1、甘肃交通职业技术学院,主讲教师：马安财2011.10,模块二 公路隧道施工,隧 道 施 工,任务七 隧道支护与衬砌,概述： 隧道施工在地层中开挖出导坑后，出现了岩壁临空面，改变了围岩的应力状态，产生了趋向隧道内的变形位移。同时，由于开挖扰动以及随时间推移的变形量的增长，又降低了围岩的强度。当围岩应力超过围岩强度时，围岩的变形发展过大，从而造成失稳；其表现通常为围岩向洞内的挤入、张裂、沿结构面滑动，甚至最后发生坍塌。 围岩的变形是个动态过程。对于坚硬稳固的围岩，开挖成洞后其强度足以承受重分布后的应力，因而不致失稳。但对于破碎、软弱围岩，开挖后随着暴露时间的增加，变形随着发展，就会造成失稳。尤其是
2、在隧道拱部、洞口、交叉洞以及围岩呈大面积平板状且结构面发达的部位，更易失稳。,任务七 隧道支护与衬砌,为了有效地约束和控制围岩的变形，增强围岩的稳定性，防止塌方，保证施工和运营作业的安全，必须及时、可靠地进行人工支护，人工支护通常又分为一次支护（初期支护）和二次支护（衬砌）两大类。按使用目的和时间又分为临时支护和永久支护，临时支撑的功能是作为辅助开挖结构，或作为过渡结构，特别是用于控制局部塌落等，当临时支撑的任务完成后常被拆除。永久支护一般是指混凝土衬砌。 有时仅仅采用喷混凝土、锚杆及钢支撑等一般人工支护方法不能保证坑道的稳定时，还需要采取辅助的支护措施，如小导管注浆、管棚、锁脚锚杆、围岩注浆
3、等支护方式。这是提高围岩自支护能力的重要措施。一般说，这种人工支护的措施，多数是在地质条件差的情况时采取的。,任务七 隧道支护与衬砌,支护的合理选用与围岩的稳固程度有关。一般说来，级围岩不需临时支护；级围岩采用锚杆支护；IV级围岩采用喷射混凝土支护、锚杆喷混凝土联合支护、锚杆钢筋网喷混凝土联合支护；级围岩采用喷射混凝土钢支撑联合支护或其他支撑支护；级围岩采用木、钢、钢木混合支撑或钢筋混凝土支撑。对于级围岩，可以先挖后支，支护距开挖面距离一般不宜大于510m；级围岩随挖随支，支护需紧跟工作面；围岩先支后挖。 施工过程中如条件合适，应尽量将临时支护与永久支护结合采用。,任务七 隧道支护与衬砌,一、
4、锚喷支护 锚喷支护：是一种组合支护，它是将喷射混凝土、锚杆、钢筋网喷射混凝土、钢纤维、钢拱架组合起来的支护形式。可以根据不同围岩的稳定状况，采用锚喷支护中的一种或几种结构的组合。锚喷支护是目前通常采用的一种围岩支护手段。采用锚喷支护可以充分发挥围岩的自承能力，并有效地利用洞内的净空，既提高了作业的安全性，又提高了作业效率；它能适应软弱岩层和膨胀性岩层中隧道的开挖；它能用于整治坍方和隧道衬砌的裂损。,任务七 隧道支护与衬砌,一、锚喷支护 锚喷支护包括：喷射混凝土支护、锚杆支护、喷射混凝土锚杆联合支护、喷射混凝土钢筋网联合支护、喷射混凝土与锚杆及钢筋网联合支护、喷钢纤维混凝土支护、喷钢纤维混凝土锚
