臨時(shí)的整體弧形拱，從而減小圍巖變形與地表沉陷；為人員和設(shè)備提供清潔、安全的工作條件；有利于作業(yè)全過程的工業(yè)化及機(jī)械化，從而使進(jìn)度快速均衡，適應(yīng)性增強(qiáng)，大大節(jié)約了成本。機(jī)械預(yù)切槽法在硬巖地層中應(yīng)用的最大弱點(diǎn)是推進(jìn)速度慢，較適合用于市區(qū)隧道工程、松散地層和大斷面隧

10、道。機(jī)械切槽預(yù)支護(hù)，在國外已有多次成功應(yīng)用的實(shí)例，取得了較好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。在國內(nèi)，硬巖鋸式切槽機(jī)尚在研制當(dāng)中。4.1.5超前管棚法大管棚是指開挖掘進(jìn)前在隧道開挖工作面的上半斷面(呈扇形)或全部沿隧道斷面周邊間隔一定距離用大型水平鉆機(jī)鉆孔，然后向孔內(nèi)壓入鋼管而形成鋼管群體。為提高鋼管剛度常向管內(nèi)灌注混凝土或設(shè)鋼筋籠注入水泥砂漿。大管棚可以與型鋼鋼架組合成預(yù)支護(hù)體系。它能有效控制土質(zhì)圍巖的下沉松馳和坍塌，較好地控制地表沉降量，在城市地鐵施工中廣泛應(yīng)用。通常所說的大管棚是指直徑為80150mm鋼管，此種大管棚只作為臨時(shí)支護(hù)用，因此又稱為支護(hù)性管棚。(1)支護(hù)參數(shù)的選擇鋼管型號(hào)的選擇根據(jù)實(shí)際地層和

11、技術(shù)經(jīng)濟(jì)因素分析，管棚鋼管型號(hào)對(duì)于支護(hù)條件要求較高的極松散地層，應(yīng)選取127mm；土體凝聚力較高的粘性土，可選取89mm；一般土層在多數(shù)情況下選取108mm型鋼管。間距的選擇對(duì)于松散地層，鋼管間距應(yīng)適當(dāng)縮小，考慮鉆進(jìn)等因素，選擇間距在0.10.2m為宜；一般地層選擇間距為0.20.3m；土體凝聚力較高的粘性土也可適當(dāng)加大。支護(hù)掘進(jìn)步距的選擇管棚支護(hù)掘進(jìn)步距過小，會(huì)增加工序轉(zhuǎn)換時(shí)間，影響施工效率；管棚支護(hù)掘進(jìn)步距過大，又可能會(huì)產(chǎn)生塌幫等安全事故，根據(jù)實(shí)際地質(zhì)條件，掘進(jìn)步距應(yīng)確定在1.02.0m。支護(hù)長度的選擇管棚支護(hù)長度越長，越能節(jié)省輔助時(shí)間，提高施工效率，但是由于受到鉆孔機(jī)具、鉆進(jìn)技術(shù)和鋼管柔

12、性彎曲等條件限制，如果管棚支護(hù)長度過長，就很難確保管棚的水平角度和排列整齊，從而影響施工質(zhì)量，一般根據(jù)不同地質(zhì)條件管棚支護(hù)長度選擇為1020m。仰角的確定因土層松軟及鉆桿重力，管棚在鉆進(jìn)過程中要發(fā)生向下彎曲，在開孔鉆進(jìn)時(shí)要有一定的上仰角度。如果上仰角度過小，管棚會(huì)因向下彎曲而進(jìn)入隧道區(qū)域，在隧道掘進(jìn)時(shí)需要將鋼管割去，從而嚴(yán)重影響隧道掘進(jìn)速度和安全；如果上仰角度過大，使管棚遠(yuǎn)離隧道外徑而失去支護(hù)作用，而且使管棚有效支護(hù)長度縮短。為此需要選擇合適的管棚上仰角度。一般影響管棚向下彎曲程度的因素主要有：a)層條件，如松軟、破碎、強(qiáng)度不均勻或存在空洞等；b)棚材料質(zhì)量，如管材強(qiáng)度、抗彎程度、管棚前端鉆頭

