《隧道工程》课件第22讲初期支护

第七章隧道施工工艺及施工技术围岩预支护(预加固)装渣与运输初期支护监控量测与数据分析放排水施工工艺辅助坑道二次衬砌隧道爆破施工技术 第七章隧道施工工艺及施工技术第四节初期支护一、初期支护的基本概念隧道开挖后，为控制围岩应力适量释放和变形，增加结构安全度和方便施工，隧道开挖后立即施作刚度较小并作为永久承载结构一部分的结构层，称为初期支护。初期支护加二次衬砌，构成复合式衬砌。 第七章隧道施工工艺及施工技术1.灵活性：支护类型、参数、数量可灵活调整。2.及时性：喷射砼，如早强，能迅速给围岩提供支护抗力；锚喷支护工程特点:3.密贴性：喷射砼与围岩能全面密贴粘结，粘结力一般可达70kg/cm3；密贴有三种作用：连锁作用、复合作用、增强作用(填充凹隙)。 第七章隧道施工工艺及施工技术4.深入性：锚杆可深入围岩一定深度加固围岩，形成承载圈。5.柔性：容易调节围岩变形，可控制围岩塑性变形适度发展，发挥自承能力；6.封闭性：可阻止水对围岩的侵蚀而引起风化等。 一般规定1、隧道初期支护必须紧跟隧道开挖作业面及时施作，同时应按设计要求进行监控量测的相关作业，对位于不良地质地段的隧道，初期支护应及时封闭成环，保证施工安全。2、隧道初期支护应采用喷锚支护，根据围岩特点、断面大小和使用条件等选择喷射混凝土、锚杆、钢筋网和钢架等单一或组合的支护形式。支护参数的选择，一般地段应符合设计要求；特殊岩土及不良地质段支护加强，应根据设计计算或工程类比法确定。 3、隧道支护施工前，应确定支护紧跟开挖的时间、距离及工序搭接要求；确定喷射混凝土前基面标准和设置喷混凝土厚度控制标志；选择基面出水点处理措施；确定锚杆、钢架、钢筋网的加工、运输、安装方案；确定改善作业环境的措施及人员防护方案；选择合格的材料供应方，对进场的原材料进行检验、试验并选定配合比；选择满足上述要求的施工组织和各项资源配置，并同时进行试运行确认其有效性。 4、喷射混凝土冬期施工时，作业区的气温和混合料进入喷射机的温度均不应低于5°C。5、作业区应有良好的通风和照明装置，喷射混凝土时粉尘含量不得大于2mg/m3。6、岩爆地段隧道施工加强支护工作，支护的方法是在爆破后尽可能早地向拱部或侧壁进行喷射混凝土，再加设锚杆及钢丝网。衬砌工作要紧跟开挖工序进行，以尽可能减少岩层暴露时间，减少岩爆发生和确保人身安全。 7、膨胀岩隧道的初期支护宜采用喷射混凝土、锚杆、钢筋网、钢架等，以提高初期支护的整体刚度，应优先考虑采用喷射钢纤维混凝土。强膨胀岩隧道应采用特殊支护形式，包括采用可压缩支护、可拉伸锚杆等。支护参数的大小，可根据设计计算或工程类比法确定。8、隧道支护施工后，应清理场地和设备料具，为下一工序创造条件。并对喷射混凝土进行养护，同时分析检测不满足要求的项目及产生原因，并制定整改措施。 第七章隧道施工工艺及施工技术一些隧道工程都优先采用锚喷的柔性支护结构，是为了能做到：容许围岩发生有限变形发挥围岩的自承能力节省工程造价 工序流程1、初期支护施工的一般工序流程为：开挖后初喷砼→系统支护施工（锚杆、钢筋网、钢架）→复喷砼至设计厚度。2、爆破后应首先清除浮石，然后立即进行初喷混凝土封闭围岩，以期充分发挥围岩的自稳能力。出碴结束后，再根据围岩级别施作锚杆、挂网、拱架及复喷混凝土。3、在富水断层破碎段，支护施作前应及时排水，以预防塌方的发生。在少量集中渗水、淋水地段，在将要通过的透水层部位，可采用排水孔法或排水管法，布置一定数量的排水孔或埋设排水管，将渗、淋水集中到排水孔内导出；也可采用金属网法，通过在钢筋网背后铺过滤层或隔水层，将其固定在围岩上，通过软管排水，随即喷射混凝土。 如涌水较大，支护时对主要涌水出水口暂不进行封堵支护，待涌水减小或无水时，再进行支护或进行固结封堵，迫使水流改变流向。4、喷射混凝土厚度必须利用断面仪检测断面或凿孔检查，喷射混凝土的平均厚度应大于设计厚度，最小厚度不得小于设计厚度的2/3。5、隧道支护施工中，应确认各项资源和作业环境符合要求，控制并确认各项作业按规定程序和标准进行。6、施工机具应布置在无危石的安全地带，在不良地质地段，设专人随时观察围岩变化情况。 钢筋网喷砼钢架锚杆 第七章隧道施工工艺及施工技术二、锚杆锚杆(索)是用金属或其它高抗拉性能的材料制作的一种杆状构件。1、锚杆的支护效应(1)支承围岩：锚杆喷射混凝土轴力 第七章隧道施工工艺及施工技术(2)加固围岩:承载拱 第七章隧道施工工艺及施工技术(3)提高层间摩阻力，形成“组合梁”:PPσσ 第七章隧道施工工艺及施工技术(4)“悬吊”作用: 第七章隧道施工工艺及施工技术BB0减跨作用 第七章隧道施工工艺及施工技术锚杆分类：2、锚杆的种类及各自的设计施工要点 第七章隧道施工工艺及施工技术 第七章隧道施工工艺及施工技术普通水泥砂浆锚杆(1)构造组成砂浆杆体垫板螺母①杆体材料宜用20MnSi钢筋，直径14~22mm为宜，长度2~3.5m，为增加锚固力，杆体内端可劈口叉开。