地下工程超前支護(hù)方法

超前支護(hù)技術(shù)是指在隧道開挖之前，通過(guò)向掌子面前方地層里注漿、冷凍、打入鋼管、鋼板、錨桿等技術(shù)措施在隧道橫斷面上形成一個(gè)拱形連續(xù)體，使其加固開挖面前方地層，同時(shí)利用其支撐力保持前方土體的穩(wěn)定，減少地表沉降量的技術(shù)總稱。

研究表明，圍巖注漿加固可提高其強(qiáng)度和變形模量，從根本上改善圍巖的變形規(guī)律，資料表明，砂巖在注漿后的強(qiáng)度可增加50%-70%，粉砂巖和泥質(zhì)巖增加2-4倍，而巖石強(qiáng)度的增大可使支護(hù)荷載減少2/3 -4/5。實(shí)踐表明超前支護(hù)體系能夠有效地限制地面沉降，并全面地保持自然地層在穩(wěn)定狀態(tài)下開挖隧道。研究表明地面的整個(gè)沉降量的30%-40%和地下地層的整個(gè)沉降量的40%-50%是在一般的支護(hù)開始發(fā)生作用之前發(fā)生的，超前支護(hù)對(duì)地面沉降有30-35%的抑制效果，對(duì)隧道頂上地層(拱頂)沉降有40%的抑制效果，所以，加固掌子面前方的地層對(duì)抑制地面沉降有非常重要的作用。超前支護(hù)技術(shù)作為加固地層、穩(wěn)定拱頂及掌子面、減少地表沉降的輔助施工工法，己經(jīng)在地下工程施工中得到了廣泛地應(yīng)用。 根據(jù)采取的加固措施對(duì)周圍地層特性和應(yīng)力分布的影響，可將超前支護(hù)分為地層改良法和預(yù)支護(hù)法。地層改良法就是提高開挖面周圍地層土的特性的方法，這種方法包括注漿、土壤加固、排水和地層凍結(jié)等；預(yù)支護(hù)法就是在隧道開挖前，先超前對(duì)圍巖進(jìn)行加固，以增加圍巖的自穩(wěn)能力，并使開挖面周圍應(yīng)力干擾達(dá)到最小的方法。超前支護(hù)方法主要包括：管棚法，機(jī)械預(yù)切糟法，預(yù)襯砌法，水平旋噴注漿法，超前小導(dǎo)管法，超前錨桿法、凍結(jié)法等等。其中管棚法、水平旋噴注漿法、小導(dǎo)管法等支護(hù)方法同時(shí)也改良和加固了地層。

管棚注漿支護(hù)

就是把一組鋼管沿開挖輪廓外己鉆好的孔中打入地層內(nèi)，并與鋼拱架組合形成強(qiáng)大的棚架預(yù)支護(hù)加固體系，支承來(lái)自于管棚上部的荷載，通過(guò)鋼管的梅花形布置的注漿孔加壓向地層中注漿，以加固軟弱破碎的地層，提高地層的自穩(wěn)能力。管棚注漿是一種長(zhǎng)距離超前支護(hù)方法，超前距離長(zhǎng)，剛度較大，適用于掌子面不能自穩(wěn)、含水的地層，控制地表沉降、防滲止水的效果較好，施工工藝要求較高。如將管棚注漿與小導(dǎo)管補(bǔ)充注漿法結(jié)合，除具有大管棚的特點(diǎn)外，能夠防止管棚下方三角土體的塌落，這種長(zhǎng)短結(jié)合的預(yù)支護(hù)效果更為理想。

管棚支護(hù)的主要作用和優(yōu)點(diǎn)

