隧道管棚超前支护方案图文ppt课件

隧道管棚超前支护 1 地下工程超前支护方法 超前支护技术是指在隧道开挖之前 通过向掌子面前方地层里注浆 冷冻 打入钢管 钢板 锚杆等技术措施在隧道横断面上形成一个拱形连续体 使其加固开挖面前方地层 同时利用其支撑力保持前方土体的稳定 减少地表沉降量的技术总称 研究表明 围岩注浆加固可提高其强度和变形模量 从根本上改善围岩的变形规律 前苏联的资料表明 砂岩在注浆后的强度可增加50 70 粉砂岩和泥质岩增加2 4倍 而岩石强度的增大可使支护荷载减少2 3 4 5 2 实践表明超前支护体系能够有效地限制地面沉降 并全面地保持自然地层在稳定状态下开挖隧道 研究表明地面的整个沉降量的30 40 和地下地层的整个沉降量的40 50 是在一般的支护开始发生作用之前发生的 超前支护对地面沉降有30 35 的抑制效果 对隧道顶上地层 拱顶 沉降有40 的抑制效果 所以 加固掌子面前方的地层对抑制地面沉降有非常重要的作用 超前支护技术作为加固地层 稳定拱顶及掌子面 减少地表沉降的辅助施工工法 己经在地下工程施工中得到了广泛地应用 3 根据采取的加固措施对周围地层特性和应力分布的影响 可将超前支护分为地层改良法和预支护法 地层改良法就是提高开挖面周围地层土的特性的方法 这种方法包括注浆 土壤加固 排水和地层冻结等 预支护法就是在隧道开挖前 先超前对围岩进行加固 以增加围岩的自稳能力 并使开挖面周围应力干扰达到最小的方法 超前支护方法主要包括 管棚法 机械预切糟法 预衬砌法 水平旋喷注浆法 超前小导管法 超前锚杆法 冻结法等等 其中管棚法 水平旋喷注浆法 小导管法等支护方法同时也改良和加固了地层 4 管棚注浆支护 就是把一组钢管沿开挖轮廓外己钻好的孔中打入地层内 并与钢拱架组合形成强大的棚架预支护加固体系 支承来自于管棚上部的荷载 通过钢管的梅花形布置的注浆孔加压向地层中注浆 以加固软弱破碎的地层 提高地层的自稳能力 管棚注浆是一种长距离超前支护方法 超前距离长 刚度较大 适用于掌子面不能自稳 含水的地层 控制地表沉降 防渗止水的效果较好 施工工艺要求较高 如将管棚注浆与小导管补充注浆法结合 除具有大管棚的特点外 能够防止管棚下方三角土体的塌落 这种长短结合的预支护效果更为理想 5 管棚支护的主要作用和优点 1 梁拱效应 先行施设的管棚 以掌子面和后方支撑为支点 形成一个梁式结构 二者构成环绕隧洞轮廓的壳状结构 可有效抑制围岩松动和垮塌 2 加固效应 注浆浆液经管壁孔压入围岩裂隙中 使松散岩体胶结 固结 从而改善了软弱围岩的物理力学性质 增强了围岩的自承能力 达到加固钢管周边软弱围岩的目的 3 环槽效应 掌子面爆破产生的爆炸冲击波传播和爆生气体扩展遇管棚密集环形孔槽后被反射 吸收或绕射 大大降低了反向拉伸波所造成的围岩破坏程度及扰动范围 4 确保施工安全 管棚支护刚度较大 施工时如发生塌方 塌碴也是落在管棚上部岩碴上 起到缓冲作用 即使管棚失稳 其破坏也较缓慢 6 隧道超前支护法一览 根据采取的加固措施对周围地层特性和应力分布的影响 可将超前支护分为地层改良法和预支护法 地层改良法就是提高开挖面周围地层土的特性的方法 这种方法包括注浆 土壤加固 排水和地层冻结等 预支护法就是在隧道开挖前 先超前对围岩进行加固 以增加围岩的自稳能力 并使开挖面周围应力干扰达到最小的方法 超前支护方法主要包括 管棚法 机械预切糟法 预衬砌法 水平旋喷注浆法 超前小导管法 超前锚杆法 