13、加工質(zhì)量、管棚同心度等；c)進(jìn)工藝，如鉆機(jī)位置、高度、方向的準(zhǔn)確度、鉆進(jìn)時(shí)給進(jìn)力度、循環(huán)液流量以及鉆機(jī)操作等。充分考慮上述因素，并結(jié)合具體地質(zhì)條件，管棚上仰角度一般取3°5°。(2)施工工藝工作室施工：隧道開挖至設(shè)計(jì)管棚工作室里程后，將隧道標(biāo)準(zhǔn)斷面擴(kuò)大到管棚工作室斷面。預(yù)制導(dǎo)向架，安裝導(dǎo)向管：架立導(dǎo)向架，并按設(shè)計(jì)角度將導(dǎo)向管焊接到導(dǎo)向架上，確認(rèn)無誤后，封堵導(dǎo)向管管口加以保護(hù)，再用噴射混凝土將導(dǎo)向架與工作室構(gòu)成整體。工作面處理：掌子面上掛網(wǎng)噴混凝土，封閉掌子面，并作為注漿的止?jié){墻，確保管棚施工中工作面安全。鉆機(jī)就位：用儀器量測導(dǎo)向管，固定鉆桿轉(zhuǎn)軸，使之與鉆桿共線。鉆孔：用低檔

14、開鉆，鉆到一定深時(shí)，接桿繼續(xù)鉆進(jìn)，經(jīng)常復(fù)核鉆孔角度，確保鉆孔方向，若發(fā)現(xiàn)偏斜，及時(shí)高速處理。插入導(dǎo)管：插前應(yīng)對(duì)每個(gè)鉆孔的管子配管編號(hào)，保證同一斷面上鋼管接頭數(shù)50%?？卓诿芊馓幚恚鹤{前對(duì)管口與孔口間空隙密封，防止水泥漿外滲。導(dǎo)管注漿：通過注漿，即可增強(qiáng)導(dǎo)管剛度，又可使?jié){液滲入周圍地層，加固地層。(3)技術(shù)特點(diǎn)大管棚剛度大、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高、所形成的拱棚承載能力強(qiáng)；一次支護(hù)長度大，可以減少超前支護(hù)的次數(shù)，縮短施工時(shí)間；由工程經(jīng)驗(yàn)得知，大管棚預(yù)注漿支護(hù)效果可靠，勞動(dòng)消耗量相對(duì)較少，雖然材料費(fèi)用要高些，但安全系數(shù)也能相對(duì)提高，可望能有效地保持隧道周邊圍巖的穩(wěn)定，提高施工安全。4.2頂管預(yù)支護(hù)技術(shù)特性分析

15、考慮到隧道超常大斷面、隧道的淺埋、既有多層建筑物基礎(chǔ)的存在、未固結(jié)地層、地下水的存在和將地層變形控制在數(shù)毫米之內(nèi)的需要等綜合不利因素，把對(duì)地面交通和既有建筑物的干擾減少到最低程度，在以上超前預(yù)支護(hù)方法無法解決的情況下，頂管預(yù)支護(hù)似乎是更可行的方案。頂管預(yù)支護(hù)中的鋼管一般直徑為7002500mm，各鋼管相互連接，形成一個(gè)水平的支護(hù)體系，以維持隧道拱頂和工作面的穩(wěn)定，保證隧道開挖的安全，這種支護(hù)鋼管可作為整個(gè)支護(hù)結(jié)構(gòu)的一部分，因此又稱為結(jié)構(gòu)性管棚。4.2.1頂管自身預(yù)支護(hù)施工頂管被作為隧道施工的預(yù)支護(hù)，但頂管自身施工也遵守著預(yù)支護(hù)原理。如前所述，因頂管正面土體封閉形式、開挖方法和出土方式的不同，形

16、成了不同類別的頂管施工方式，但均遵循一個(gè)共同的預(yù)支護(hù)原理，即無論是否使用工具管，首節(jié)切入管均是切土頂進(jìn)，切入段的長度視地層松軟和穩(wěn)定性的不同而不同。4.2.2頂管預(yù)支護(hù)的特點(diǎn)(1)該工法施工時(shí)無噪音和震動(dòng)，不必降低地下水位和大范圍開挖道路，不影響城市道路交通運(yùn)轉(zhuǎn)；(2)可以在不采用氣壓條件下，使管道穿越飽和的砂土和淤泥質(zhì)粘土；(3)可以在既有建筑物鄰近進(jìn)行施工，地表沉降通?？煽刂圃?0mm以內(nèi)，一般不需對(duì)房屋進(jìn)行基礎(chǔ)托換。(4)作為預(yù)支護(hù)的鋼管埋入土體不能再回收，成本較高；(5)高精度的頂管機(jī)研制或購置費(fèi)用較高，但作為隧道預(yù)支護(hù)一次頂進(jìn)長度較短時(shí)，其精度要求相對(duì)較低，也可采用較為簡單的正面土體

