1、隧道初期支护施工技术,中铁上海工程局一公司金温扩能改造工程指挥部,二一三年八月十九日,目 录,一、概 述,新奥法初期支护的具体施作方法是随隧道掘进及时喷射一层混凝土（如果围岩较差，先喷射保护层混凝土，再安装拱架、钢筋网片、再次喷射混凝土），封闭围岩暴露面，形成初期柔性支护，随后按设计要求布置系统锚杆加固围岩。锚杆、喷层和围岩共同组成承载环，支承围岩压力，形成了新奥法初期支护（称为外拱），在施工过程中，通过监测了解外拱圈围岩的变形情况，待支护抗力与围岩压力适应时进行封底，隧道围岩趋于稳定，随后进行二次衬砌（称为内拱），二次衬砌为隧道结构储备强度。,一、概 述,隧道支护分初期支护（初支）和永久性模
2、筑支护（二衬）。当前采用的支护类型，基本采用新奥法理念。就是根据不同的工程地质条件来确定围岩类别，对不同的围岩类别采用指导性的支护类型。新奥法的主要原理：将地质的自稳条件纳入隧道支护的一部分，再根据隧道开挖后的实际围岩类别以及开挖后实际量测得到的内净空收敛的速度，变形量的大小的信息，调整已初拟的设计参数，直到隧道内壁趋于稳定。隧道各项支护条件，实际上是在设计支护参数指导条件下的动态设计。,超前管棚一般用于洞口浅埋段、级以下围岩、偏压地段、隧道穿越重要建筑地表沉降要求高等地段，隧道围岩开挖后无自稳能力或不能满足沉降要求，该段需要设置超前注浆管棚支护（长度为1040m），超长管棚和型钢拱架配合使用
3、，并设置导向墙，导向墙的基础应设置在基岩中。为保证管棚施工精度，导向墙内设2榀工字钢架，钢架外缘设导向钢管，钢管与钢架焊接，管棚施工的参数需严格按照设计要求进行控制。,二、超前管棚及小导管,超前管棚,超前小导管与管棚相类似，是隧道工程掘进施工过程中的一种工艺方法，主要用于自稳时间短的软弱破碎带、浅埋段、洞口偏压段、砂层段、砂卵石段、断层破碎带等地段的预支护。根据围岩条件不同，小导管分型、型和型。,超前小导管,二、超前管棚及小导管,铁路隧道中，一般型、型采用直径42mm壁厚3.5mm长度为4.5m的热轧无缝钢管加工而成，相邻环之间水平投影搭接不小于1.0m，型和型小导管区别在于环向间距和注浆作用
4、不同，其中型小导管环向间接50cm，注浆仅仅填充小导管.,二、超前管棚及小导管,型小导管环向间距40cm，注浆填充小导管及对土层进行扩散加固。,二、超前管棚及小导管支护,型小导管采用直径50mm壁厚5mm长度为5.0m的热轧无缝钢管加工而成，相邻环之间水平投影搭接不小于1.5m，小导管之间的环向间距一般控制在30cm，钢管外插角分别采用40和10交错布置，其他间隙封堵和注浆参数需严格按照设计要求实施。,二、超前管棚及小导管,二、超前管棚及小导管,二、超前管棚及小导管,三、锚杆及钢筋网,目前在国内使用的锚杆类型较多。主要以全长锚固锚杆和端头锚固锚杆两种。全长锚固锚杆不论是锚杆的构造如何，都是水泥
5、砂浆或树脂类粘结剂将锚杆和孔壁紧密结合以增加锚杆的抗剪、抗拉和防腐蚀作用，其锚固性能可靠，具有较强的长时期锚固力，有利于约束围岩的位移。目前在地下工程中使用最广的类型。这种锚杆依不同的围岩条件不同的用途及注浆方式，安装方式方面又分出了砂浆锚杆、中空组合锚杆等。,三、锚杆及钢筋网,围岩等级不同，需选择锚杆的种类和打设锚杆的数量是不同的，但其作用都为：隧道开挖后沿隧道径向布设系统锚杆并注浆，其浆液很快填充锚杆周边的空隙以及围岩的裂隙从而增加围岩的内摩擦力，并向围岩施加压力而形成承载拱后，使与喷砼钢架等支护共同承受围岩变形压力，以减少围岩的变形，提高围岩整体稳定性。,三、锚杆及钢筋网,在隧道中，钢筋