冻结法等等 其中管棚法 水平旋喷注浆法 小导管法等支护方法同时也改良和加固了地层 7 管棚注浆支护 就是把一组钢管沿开挖轮廓外己钻好的孔中打入地层内 并与钢拱架组合形成强大的棚架预支护加固体系 支承来自于管棚上部的荷载 通过钢管的梅花形布置的注浆孔加压向地层中注浆 以加固软弱破碎的地层 提高地层的自稳能力 管棚注浆是一种长距离超前支护方法 超前距离长 刚度较大 适用于掌子面不能自稳 含水的地层 控制地表沉降 防渗止水的效果较好 施工工艺要求较高 如将管棚注浆与小导管补充注浆法结合 除具有大管棚的特点外 能够防止管棚下方三角土体的塌落 这种长短结合的预支护效果更为理想 8 管棚支护适用范围 根据国内外的施工实践 综合我国目前地下工程管棚支护应用的实际案例 管棚支护可适用于 软弱砂土质地层 砂卵砾石地层 膨胀性软流塑 硬可塑状粉质粘土地层 裂隙发育岩体 突泥突水段 断层破碎带 塌方段 破碎土岩堆地段 浅埋大偏压等地质和地下水丰富条件的地下构筑物施工的支护 隧道进出口段开挖的支护 也多应用于地铁等穿越城区的地下工程的开挖预支护 可作为穿越既有建筑物 公路 铁路及地下结构物下方修建隧道的辅助方法 作为隧道洞口段及修建大断面隧道施工的辅助工法及作为其他施工的辅助工法 也常用于浅埋但不宜明挖地段或浅埋隧道情况下 地表有建筑物 或隧道接近地中结构物时等对施工沉降有特殊要求的工程等 9 管棚支护的设计 管棚支护的设计参数主要包括 钢管直径 长度 间距 仰角 水平搭接长度 钢架间距 注浆参数等 当需要增大钢管的强度和刚度时 可在管内设置钢筋笼而后用水泥砂浆填充 我国 铁路隧道施工规范 规定 管棚用钢管直径宜为 70 127mm 钢管中心间距宜为管径的2 3倍 管棚长度应根据地层情况选用 不宜小于10m 纵向两组管棚的搭接长度应大于3m 管棚支护参数可按工程类比法确定 并在施工中根据实际情况调整 10 11 管径的选择 大部分工程的钢管直径在中 50 180mm之间 有学者将管棚支护按管径分类为小管棚和大管棚 小管棚管径一般在 30 50mm 大管棚管径介于 89 159mm 工程中多用 108mm的钢管 环向间距以不大于3 5倍管径为宜 管棚钢管的选择根据计算结果和技术经济因素分析 对于支护条件要求较高的松软地层 应选取 127mm钢管 土体凝聚力较高的粘性土 可选取 89mm钢管 一般土层在多数情况下选取 108mm钢管 12 管棚钢管环向间距的确定 常规的沿隧道开挖轮廓线等间距设置管棚的方法是不科学的 应针对不同情况合理设计 钢拱架布置间距根据塌方体的松散与开挖难易程度及施工效果 可在40 80cm范围内调整选择 特殊情况下需加密 根据对工程实例的地质条件 工程断面尺寸 埋深等影响因素的总结和对比分析 得出以下经验结论 可用于地下工程支护的施工依据 管棚钢管环向间距的确定 管棚钢管直径范围一般为 70 180mm 我们可将管棚支护按管径分类为小管棚 中管棚 大管棚 小管棚管径一般在 32 50mm范围内 多采用管径为 42mm的钢管 管长以3 5 5m为宜 环向间距一般取0 3 0 4m 水平搭接长度1 1 5m 中管棚管径一般在 50 89mm范围内 管长一般不超过20m 环向间距一般取0 3 0 4m 水平搭接长度1 2m 大管棚一般可选用 89 159mm的钢管 常用管径 108mm 管长以不超过40m为宜 钢管一般分节长4m或6m 以丝扣连接 丝扣长不小于150mm 