第四節　隧道支護施工

一、隧道支護的作用及分類

隧道開挖后，為了有效地約束和控制圍巖的變形，增強圍巖的穩定性，保證施工安全，以及為了確保運營過程中的穩定、耐久，減少阻力和增強美觀，均需施作必要的結構作為支護。

隧道支護分為超前支護（預支護）、初期支護和二次襯砌三種類型。本節主要介紹了超前支護（預支護）的相關內容。

二、超前支護（預支護）的概念及分類

隧道在潛埋軟巖地段，自穩性差的軟弱破碎圍巖、嚴重偏壓、巖溶泥流地段砂土層、斷層破碎帶以及大面積淋水涌水等地段施工時，常會發生開挖面（掌子面）圍巖失穩，產生坍塌等現象，這不僅使圍巖條件更加惡化，甚至會影響到后方的施作支護部分的穩定，或者波及地表沉陷。會給施工帶來極大困難，而且造成人力、物力、財力的大量消耗，并影響施工安全，延誤工期。為了避免這種情況，可在隧道開挖前采用輔助施工方法，對地層進行預加固或止水，來加強隧道圍巖的穩定。這種預加固或止水稱為超前支護（預支護）。

超前支護主要有超前錨桿、管棚、超前小導管注漿、超前深孔圍幕注漿四種。

三、超前錨桿

（一）構造組成

超前錨桿是沿開挖輪廓線，以稍大的外插角，向開挖面前方安裝錨桿，形成對前方圍巖的預錨固，在提前形成的圍巖錨固圈的保護下進行開挖等作業（圖2-26）。

（二）性能特點及適用條件

這類超前支護的柔性較大，整體剛度較小。雖然它們都可以與系統錨桿焊接以增強其整體性，但對圍巖應力較大時，其后期支護剛度就有些不足。因此此類超前支護主要適用于應力不太大、地下水較少的軟弱破碎圍巖的隧道工程中，如土砂質地層、弱膨脹性地層、流變性較小的地層、裂隙發育的巖體、斷層破碎帶、淺埋無顯著偏壓的隧道，也適用于采用中小型機械施工的隧道。

（三）設計、施工要點

（1）超前錨桿的超前量、環向間距、外插角等參數，應視圍巖地質條件、施工斷面大小、開挖循環進尺和施工條件而定。一般，超前長度為循環進尺的3～5倍，宜為3～5m；環向間距宜為0.3～1.0m；外插角宜為10°～30°；搭接長度宜為超前長度的40％～60％左右，即大致形成雙層或雙排錨桿。

（2）超前錨桿宜用早強砂漿全黏結式錨桿，錨桿材料可用不小于ф22mm的螺紋鋼筋。

（3）超前錨桿的安裝誤差，一般要求孔位偏差不超過10cm，外插角不超過1°～2°，錨入長度不小于設計長度的96％。

（4）開挖時應注意保留前方一定長度的錨固區，以使超前錨桿的前端有一個穩定的支點。其尾端要盡可能多地與系統錨桿及鋼筋網焊接。若開挖面出現滑坍現象，則應及時噴射混凝土封閉開挖面，并盡快打入下一排錨桿，然后才能繼續開挖。

（5）開挖后應及時噴射混凝土，并盡快封閉環形初期支護。

（6）開挖過程中應密切注意觀察錨桿變形及噴射混凝土層的開裂、起鼓等情況，以掌握圍巖動態，及時調整開挖及支護參數，如遇地下水，則可鉆孔引排。

四、管棚

（一）構造組成

管棚是利用鋼拱架沿開挖輪廓線，以較小的外插角、向開挖面的前方打入鋼管或鋼插板構成的棚架來形成對開挖面前方圍巖的預支護（圖2-27）。

采用長度小于10m的小鋼管的稱為短管棚；采用長度為10～45m且較粗鋼管的稱為長管棚；采用鋼插板（長度小于10m）的稱為板棚。

（二）性能特點及適用條件

管棚因采用鋼管或鋼插板做縱向預支撐，又采用鋼拱架做環向支撐，其整體剛度加大，對圍巖變形的限制能力較強，且能提前承受早期圍巖壓力。因此，管棚主要適用于圍巖壓力來得快、來得大，對圍巖變形及地表下沉有較嚴格限制要求的軟弱破碎圍巖隧道工程中。如土砂質地層、強膨脹性地層、強流變性地層、裂隙發育的巖體、斷層破碎帶、淺埋有顯著偏壓等圍巖的隧道中。此外，在一般無膠結的土及砂質圍巖中，可采用插板封閉較為有效；在地下水較多時，則可利用鋼管注漿堵水和加固圍巖。

短管棚一次超前量少，基本上與開挖作業交替進行，占用循環時間較多，但鉆孔安裝或頂入安裝較容易。

長管棚一次超前量多，雖然增加了單次鉆孔或打入長鋼管的作業時間，但減少了安裝鋼管的次數，減少了與開挖作業之間的干擾。在長鋼管的有效超前區段內，基本上可以進行連續開挖，也更適用于采用大中型機械進行大斷面開挖。