6、焊接网片与喷射混凝土一起主要起加固支撑的作用，钢筋焊接网片是设置在初期支护中的，会使初期支护后喷射混凝土更加容易，就像二衬的钢筋一样，起骨架的作用，使高铁隧道更加坚固和安全。隧道开挖后，对于围岩较差处，需要打设锚杆，为保证钢筋网片的稳固性，将钢筋网片与系统锚杆固定连接，待安装固定后再进行喷射混凝土施工。钢筋网一般采用6的级钢筋加工而成，其网格间距级围岩为25cm25cm，、为2020cm，当钢筋网的保护层厚应20cm，需设双层钢筋网，第一层钢筋网被喷混凝土基本覆盖后再铺设第二层。,隧道开挖出碴后及时完成第一次混凝土初喷，一般控制厚度为3cm4cm，确保钢支撑的保护层厚度后立即安装钢支撑。根据高
7、速铁路隧道工程施工质量验收标准TB10753-2010、J1149-2011中第六章隧道开挖中明确了软弱围岩及不良地质铁路隧道设计施工有关技术规定，对软弱围岩隧道c、和级 围岩地段施工提出了相应的安全 步距要求，同时要求隧道开挖后 及时安装钢支撑，进行喷射混凝 土施工，保证隧道围岩稳定。,四、钢支撑,隧道钢支撑一般分几个连接单元，这些单元可在隧道外加工厂加工完成，运送到洞内需要安装钢支撑的位置完成拼装，将不同的连接单元通过螺栓将其连接在一起，采用分部开挖时，在不同分部间钢支撑底部处设置锁脚锚管，与围岩共同受力，锁脚锚管采用直径50mm，壁厚3.5mm的热轧无缝钢管加工而成，长度4.5m。为保证
8、相邻钢支撑能够共同受力，在两榀钢支撑直接设 置直径22mm的“八”字钢筋，为保证两榀拱架之 间围岩作用力传递到钢支撑上，同时在钢支撑 与 围岩接触面布设钢筋网片。,四、钢支撑,为保证钢架置于稳固的地基上，施工中应钢架基脚部位必须支撑在稳固的基岩上，若钢架与基岩有空隙必须用混凝土预制块或其他强度足够的物体填塞密实。 钢架平面应垂直于隧道中线，其倾斜度不大于2度。钢架的任何部位偏离铅垂面不应大于5cm。 为增强钢架的稳定性，将钢筋与系统锚杆焊接在一起。相邻钢架应设纵向连接钢筋以增强钢筋整体作用，纵向连接钢筋按环向间距1.0m设置，八字型顶部布置。,五、钢支撑,钢支撑架设工艺要求,钢架架立后应尽快施
9、做喷射混凝土，并将钢架全部覆盖，使钢架与喷射混凝土共同受力。喷射混凝土应分层进行，每层厚度56cm左右，先从拱脚后墙脚向上呈“S”型喷射以防止上部混凝土喷射虚料掩埋拱脚（墙脚）而不密实，强度不够，造成拱脚（墙脚）失稳。 其他焊接等相关质量需满足相关专业和设计要求。,钢支撑安装，切记拱脚悬空，锁脚锚管施做不到位。,五、钢支撑,五、喷射混凝土支护结构形式,喷锚支护与围岩密贴，柔性好，有良好的物理力学性能。它能侵入围岩裂隙，封闭节理，加固结构面，提高围岩的整体性和自承能力，抑制变形的发展。在支护与围岩的共同工作中，有效地控制和调整围岩应力的重分布，避免围岩松动和坍塌，加强围岩的稳定性。它不像传统的模
