第四节　隧道支护施工

一、隧道支护的作用及分类

隧道开挖后，为了有效地约束和控制围岩的变形，增强围岩的稳定性，保证施工安全，以及为了确保运营过程中的稳定、耐久，减少阻力和增强美观，均需施作必要的结构作为支护。

隧道支护分为超前支护（预支护）、初期支护和二次衬砌三种类型。本节主要介绍了超前支护（预支护）的相关内容。

二、超前支护（预支护）的概念及分类

隧道在潜埋软岩地段，自稳性差的软弱破碎围岩、严重偏压、岩溶泥流地段砂土层、断层破碎带以及大面积淋水涌水等地段施工时，常会发生开挖面（掌子面）围岩失稳，产生坍塌等现象，这不仅使围岩条件更加恶化，甚至会影响到后方的施作支护部分的稳定，或者波及地表沉陷。会给施工带来极大困难，而且造成人力、物力、财力的大量消耗，并影响施工安全，延误工期。为了避免这种情况，可在隧道开挖前采用辅助施工方法，对地层进行预加固或止水，来加强隧道围岩的稳定。这种预加固或止水称为超前支护（预支护）。

超前支护主要有超前锚杆、管棚、超前小导管注浆、超前深孔围幕注浆四种。

三、超前锚杆

（一）构造组成

超前锚杆是沿开挖轮廓线，以稍大的外插角，向开挖面前方安装锚杆，形成对前方围岩的预锚固，在提前形成的围岩锚固圈的保护下进行开挖等作业（图2-26）。

（二）性能特点及适用条件

这类超前支护的柔性较大，整体刚度较小。虽然它们都可以与系统锚杆焊接以增强其整体性，但对围岩应力较大时，其后期支护刚度就有些不足。因此此类超前支护主要适用于应力不太大、地下水较少的软弱破碎围岩的隧道工程中，如土砂质地层、弱膨胀性地层、流变性较小的地层、裂隙发育的岩体、断层破碎带、浅埋无显著偏压的隧道，也适用于采用中小型机械施工的隧道。

（三）设计、施工要点

（1）超前锚杆的超前量、环向间距、外插角等参数，应视围岩地质条件、施工断面大小、开挖循环进尺和施工条件而定。一般，超前长度为循环进尺的3～5倍，宜为3～5m；环向间距宜为0.3～1.0m；外插角宜为10°～30°；搭接长度宜为超前长度的40％～60％左右，即大致形成双层或双排锚杆。

（2）超前锚杆宜用早强砂浆全黏结式锚杆，锚杆材料可用不小于ф22mm的螺纹钢筋。

（3）超前锚杆的安装误差，一般要求孔位偏差不超过10cm，外插角不超过1°～2°，锚入长度不小于设计长度的96％。

（4）开挖时应注意保留前方一定长度的锚固区，以使超前锚杆的前端有一个稳定的支点。其尾端要尽可能多地与系统锚杆及钢筋网焊接。若开挖面出现滑坍现象，则应及时喷射混凝土封闭开挖面，并尽快打入下一排锚杆，然后才能继续开挖。

（5）开挖后应及时喷射混凝土，并尽快封闭环形初期支护。

（6）开挖过程中应密切注意观察锚杆变形及喷射混凝土层的开裂、起鼓等情况，以掌握围岩动态，及时调整开挖及支护参数，如遇地下水，则可钻孔引排。

四、管棚

（一）构造组成

管棚是利用钢拱架沿开挖轮廓线，以较小的外插角、向开挖面的前方打入钢管或钢插板构成的棚架来形成对开挖面前方围岩的预支护（图2-27）。

采用长度小于10m的小钢管的称为短管棚；采用长度为10～45m且较粗钢管的称为长管棚；采用钢插板（长度小于10m）的称为板棚。

（二）性能特点及适用条件

管棚因采用钢管或钢插板做纵向预支撑，又采用钢拱架做环向支撑，其整体刚度加大，对围岩变形的限制能力较强，且能提前承受早期围岩压力。因此，管棚主要适用于围岩压力来得快、来得大，对围岩变形及地表下沉有较严格限制要求的软弱破碎围岩隧道工程中。如土砂质地层、强膨胀性地层、强流变性地层、裂隙发育的岩体、断层破碎带、浅埋有显著偏压等围岩的隧道中。此外，在一般无胶结的土及砂质围岩中，可采用插板封闭较为有效；在地下水较多时，则可利用钢管注浆堵水和加固围岩。

短管棚一次超前量少，基本上与开挖作业交替进行，占用循环时间较多，但钻孔安装或顶入安装较容易。

长管棚一次超前量多，虽然增加了单次钻孔或打入长钢管的作业时间，但减少了安装钢管的次数，减少了与开挖作业之间的干扰。在长钢管的有效超前区段内，基本上可以进行连续开挖，也更适用于采用大中型机械进行大断面开挖。