环向间距一般不大于3 5倍管径为宜 14 外插角的合理确定 角度过小 将可能导致管棚远端下垂至隧道开挖幅员内影响后期施工 相反 角度过大 管棚离开挖幅员距离过大 管棚下方的三角土体坍塌给洞身开挖支护带来很大困难 还应根据管棚钻机工作室空间大小 以及钻杆长度等情况综合考虑确定 小管棚外插角常取5 15 中管棚常取2 8 长管棚多取1 3 钢拱架支撑一般用工字钢 或工字钢与格栅钢架间隔使用 间距一般不大于1米 特殊情况下需加密 15 管棚布置形式 16 管棚布置形式 17 管棚布置形式 18 管棚布置形式 19 门型布置 20 全周布置与上部一侧布置 21 管棚布置形式 22 管棚施工工艺流程 23 钻孔流程 24 注浆流程 25 成孔方法 常用的施工方法有夯管法 顶管法 钻孔等 但钻孔法是目前最常用的成孔方法 随着钻探设备的专业化分工越来越细 管棚专用钻机也应运而生 但管棚钻进为近水平钻进 性质上与勘探钻孔有所不同 对钻孔方向 空间位置 的精度要求很高 终孔测量一旦发现孔斜或超出设计允许偏差 会造成严重的后果 26 钻孔方法 常规回转钻进 硬质合金 刮刀 牙轮等 钻进 常规风动潜孔锤钻进 ODEX法 风动潜孔锤跟管钻进 双动力头跟管钻进 长螺旋跟管钻进 27 潜孔锤跟管钻进 28 土星 跟管钻进法 孔锤通过焊在套钻头和潜管靴 3 内壁上的三个凸块 4 来控制中心 当偏心钻头向下伸出套管靴时 凸块处于控制潜孔锤位置 这时实现偏心扩孔钻进 套管同时跟进 当钻孔完成钻具往上提拉时 凸块位于控制钻头体位置 且有一凸块嵌入钻头体凹槽 偏心钻头即可进入套管并提出地表 29 海王星 跟管钻进法 海王星 跟管系统如图2 9所示 这种系统的内外管系统基本和 土星 跟管系统相似 内管定心是通过回转内管 3 借助一个螺旋伸缩接头 8 和套管在潜孔锤外部的带有凸台 7 的套筒 6 一齐向下移动 使凸台座落在套管 4 底部套管靴 5 内的台阶上 此时将潜孔锤 1 挤向一侧 并实现偏心钻头 2 的扩底钻进 偏心钻进进入套管并能提到地表 为防止套管靴内部磨损 其内部在与凸台相对应的位置上设有耐磨环 30 潜孔锤跟管钻具按钻头能否改变直径可分为两大类 即钻头变径跟管钻具和钻头不变径跟管钻具 钻头变径跟管钻具目前主要有单偏心变径跟管钻具 双 三 偏心变径跟管钻具和径向变径跟管钻具等结构 除单偏心变径跟管钻具属于偏心跟管外 其余结构的钻头变径跟管钻具由于钻头翼瓣在张敛的过程中沿钻具中心轴线是对称的 因此应属于同心跟管钻具 钻头不变径跟管钻具均采用内外钻头结构 一般套管需要回转 此类钻具属同心跟管钻具 相对来说钻头变径跟管钻具使用的比例较大 约占市场使用的95 这都是由它的结构特点所决定的 31 钻头不变径跟管的主要缺点有 1 钻具在工作时 内外管同时回转 易造成内外管之间的环状间隙被岩粉堵塞或被大块岩屑卡住 造成内管反转失灵 内外管无法分离 这种方法需要大扭矩的回转钻机 能源消耗大 不利于环保 2 由于钻头不变径跟管钻具的钻进是同口径进入 尤其是遇到漂石时 钻进将非常困难 即使钻孔成功 由于钻孔缩径 起拔套管也非常麻烦 甚至经常造成套管断裂等孔内事故 32 吉林大学郑治川成果 三活瓣跟管钻具的组成 钻头活瓣结构 33 钻头活瓣张开 34 钻头活瓣闭合 35 单偏心跟管钻头 型 36 张开状态 37 单偏心跟管钻头 型 38 39 该型钻头优点 1 连接偏心钻头和钻头体的横销只起到悬挂钻头的作 不承担扭矩 避免了销子的变形 