10、筑混凝土衬砌那样，只是在被动地承受围岩压力，而是主动地加固围岩。,隧道初期支护根据围岩级别的不同主要分为喷锚支护、 挂网、钢架、超前小导管注浆、管棚等，喷射混凝土厚度为528cm不等，具体厚度见下表所示。,汤村隧道初期支护喷射混凝土厚度一览表,五、喷射混凝土支护结构形式,作为初期支护来说，喷砼的工程措施是最重要结构，目前的地下工程不论围岩条件如何，都应有这种结构，在喷砼的施作上也应及地紧跟开挖，及时封闭裸露围岩。湿喷混凝土是将一定比例的水、水泥、河沙、碎石在搅拌站拌合均匀，运至现场，将速凝剂与混凝土在料槽中拌合均匀，一并装入混凝土喷射机，借助压缩空气作为动力，使混合料连续地沿管路压送至喷头喷出
11、，在岩面上凝结硬化而成。由于混合料以高速喷射，使砂、石骨料和水泥颗粒经重复碰撞冲击，相当于得到连续的冲实和压密，保证了喷射混凝土具有较高的物理力学性能。,六、喷射混凝土施工,1、喷射混凝土作用,混凝土能对围岩节理、裂隙起充填作用，将不连续的岩层层面胶结起来，并产生楔效应而增加岩块间的摩擦系数，防止岩块沿软弱面滑移，促使表面岩块稳定。 喷射混凝土有一定粘结力和抗剪强度，能与岩层粘贴并与围岩形成统一承载体系，改善喷层受力条件。,六、喷射混凝土施工,1、喷射混凝土作用,喷射混凝土能及时、分层施喷，喷层虽薄但具有较高的早期强度，故喷层能控制围岩变形，即使围岩有较大变形，但不致产生坍塌，从而提高围岩的自
12、承作用。 喷射混凝土能使隧道周边围岩尽早封闭，防止围岩风化。 另在设钢架地段，喷砼能及时的将地层压力传递钢架上，对稳定钢架，约束地层变形是至关重要的手段。,六、喷射混凝土施工,1、喷射混凝土作用,（1）干喷工艺图,（2）湿喷工艺图,六、喷射混凝土施工,2喷射混凝土种类,（3）潮喷施工技术,喷射混凝土有三种形式，主要考虑干喷与湿喷优缺点是什么？,六、喷射混凝土施工,由于干喷所造成的粉尘和回弹对隧道正常施工产生极大的影响，而湿喷技术又一直未能取得突破性进展，在此情况下，潮喷技术就应而生。所谓潮喷就是指进机物料的湿度介于干喷和湿喷之间，也称半湿喷。,（1）干喷混凝土劳动强度大，工效低，粉尘大，工作环
13、境较差。 （2）喷射干喷料和水的比率难以控制，喷射混凝土强度无法得到保证，在喷射过程中回弹率大，密实性差，耐久性差，混凝土强度低，因此喷射混凝土施工质量无法得到保障。 （3）干喷无法实现、级围岩部分拱墙C30喷纤维砼的要求 （4）湿喷是采用搅拌站生产的成品混凝土，能克服以上干喷配,3、干喷与湿喷对比,合比不稳定的缺点，喷射混凝土原材料质量容易得到保证，湿喷过程中，混凝土回弹率小，密实性好，混凝土耐久性较好，因此喷射混凝土施工质量易得到保障。,六、喷射混凝土施工,湿喷机的选择是实施湿式喷射混凝土工艺的关键，随着机械化程度的不断提高，国外铁路、公路及水工隧道施工选择喷射速度快、机械化程度高、回弹率
14、低的大型喷射混凝土机械手已成主流工艺，采用机械手主要有以下优点：施工进度快，最高每小时可喷混凝土20m3；喷射混凝土附着力较好、密实度较高，强度较传统湿喷混凝土高出20%左右；机械化程度高，操作人员较少，操作人员劳动强度低；作业范围大，最大喷射高度可达26m，一次定位喷射移动距离12m。,4、 湿喷机具的选择,六、喷射混凝土施工,结合现有条件，汤村隧道施工主要选择由中铁岩峰成都科技有限公司生产的TK600A型活塞式湿喷机作为喷射混凝土施工设备。下面主要介绍汤村隧道使用的湿喷设备： 混凝土喷射机：TK600A型湿喷机，单口配置2台，生产能力为7m3/45min。,六、喷射混凝土施工,表2.1-1
