隧道预加固原理和应用.ppt
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1、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
2、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
3、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。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。门形布设:隧道基础稳定,但边墙和拱部不稳定时。全周布设:用于软弱地层或膨胀性、挤出性围岩等。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
4、。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。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1035m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70180mm的焊接钢管,入土端制作成尖靴状或楔形,顶进端焊一圈8mm圆钢筋箍。对于特殊地段,可采用长大管棚,大直径钢管多为300500mm。,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、
5、地层情况、周围结构物状况等合理选择;一般采用的间距为2.02.5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
6、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3870mm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
7、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、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0.51.0MPa之间,小导管预注浆参数:注浆小导管采用3250mm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0.20.3m,仰角控制在10o15o。注浆小导管管头为25o30o的锥体,管长3.03.5m,其中端头花管长2.02.5m,花管部分钻有610mm的孔眼,每排4个孔,交叉排列,间距1020cmm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
8、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,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70100m2断面的隧道可布置1218个注浆孔,其中15m左右的长孔布置611个,5m左右的短孔布置67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
9、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
10、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
11、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,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
12、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5070cm的圆柱体(桩)的工法。材料3天的强度可达810MPa,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
13、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510-4m/s时,加固或堵水
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