（三）設計、施工要點

（1）管棚的各項技術參數要視圍巖地質條件和施工條件而定。長管棚長度不宜小于10m，一般為10～45m；管徑70～180mm，孔徑比管徑大20～30mm，環向間距為0.2～0.8m，外插角1°～2°；兩組管棚間的縱向搭接長度不小于1.5m；鋼拱架常采用工字鋼拱架或格柵鋼架。

（2）鋼架應安裝穩固，其垂直度允許誤差±2°，中線及高程允許誤差為±5cm；鋼管應從工字鋼腹板圓孔穿過，或穿過花鋼拱架；鉆孔方向應用側斜儀檢查控制，鋼管不得侵入開挖輪廓線。鉆孔平面誤差不大于15cm，角度誤差不大于0.5°。

（3）第一節鋼管前端要加工成尖錐狀，以利于導向插入。要打一眼、裝一管，由上而下順序進行。

（4）長鋼管應用4～6m的管節逐段接長，打入一節、再接續后一節，連接頭應采用厚壁管箍，上滿絲扣，絲扣長度不小于15cm；為保證受力的均勻性，鋼管接頭應縱向錯開，一般按編號，偶數第一節用3（4.5）m，奇數第一節用6（9）m，以后各節均采用6（9）m。

（5）當需增加管棚剛度時，可在安裝好的鋼管內注入水泥砂漿，一般在第一節管的前段管壁交錯處鉆10～15mm的孔若干，以便排氣和出漿，或在管內安裝出氣導管，漿液注滿后方可停止壓注。

（6）水泥砂漿應用牛角泵或其他能滿足要求的設備灌注。砂漿等級可用M20～M30，并應適當加大灰砂比。

（7）鉆孔時如出現卡鉆現象或坍孔，應注漿后再鉆，有些土質地層則可直接將鋼管頂入。

五、超前小導管注漿

（一）構造組成

超前小導管注漿是在開挖前，先用噴射混凝土將開挖面和5m范圍內的坑道封閉，然后沿坑道周邊向前方圍巖打入小導管，并通過小導管向圍巖壓住起膠結作用的漿液，待漿液硬化后，坑道周圍巖體就形成了一個有一定厚度的加固圈。在此加固圈的保護下既可安全的進行開挖等作業（圖2-28）。若小導管前段焊一個簡易鉆頭，則可鉆孔、插管一次完成，稱為自進式注漿錨桿。

（二）性能特點及適用條件

漿液被壓注到巖體裂隙中并硬化后，不僅將巖塊或顆粒膠結為整體起到加固作用，而且填塞了裂隙，阻隔了地下水向坑道滲流的通道，起到了堵水的作用。因此，超前小導管注漿不僅適用于一般軟弱破碎圍巖，也適用于地下水豐富的軟弱破碎圍巖。

（三）小導管布置和安裝

（1）小導管安裝前，應對開挖面及5m范圍內的坑道噴射5～10cm厚的混凝土封閉。

（2）小導管一般采用ф32mm的焊接鋼管或ф40mm的無縫鋼管制作，長度為3～6m，前端做成尖錐形，前段管壁上每隔10～20mm交錯鉆眼，眼孔直徑宜為6～8mm。

（3）鉆孔直徑應較管徑大20mm以上，環向間距應按地層條件而定。滲透系數大的，間距亦應加大，一般采用20～50cm；外插角應控制在10°～30°之間，一般采用15°。

（4）Ⅴ級圍巖劈裂、壓密注漿時可采用單排管；Ⅵ級圍巖或處理坍方時可采用雙排管；地下水豐富的松軟層，可采用雙排以上的多排管；滲入性注漿宜采用單排管；大斷面或注漿效果差時可采用雙排管。

（5）小導管插入后應外露一定長度，以便連接注漿管，并用塑膠泥將小導管周圍空隙封堵密實。

（四）注漿材料及注漿

注漿材料主要包括單液水泥漿、雙液水泥—水玻璃漿、木胺類漿液、聚氨酯類等。

注漿應采用注漿泵，為加速注漿，可安裝分漿器同時多管注漿，漿液隨配隨用，注漿時注漿順序應由上至下、漿液先稀后濃。

注漿施工要點如下：

（1）注漿設備性能良好，工作壓力應滿足注漿壓力要求，并應進行現場試驗運轉。

（2）小導管注漿的孔口最高壓力應嚴格控制在允許范圍內，以防壓裂開挖面，注漿壓力一般為0.5～1.5MPa，止漿塞應能經受注漿壓力。注漿壓力與地層條件及注漿范圍要求有關，一般要求單管注漿能力擴散到管周0.5～1.0m的半徑范圍內。