锚杆杆体使用前应平直、除锈、除油。(2)设计、施工要点 第七章隧道施工工艺及施工技术②钻孔：钻孔方向宜尽量与岩层主要结构面垂直。钻孔孔径比杆径大15mm。孔位允许偏差为±15~50mm；钻孔深度应大于锚杆设计长度10cm，孔深允许偏差为±50mm。清孔：孔钻好后用高压水(风)将孔眼冲洗干净，用塞子塞紧孔口，防止石渣掉入。施工准备初喷砼面上标注孔位钻孔清孔注入砂浆插入杆体结束固定杆体、待强原材料检验锚杆加工砂浆配比安装垫板质量检查补强处理合格不合格 第七章隧道施工工艺及施工技术③水泥砂浆：水泥一般选用普通硅酸盐水泥，砂子粒径不大于3mm，并过筛；砂浆强度不低于M20；配合比一般为水泥:砂:水＝1:(1~1.5):(0.45~0.5)。粘结砂浆应拌和均匀，并调整其和易性，随拌随用，一次拌和的砂浆应在初凝前用完。施工准备初喷砼面上标注孔位钻孔清孔注入砂浆插入杆体结束固定杆体、待强原材料检验锚杆加工砂浆配比安装垫板质量检查补强处理合格不合格 第七章隧道施工工艺及施工技术④注浆管应插至距孔底5~10cm位置，随砂浆注入缓慢匀速拔出。注浆体积应略多于需要体积，将注浆管全部抽出后，应立即迅速插入杆体，可用锤击或通过套筒用风钻冲击，使杆体强行插入钻孔。施工准备初喷砼面上标注孔位钻孔清孔注入砂浆插入杆体结束固定杆体、待强原材料检验锚杆加工砂浆配比安装垫板质量检查补强处理合格不合格⑤杆体插入孔内的长度不得短于设计长度的95%，实际粘结长度亦不应短于设计长度的95%。 第七章隧道施工工艺及施工技术⑥杆体到位后要用木楔或小石子在孔口卡住，防止杆体滑出。锚杆安设后不得随意敲击；终凝以前不得在端部悬挂重物；水泥砂浆终凝以后安装垫板。施工准备初喷砼面上标注孔位钻孔清孔注入砂浆插入杆体结束固定杆体、待强原材料检验锚杆加工砂浆配比安装垫板质量检查补强处理合格不合格 第七章隧道施工工艺及施工技术中空注浆锚杆由中空锚杆杆体和垫板、螺母、排气管等附件组成。主要设在开挖断面的拱部及围岩较差地段的拱墙。 第七章隧道施工工艺及施工技术(2)设计、施工要点①中空锚杆体材料应选用符合《中空锚杆技术条件》的无缝钢管轧制。②锚杆体及附属结构的内外表面不得有裂缝、折叠、轧折、离层、结疤和锈斑等缺陷，存放及使用中材料内外表面必须除去油污。施工准备布孔钻孔、清孔组装中空锚杆体、排气管、止浆塞安装锚杆结束原材料检验确定浆液配比浆体待强、安装垫板螺栓质量检查补强处理合格不合格连接注浆管、注浆锚杆杆体孔口回浆浆液制备 第七章隧道施工工艺及施工技术③普通中空锚杆在用于边墙或俯角下倾的锚孔时，注浆可采用由锚杆内中空通孔进浆，锚杆口排气方式。用在锚孔向上倾斜的仰角时，锚杆注浆必须自锚杆体外钻孔中注浆，锚杆的中空通孔作为排气的注浆方式。④锚杆孔位、孔深及布置形式符合设计要求，锚杆用的水泥浆或砂浆强度不低于M20，单管达到设计注浆量时注浆结束，当注浆压力达到设计终压不少于20分钟，进浆量仍达不到注浆终量时，亦可结束注浆，并保证锚杆孔浆液注满，注浆质量合格后将锚杆头封堵，避免浆液倒流。 第七章隧道施工工艺及施工技术自进式中空注浆锚杆 第七章隧道施工工艺及施工技术自进式中空注浆锚杆早强水泥砂浆锚杆施工准备组装锚杆体、钻头、钎尾钻进、接长锚杆体钻至设计深度钻机与杆体分离连接注浆管、安装排气管、止浆塞结束原材料检验确定浆液配比浆液制备待强安装垫板质量检验加固处理合格不合格注浆作业至排气管返浆安装前应检查锚杆体中孔和钻头水孔是否通畅；钻至设计深度后，应用水或空气洗孔，直至孔口返水或返气，方可将钻机和钎尾卸下并及时安装止浆塞；锚杆灌浆料宜用纯水泥浆或1：1水泥砂浆。砂子粒径不应大于1mm灌浆料由杆体中孔灌入 第七章隧道施工工艺及施工技术早强药包内锚头锚杆1-不饱和聚脂树脂＋加速剂＋填料；2-纤维纸和塑料袋；3-固化剂＋填料；4-玻璃管；5-堵头(树脂胶泥封口)；6-快硬水泥；7-湿强度较大的滤纸筒；8-玻璃纤维纱网；9-树脂锚固剂；10-带麻花头杆体；11-垫板；12-螺母9101112挡圈12345a)678b)(1)构造组成 第七章隧道施工工艺及施工技术(2)施工要点①钻眼要求同前、但孔眼应比锚杆长度短4~5cm。②快硬水泥卷浸水：③水泥卷用锚杆送至眼底：④搅拌与推进：⑤杆体固定：施工准备初喷砼面上标注孔位钻孔清孔浸湿药包孔内塞入药包结束顶入杆体、待强原材料检验锚杆加工安装垫板质量检查补强处理合格不合格 第七章隧道施工工艺及施工技术缝管式摩擦锚杆(1)构造组成杆体挡环垫板 第七章隧道施工工艺及施工技术(2)设计施工要点①锚固力：钻孔与缝管直径之差是设计与施工要严格控制的主要因素。锚固力与孔、管径差的关系是：径差小，锚杆安装推进阻力小，锚固力亦小；径差大，锚杆安装推进阻力大，锚固力也大。