5、杆联合支护，以及上述几种类型加设型钢（或钢拱架）而成的联合支护。前五种为常用的基本类型，后两类较少使用。,任务七 隧道支护与衬砌,锚喷支护优越性： 能及时支护和有效地控制围岩的变形 ，防止岩块坠落和坍塌的产生，充分发挥围岩的自承能力 ； 能大量节省混凝土、木材和劳动力，加快施工进度，工程造价可大幅度降低，并有利于施工机械化程度的改进和劳动条件的改善等。 是一种符合岩体加固原理的积极支护方法，加固体具有良好的物理力学性能。即它能及时地支护和加固围岩，与围岩密贴并封闭岩体的张性裂隙和节理，加固围岩结构面，有效地发挥和利用岩块问的镶嵌咬合和自锁作用，从而提高岩体自身的强度、自承能力和整体性。,任务七
6、 隧道支护与衬砌,锚喷支护优越性： 支护结构柔性好，它能同围岩共同变形，构成一个共同工作的承载体系。在变形过程中，它能调整围岩应力，抑制围岩变形的发展，避免岩体坍塌的产生，防止过大的松散压力出现。锚喷支护结构不再把围岩仅仅视作荷载(松散压力)，同时还把它视为承载结构的组成部分。,任务七 隧道支护与衬砌,（一）喷射混凝土支护 喷射混凝土的作用与效果：,任务七 隧道支护与衬砌,喷射混凝土的作用与效果：,任务七 隧道支护与衬砌,（一）喷射混凝土支护 喷射混凝土的工艺与流程：有干喷、潮喷、湿喷和混合喷四种。它们之间的主要区别是：各工艺流程的投料程序不同，尤其是加水和速凝剂的时机不同。,任务七 隧道支护
7、与衬砌,（一）喷射混凝土支护,人工喷射混凝土的场景,任务七 隧道支护与衬砌,（一）喷射混凝土支护 喷射混凝土原料及配合比： 喷射混凝土的原材料包括:水泥、碎石或卵石(砾石)、砂、水和外加剂(速凝剂)等。 优先选用425号以上的普通硅酸盐水泥，其次是矿渣硅酸盐水泥和火山灰质硅酸盐水泥；在地质条件复杂的隧道中应用早强水泥；使用前均应做强度鉴定试验。 为防止喷射混凝土过程中的堵塞管道，减少回弹量及保证混凝土支护结构的强度，应采用坚固耐久的碎石或卵石，粒径不宜大于15mm(细卵石好)。,任务七 隧道支护与衬砌,（一）喷射混凝土支护 喷射混凝土原料及配合比： 为保证喷射混凝土的强度和减少施工作业时的粉尘
8、，以及减少混凝土硬化时的收缩裂纹，应采用坚硬耐久的中、粗砂，细度模数一般宜大于2.5，含水率宜控制在5%7 %，若超过7%，喷射时易造成堵管。 为保证喷射混凝土正常凝结和硬化，保证强度和稳定性，饮用水可作喷射用水，不得使用污水以及PH值小于4的酸性水和含硫酸盐量(SO4计算)超过水量1%的水，也不得使用含有影响水泥正常凝结与硬化的有害物质的水。,任务七 隧道支护与衬砌,（一）喷射混凝土支护 喷射混凝土原料及配合比： 外加剂主要是速凝剂，应采用符合质量要求，并对人体危害性很小的外加剂。掺外加剂之前，应做与水泥的相溶性试验及水泥净浆速凝效果试验，初凝不应大于5min，终凝不应大于10min，注意速
9、凝剂平时保持干燥勿受潮变质。在喷射混凝土中添加速凝剂的目的是使喷射混凝土速凝，以减少回弹量及早强。因此，掺外加剂后的喷射混凝土性能必须满足设计要求。一般速凝剂最佳掺量约为水泥重量的2%4%，实际使用时拱部可用2%4%，边部可用2%，过多的掺量对喷射混凝土反而不利。,任务七 隧道支护与衬砌,（一）喷射混凝土支护 喷射混凝土原料及配合比：,任务七 隧道支护与衬砌,（一）喷射混凝土支护 喷射混凝土的施工要点 喷射混凝土前要做相应的检查和准备工作。 喷射作业施工准备工作做好后，严格掌握规定的速凝剂掺量，并添加均匀。喷射时，喷射手应严格控制水灰比，使喷层表面平整光滑，无干斑或滑移流淌现象。 在未上混凝土