15、 TK600湿喷机技术参数表,六、喷射混凝土施工,工作台架：根据隧道断面，现场加工制作的工作台架，工作台架除进行湿喷外，也可作为开挖钻眼台架。 考虑人体身高设置两侧平台高差，详见图2.1-3 考虑湿喷混凝土的喷射距离0.8m1.2m,设置平台的宽度。,六、喷射混凝土施工,上料平台：喷射机料斗高度1m，设置高度为1.2m的上料平台。为保证快速、及时进行喷射混凝土的施工，两台湿喷机同时工作，在喷射机和罐车之间设置上料平台起分流混凝土、节省机具和人力的作用。,六、喷射混凝土施工,湿喷料搅拌机 良好的混合料拌和质量，是保证喷射机向输料管均匀连续送料、混合料送到喷头处与水混合均匀、减少回弹和粉尘、提高喷
16、射混凝土质量的重要一环。因此，混合料的拌和必须使用强制式搅拌机，避免混合料搅拌时不均匀，保证喷射混凝土质量。,六、喷射混凝土施工,空气压缩机：20m3/min，供风风压为0.7MPa。 喷射混凝土施工中当需要配置专用空气压缩机时，其排风量不能小于9m3min，这是由喷射机的输送能力所决定的。同时，风压也应该满足喷射混凝土施工要求。实践表明，风压和风量不足，易产生堵管，影响喷射作业的顺利进行，也会减弱料流的冲击捣实力，混凝土的密实性就差。,六、喷射混凝土施工,混凝土运输车：8 m3/辆，2辆。 根据混凝土从拌合站到喷射掌子面的时间确定，随着施工进程的增加而增加。 装载机：1辆。 操作人员配置如下
17、：空压机司机1人、装载机司机1人、喷射手2人、添加速凝剂1人、放料2人、电工1人。,良好的资源配置是实现工程质量和施工速度的有效保证,六、喷射混凝土施工,（1）水泥 水泥：满足GB175-2007的要求，应优先采用硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥，当有抗冻、抗渗要求时，水泥强度等级不小于42.5MPa，水泥用量不宜低于400kg/m3。（2）粗骨料 粗骨料除符合GB/T14685-2011要求外，选用级配合理，516mm的坚硬耐久的碎石或卵石，粒形规则、针片状颗粒含量小于8%；石子表观密度应大于2600 kg/m3，紧密空隙率小于40%，含泥量小于1%、吸水率小于2%，严禁选用具有潜在碱活性骨料。,
18、六、喷射混凝土施工,5、原材料质量要求及选,（3）细骨料 细集料除符合GB/T14684-2011要求外，选用级配合理，细度模数为2.33.0的坚硬耐久的中粗砂，砂的表观密度大于2500 kg/m3，堆积密度不小于1400kg/m3。其含泥量宜小于2.5%（选用机制砂时，石粉含量小于7%）、泥块含量不大于0.5，吸水率小于2%。（4）外加剂 减水剂除符合JG/T223-2007、GB8076-2008、GB8077-2000要求外，宜选用减水率较大（大于25%）、碱含量小于10%、氯离子含量小于0.6%的聚羧酸盐类高效减水剂。,六、喷射混凝土施工,（5）速凝剂 速凝剂通过试验选用低碱的速凝剂，