钻孔锚固力与锚杆的材质、构造尺寸、围岩条件、钻孔与锚管直径之差、锚固长度等有直接关系。 第七章隧道施工工艺及施工技术②现场试验确定最佳径差：③杆体材质：要求有较高的弹性极限④安装：⑤若作为永久支护，则应作防锈处理，并灌注有膨胀性的砂浆。杆体挡环垫板 第七章隧道施工工艺及施工技术楔缝式内锚头锚杆(1)构造组成A楔块杆体垫板螺母 第七章隧道施工工艺及施工技术D-钻孔直径；φ-锚杆杆体直径；δ-锚杆杆体楔缝宽度；b-楔块端头厚度；α-楔块的楔角；h-楔块长度；h1-楔头两翼嵌入钻孔壁长度；n-楔缝两翼嵌入钻孔壁深度h1habnDδφ(2)设计要点影响锚固力的主要因素有：岩体性质，锚杆有效直径，楔块端部厚度b和楔角α。 第七章隧道施工工艺及施工技术①围岩愈坚硬,锚固力愈大；嵌入孔底围岩的深度与长度愈大，锚固力愈大；或锚杆有效直径愈大,锚固力愈大。另外钻孔直径与锚杆直径的配合情况对锚杆锚固力也有一定影响。②提高楔缝式锚固力的办法有：加大楔块长度h，或加大楔块端头厚度b，或减小钻孔直径与锚杆直径之差，或减小楔缝宽度δ。一般而言，对于坚硬岩体，楔角在8°以上为好。楔缝宽度一般为3mm。 第七章隧道施工工艺及施工技术③若对锚固力有明确要求，应先行试验，检验初选参数的合理性。(3)施工要点①安装:先将楔块插入楔缝，轻敲，使其固定于缝中，然后插入眼底；并以适当的冲击力冲击锚杆尾，至楔块全部楔入楔缝为止。有时为了防止杆尾受冲击发生变形，可以采用套筒保护。 第七章隧道施工工艺及施工技术②要求加预应力时可采用测力矩扳手或定力矩扳手来拧紧螺母，以控制锚固力。若要求在楔缝式锚杆的基础上再作灌浆处理，则除按砂浆锚杆灌浆外，预张力应在砂浆初凝前完成，并注意减小砂浆的收缩率。 第七章隧道施工工艺及施工技术钢质涨壳头钢质涨壳中空注浆锚杆 第七章隧道施工工艺及施工技术施工准备布孔钻孔清孔插入杆体安止浆塞加垫板、拧紧螺帽、固定杆体浆液配置注浆钢质涨壳中空注浆锚杆(1)钻孔(2)在吹净钻孔后，将锚杆插入孔道，钻杆尾部用钎尾与凿岩机连接，开动凿岩机，通过其冲转力使涨壳锚固头在孔道底部充分涨开。(3)卸去凿岩机和钎尾，安装止浆塞、托板、螺帽及注浆管。按预定的预应力锁定螺母。(4)注浆：预应力完成后及时注浆。 第七章隧道施工工艺及施工技术1-导向帽；2-六棱锚塞；3-外夹片；4-挡圈；5-顶簧；6-套管；7-排气管；8-粘结砂浆；9-现浇混凝土支墩；10-垫板；11-锚环；12-锚塞；13-锥筒；14-顶簧套筒；15-托圈123456789101112131415内锚固(头)段张拉段外锚固(头)段胀壳式内锚头预应力锚索(1)构造组成胀壳式预应力锚索主要由机械胀壳式内锚头、锚索(钢绞线)外锚头以及灌注的粘结材料等组成。 第七章隧道施工工艺及施工技术(2)性能特点常用在中等以上的围岩中。特点：施工工序紧密简单，安装迅速方便，是能立即起作用的大型预应力锚杆。内锚头采用机械加工，比较复杂，价格较高，在软弱围岩中不能使用。适用：可以在较小的施工现场中作业，常用于高边坡、大坝以及大型地下洞室的支护、抢修加固。 第七章隧道施工工艺及施工技术(3)施工要点①加工应符合设计质量要求，在运输、存放及安装过程中不能有损伤、变形。②钻孔一般采用冲击式潜孔钻，也可以选用各种旋转式地质钻。钻后应予以清洗，并作好孔口支墩。③锚索安装要平直不紊乱，同时安装排气管。 第七章隧道施工工艺及施工技术④锚索推送就位后，即可进行张拉。⑤预应力无明显衰减时，才最后锁定，且48h内再检查。⑥注浆应饱满，注浆达到设计强度后，进行外锚头覆盖。 第七章隧道施工工艺及施工技术2、锚杆的布置分为局部布置和系统布置。局部布置它主要用在裂隙围岩。重点加固不稳定块体，隧道拱顶受拉破坏区为重点加固区域。布置原则：拱腰以上部位锚杆方向应有利于锚杆的受拉；拱腰以下及边墙部位锚杆宜逆向不稳定岩块滑动方向。 第七章隧道施工工艺及施工技术锚杆的间距为式中：D——锚杆间距，m；d——锚杆直径，m；Ra——锚杆钢筋的设计强度，Pa；K——安全系数，可取K＝1.5~2.0；P——危石或不稳定块体的重力，N，当侧墙存在不稳定块体时，P值为下滑力减去抗滑力；A——危石或不稳定块体出露面积，m2。 第七章隧道施工工艺及施工技术锚杆深入稳定岩体的深度为式中，Lm——锚入稳定岩体的深度（其值不宜小于杆体直径的30~40倍），m；τ——砂浆的粘结强度，N/m2；Ra、d与前式相同。 第七章隧道施工工艺及施工技术系统布置在破碎和软弱围岩中，一般采用系统布置的锚杆，对围岩起到整个加固作用。对于局部很破碎、软弱围岩部位或可能出现过大变形的部位，应加设长锚杆。系统布置的原则：(1)在隧道横断面上，锚杆宜垂直隧道周边轮廓布置，对水平成层岩层，应尽可能与层面垂直布置，或使其与层面呈斜交布置。 