论软弱围岩隧道超前预支护技术

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　隧道通过软岩是一个经常遇到的麻烦问题，采用何种掘进方法、何种支护结构一直是一个争论不休的问题。一般软岩（如泥岩，软砂岩等）特别是在埋深较大时，其侧压力大、本身强度又低，如处理得当，既能减少坍塌，又节省资金，否则变形不断，拖延施工时间。更重要的是:要冒险抢工、危及人身安全；运营后，由于软岩的膨胀力继续释放，可能使隧道底板上鼓、轨道变形，迫使行车中断，造成经济损失。因此，隧道工作人员一定要精心研究，根据已积累的经验，结合具体工程情况及时提出相应的解决措施。

　　一、软岩工程力学特性

　　软岩工程力学特性软岩之所以能产生显著塑性变形的原因，是因为软岩中的泥质成分（粘土矿物）和结构面控制了软岩的工程力学特性。一般说来，软岩具有可塑性、膨胀性、崩解性、分散性、流变性、触变性和离子交换性。

　　二、超前锚杆加固法

　　1.技术原理。锚杆超前支护主要是通过组合、悬吊、挤压对围岩进行加固它是将围岩若干层组合成厚层，将节理发育的岩体串联在一起阻止岩块沿裂隙面滑移，从而在洞室周边形成一定厚度的承载环，充分发挥围岩自承能力，阻止围岩因过大变形而坍塌。具体是，巷道掘进前，在工作面轮廓线上先沿巷道轴线方向，与该轴线成一定夹角钻孔装锚杆，该夹角也叫外插角，一般为5°～20°。锚杆安装后在工作面钻眼爆破，作业时上部岩体得到超前锚杆加固。通常，普通超前锚杆加固后，开始进行断面开挖施工爆破后立即喷拱，其厚度不小于50mm。在新鲜挖面上喷射混凝土，能及时对围岩提供抗力，并在可喷入裂隙的一定深度内，对岩体进行加固，以抵抗岩石的剪切，提高围岩的承载能力。喷好拱后再出渣，即完成一次超前锚杆加固（辅助支护或临时支护），一般一次进尺可达1.5～2.1m为了不使爆破震坏超前锚杆支护层，喷完后到下次放炮的时间不小于4h，然后进行第二次循环，打眼爆破之后喷拱出渣后，在前一循环的超前锚杆加固处，进行按常规打径向锚杆的喷锚联合永久支护（喷层厚度不能小于150mm），如此循环下去。

　　2.施工工艺。（1）材料加工与锚孔布置:锚杆除锈除油调直；按设计标孔位；（2）钻孔:准确控制外插角，以防增加超欠挖；（3）注浆:先用水和稀浆湿润管路，再开始注浆；（4）插入锚杆:迅速将锚杆插入眼孔，并用锤击方法插至孔底，再用木楔堵塞孔口，防止砂浆流失；（5）清洗整理注浆用具:除掉砂浆，以备下一循环使用。

　　3.施工注意事项。（1）砂浆严格按配合比拌合，且随拌随用；（2）注浆作业中停止>30min，应测定砂浆塌落度，其值小于，不可再用；（3）锚杆插入后不得随意敲击；（4）为提高锚杆承载能力可适当加大锚杆孔径，并在锚杆端部加垫板，使在洞室周边形成压密圈，使围岩自身成为较理想的承载结构；（5）掘进速度不能太快，因为锚杆的锚固需一定的时间，若过快地掘进，会使锚杆过早承载，导致支护结构迅速破坏。

　　三、超前管棚支护技术

　　1.受力原理

　　超前管棚支护是在拟开挖的隧道、地下洞室等开挖外轮廓周边上，间隔一定的间距，沿洞轴以一定的外插角钻孔，安装惯性矩大的钢管，然后进行注浆固结的一种预支护措施。其工作原理为:（1）通过管棚注浆，使拱顶预先形成加固的保护环。而加固环发挥“承载拱”的作用，承受拱上部的地面荷载和岩层重量，使拱内部围岩仅承受拱部围岩的形变压力，从而创造了理想的开挖条件。（2）当超前管棚沿隧道开挖轮廓周边密布时，加固环的变形变小，传递给隧道支护结构的上部荷载大大减小，同时通过环形固结层与管棚，将拱部围岩的形变应力传递给支撑拱架。由于支撑拱架间的相互连接，形成整体支护，有效地保证了掘进施工和初期支护的安全。

　　2.管棚施工

　　（1）施工准备。①在熟悉设计图纸的基础上，进一步调查地质情况，按可灌性和空隙比或渗透系数确定注浆类型；②通过试验确定或调整注浆半径、注浆压力和单管注浆量；③加工导管，准备施工机具和器材。

　　（2）定向和布孔。布孔参照相关的设计图纸，相邻孔位误差≯5cm。管棚定向可采用以下两种方法:①安装定向套管，套管采用比钻头稍大的钢管，一般取2m即可，套管的方向决定钻孔方向，固定在钢架上；②采用挂线定向，距离以10m为宜，通过前后两点挂线确定管棚的方向，在定向时应考虑线路纵坡对外插角的影响。

　　（3）钻孔、安装钢管。钻孔前先喷混凝土封闭掌子面，以防漏浆，而后测量布孔，在设计孔位点上标记。然后用风动凿岩机钻孔，开孔时，先轻压慢速钻进，以保证开孔质量。钻进中用测斜仪量测钻孔方向，发现偏斜超过设计要求，及时纠正。成孔后，用吹管或掏勺将孔内砂石吹（掏）出，以免堵塞。成孔检查合格后，人工推送钢管入孔，管口用麻丝和锚固剂封堵。

　　（4）注浆施工。①注浆准备:管棚安装完成后，旋上孔口阀，连接注浆管路。利用注浆泵先压水检查管路是否漏水，设备状态是否正常，而后再做压水试验，以冲洗岩石裂隙，扩大浆液通路，增加浆液充塞的密实性，核实岩石的渗透性。②浆液配制:在注浆前由试验确定浆液配比、注浆压力等注浆参数。浆液配比选择要考虑岩石裂隙情况及浆液扩散半径，现场通过试验确定。配制浆液时，要注意加料顺序和速度，防止浆液结块。③注浆施工:清孔后，按由下至上的顺序施工，浆液先稀后浓、注浆量先大后小，如遇串浆或跑浆则隔孔灌压。④结束标准:采用终压和注浆量双控制。以单管设计注浆量为标准，当注浆压力达到设计终压≮20min，进浆量仍达不到设计标准时，也可结束注浆。⑤效果检查:开挖检查浆液渗透及固结状况，根据压力浆量曲线分析判断，没达到设计要求时，应进行补孔注浆。

　　3.施工注意事项。（1）严格控制导管外插角与钻杆的钻进方向，防止少部分导管伸入下一环管棚工作室内，影响下一环管棚的施工。（2）严格控制导向管的位置，方向，确保孔位不发生偏斜。（3）导管插入困难，应适当扩大钻头直径，在孔壁来不及坍塌前及时插入导管。（4）如果钻孔孔壁易坍塌，可用异形接头将导管与钻杆连接，同时钻进。（5）注浆要连续进行，防止因浆液凝固而使注浆不满。（6）控制注浆压力，采取间隔注浆等方法防止隔孔串浆。

　　除了上述技术外，还有超前小导管预注浆技术等。