17、開挖方法和出土方式。4.2.3施工步驟(1)工作面封閉或加固處理對(duì)待預(yù)支護(hù)的隧道或?qū)Э庸ぷ髅孢M(jìn)行封閉，必要時(shí)，對(duì)隧道工作面進(jìn)行注漿加固處理。(2)推進(jìn)基坑或反力座準(zhǔn)備根據(jù)所采用推進(jìn)設(shè)備的作業(yè)要求，鋪設(shè)推進(jìn)機(jī)作業(yè)軌道或修筑頂力后背，以及頂入管的安裝，存放場地。利用頂進(jìn)設(shè)備將這些鋼管或鋼筋混凝土管通過推進(jìn)設(shè)備推入隧道拱部輪廓線上的地層之內(nèi)。(3)推管利用推進(jìn)設(shè)備，將整長或分節(jié)管推入地層，形成頂管的預(yù)支護(hù)拱。(4)隧道開挖在頂管的超前支護(hù)下，進(jìn)行隧道開挖。頂管預(yù)支護(hù)的獨(dú)特之處在于它使地層由未擾動(dòng)的初始平衡直接轉(zhuǎn)換到建成隧道的最終平衡，這一點(diǎn)，使頂管預(yù)支護(hù)優(yōu)于傳統(tǒng)技術(shù)，而且好象確無其它方案與其進(jìn)行比選

18、。傳統(tǒng)的技術(shù)都是以掌子面的三維影響為基礎(chǔ)的，這對(duì)隧道的短期穩(wěn)定有重要作用。若根據(jù)地層特征及開挖引起的應(yīng)力分析后證實(shí)：掌子面將要發(fā)生變形，那么，在掌子面到達(dá)前產(chǎn)生于地層內(nèi)的變形必須為設(shè)計(jì)者所接受，否則，就必須借助于繁重昂貴的預(yù)加固處理。在不對(duì)掌子面的靜力平衡采取措施的前提下，頂管預(yù)支護(hù)便可使上述變形達(dá)到較小值，且在大多數(shù)情況下使上述變形消除，因而，可以采用頂管預(yù)支護(hù)進(jìn)行大斷面的隧道的暗挖而不引起大的地表下沉。在某些地層中限制“變形現(xiàn)象”對(duì)調(diào)整襯砌上的荷載也有顯著的作用。傳統(tǒng)方法修建的(尤其是在不良變化地層中)隧道，圍巖中的松馳發(fā)展一般將導(dǎo)致巖體的塑性變形，這將不可避免地引起地層變形和襯砌的明顯滯

19、后受力。采用頂管預(yù)支護(hù)之后，地層中的一般被控制在比較低值，這對(duì)保持圍巖彈性，減少擾動(dòng)已存在的平衡也是有意義的。在松散地層的淺埋、大斷面暗挖隧道工程施工中，上述傳統(tǒng)的各類超前支護(hù)因其強(qiáng)度低、剛度小，雖然可較為有效地控制坍塌，但地層變形、地面沉降值仍然較大，雖然采用很多工藝繁雜的多分部工法，也往往不能滿足地面沉降的控制要求。特別是地面存在高大、對(duì)不均勻沉降極其敏感的建筑物或地中埋設(shè)物，如既有地鐵等。而頂管預(yù)支護(hù)技術(shù)的獨(dú)特之處在于利用它距離長、強(qiáng)度高、剛度大的特點(diǎn)使大斷面的隧道自身的暗挖分部方法不再重要，且不引起大的地表下沉。隨著城市地下交通網(wǎng)，地下工程建設(shè)的發(fā)展，不可避免遇到的重要敏感地面建筑物和地中埋設(shè)物將越來越多，暗挖施工對(duì)地面沉降環(huán)境控制要求將越來越嚴(yán)，該技術(shù)勢必具有良好的應(yīng)用前景。4.3大斷面隧道與小斷面頂管施工效應(yīng)分析隧道開挖引起的地層沉降和應(yīng)力大小不僅與圍巖類別有關(guān)，還與洞室大小、形狀、支護(hù)形式、支護(hù)厚度、施工方法和破壞狀態(tài)等因素有關(guān)37。滿足功能要求的各類用途隧道其斷面一般較大，如地鐵單線區(qū)間隧道一般跨度在6.0m左右，雙線隧道在12.0m左右，車站隧道則高達(dá)20.0m左右。眾所周知，傳統(tǒng)的預(yù)支護(hù)技術(shù)因其自身剛度不足，上覆土體的壓力在土體開挖階段以其以后，將全部轉(zhuǎn)移至隧道支護(hù)上，預(yù)支護(hù)在開挖階段（還因短進(jìn)尺）有效地起到了防止圍巖