（1）梁拱效應(yīng)：先行施設(shè)的管棚，以掌子面和后方支撐為支點(diǎn)，形成一個(gè)梁式結(jié)構(gòu)，二者構(gòu)成環(huán)繞隧洞輪廓的殼狀結(jié)構(gòu)，可有效抑制圍巖松動(dòng)和垮塌。（2）加固效應(yīng)：注漿漿液經(jīng)管壁孔壓入圍巖裂隙中，使松散巖體膠結(jié)、固結(jié)，從而改善了軟弱圍巖的物理力學(xué)性質(zhì)，增強(qiáng)了圍巖的自承能力，達(dá)到加固鋼管周邊軟弱圍巖的目的。（3）環(huán)槽效應(yīng)：掌子面爆破產(chǎn)生的爆炸沖擊波傳播和爆生氣體擴(kuò)展遇管棚密集環(huán)形孔槽后被反射、吸收或繞射，大大降低了反向拉伸波所造成的圍巖破壞程度及擾動(dòng)范圍。（4）確保施工安全：管棚支護(hù)剛度較大，施工時(shí)如發(fā)生塌方，塌碴也是落在管棚上部巖碴上，起到緩沖作用，即使管棚失穩(wěn)，其破壞也較緩慢。

隧道超前支護(hù)法一覽

根據(jù)采取的加固措施對(duì)周圍地層特性和應(yīng)力分布的影響，可將超前支護(hù)分為地層改良法和預(yù)支護(hù)法。地層改良法就是提高開挖面周圍地層土的特性的方法，這種方法包括注漿、土壤加固、排水和地層凍結(jié)等；預(yù)支護(hù)法就是在隧道開挖前，先超前對(duì)圍巖進(jìn)行加固，以增加圍巖的自穩(wěn)能力，并使開挖面周圍應(yīng)力干擾達(dá)到最小的方法。超前支護(hù)方法主要包括：管棚法，機(jī)械預(yù)切糟法，預(yù)襯砌法，水平旋噴注漿法，超前小導(dǎo)管法，超前錨桿法、凍結(jié)法等等。其中管棚法、水平旋噴注漿法、小導(dǎo)管法等支護(hù)方法同時(shí)也改良和加固了地層。 

管棚注漿支護(hù)

就是把一組鋼管沿開挖輪廓外己鉆好的孔中打入地層內(nèi)，并與鋼拱架組合形成強(qiáng)大的棚架預(yù)支護(hù)加固體系，支承來(lái)自于管棚上部的荷載，通過(guò)鋼管的梅花形布置的注漿孔加壓向地層中注漿，以加固軟弱破碎的地層，提高地層的自穩(wěn)能力。管棚注漿是一種長(zhǎng)距離超前支護(hù)方法，超前距離長(zhǎng)，剛度較大，適用于掌子面不能自穩(wěn)、含水的地層，控制地表沉降、防滲止水的效果較好，施工工藝要求較高。如將管棚注漿與小導(dǎo)管補(bǔ)充注漿法結(jié)合，除具有大管棚的特點(diǎn)外，能夠防止管棚下方三角土體的塌落，這種長(zhǎng)短結(jié)合的預(yù)支護(hù)效果更為理想。

管棚支護(hù)適用范圍

根據(jù)國(guó)內(nèi)外的施工實(shí)踐，綜合我國(guó)目前地下工程管棚支護(hù)應(yīng)用的實(shí)際案例，管棚支護(hù)可適用于：軟弱砂土質(zhì)地層、砂卵礫石地層，膨脹性軟流塑、硬可塑狀粉質(zhì)粘土地層，裂隙發(fā)育巖體、突泥突水段、斷層破碎帶、塌方段、破碎土巖堆地段、淺埋大偏壓等地質(zhì)和地下水豐富條件的地下構(gòu)筑物施工的支護(hù)，隧道進(jìn)出口段開挖的支護(hù)，也多應(yīng)用于地鐵等穿越城區(qū)的地下工程的開挖預(yù)支護(hù)，可作為穿越既有建筑物、公路、鐵路及地下結(jié)構(gòu)物下方修建隧道的輔助方法；作為隧道洞口段及修建大斷面隧道施工的輔助工法及作為其他施工的輔助工法，也常用于淺埋但不宜明挖地段或淺埋隧道情況下，地表有建筑物、或隧道接近地中結(jié)構(gòu)物時(shí)等對(duì)施工沉降有特殊要求的工程等。

管棚支護(hù)的設(shè)計(jì)