（三）设计、施工要点

（1）管棚的各项技术参数要视围岩地质条件和施工条件而定。长管棚长度不宜小于10m，一般为10～45m；管径70～180mm，孔径比管径大20～30mm，环向间距为0.2～0.8m，外插角1°～2°；两组管棚间的纵向搭接长度不小于1.5m；钢拱架常采用工字钢拱架或格栅钢架。

（2）钢架应安装稳固，其垂直度允许误差±2°，中线及高程允许误差为±5cm；钢管应从工字钢腹板圆孔穿过，或穿过花钢拱架；钻孔方向应用侧斜仪检查控制，钢管不得侵入开挖轮廓线。钻孔平面误差不大于15cm，角度误差不大于0.5°。

（3）第一节钢管前端要加工成尖锥状，以利于导向插入。要打一眼、装一管，由上而下顺序进行。

（4）长钢管应用4～6m的管节逐段接长，打入一节、再接续后一节，连接头应采用厚壁管箍，上满丝扣，丝扣长度不小于15cm；为保证受力的均匀性，钢管接头应纵向错开，一般按编号，偶数第一节用3（4.5）m，奇数第一节用6（9）m，以后各节均采用6（9）m。

（5）当需增加管棚刚度时，可在安装好的钢管内注入水泥砂浆，一般在第一节管的前段管壁交错处钻10～15mm的孔若干，以便排气和出浆，或在管内安装出气导管，浆液注满后方可停止压注。

（6）水泥砂浆应用牛角泵或其他能满足要求的设备灌注。砂浆等级可用M20～M30，并应适当加大灰砂比。

（7）钻孔时如出现卡钻现象或坍孔，应注浆后再钻，有些土质地层则可直接将钢管顶入。

五、超前小导管注浆

（一）构造组成

超前小导管注浆是在开挖前，先用喷射混凝土将开挖面和5m范围内的坑道封闭，然后沿坑道周边向前方围岩打入小导管，并通过小导管向围岩压住起胶结作用的浆液，待浆液硬化后，坑道周围岩体就形成了一个有一定厚度的加固圈。在此加固圈的保护下既可安全的进行开挖等作业（图2-28）。若小导管前段焊一个简易钻头，则可钻孔、插管一次完成，称为自进式注浆锚杆。

（二）性能特点及适用条件

浆液被压注到岩体裂隙中并硬化后，不仅将岩块或颗粒胶结为整体起到加固作用，而且填塞了裂隙，阻隔了地下水向坑道渗流的通道，起到了堵水的作用。因此，超前小导管注浆不仅适用于一般软弱破碎围岩，也适用于地下水丰富的软弱破碎围岩。

（三）小导管布置和安装

（1）小导管安装前，应对开挖面及5m范围内的坑道喷射5～10cm厚的混凝土封闭。

（2）小导管一般采用ф32mm的焊接钢管或ф40mm的无缝钢管制作，长度为3～6m，前端做成尖锥形，前段管壁上每隔10～20mm交错钻眼，眼孔直径宜为6～8mm。

（3）钻孔直径应较管径大20mm以上，环向间距应按地层条件而定。渗透系数大的，间距亦应加大，一般采用20～50cm；外插角应控制在10°～30°之间，一般采用15°。

（4）Ⅴ级围岩劈裂、压密注浆时可采用单排管；Ⅵ级围岩或处理坍方时可采用双排管；地下水丰富的松软层，可采用双排以上的多排管；渗入性注浆宜采用单排管；大断面或注浆效果差时可采用双排管。

（5）小导管插入后应外露一定长度，以便连接注浆管，并用塑胶泥将小导管周围空隙封堵密实。

（四）注浆材料及注浆

注浆材料主要包括单液水泥浆、双液水泥—水玻璃浆、木胺类浆液、聚氨酯类等。

注浆应采用注浆泵，为加速注浆，可安装分浆器同时多管注浆，浆液随配随用，注浆时注浆顺序应由上至下、浆液先稀后浓。

注浆施工要点如下：

（1）注浆设备性能良好，工作压力应满足注浆压力要求，并应进行现场试验运转。

（2）小导管注浆的孔口最高压力应严格控制在允许范围内，以防压裂开挖面，注浆压力一般为0.5～1.5MPa，止浆塞应能经受注浆压力。注浆压力与地层条件及注浆范围要求有关，一般要求单管注浆能力扩散到管周0.5～1.0m的半径范围内。