第七章隧道施工工艺及施工技术 第七章隧道施工工艺及施工技术(3)锚杆间距不宜大于锚杆长度的1/2，在Ⅳ、Ⅴ级围岩中，锚杆间距宜为0.5~1.2m，但当锚杆长度超过2.5m时，若仍按间距不大于1/2锚杆长度的规定，则锚杆间的岩块可能因咬合和连锁不良而导致掉块坠落，为此，其间距不宜大于1.25m。(2)在岩面上锚杆宜成菱形排列，纵、横间距为0.6~1.5m，其密度约为0.6~3.6根/m2； 第七章隧道施工工艺及施工技术3、锚杆的长度首先确定锚杆长度，然后确定间排距两倍锚杆间距；岩体断裂面平均间距所确定的临界潜在不稳定岩块宽度的3倍；隧道跨度之半(跨度小于6m)。虎克和布朗、美国工程师协会及美国矿山局等提出用于检验锚杆长度的一般经验准则，锚杆最小长度至少为： 第七章隧道施工工艺及施工技术在围岩条件较好的I~Ⅲ级岩层，可以采用喷锚支护，锚杆长度为1.5~3.0m；在围岩条件中等和较差的Ⅲ~Ⅵ级岩层中，作为复合衬砌中初期支护的锚杆，单线隧道锚杆长度为2.0~3.0m，双线隧道锚杆长度为2.0~3.5m。我国《铁路隧道喷锚构筑法技术规范》规定： 第七章隧道施工工艺及施工技术新奥法对锚杆长度的确定：对于岩质条件较好的硬岩，锚杆长度取1.0~1.2m；对于岩质条件稍差的中硬岩，锚杆长度取为隧道宽度的1/3~1/4，通常为2.0~3.0m；对于软岩、破碎岩体和土砂质地层，锚杆长度取为隧道宽度的1/2~2/3，通常为4.0~6.0m；对于膨胀性地层，锚杆长度取为隧道宽度的1/2~2/3，通常为4.0~6.0m。 第七章隧道施工工艺及施工技术4、锚杆间距和布置虎克和布朗、美国工程师协会及美国矿山局等提出用于检验锚杆间距的经验准则为：锚杆最大间距不应超过锚杆长度之半；隧道跨度之半(跨度小于6m)；岩体中平均断裂面间距所确定的不稳定岩块宽度的1.5倍。 第七章隧道施工工艺及施工技术我国《铁路隧道喷锚构筑法技术规范》规定，锚杆的间距不宜大于锚杆长度的1/2，以有利于相邻锚杆共同作用。新奥法对锚杆布置的设计，从支护应使围岩形成自承拱出发，锚杆间距规定为：硬岩的锚杆间距取1.5m；中硬岩的锚杆间距取2.0~3.0m；软岩、破碎岩体和土砂质地层的锚杆间距取1.0~0.8m；膨胀性地层的锚杆间距取1.0~0.8m。 第七章隧道施工工艺及施工技术三、喷射混凝土喷射混凝土既是一种新型的支护结构，又是一种新的施工工艺。它是使用混凝土喷射机，按一定的混合程序，将掺有速凝剂的细石混凝土，喷射到岩壁表面上，并迅速固结成一层支护结构，从而对围岩起到支护作用。 第七章隧道施工工艺及施工技术1、喷混凝土的作用(2)“卸载”作用(1)支撑围岩(3)填平补强围岩承载圈NN粘结粘结剪切剪切 第七章隧道施工工艺及施工技术(4)覆盖围岩表面(5)阻止围岩松动(6)分配外力潮气裂隙水ττ 第七章隧道施工工艺及施工技术2、喷混凝土的特点及力学性能(1)喷射混凝土具有强度增长快、粘结力强、密度大、抗渗性好的特点。它能较好地填充岩块间的裂隙的凹穴，增加围岩的整体性，防止自由面的风化和松动，并与围岩共同工作。喷混凝土的特点(2)与普通模筑混凝土相比，喷射混凝土施工将输送、浇注、捣固几道工序合而为一，更不需模板，因而施工快速、简捷。 第七章隧道施工工艺及施工技术喷层的力学性能(3)喷射混凝土能及早发挥承载作用。它能在10min左右终凝，一般2h后即具有强度，8h后可达2MPa，16h后达5MPa,一天后可达7~8MPa，四天达到28d强度的70%左右。(4)试验表明，喷射混凝土与模筑混凝土相比，密实性和性能稳定性要差。而性能较干式喷射混凝土有显著改善。喷射混凝土的主要力学特性有强度和变形特性。 第七章隧道施工工艺及施工技术主要强度指标：设计强度与受压弹性模量。 第七章隧道施工工艺及施工技术喷射混凝土的粘结强度包括抗拉粘结强度和抗剪粘结强度。前者用于衡量喷射混凝土在受到垂直于界面方向拉应力作用时的粘结能力，后者则反映抵抗平行于界面作用力的能力。喷射混凝土与岩石的粘结强度：与待喷岩石性质、岩面条件、节理充填物等有密切关系。 第七章隧道施工工艺及施工技术新喷射混凝土与原喷混凝土的粘结强度:抗剪粘结强度一般为0.7~2.85MPa，与喷射混凝土界面的抗拉粘结强度是1.47~3.49MPa。 第七章隧道施工工艺及施工技术3、喷射工艺种类喷射混凝土的工艺流程有干喷、潮喷、湿喷和混合喷四种。主要区别是各工艺的投料程序不同，尤其是加水和速凝剂的时机不同。 第七章隧道施工工艺及施工技术细骨料粗骨料水泥搅拌机干式喷射机压缩空气速凝剂水喷头干喷、潮喷工艺流程 第七章隧道施工工艺及施工技术细骨料粗骨料水泥水外加剂搅拌机湿式喷射机压缩空气速凝剂湿喷工艺流程 第七章隧道施工工艺及施工技术干喷的缺点是产生的粉尘量大，回弹量大，加水是由喷嘴处的阀门控制的，水灰比的控制程度与喷射手操作的熟练程度有关。