折断所造成孔内事故 2 目前国内采用的偏心跟管钻头需要转动175 左右才能实现钻头的张敛 而这种类型钻头的钻头体正转一个很小角度 8 左右 即可使钻头直径增大到设定的扩孔直径 钻头收回时 反转一个很小角度即可使钻头直径缩小到设定的直径 减少了钻头收回时被卡住的概率 3 单偏心跟管钻头 型的扭矩是通过在钻头体上设有一肾形的长圆孔和在偏心钻头上设有一肾形的长圆轴的配合来传递的 4 易于实现较大的变径要求 40 长螺旋跟管钻进 41 管棚钻孔轨迹控制方法 管棚钢管钻孔一旦出现孔斜或超出设计允许偏差 会妨碍邻近钢管的钻设 造成洞体形状参差不齐 支护效果不好等结果 若钢管下沉到一定程度 开挖时还需要切除 造成间隔增大 易坍塌 为此 钻进时可采取中压给进 中等转速 中等循环液量钻进 钻孔平面误差径向应控制在20cm内 角度误差小于1 以免因孔径过大而造成管棚钢管偏斜和向下弯曲 在实际施工中水平钻孔弯曲一般较难避免 因此除提高管棚定位精度外 可再给以适当的上抬量 根据现场地质情况定 以补偿部分钻孔下垂量 42 43 钢管的安装 管棚钢管在跟进过程中要派专人进行套接加长 管棚相接时 保证管棚中线在同一轴线上 顺丝拧紧 不应出现扭曲现象 并确保连接头与管棚钢管丝扣紧密结合 不出现不同轴 偏心现象 考虑到钢管受力 结构整体及施工方便等因素 同一断面内的钢管接头数一般不大于50 且相邻钢管的接头位置至少错开1m 常用的作法是将钢管按奇 偶编号 可确保钢管接头错开 钢管接头采用丝扣连接 钢管的分节长度一般为4m到6m 管壁加工梅花状透浆孔 管棚安装可采用人工或机械下管的方式 44 钢管的安装 45 注浆 管棚注浆是管棚施工的关键环节之一 注浆效果的优劣同样影响着整个管棚体系的施工质量 因此 注浆要根据地质情况选用合适的浆液 压力和合理的流量 在注浆过程中压力小则注不进 压力过大则会造成地面外鼓 崩裂 在城市浅埋地段对地面建筑物造成影响 注浆时 一般采用先低压 中流量注入 注浆过程压力逐渐升高 注浆流量逐渐减少 当压力升至终压时 继续压注5min 再结束注浆 46 注浆 在设计给出浆液种类 预期注浆效果等条件下 为保证施工质量 在实际注浆施工前宜进行现场原位注入试验 确定最优注浆参数等来指导注浆 以保证注浆效果 为防止出现塌孔或注浆窜孔 可在钻孔时隔孔位钻孔 加大孔与孔之间的距离 待注浆完成凝固后再钻相连孔位 这样可有效保证钻孔和注浆质量 管棚和注浆混凝土形成厚拱 实现管棚纵向成梁 横向成拱的承载作用 47 注浆 为减少相邻管孔注浆间的相互影响 注浆顺序通常采用由下往上 左右对称进行 但由于塌体内有许多块石相互支架 致使塌体内空洞大而多 这些空洞有的直接与塌空区相连 注浆时浆液在压力作用下通过这些空洞泄流至塌空区 而不能在管棚附近均匀扩散 从而使注浆加固带无法形成 为此 根据经验采用间歇注浆法 即当长时间注浆压力上不来时 说明浆液顺空隙泄流至塌空区 这时将浆液凝结时间调整至30 50秒 注浆1 5分钟 停40秒 待原注入浆液初凝变稠后再注 如此反复 则原先的泄浆通道逐渐变小并最终堵塞 浆液即在管棚周围达到均匀扩散的目的 48 管棚超前支护技术发展趋势 在目前的超前支护方法中 主要有超前锚杆 超前小导管注浆和超前管棚 超前锚杆和超前小导管注浆具有施工便捷 技术易掌握 机械化配套程度要求不高等优点 但支护长度小 仅3 5m 锚杆或小导管伸入工作面前端滑动线内距离短 开挖循环进尺受限制 