19、满足JC477-2005要求，在使用速凝剂前，应做与水泥的相容性试验及水泥净浆凝结效果试验，并通过水泥砂浆对比试验进行1天抗压强度和28天强度抗压比试验，并严格控制施工中的实际掺量。速凝剂与水泥的相容性对湿喷施工具有重要的影响，直接关系到喷射施工成本和喷射层结构的质量。（6）水 拌和用水采用可饮用水。,六、喷射混凝土施工,（1）、计算混凝土配制强度: fcu.0=fcu.k+1.645=25+1.6455.0=33.2MPa 注: fcu.0混凝土配制强度；fcu.k混凝土设计强度； 混凝土强度标准差，取5.0。（2）、根据规范要求，设计参数选择如下： 胶骨比选1：3.4，水胶比选0.45，砂
20、率选50%，胶凝材料用量选450kg/m3，外加剂掺量选胶凝材料用量的0.5%，速凝剂掺量选胶凝材料用量的5%。,六、喷射混凝土施工,6、喷射混凝土的配合比设计,（3）、计算每方粗、细骨料用量 mS+mG=4503.4=1530 kg； mG=15300.5=765kg mS=15300.5=765kg（4）、每方用水量 mW=4500.45=203kg（5）、每方减水剂的用量 4500.5%=2.25kg（6）、每方速凝剂的用量 45005%=22.5kg,六、喷射混凝土施工,（7）、基准配合比：水泥：砂：碎石：水：减水剂：速凝剂 =450：765：765：203：2.25:22.5 =1：
21、1.70：1.70：0.45：0.005:0.05（8）、配合比试拌: 以水灰比0.45为基准,上下浮动0.02（水不变）进行试拌,确定试验配合比。,六、喷射混凝土施工,不同水灰比下的配合比确定,六、喷射混凝土施工,（9）、混凝土试拌试验 混凝土强度为准确检验配合比的实际使用效果，必须同时进行试验室及搅拌站的混凝土试拌试验，以此来确定最终的混凝土配合比。 骨料的含水状态一般可分为：1）不含水分的全干状态；2）含与大气湿度平衡的水分时的气干状态；3）颗粒表面干燥，而颗粒内部的孔隙含水饱和的饱和面干状态；4）颗粒不仅内部孔隙充满水，表面还吸附了水的润湿状态。,（）全干状态（）气干状态（c）饱和面干
22、状态（）湿润状态,六、喷射混凝土施工,最终确定W/C=0.45时的配合比为C25、 C30喷射混凝土配合比。即喷射混凝土每方材料用量（kg/m3）：,六、喷射混凝土施工,C30喷射混凝土配合比,湿喷工艺流程图喷射操作程序应为：,7、喷射混凝土施工及注意事项,六、喷射混凝土施工,喷射前对受喷岩面进行处理 岩面处理需根据开挖情况、破碎程度、渗水量等方面进行考虑。开挖后及时对开挖段面进行测量，标记出欠挖及超挖部位，并用红油漆标识出超欠挖数值。欠挖部位及时用镐头机或补炮的方式破除。超挖部位过大需打设锚杆并挂网，用喷射混凝土将其填满，保证初支平顺。喷射岩面有渗漏水时，判断渗漏水情况，是裂隙水还是有补给水