但使用的机械较简单，机械清洗和故障处理容易。潮喷是将骨料预加少量水，使之呈潮湿状，再加水泥拌和，从而降低上料、拌和和喷射时的粉尘。但大量的水仍是在喷头处加入和喷出的。 第七章隧道施工工艺及施工技术湿喷混凝土质量容易控制，喷射过程中的粉尘和回弹量很少。但对喷射机械要求较高，机械清洗和故障处理较麻烦。对于喷层较厚的软岩和渗水隧道，则不易使用湿喷。混合喷射又称水泥裹砂造壳喷射法，是将一部分砂加第一次水拌湿，再投入全部水泥强制搅拌造壳；然后加第二次水和减水剂拌和成SEC砂浆；将另一部分砂和石、速凝剂强制搅拌均匀。然后分别用砂浆泵和干式喷射机压送到混合管混合后喷出。 砂浆泵第七章隧道施工工艺及施工技术搅拌机搅拌机干喷机混合管喷头一次水水泥二次水减水剂砂石速凝剂混合喷射工艺流程 第七章隧道施工工艺及施工技术混合喷射是分次投料搅拌工艺与喷射工艺的结合，关键是水泥裹砂(或砂、石)造壳技术。由于喷射工艺的不同，喷射混凝土强度不同，干喷和潮凝土强度较低，一般只能达到C20，而混合喷射和湿喷则可达到C30~C35。 第七章隧道施工工艺及施工技术4、素喷混凝土设计与施工设计要点(1)喷射混凝土设计的最低强度不应低于15MPa，一般设计强度为20MPa，一天龄期抗压强度不应低于5MPa。对Ⅱ~Ⅲ级围岩，喷射混凝土与岩面的粘结强度不应低于0.8MPa，对Ⅳ级围岩，喷射混凝土与岩面的粘结强度不应低于0.5MPa。 第七章隧道施工工艺及施工技术(2)喷射混凝土支护的设计厚度，防止围岩风化、浸蚀，不得小于30mm;作为支护结构，不得小于50mm；若围岩含水，不得小于80mm；为防止由于收缩裂纹而剥落并妨碍柔性特点的发挥，以及减少在软弱围岩中产生较大变形压力，喷射混凝土最厚不宜超过200mm。 第七章隧道施工工艺及施工技术(3)在Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ级围岩中，易出现局部不稳定岩块，喷射混凝土的设计厚度应按下式验算：(4)喷射混凝土中含有较多的大小适中、分布均匀、彼此不串通的气泡，故提高了抗渗性。一般若水灰比不超过0.55时，可以达到P8。要求有较高的抗渗性时，水灰比最好不超过0.45~0.50。 第七章隧道施工工艺及施工技术(5)采用水泥裹砂喷射工艺时，造壳水灰比与砂子的细度模数关系很大，砂子越细，其表面需水量越大，则需要较大的造壳水灰比。一般在0.15~0.35范围内。与水泥品种亦有很大关系，一般地，矿碴水泥、火山灰水泥较之硅酸盐(普通硅酸盐)水泥的最佳造壳水灰比大0.05以上。对普通中砂，当造壳水灰比W1/C为0.20~0.25时，28d强度及其它指标均最高，称为最佳造壳水灰比。 第七章隧道施工工艺及施工技术(6)拌制SEC砂浆应采用强制式搅拌机，以缩短搅拌时间和改善造壳效果。尤其第二次加水后的搅拌时间不能太长，要加以严格控制。原料(1)水泥要求掺入速凝剂后凝结快、保水性好、早期强度增加快、收缩小。一般优先采用425号以上的普通硅酸盐水泥，(2)砂子（细骨料）一般采用坚硬耐久的中砂或粗砂，细度模数一般宜大于2.5。砂的含泥量不大于3％，砂中小于0.075mm的颗粒不应大于20%。 (4)水。水中不应含有影响水泥正常凝结与硬化的有害杂质。不得使用污水、海水、PH值小于4.5的酸性水和含硫酸盐量(按SO42-计算)超过水的重量1%的水。(3)石子（粗骨料）应采用坚硬耐久的卵石或碎石。石子的最大粒径与混凝土喷射机的输料管直径有关，一般不宜超过管内径的1/3，目前最大粒径采用15mm。 (5)速凝剂目的：加速喷射混凝土的凝结、硬化，提高早期强度；减少喷射混凝土的回弹量；防止因重力作用而引起喷射混凝土的流淌或脱落；增大一次喷射厚度，缩短分层喷射的时间间隔。要求：掺用后，喷射混凝土能快凝早强（初凝时间不应大于5min，终凝时间不应大于10min），收缩变形小，对温度和水灰比变化不敏感，对混凝土后期的物理力学性能无显著不良等，对混凝土和钢筋无腐蚀作用。 第七章隧道施工工艺及施工技术配比(1)干集料中水泥与砂石重量比，一般为1:4~1:4.5，每立方米干集料中，水泥用量约为400kg。(2)砂率一般为45%~55%。实践证明，低于45%或高于55%时，均易造成堵管，且回弹大，强度降低，收缩加大。 第七章隧道施工工艺及施工技术(3)水灰比一般为0.4~0.45。采用水泥裹砂喷射工艺时，还应试验选择最佳造壳水灰比。(4)速凝剂和其它外加剂的掺量，由试验来确定最佳掺量，并达到各龄期的设计强度要求。(5)喷射混凝土搅拌时间及搅拌后临时存放时间均应按规范规定进行。 第七章隧道施工工艺及施工技术喷射混凝土机械设备(1)喷射机。干式喷射机湿式喷射机 第七章隧道施工工艺及施工技术(2)机械手。