一般在浅埋松散地层中循环进尺多控制在15 17m 循环次数增加 工序交换频繁 特别是在自稳能力极差的围岩中 锚杆和导管前端仍在滑移面内 起不到超前支撑保护的作用 极易造成工作面失稳 存在较大的安全隐患 因此 长管棚的应用越来越普遍 49 长管棚超前支护施工技术的支护作用机理在于 主要是钢管与浆液固结体共同作用的结果 一方面进行钻孔 下设钢管 当钢管穿过松散软弱围岩 岩石 土 等破坏区后 伸入到原状土部位时 有力地保障了开挖掌子面岩土体的稳定 起到骨架 格栅作用 另一方面通过注浆使浆液从钢花管孔眼中压出 并在一定的压力作用下注入到钢管周围松散 软弱的地层中 从而形成复合稳定的固结体 使周围地层的力学性质得到改变 稳定性能得到加强 可以防止土层坍塌和地表下沉 50 51 52 意大利产管棚钻机 53 DDL 300型钻机 54 固体矿床的金刚石钻进 硬质合金钻进 同时也可以用于工程地质勘探钻进及基桩孔钻进 广泛应用于地质勘查 工程勘查 锚固护 旋喷注浆 管棚支护等工程施工作业 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 隧道全液压履带管棚钻机 KR80412 3科莱 德国 美国卡特彼勒3056DI T水冷发动机 功率 114kW 工作重量 14 2吨 配200V钻架和KD1624凿岩机 钻孔深度 水平30m 钻孔口径89 250mm 也可用于锚索孔钻进施工 76 超前管棚注浆施工案例 本合同段隧道浅埋 类围岩段采用超前长管棚注浆支护 管棚采用 108mm 壁厚4mm的钢管 管棚与钢拱架配合使用并从拱架腹部穿过 在拱架上沿隧道开挖轮廓线纵向钻设管棚孔 外插角约3 以不侵入隧道开挖线越小越好 孔径比管棚钢管直径大20 30mm 钻孔顺序由高孔位向低孔位进行 钢管前端加工成尖锥形 尾部焊接 10加劲筋补强 钢管上入岩部分梅花形布置 12mm注浆孔 注浆孔间距15cm 钢管方向与路线中线平行 纵向搭接长度大于1 5m 77 隧道施工工艺流程 测量放样 钻眼 装药 联线 放炮 通风 清浮石 仰拱装载机装矸 中心水沟挖掘机装矸 自卸汽车排矸 施作系统锚杆 喷射砼 78 1 主要工艺流程 钻孔 安设注浆管在隧道开挖轮廓线以外现浇C25混凝土护拱 搭设钻机平台 用工程水平钻机钻孔 达到设计深度后扫孔 安装注浆管 并在孔口1 5m 2 5m处安设与钻孔直径相同的橡胶套 用水泥砂浆封闭孔口 防止浆液沿注浆管与钻孔壁的缝隙挤出 采用钻 注的顺序进行施工 79 1 主要工艺流程 配浆及注浆用超细水泥配制注浆液 采用后退式分段注浆 关闭孔口阀门 开启注浆泵进行管路压水试验 试验压力等于注浆终压 如有漏水及时检修 注浆时采取低压力 中流量注入 注浆过程中压力逐步上升 流量逐步减小 当压力升至终压时 继续压注5min再结束注浆 注浆孔在注浆结束后及时清除管内浆液 并用30号水泥砂浆填充 以增强管棚的刚度和强度 80 1 主要工艺流程 注浆结束标准每段注浆施工正常 注浆压力达到设计终压 注浆量达到设计注浆量的80 及以上 或虽未达到设计终压 但注浆量已达设计注浆量 即可结束单孔注浆 设计的所有注浆孔均达到结束标准 无漏注现象 注水试验地层吸水率0 05L min 粘土固结强度大于0 4Mpa时即可结束全段注浆 81 2 超前小导管注浆施工 超前小导管采用 42mm 壁厚3 5mm的无缝钢管 钢管上入岩部分梅花形布置 6mm注浆孔 注浆孔间距12cm 导管前端加工成尖锥形 