（3）要控制注浆量，即每根导管内已达到规定注浆量时，就可结束；若孔口压力已达到规定压力值，但注入量仍然不足，也应停止注浆。

（4）注浆结束后，应做一定数量的钻孔检查或用声波探测仪检查注浆效果；若未达到要求，应进行补注浆。

（5）注浆后应视浆液种类，等待4（水泥—水玻璃浆）～8h（水泥浆）方可开挖，开挖长度应按设计循环进尺规定，以保留一定长度的止浆墙（亦即超前注浆的最短超前量）。

六、超前深孔围幕注浆

上述超前小导管注浆，对围岩加固的范围和加固处理的程度是有限的，作为软弱破碎围岩隧道施工的一项主要辅助措施，其占用时间和循环次数较多。因此，在不便采取其他施工方法（如盾构法）时，深孔预注浆加固围岩就较好的解决了这些问题。注浆后既可形成较大范围的筒状封闭加固区，称为围幕注浆。

（一）注浆机理及适用条件

注浆机理可分为两种：

一种是对于破碎岩层，砂卵石层，中、细、粉砂层等有一定渗透性的地层，采用中低压力将浆液注到地层中的空穴、裂缝、孔隙里，凝固后将岩土或土颗粒胶结为整体，称为“渗透注浆”。

另一种是对颗粒更细的黏土质不透水（浆）地层，采用高压浆液强行挤压孔周，使黏土层劈裂成缝并充塞凝结于其中，从而对黏土层起到了挤压加固和增加高强夹层加固作用，称为劈裂注浆。因此深孔预注浆可适用于所有软弱破碎围岩的加固。

深孔预注浆一般可超前开挖30～50m，可以形成有相当厚度和较长区段的筒状加固区，从而使得堵水的效果更好，也使得注浆作业的次数减少，更适用于有压地下水及地下水丰富的地层中，也更适用于采用大中型机械化施工，如图2-29所示。

如果隧道埋深较浅，则注浆作业可在地表面上进行；对于深埋长大隧道可利用辅助平行导坑对正洞进行预注浆，这样都可以避免于正洞施工的干扰，缩短施工工期（图2-29）。

（二）注浆范围

图2-29中已示意出对围岩进行注浆加固的大致范围，即形成筒状加固区。要确定加固区的大小，即确定围岩塑性破坏区的大小，可以按岩体力学和弹塑性理论计算出开挖坑道后围岩的压力重分布结果，并确定其塑性破坏区的大小，这也就是应加固的区域大小。

（三）注浆数量及注浆材料选择

注浆数量应根据加固区需要充填的地层空隙数量来确定。一般来讲，不可能也无需将全部空隙充填密实，就可以达到加固和堵水的目的。

为了做好注浆工作，必须事先对被加固围岩进行土力学实验，查清围岩的透水系数、土颗粒组成、孔隙率、饱和度、密度等，必要时还要做现场注浆和抽水实验。注浆材料的选择参见小导管注浆部分。

（四）钻孔布置及注浆压力

图2-29中已示意出了几种注浆钻孔的布置方式。另外，对于浅埋隧道，还可以采用平行布置方式，即注浆钻孔均呈竖直方向并相互平行分布，但每钻一孔即需移动钻机。

钻孔距要视地层条件、注浆压力及钻孔能力等来确定。一般渗透性强的地层，可采用较低的注浆压力和较大的钻孔间距，钻孔量也少，但平均单孔注浆量大。

注浆压力应根据地层条件、机械能力等因素在现场试验确定。

（五）施工要点

（1）注浆管。一般采用带孔眼的焊接钢管式无缝钢管。注浆管壁上有眼部分的长度应根据注浆孔的位置和注浆区域来确定，其余部分不钻眼，并用止浆塞将其隔开，使浆液只注入到有效区域。

（2）钻孔。钻孔可用冲击式钻机或旋转式钻机，应根据地层条件及成孔效果来选择。钻孔位置应满足设计要求，孔口位置偏差不超过5cm，孔底位置偏差不超过孔深的1％。钻孔应清洗干净，并作好钻孔检查记录。

（3）注浆顺序。应先上方后下方，或先内圈后外圈，先无水孔后有水孔，先上游（地下水）后下游顺序进行。应利用止浆阀保持孔内压力直至浆液完全凝固。

（4）结束条件。应根据注浆压力和单孔注浆量两个指标来判断确定。单孔结束条件为：注浆压力达到设计终压；浆液注入量已达到计算值的80％以上。全段结束条件为：所有注浆孔均已符合单孔结束条件，无漏注。注浆结束后必须对注浆效果进行检查，如未到设计要求，应进行补孔注浆。

（5）注浆检查。除在注浆前进行钻孔质量、材料质量检查，注浆后对注浆效果检查外，注浆过程中应密切注意注浆压力的变化。采用双液注浆时，应经常测试混合浆液胶凝时间，发现问题应及时处理。

（6）开挖时间。注浆后应视浆液种类，等待4（水泥—水玻璃浆）～8h（水泥浆）方可开挖，但最后应注意保留止浆墙，再进行下一循环的注浆。若注浆工作在正洞以外进行，则超前时间易于保证。