喷头的移动和喷射方向、距离的控制，可采用人力直接控制或机械手控制。(3)喷射混凝土的拌制宜用强制式搅拌机。 喷射砼工艺流程施工准备受喷面处理埋设喷层厚度标钉机具到位接通风水电、试机结束原材料进场检查质量检查合格不合格初喷混凝土作业复喷混凝土作业选定混凝土配比选定混凝土配比搅拌车运输喷料补喷、调整配合比 第七章隧道施工工艺及施工技术喷前检查及准备(1)开挖断面尺寸检查，清除松动危岩，欠挖超标严重的应予处理。(2)根据石质情况，用高压风或水清洗受喷面。(3)受喷岩面有集中渗水时，作好排水引流处理，无集中水时，根据岩面潮湿程度，适当调整水灰比。 第七章隧道施工工艺及施工技术(4)埋设喷层厚度检查标志，一般是在石缝处钉铁钉，或用快硬水泥安设钢筋头，并记录其外露长度。(5)检查调试好各机械设备的工作状态。施喷注意事项(1)喷射时应分段(不超过6m)、分部(先下后上)、分块(2.0m×2.0m)，严格按先墙后拱，先下后上的顺序进行，以减少混凝土因重力作用而引起的滑动或脱落现象发生。 第七章隧道施工工艺及施工技术(2)喷射时可以采用S形往返移动前进，也可以采用螺旋形移动前进。1237896542m2m2m1.5m边墙喷射分区及喷射顺序1.5m1.5m 第七章隧道施工工艺及施工技术拱脚线拱顶中心线2m2m2m23654131078911121415拱圈喷射分区及喷射顺序1 第七章隧道施工工艺及施工技术(3)喷射时喷嘴要垂直于受喷面，倾斜角不大于10°，距离0.8~1.2m。 (4)对于岩面凹陷处应先喷多喷，凸出处应后喷少喷。(5)喷射时一次喷射厚度不得太薄或太厚，它主要与混凝土的粘结力和受喷部位及回弹情况等有关。 第七章隧道施工工艺及施工技术(6)设计喷层较厚，应分层喷射，一般分2~3层喷射；一般要在初喷混凝土终凝以后再进行复喷。间隔时间较长时，复喷应将初喷混凝土表面清洗干净，复喷应将凹陷处进一步找平。(7)应在其终凝2h后进行水养护，养护时间一般不少于14d。(8)冬季施工时作业区的气温不得低于5℃；若气温低于5℃，亦不得洒水；未达到设计强度的50%时，若气温降低到5℃以下，则应注意采取保温防冻措施。 第七章隧道施工工艺及施工技术(9)回弹物料的利用。实测表明，采用干法喷射混凝土时，一般边墙的回弹率为10%~20%，拱部为20%~35%，回弹量相当大。应设法减少回弹，将回弹物料回收利用。及时回收的洁净而尚未凝结的回弹物，可以按一定比例掺入混合料中重新搅拌后喷射，但掺量不宜大于15%，且不宜用于喷射拱部；回弹物的另一处理途径是掺进普通混凝土中，但掺量也应加以控制。 堵管问题处理遇到堵管发生时，喷射机司机应立即关闭马达，随后关闭风源，喷射手将软管拉直，然后用手锤敲击以寻找堵管处。当敲击钢管时发音混浊，或敲击胶管时有发硬感觉处，即为堵管部位。找到堵管部位后，可将风压升到0.3~0.4MPa(不超过0.5MPa)，并用锤击堵管部位，使其畅通。排出堵管时，喷嘴前方严禁站人，以免被喷伤。 第七章隧道施工工艺及施工技术5、钢纤维喷射混凝土混凝土增强纤维钢纤维非钢纤维高弹纤维低弹纤维 第七章隧道施工工艺及施工技术喷纤维混凝土与喷普通混凝土的最大区别是：弯曲拉伸及抗剪强度大；峰值强度后的残留强度大；峰值强度后的变形能力及韧性大，开裂发生后也能传递拉力；耐冲击、抗冻融性好。 第七章隧道施工工艺及施工技术钢纤维喷射混凝土是在喷射混凝土中加入钢纤维，弥补喷射混凝土的脆性破坏缺陷，改善喷射混凝土的物理力学性能。在发生很大荷载和变形的隧道洞口和断层破碎带、膨胀性围岩、弯曲应力大的扁平断面、隧道分叉地段、发生复杂应力的地段等，使用效果是很明显的。 第七章隧道施工工艺及施工技术钢纤维的生产方法通常有钢丝切断法、薄钢板切断法、铣削法、熔抽法及轧制法。钢纤维在投入搅拌机后，其形状、尺寸要能均匀地分散到混凝土中，同时喷射混凝土要容易输送、喷射。 第七章隧道施工工艺及施工技术通常在喷射钢纤维混凝土中，钢纤维的直径(或等效直径)为0.3~0.6mm，长度为20~40mm，长径比为40~60，钢纤维的体积掺量为1％~2％。性能特点(1)钢纤维喷射混凝土中的钢纤维主要在喷射平面内呈两维分布，且相当均匀。 第七章隧道施工工艺及施工技术(2)钢纤维喷射混凝土的破坏呈塑性破坏，因此容许有较大的变形，裂缝出现后仍有一定的承载能力。(3)在一般掺量情况下比普通喷射混凝土的抗压强度提高30%~60%，抗拉强度提高50%~80%，抗弯强度提高40%~70%。(4)当钢纤维掺量大于1.5%时，钢纤维喷射混凝土的韧性(加载至试件完全破坏所做的功)为普通喷射混凝土的20~50倍，抗冲击性能提高8%~30%，抗磨损性能能提高30% 第七章隧道施工工艺及施工技术设计要点(1)物理力学性能除与喷射混凝土的物理力学性能有直接关系外，同时与钢纤维的形状、尺寸、掺量、以及钢纤维在基体材料中的分布状态和排列方向、喷射工艺等有直接关系。