（3）要控制注漿量，即每根導管內已達到規定注漿量時，就可結束；若孔口壓力已達到規定壓力值，但注入量仍然不足，也應停止注漿。

（4）注漿結束后，應做一定數量的鉆孔檢查或用聲波探測儀檢查注漿效果；若未達到要求，應進行補注漿。

（5）注漿后應視漿液種類，等待4（水泥—水玻璃漿）～8h（水泥漿）方可開挖，開挖長度應按設計循環進尺規定，以保留一定長度的止漿墻（亦即超前注漿的最短超前量）。

六、超前深孔圍幕注漿

上述超前小導管注漿，對圍巖加固的范圍和加固處理的程度是有限的，作為軟弱破碎圍巖隧道施工的一項主要輔助措施，其占用時間和循環次數較多。因此，在不便采取其他施工方法（如盾構法）時，深孔預注漿加固圍巖就較好的解決了這些問題。注漿后既可形成較大范圍的筒狀封閉加固區，稱為圍幕注漿。

（一）注漿機理及適用條件

注漿機理可分為兩種：

一種是對于破碎巖層，砂卵石層，中、細、粉砂層等有一定滲透性的地層，采用中低壓力將漿液注到地層中的空穴、裂縫、孔隙里，凝固后將巖土或土顆粒膠結為整體，稱為“滲透注漿”。

另一種是對顆粒更細的黏土質不透水（漿）地層，采用高壓漿液強行擠壓孔周，使黏土層劈裂成縫并充塞凝結于其中，從而對黏土層起到了擠壓加固和增加高強夾層加固作用，稱為劈裂注漿。因此深孔預注漿可適用于所有軟弱破碎圍巖的加固。

深孔預注漿一般可超前開挖30～50m，可以形成有相當厚度和較長區段的筒狀加固區，從而使得堵水的效果更好，也使得注漿作業的次數減少，更適用于有壓地下水及地下水豐富的地層中，也更適用于采用大中型機械化施工，如圖2-29所示。

如果隧道埋深較淺，則注漿作業可在地表面上進行；對于深埋長大隧道可利用輔助平行導坑對正洞進行預注漿，這樣都可以避免于正洞施工的干擾，縮短施工工期（圖2-29）。

（二）注漿范圍

圖2-29中已示意出對圍巖進行注漿加固的大致范圍，即形成筒狀加固區。要確定加固區的大小，即確定圍巖塑性破壞區的大小，可以按巖體力學和彈塑性理論計算出開挖坑道后圍巖的壓力重分布結果，并確定其塑性破壞區的大小，這也就是應加固的區域大小。

（三）注漿數量及注漿材料選擇

注漿數量應根據加固區需要充填的地層空隙數量來確定。一般來講，不可能也無需將全部空隙充填密實，就可以達到加固和堵水的目的。

為了做好注漿工作，必須事先對被加固圍巖進行土力學實驗，查清圍巖的透水系數、土顆粒組成、孔隙率、飽和度、密度等，必要時還要做現場注漿和抽水實驗。注漿材料的選擇參見小導管注漿部分。

（四）鉆孔布置及注漿壓力

圖2-29中已示意出了幾種注漿鉆孔的布置方式。另外，對于淺埋隧道，還可以采用平行布置方式，即注漿鉆孔均呈豎直方向并相互平行分布，但每鉆一孔即需移動鉆機。

鉆孔距要視地層條件、注漿壓力及鉆孔能力等來確定。一般滲透性強的地層，可采用較低的注漿壓力和較大的鉆孔間距，鉆孔量也少，但平均單孔注漿量大。

注漿壓力應根據地層條件、機械能力等因素在現場試驗確定。

（五）施工要點

（1）注漿管。一般采用帶孔眼的焊接鋼管式無縫鋼管。注漿管壁上有眼部分的長度應根據注漿孔的位置和注漿區域來確定，其余部分不鉆眼，并用止漿塞將其隔開，使漿液只注入到有效區域。

（2）鉆孔。鉆孔可用沖擊式鉆機或旋轉式鉆機，應根據地層條件及成孔效果來選擇。鉆孔位置應滿足設計要求，孔口位置偏差不超過5cm，孔底位置偏差不超過孔深的1％。鉆孔應清洗干凈，并作好鉆孔檢查記錄。

（3）注漿順序。應先上方后下方，或先內圈后外圈，先無水孔后有水孔，先上游（地下水）后下游順序進行。應利用止漿閥保持孔內壓力直至漿液完全凝固。

（4）結束條件。應根據注漿壓力和單孔注漿量兩個指標來判斷確定。單孔結束條件為：注漿壓力達到設計終壓；漿液注入量已達到計算值的80％以上。全段結束條件為：所有注漿孔均已符合單孔結束條件，無漏注。注漿結束后必須對注漿效果進行檢查，如未到設計要求，應進行補孔注漿。

（5）注漿檢查。除在注漿前進行鉆孔質量、材料質量檢查，注漿后對注漿效果檢查外，注漿過程中應密切注意注漿壓力的變化。采用雙液注漿時，應經常測試混合漿液膠凝時間，發現問題應及時處理。

（6）開挖時間。注漿后應視漿液種類，等待4（水泥—水玻璃漿）～8h（水泥漿）方可開挖，但最后應注意保留止漿墻，再進行下一循環的注漿。若注漿工作在正洞以外進行，則超前時間易于保證。