10、拌和料之前，先开高压风及高压水， 对喷射机械进行调试。 喷射应分段、分部、分块，按先墙后拱、自下而上地进行喷射。喷嘴需对受喷岩面作均匀的顺时针方向的螺旋转动，一圈压半圈的横向移动，螺旋直径约为2030cm，以使混凝土喷射密实。,任务七 隧道支护与衬砌,（一）喷射混凝土支护 喷射混凝土的施工要点 为保证喷射混凝土质量，减少回弹量和降低粉尘，作业时还应注意以下事项：喷射时应分段长度不超过6m，分部为先下后上，分块大小为2m2m，并严格按先墙后拱，先下后上的顺序进行喷射，以减少混凝土因重力作用而引起滑动或脱落现象的发生；掌握好喷嘴与受喷岩面的距离和角度，喷嘴至岩面的距离为0.8m1.2m，过大或过小
11、都会增加回弹量。喷嘴与受喷面垂直，并稍微偏向刚喷射的部位(倾斜角不宜大于100 )，则回弹量最小、喷射效果和质量最佳。对于岩面凹陷处应先喷和多喷，而凸出处应后喷和少喷。回弹混凝土不得再次利用。,任务七 隧道支护与衬砌,（一）喷射混凝土支护 喷射混凝土的施工要点 风压与喷射质量有密切的关系，过大的风压会造成喷射速度太高而加大回弹量，损失水泥，风压过小会使喷射力减弱，则混凝土密实性差。因此，根据喷射情况应适当调整风压、输料管长度进行调节风压。 喷射作业应分层进行。一次喷射厚度不得太厚或太薄，它主要与喷射混凝土层与受喷面之间的粘结力和受喷部位等有关，并且应根据掺与不掺速凝剂、喷射效率，回弹损失率等因
12、素而定。,任务七 隧道支护与衬砌,（一）喷射混凝土支护 喷射混凝土的施工要点 根据工程经验，通常喷层支护的最小厚度一般不能小于5cm，而在有较大围岩压力的破碎软弱岩体中，喷层厚度以不小于810cm为宜，喷层总厚度不宜大于25cm，只有三车道以上大断面隧道才允许适当增大喷射厚度，但不宜大于30cm。一般规定按照表2-7-4确定喷射厚度。,任务七 隧道支护与衬砌,（一）喷射混凝土支护 喷射混凝土的施工要点 一次喷射太厚，在自重作用下，喷层会出现错裂而引起大片坍落。一次喷射太薄，大部分粗骨料会回弹，使受喷面上仅留下一层薄薄的混凝土或砂浆，势必影响效果及工程质量。分层喷射厚度，一般为粗骨料最大粒径的两
13、倍，如一次喷射厚度小于5cm 时，使用石子的最大粒径也要求相应减小。 分层喷射，一般分23层喷射。分层喷射合理的间隔时间应根据水泥品种、速凝剂种类及掺量、施工温度(最低不宜低于5)和水灰比大小等因素，并视喷射的混凝土终凝情况而定。,任务七 隧道支护与衬砌,（一）喷射混凝土支护 喷射混凝土的施工要点 分层喷射间隔时间不得太短，一般要求在初喷混凝土终结以后，再进行复喷。当间隔时间较长时，复喷前应将初喷混凝土表面清洗干净，且复喷时应将凹陷处进一步找平。 一般在常温下(1520)，采用红星一型速凝剂时，可在5min10min后，进行下一次喷射；而采用碳酸钠速凝剂时，最少要在30min后，才能进行复喷。