23、，并根据渗漏情况确定合理方案，采取注浆封堵还是汇集集中引排，具体情况可参见以下：。,7、喷射混凝土施工及注意事项,六、喷射混凝土施工,若遇受喷面有涌水、渗水或潮湿的岩面，喷射前应按不同情况进行处理 大股涌水宜采用引管引排后再喷射混凝土。 小股水或裂隙渗漏水宜采用岩面注浆汇集后用导管引排后再喷射混凝土。 大面积潮湿的岩面宜采 用粘结性强的混凝土，如 添加外加剂、掺合料以改 善混凝土的性能。,六、喷射混凝土施工,控制喷射混凝土厚度 设置控制喷射混凝土厚度的标志，一般采用埋设钢筋头做标志，也可在喷射时插入长度比设计厚度大5cm的钢筋头，每12m设一根，作为施工控制用。检查机具设备和风水电管路 选用的
24、空压机应满足喷射机工作风压和耗风量的要求。 输料管应能承受0.8MPa以上的压力，并应有良好的耐磨性能。 保证作业区内具有良好通风和照明条件。 喷射作业的环境温度不得低于5。,六、喷射混凝土施工,喷射顺序 喷射混凝土作业采用分段、分片、分层依次进行，喷射顺序应自下而上，分段长度不宜大于6m。喷射时先将低洼处大致喷平，再自下而上顺序分层、往复喷射。 喷射混凝土分段施工时，上次喷混凝土应预留斜面，斜面宽度为200300mm，斜面上需用压力水冲洗润湿后再行喷射混凝土。 分片喷射要自下而上进行。喷射混凝土应从墙脚开始向上喷射，可以避免松散的回弹物料粘结在尚未喷射的壁面上;同时，下部已经施作好的喷层可对
25、上部喷层起着支托的作用，从而减少回弹率以防止喷层的拉裂与坠落。,六、喷射混凝土施工,分层喷射时，后一层喷射应在前一层混凝土终凝后进行。一次喷混凝土的厚度以喷混凝土不滑移、不坠落为度，不能因厚度太大而影响喷混凝土的粘结力，也不能太薄而增加回弹量。边墙一次喷射混凝土厚度控制在710cm，拱部控制在56cm，并保持喷层厚度均匀。分层喷射，如一次喷射厚度小于5cm，使用石子的最大粒径也相应减小。,金温项目喷射混凝土粗骨料采用516mm的石子，现场回弹量较大。建议开工前多做试验选择合理级配，可以考虑选择510mm的石子，做到效益最大化。,六、喷射混凝土施工,喷射区域划分和喷头活动顺序图,六、喷射混凝土施
26、工,喷射速度控制 喷射速度要适当，以利于混凝土的压实。风压过大，喷射速度增大，回弹增加；风压过小，喷射速度小，喷射冲击力小，粗骨料不容易嵌入新鲜混凝土层之中，混凝土不够密实，影响喷混凝土强度。因此在开机后要注意观察风压，起始风压达到0.5MPa 后，才能开始操作，并据喷 嘴出料情况调整风压。一般 工作风压：边墙0.20.35 MPa，拱部0.250.4MPa。,六、喷射混凝土施工,喷射距离与角度 喷射时使喷嘴与受喷面间保持适当距离，喷射角度尽可能接近90，以使获得最大压实和最小回弹。喷嘴与受喷面间距宜为0.81.2m；喷嘴自下而上应连续、缓慢作横向环行螺旋式移动，一圈压半圈，喷射手所喷的环形圈，横向4060cm，高1520cm；若受喷面被钢架、钢筋网覆盖时，可将喷嘴稍加偏斜，但不宜小于70。如果喷嘴与受喷面的角度大小，会形成混凝土物料在受喷面上的滚动，产生出凹凸不平的波形喷面，增加回弹量，影响喷混凝土的质量。但是，操作手对这个问题往往不够重视，喷射作业过程中喷射手经验控制尤其重要。,六、喷射混凝土施工,边墙喷射混凝土施工,喷射角度与喷射距离,六、喷射混凝土施工,养护 喷射混凝土终凝12小时后，应进行洒水养护，保持喷射面湿润，养护时间不少于7d。当气温低于+5时，不得洒水养护。,喷射混凝土养生,六、喷射混凝土施工,汇报完毕欢迎各位专家领导给予批评指正 谢谢,