(2)当钢纤维尺寸相同时，其抗拉、抗弯强度随钢纤维含量的增强而提高。 第七章隧道施工工艺及施工技术钢纤维掺量与抗拉、抗弯强度关系0.51.01.52.02.5100140180220260钢纤维掺量(%)强度比（与素混凝土相比）1-抗拉强度：钢纤维d=0.4mm，l=25mm2-抗弯强度：钢纤维d=0.3mm，l=25mm12 第七章隧道施工工艺及施工技术(3)当钢纤维长度、掺量相同时，细纤维较粗纤维的强度有显著提高(图)。不同直径钢纤维在相同掺量下抗挠比较12荷载(kN)钢纤维形状：1-d=0.3mm；l=25mm2-d=0.4mm,l=25mm；钢纤维掺量：2%1.02.03.04.05.02.04.06.08.010.00挠度(mm) 第七章隧道施工工艺及施工技术(4)当钢纤维的尺寸相同，掺量高的较掺量低的抗冲击性能显著提高。钢纤维掺量与抗冲击性能的关系0.51.01.52.02.53.0010203040钢纤维掺量(%)抗冲击次数比（与素喷混凝土相比） 第七章隧道施工工艺及施工技术(5)钢纤维喷射混凝土的配合比：水泥:砂:石＝1:1.6:1.6，水泥标号不低于525号，砂子采用中砂，石子采用筛洗卵石，最大粒径10mm，钢纤维掺量一般为喷射混凝土重量的1.0%~2.0%，规格尺寸为直径×长度＝0.3mm×20mm或0.4mm×20mm或0.4mm×25mm。 第七章隧道施工工艺及施工技术施工要点(1)应选用经过实用检验的喷射机械。主要问题是防止钢纤维结团堵管。(2)钢纤维和基料必须拌和均匀，避免结成喷射机拔料盘堵塞或堵管。方法是先将水泥、砂、石拌和均匀，然后掺入钢纤维和速凝剂，再拌和均匀，装入运输车。 第七章隧道施工工艺及施工技术(3)操作同普通喷射混凝土，但输料管的磨耗大，一般要高于普通喷射混凝土30%~40%。(4)风压要比普通喷射混凝土高0.02~0.05MPa；当输送距离不大于40m时，风压一般可为0.05~0.18MPa。6、聚丙稀纤维喷射混凝土聚丙烯纤维根据其形状和构造不同，可分为单丝纤维和网状纤维。 第七章隧道施工工艺及施工技术聚丙烯纤维在混凝土的碱性环境下非常稳定，熔点较高，表面憎水，100％的湿强保持率，质量轻，价格低，加工性能优良、不成团、不缠结，混凝上的能量吸收能力和延性提高了，抗弯强度和疲劳极限也有提高，但抗压强度提高不多。聚丙烯纤维减少了混凝土的早期塑性收缩裂纹并能阻止它们的发展，从而提高了混凝土的抗渗性。聚丙烯纤维能推迟混凝土表面的劣化，提高耐久性。 施工要点：1、喷混凝土中所使用纤维长度宜为19mm。2、合成纤维抗拉强度不宜小于280MPa。3、合成纤维掺入量为0.9kg/m3。4、拌和时间宜为4~5min，且纤维已均匀分散成单丝，否则至少需要延长拌和时间30s方可使用。5、喷合成纤维混凝土的强度等级应符合设计要求，粗骨料粒径不宜大于20mm。6、喷合成纤维混凝土的水胶比宜为0.35~0.45。7、合成纤维加入喷混凝土拌和料中时不需要改变原混凝土的配合比。 第七章隧道施工工艺及施工技术7、钢筋网喷射混凝土构造组成钢筋网通常作环向和纵向布置。 第七章隧道施工工艺及施工技术环向筋一般为受力筋，由设计确定，直径φ12左右；纵向筋一般为构造筋，直径φ6~φ10；网格尺寸一般为20cm×20cm，20cm×25cm，25cm×25cm，25cm×30cm或30cm×30cm。 第七章隧道施工工艺及施工技术施工要点(1)钢筋网应根据被支护围岩面上的实际起伏形状铺设，且应在喷射一层混凝土后再行铺设。钢筋与岩面或与初喷混凝土面的间隙应不小于3~5cm，钢筋网保护层厚度不小于3cm，有水部位不小于4cm。(2)为便于挂网安装，常将钢筋网先加工成网片，长宽可为100~200cm。 第七章隧道施工工艺及施工技术(3)钢筋网应与锚杆或锚钉头连结牢固，并应尽可能多点连接，以减少喷射混凝土时使钢筋发生“弦振”。锚钉的锚固深度不得小于20cm。(4)开始喷射时，应缩短喷头至受喷面之间的距离，并适当调整喷射角度，使钢筋网背面混凝土密实。对于干燥土质隧道，第一次喷射不能太厚，以防起鼓剥落。 第七章隧道施工工艺及施工技术四、钢拱架1、构造组成钢拱架可以采用型钢、工字钢、钢管或钢筋制成。现场采用以钢筋制作的格栅钢架较多。隧道中线拱部A单元拱部B单元开挖轮廓线边墙C单元边墙D单元内轨顶面仰拱E单元 第七章隧道施工工艺及施工技术 第七章隧道施工工艺及施工技术 第七章隧道施工工艺及施工技术竖向网构架立筋水平网构架立筋主筋 第七章隧道施工工艺及施工技术格栅钢架的断面 第七章隧道施工工艺及施工技术接头示意图 第七章隧道施工工艺及施工技术 第七章隧道施工工艺及施工技术 第七章隧道施工工艺及施工技术 第七章隧道施工工艺及施工技术工字钢钢架钢管钢架 第七章隧道施工工艺及施工技术2、性能特点(1)钢拱架的整体刚度较大，可以提供较大的早期支护刚度；型钢拱架较格栅钢架能更早承载。