14、 为使水泥充分水化，使喷混凝土的强度均匀增长，减少或防止混凝土的收缩开裂，确保喷混凝土质量。因此，喷射后特别需要有良好的养护，应在其终凝1h2h后进行洒水养护，养护时间应不少于7天。,任务七 隧道支护与衬砌,（一）喷射混凝土支护 钢筋网喷射混凝土施工要点如下： 钢筋使用前，应清除污锈。钢筋网宜在施工现场预制点焊成网片，也可就地绑扎相结合。 钢筋网通常应环向和纵向布置。环向筋一般为受力筋，由设计计算确定，钢筋直径12mm左右；纵向筋一般为构造筋，直径一般为610；网格尺寸一般为2020cm，2025cm，2525cm，2530cm，3030cm，围岩松散破碎较严重时，或土质和砂质隧道，可采用直径
15、小于6mm，网格尺寸一般为1010cm，10 15cm，1515cm。1520cm，2020cm。钢筋网安设时，其搭接长度不小于30d（d为钢筋直径），并不小于一个网格长边尺寸；采用双层钢筋网时，第二层钢筋网应在第一层钢筋网被混凝土覆盖后铺设。,任务七 隧道支护与衬砌,（一）喷射混凝土支护 钢筋网喷射混凝土施工要点如下： 钢筋网应据根被支护围岩面上的实际起伏形状铺设，应在初喷一层混凝土后再挂设在岩面上的，然后再喷混凝土。钢筋网与受喷面的最大间隙应不宜大于30mm。 为便于挂网安装，常将钢筋网先加工成网片，长宽尺寸可以为100cm200cm。 钢筋网应与钢拱架、锚杆或锚钉头连结牢固，并应尽可能多
16、点连接，以减少喷混凝土的使网筋发生“弦振”现象。锚钉的锚固深度不得小于20cm，以确保连接牢固、安全、可靠。,任务七 隧道支护与衬砌,（一）喷射混凝土支护 钢筋网喷射混凝土施工要点如下： 在开始时，应适当缩短喷头至受喷面的距离，并适当调整喷射角度，使钢筋网背面混凝土达到密实。对于干燥土质隧道，第一次喷射一定不能太厚，否则会鼓起及剥落等。 在砂层地段，应注意要紧贴砂层铺挂细钢筋网，并用12mm环向钢筋压紧，再喷射混凝土。在正式喷射前先喷一层加大速凝剂掺量的砂浆，适当减少喷射机的工作风压。 在有水地段，应改变配合比，增加水泥用量；先喷干混合料，待其与涌水融合后，再逐渐加水喷射。喷射时由远而近，逐渐
17、向涌水点逼近，然后在涌水点安设导管将水引出，再在导管附近喷射。,任务七 隧道支护与衬砌,（一）喷射混凝土支护 钢筋网喷射混凝土施工要点如下： 当涌水范围较大时，可设树枝状排水盲沟再喷射；当涌水严重时，可设置泄水孔，边排水边喷射；当涌水点不多时，可用开缝摩擦锚杆进行导水处理后再喷射。 当有钢架时，钢架与围岩之间的间隙必须用喷射混凝土充填密实，喷射混凝土应将钢架覆盖，避免钢架锈蚀，并应由两侧拱脚向拱顶方向喷射。为防止喷射混凝土开裂，当采用钢纤维喷射混凝土时，钢纤维在混合料中应分布均匀，不得结成团。,任务七 隧道支护与衬砌,（二）钢纤维喷射混凝土支护 钢纤维喷混凝土主要在通过韧性发挥其作用，在隧道洞
18、口段和断层破碎带或膨胀性围岩等围岩恶劣的场合、大土压作用的地点和隧道交叉段、扩大段等构造上产生很大应力的地点等使用。混入纤维后与金属网一样可起到防止剥落的效果。 一般采用的钢纤维，其长度在40mm以下，纤维直径为0.30.6mm,长径比为4060左右，混入率在0.5%1.0%左右。,任务七 隧道支护与衬砌,（二）钢纤维喷射混凝土支护 其他纤维有聚丙烯纤维、尼龙纤维、碳纤维等,这些纤维的力学性能有的是钢纤维不具备的。在实践中聚丙烯纤维采用较多，与钢纤维比较其密度为0.91kg/cm3，比较轻，材料运送、混入比较容易。 纤维喷混凝土有钢纤维、玻璃纤维、尼龙纤维等。钢纤维喷混凝土是纤维喷混凝土的应用