管棚支護(hù)的設(shè)計(jì)參數(shù)主要包括：鋼管直徑、長(zhǎng)度、間距、仰角、水平搭接長(zhǎng)度、鋼架間距、注漿參數(shù)等，當(dāng)需要增大鋼管的強(qiáng)度和剛度時(shí)，可在管內(nèi)設(shè)置鋼筋籠而后用水泥砂漿填充。我國(guó)《鐵路隧道施工規(guī)范》規(guī)定：管棚用鋼管直徑宜為φ70-φ127mm；鋼管中心間距宜為管徑的2-3倍；管棚長(zhǎng)度應(yīng)根據(jù)地層情況選用，不宜小于10m；縱向兩組管棚的搭接長(zhǎng)度應(yīng)大于3m。管棚支護(hù)參數(shù)可按工程類比法確定，并在施工中根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整。   

管徑的選擇

大部分工程的鋼管直徑在中φ50-φ180mm之間，有學(xué)者將管棚支護(hù)按管徑分類為小管棚和大管棚，小管棚管徑一般在φ30-φ50mm，大管棚管徑介于φ89-φ159mm，工程中多用φ108mm的鋼管，環(huán)向間距以不大于3-5倍管徑為宜。管棚鋼管的選擇根據(jù)計(jì)算結(jié)果和技術(shù)經(jīng)濟(jì)因素分析，對(duì)于支護(hù)條件要求較高的松軟地層，應(yīng)選取φ127mm鋼管，土體凝聚力較高的粘性土，可選取φ89mm鋼管，一般土層在多數(shù)情況下選取φ108mm鋼管。

管棚鋼管環(huán)向間距的確定

常規(guī)的沿隧道開挖輪廓線等間距設(shè)置管棚的方法是不科學(xué)的，應(yīng)針對(duì)不同情況合理設(shè)計(jì)。鋼拱架布置間距根據(jù)塌方體的松散與開挖難易程度及施工效果，可在40-80cm范圍內(nèi)調(diào)整選擇，特殊情況下需加密。根據(jù)對(duì)工程實(shí)例的地質(zhì)條件、工程斷面尺寸、埋深等影響因素的總結(jié)和對(duì)比分析，得出以下經(jīng)驗(yàn)結(jié)論，可用于地下工程支護(hù)的施工依據(jù)：管棚鋼管直徑范圍一般為φ70-180mm，我們可將管棚支護(hù)按管徑分類為小管棚、中管棚、大管棚。小管棚管徑一般在φ32~50mm范圍內(nèi)，多采用管徑為φ42mm的鋼管，管長(zhǎng)以3.5-5m為宜，環(huán)向間距一般取0.3-0.4m，水平搭接長(zhǎng)度1-1.5m。中管棚管徑一般在φ50-φ89mm范圍內(nèi)，管長(zhǎng)一般不超過(guò)20m，環(huán)向間距一般取0.3-0.4m，水平搭接長(zhǎng)度1-2m。大管棚一般可選用φ89-φ159mm的鋼管，常用管徑φ108mm，管長(zhǎng)以不超過(guò)40m為宜，鋼管一般分節(jié)長(zhǎng)4m或6m，以絲扣連接，絲扣長(zhǎng)不小于150mm，環(huán)向間距一般不大于3-5倍管徑為宜。

外插角的合理確定

角度過(guò)小，將可能導(dǎo)致管棚遠(yuǎn)端下垂至隧道開挖幅員內(nèi)影響后期施工；相反，角度過(guò)大，管棚離開挖幅員距離過(guò)大，管棚下方的三角土體坍塌給洞身開挖支護(hù)帶來(lái)很大困難，還應(yīng)根據(jù)管棚鉆機(jī)工作室空間大小，以及鉆桿長(zhǎng)度等情況綜合考慮確定。小管棚外插角常取5º-15º，中管棚常取2º-8º，長(zhǎng)管棚多取1º-3º。鋼拱架支撐一般用工字鋼，或工字鋼與格柵鋼架間隔使用，間距一般不大于1米，特殊情況下需加密。