(2)钢拱架可以很好地与锚杆、钢筋网、喷射混凝土相结合，构成联合支护，增强支护的有效性，且受力条件较好。尤以格栅钢架结合最好。(3)格栅钢架采用钢筋现场加工制作，技术难度和要求并不高；对隧道断面变化适应性好。(4)钢拱架的安装架设方便。 第七章隧道施工工艺及施工技术(1)钢拱架的设计可按其单独承受早期松弛荷载来设计。q′＝μq式中：q′——钢拱承受的早期松弛荷载；q——围岩松弛荷载，按松弛荷载统计公式计算；μ——钢拱架的荷载系数，一般取0.1~0.4。3、设计要点 第七章隧道施工工艺及施工技术(2)拟定钢拱架尺寸后，进行强度、刚度和稳定性检算。常用的钢拱架设计参数见表。 第七章隧道施工工艺及施工技术(3)钢拱架的截面高度应与喷射混凝土厚度相适应，一般为16~20cm，且要有一定保护层。钢拱架通常是在初喷封面混凝土后架设的，初喷混凝土厚度约4cm。(4)为架设方便，每榀钢拱架一般应分为2~6节，并保证接头刚度，节数应与断面大小及开挖方法相适应。每榀钢拱架之间应设置不小于φ22的纵向钢拉杆。 第七章隧道施工工艺及施工技术(5)当围岩变形量较小或只允许围岩有小量变形时，钢拱架可以设计为固定型。当围岩流动性强、变形量大，且允许围岩有较大变形时，宜将钢拱架设计为可缩性，其可缩节点位置宜设置在拱顶节点处。 施工准备开挖面超欠挖处理初喷混凝土测定钢架位置清除拱(柱)脚底浮渣锚杆固定、打锁脚锚杆原材料检验安装质量检查合格不合格铺设钢筋网、架立钢架安装纵向连接钢筋运入洞内拼装喷混凝土结束校正处理钢构件加工钢架试拼、检验校正处理不合格合格 4、施工要点(1)钢拱架垂直度允许误差为±2°。(2)钢拱架的拱脚应稳定，一般有垫板、纵向托梁、锁脚锚杆等。(3)钢拱架的安设应在开挖后的2h内完成。(4)钢拱架应尽可能多地与锚杆露头及钢筋网焊接，以增强其联合支护效应。 第七章隧道施工工艺及施工技术(5)可缩性钢拱架的可缩性节点，待其收缩合拢后，再补喷射混凝土。(6)喷射混凝土时，应注意将钢拱架与岩面之间的间隙喷射密实。(7)喷射混凝土应分层分次喷射完成，初喷混凝土应尽早进行，复喷混凝土应在量测指导下进行。 第七章隧道施工工艺及施工技术五、联合支护(1)联合支护宜联不宜散，彼此要直接地牢固相连，以充分发挥联合支护效应。(2)钢筋网及钢拱架要尽可能多地与锚杆头焊连，锚杆要有适量的露头。 第七章隧道施工工艺及施工技术(3)钢筋网及钢拱架要被喷射混凝土所包裹、覆盖，即喷射混凝土要将钢筋网和钢拱架包裹密实。(4)分次施作的联合支护，应尽快将其相联，如超前锚杆与系统锚杆及钢拱架的联结。(5)分次施作的联合支护，要在量测指导下进行，以做到及时、有效，并作适当调整。 六、施工过程中(二次衬砌前)可能发生的问题及对策现象措施A措施B开挖面及其附近正面变得不稳定1.缩短一次掘进长度；2.开挖时保留核心土3.向正面喷射混凝土；4.用插板或并排钢管打入地层进行预支护1.缩小开挖断面；2.在正面打锚杆；3.采取辅助施工措施对地层进行预加固开挖面顶部掉块增大1.缩短开挖时间及提前喷射混凝土；2.采用插板或并排钢管；3.缩一次开挖长度；4.开挖面暂时分部施工1.加钢支撑；2.预加固地层开挖面出现涌水或者涌水量增1.加速混凝土硬化(增加速凝剂等)；2.喷射混凝土前作好排水；3.加挂网格密的钢筋网；4.设排水片1.采取排水方法(如排水钻孔、井点降水……等)；2.预加固围岩地基承载力不足，下沉增大1.注意开挖，不要损害地基围岩；2.加厚底脚处喷混凝土，增加支承面积1.增加锚杆；2.缩短台阶长度，及早闭合支护环；3.用喷混凝土作临时底拱；4.预加固地层产生底鼓及早喷射底拱混凝土1.在底拱处打锚杆；2.缩短台阶长度，及早闭合支护环 喷混凝土喷混凝土层脱离甚至塌落1.开挖后尽快喷射混凝土；2.加钢筋网；3.解除涌水压力；4.加厚喷层打锚杆或增加锚杆喷混凝土层中应力增大，产生裂缝和剪切破坏1.加钢筋网；2.在喷混凝土层中增设纵向伸缩缝1.增加锚杆(用比原来长的锚杆)；2.加入钢支撑锚杆锚杆轴力增大，垫板松弛或锚杆断裂1.增强锚杆(加长)；2.采用承载力大的锚杆；3.为增大锚杆的变形能力，在垫锚板间夹入弹簧垫圈等 钢支撑钢支撑中应力增大，产生屈服松开接头处螺栓，凿开喷混凝土层，使之可自由伸缩1.增强锚杆；2.采用可伸缩的钢的支撑，在喷混凝土层中设纵向伸缩缝净空位移量增大，位移速度变快1.缩短从开挖到支护的时间；2.提前打锚杆；3.缩短台阶、底拱一次开挖的长度；4.当喷混凝土开裂时，设纵向伸缩缝1.增强锚杆；2.缩短台阶长度，提前闭合支护环；3.在锚杆垫板间夹入弹簧垫圈等；4.采用超短台阶法，或在上半断面建造临时底拱