19、最多的一种。,任务七 隧道支护与衬砌,（二）钢纤维喷射混凝土支护纤维喷混凝土与普通喷混凝土的最大区别为: (1)弯曲拉伸及抗剪强度大； (2)最大强度后的残留强度大； (3)峰值强度后的变形能力及韧性大，开裂发生后也能传递拉力； (4)耐冲击、抗冻融性好。,任务七 隧道支护与衬砌,（三）锚杆支护 1锚杆作用机理,任务七 隧道支护与衬砌,（三）锚杆支护 1锚杆作用机理,任务七 隧道支护与衬砌,（三）锚杆支护 2锚杆类型 锚杆类型按照作用原理可划分为全长粘结型、端头锚固型、摩擦型和预应力型四种。 全长粘结型锚杆可分为普通水泥砂浆锚杆、树脂锚杆、水泥卷锚杆、早强水泥砂浆锚杆、中空注浆锚杆、自钻式注浆
20、锚杆等。 端头锚固型锚杆按结构又可分为： 机械式内锚头：楔缝式锚杆、倒楔式锚杆、胀壳式锚杆。 粘结式内锚头：如水泥砂浆内锚头，快硬水泥卷内锚头，树脂锚固锚杆。,任务七 隧道支护与衬砌,（三）锚杆支护 2锚杆类型 摩擦型锚杆可分为缝管式锚杆、楔管式锚杆、水胀锚杆。 预应力锚杆按内锚头的结构型式有机械式内锚头和胶结式内锚头；按锚固段的应力分布有集中型和分散型；按岩层的受力性质有拉力型、压力型、剪力型和混合型。目前使用最广的是拉力集中型，但近年压力分散型锚杆发展很快。,任务七 隧道支护与衬砌,（三）锚杆支护 2锚杆类型 隧道工程的永久支护必须采用全长粘结型锚杆和预应力注浆锚杆。自稳时间短的围岩，宜采
21、用全粘结型树脂锚杆或早强水泥砂浆锚杆。局部不稳定的岩块宜设置局部锚杆，可采用全长粘结型锚杆、端头锚固型锚杆、预应力锚杆，锚固端应置于稳定岩体内，锚杆参数应通过计算确定。软岩、收敛变形较大的围岩地段，可采用预应力锚杆，预应力锚杆的预加应力应小于100kPa。预应力锚杆的锚固端必须锚固在稳定岩层内。岩体破碎、成孔困难的围岩，宜采用白进式锚杆。锚杆通常只能作为临时支护，只有证明全孔注浆饱满的才能用于永久支护。,任务七 隧道支护与衬砌,（三）锚杆支护 2锚杆类型, 锚杆类型 全长粘结型, 锚杆类型 端头锚固型, 锚杆类型 端头锚固型, 锚杆类型 端头锚固型, 锚杆类型 摩察型, 锚杆类型 摩察型,任务
22、七 隧道支护与衬砌,（三）锚杆支护 2锚杆类型,中空注浆锚杆图片,任务七 隧道支护与衬砌,（三）锚杆支护 2锚杆类型,中空注浆锚杆图片,任务七 隧道支护与衬砌,（三）锚杆支护 2锚杆类型,缝管锚杆,任务七 隧道支护与衬砌,（三）锚杆支护 2锚杆类型,任务七 隧道支护与衬砌,（三）锚杆支护 2锚杆类型,垫板,任务七 隧道支护与衬砌,（三）锚杆支护 2锚杆类型 要发挥锚杆的效果，垫板的设置是十分重要的。试验表明：设垫板比不设垫板，加载应力提高了2.5倍；垫板面积越大，头部轴力提高也越多。例如，垫板面积增加1倍，头部轴力可提高1.25倍。其次，有垫板时，锚杆轴向应变的最大值的位置，向内部移动。这说明