尾部焊接 6 5加劲筋补强 注浆机选用液压注浆机 施工时 先用仪器测量放线 画出开挖外轮廓线 定出小导管中心线位置 导管采用钻孔施工时 孔眼深度应大于导管长度 采用锤击或钻机顶入时 其顶入长度不小于管长的90 注浆采用液压注浆机 注浆前应喷射混凝土封闭作业面 防止漏浆 喷层厚度不小于5cm 导管注浆时 尾部应设封堵塞 当灌注水泥浆时 应在封堵塞上设注浆孔和排气孔 注浆时 排气孔出浆后应立即停止注浆 82 3 锚杆施工 1 22砂浆超前锚杆锚杆钻孔前根据设计要求和围岩情况 定出孔位 作出标记 钻孔做到圆而直 其孔径和孔深符合设计要求 孔内积水和岩粉应吹洗干净 锚杆孔口岩面应整平 并使岩面与钻孔方向垂直 如不垂直 安装锚杆时可用特制垫板调整 使托板密贴岩面 锚杆施工预张拉力时 预张拉力值宜为锚固力的50 80 安装后要定时检查 发现松动及时紧固 2 D25中空注浆锚杆各类围岩锚杆采用D25中空注浆系统锚杆 锚杆长度为3 0 3 5m 梅花型布置 采用风钻钻孔 钻至规定深度后 用高压风吹孔 打入锚杆 然后用注浆泵由锚杆中孔向孔底灌满砂浆 安装垫板螺栓 83 锚杆施工要点及注意事项 孔位按设计布置 偏差小于10cm 孔深误差 10cm 钻孔直径大于锚杆直径15mm 锚杆插入长度不小于设计长度 钻孔本身成直线 不弯曲 方向沿隧道周边径向 但不平行于岩面 施作锚杆时 同时预埋格栅钢架的定位锚杆 锚杆插入后不得随意敲击 三天内不准悬挂重物 84 锚杆施工要点及注意事项 灌孔前清孔 顺锚杆孔用高压风清除孔内积水 岩粉 碎屑等杂物 注浆使用灌浆罐和注浆管 孔口压力小于0 4MPa 顺着锚杆孔注浆 直到孔口有浆液流出为止 砂浆随备随用 在砂浆初凝前使用完 每100根锚杆随机抽样三根 作拉拔试验 以了解锚杆的锚固质量 85 4 钢筋网施工 各类围岩均布置钢筋网 钢筋网采用 6圆钢 间距为5cm 15cm 钢筋网在现场单根安装 钢筋网与锚杆联接牢固 随着喷面的起伏铺设 钢筋网之间及与已喷砼段的钢筋网搭接牢固 且搭接长度不小于200mm 钢筋网需挂靠牢固 在喷射混凝土时钢筋网不得晃动 86 5 喷射 湿喷 混凝土施工 A 喷射砼配合比设计原则选择喷射砼的配合比 既要考虑砼强度和其它物理力学性能的要求 又要考虑喷射工艺的要求 水泥 砂 石子及各种外加剂必须符合设计和规范要求 设计步骤 确定骨料的最大粒径和砂率 确定水泥用量 确定水灰比及用水量 确定砂 石用量 试喷 调整 确定施工配合比 87 5 喷射 湿喷 混凝土施工 B 喷射工艺流程 原材料检查 对使用的各种原材料进行质量检查 合格后方能使用 机械设备检查 对机械进行技术检查 对水 风 电路进行试通检查 合格后方可运转 施工现场检查 检查受喷面 清除危岩浮土 用高压风吹扫岩面 埋设厚度标志 88 5 喷射 湿喷 混凝土施工 C 喷射砼顺序喷射砼顺序 垂直方向为自下而上 水平方向从左到右或从右到左 并呈螺旋轨迹运动 一圈压半圈 纵向按顺序进行 旋转半径一般为15cm 每次蛇行长度为3 4m 岩面不平时 应先喷凹处找平 喷射砼时 其喷射砼速度不宜太慢或太快 适时加以调整 89 5 喷射 湿喷 混凝土施工 D 喷射质量检查按规范检查喷射表面 是否有松动 开裂 下坠 滑移等现象 如有及时清除重喷 喷体达一定强度后可用锤击听声 对空鼓脱壳处及时进行处理 钻眼量测 厚度不够处补喷 及时测定回弹率和实际配合比 以指导下步施工 对喷体试件进行力学试验 90