23、锚杆的三维约束效果得以发挥。,任务七 隧道支护与衬砌,（三）锚杆支护,任务七 隧道支护与衬砌,（三）锚杆支护 3采用锚杆的条件 锚杆的锚固力受到锚杆和锚固材的附着力和锚固材和围岩的附着力两方面的影响：具体地说，就是受到锚杆的材质和表面形状、锚固材的强度、围岩的强度、孔壁的状况及锚固材的充填状况等的影响。 因此，为获得较好的围岩锚固效果，要求锚杆和围岩间要有适当的锚固力；在不连续围岩中锚杆要横切（穿）不连续面；在不连续性围岩中，设置锚杆的范围内，围岩位移差要大。,任务七 隧道支护与衬砌,（三）锚杆支护 3采用锚杆的条件 不满足这些条件的围岩，锚杆的作用是比较小的，甚至没有效果。例如：在含水的粘性
24、土中，锚固材和围岩间产生滑动，锚固力有时不充分；松砂等因围岩的强度小，也不能获得锚固力，但如对围岩进行改良，也有可能产生效果；在连续性围岩中，变形小，几乎也不产生塑性变形的围岩。但在这种围岩中，因主要是不连续面支配围岩的动态，作为不连续面的对策，也会产生一定的效果；塑性区域超过锚杆设置范围以外的场合，但此时可加长锚杆长度（图10）。围岩破坏，在产生的滑面内设置锚杆的场合（图11）；锚杆产生压力的场合；在不连续性围岩中，锚杆没有横切不连续面的场合(图12)。,任务七 隧道支护与衬砌,（三）锚杆支护 4锚杆的群锚作用 锚杆是属于点状支护的类型。除了随机配置的锚杆外，绝大多数都应呈网状配置，以便发挥
25、群锚的作用，这是非常重要的。因此，锚杆的配置参数（长度、间距）要注意符合群锚的工作原则。,任务七 隧道支护与衬砌,（三）锚杆支护 4锚杆的群锚作用 锚杆间距的选定，除考虑岩体稳定条件外，一般应能充分发挥喷层作用和施工方便，即通过锚杆数量的变化使喷层始终具有有利厚度。合理的锚杆数量是恰好使初期喷层刚好达到稳定状态，这样复喷厚度才能作为支护强度提高的安全系数。为了防止锚杆之间的岩体塌落，根据长期的工程经验和科学试验，通常要求锚杆的纵横向间距不大于杆体长度的一半即可，因此，锚杆间距的确定还受锚杆长度的制约。,任务七 隧道支护与衬砌,（三）锚杆支护 4锚杆的群锚作用 在软弱岩体中，锚杆的密度是稳定围岩
26、的重要因素，在、VI级围岩条件下，锚杆应按系统锚杆设计，并符合下列规定： 锚杆一般应沿隧道周边径向布置，当结构面或岩层层面明显时，锚杆应与岩体主结构面或岩层层面呈大角度布置。 锚杆应按矩形排列或梅花形排列。 锚杆间距不得大干1.5m。间距较小时用长短锚杆交错布置。 两车道隧道系统锚杆长度一般不小于2.0m，三车道隧道系统锚杆长度一般不小于2.5m。,任务七 隧道支护与衬砌,（三）锚杆支护 4锚杆的群锚作用 为施工方便，锚杆的纵向间距最好与掘进进尺相适应。 锚杆长度的选取应当以能充分发挥锚杆的功能作用，并获得经济合理的锚固效果为原则，根据我国锚喷支护的设计经验，锚杆长度可在隧道跨径的1/41/2的范围选取。,任务七 隧道支护与衬砌,（三）锚杆支护 5锚杆的配置,任务七 隧道支护与衬砌,（三）锚杆支护 6锚杆施工及要求 锚杆施工应满足以下规定：隧道工程坑道开挖后，应尽快安设锚杆；一般宜先喷射混凝土，再钻孔安设锚杆；锚杆的孔位、孔径、孔深及布置形式应符合设计要求；锚杆杆体露出岩面长度，不应于大于喷层的厚度；应确保隧道工程辅助稳定措施中的锚杆施工质量符合设计要求。,
