隧道工程(锚喷支护及其施工方法).docx

22 城乡规划与建筑工程学院本科生课程论文考核课程：隧道工程论文题目：锚喷支护及其施工方法专业：土木工程学号：姓名：成绩：22 2016年12月22日城乡规划与建筑工程学院本科生课程论文考核22 课程：论文题目：专业：土木工程学号：姓名：成绩：2016年12月26日22 目录第一节锚喷支护的特点3第二节锚喷支护的作用和效果3一、锚杆支护的作用与效果3二、喷射混凝土的作用与效果4三、钢筋网及钢纤维的作用与效果5四、钢拱架作用与效果5第三节锚杆安装5一、锚杆类型5第四节喷射混凝土8一、混凝土喷射方式8一、喷射混凝土的施工工艺10二、锚喷支护的设备12第五节构件支护12一、概述12二、构件组成1322 三、性能特点13四、构件支护的架设13隧道工程锚喷支护及其施工方法3王仕明摘要：交通运输是国民经济的基础产业之一，随着我国大规模基础设施建设和城市化进程的快速发展，国家对交通领域的投入不断加大，道路运输是交通运输的重要组成部分，然而隧道工程是道路建设中必不可少的环节，隧道的建设能缩短交通运输的距离，节约时间和资金成本，隧道的施工难道比较大，为了保证隧道的安全运营，对隧道工程锚喷支护及施工方法研究是及其重要的。22 关键词：隧道施工、锚喷支护、锚杆、喷射混凝土。引言：一般来说，在隧道开挖期间，周围底层的稳定状态与围岩的工程地质条件，隧道的洞形、尺寸及其开挖的施工方法等因素有关，但对某种类型的隧道，工程地质条件是关键的因素，原因主要是在隧道施工期间通常不能立即施作永久的支护结构，围岩需要依靠自身的支持能力保持稳定。围岩的工程地质特性主要取决于地层的岩性与构造，对于构造完整的硬质岩层，隧道开挖后常可依靠自承能力保持稳定，裂隙比较发育时，周围地层有可能因存在构造裂隙的不利组合而发生局部掉块，继而引起局部破坏，甚至导致严重事故，故须及时施作支护对其局部加固，地层比较软弱时，则需通过施作支护及时支承或加固地层，而当围岩完全不能自稳，甚至随挖随塌时，则需要先支护后开挖，称为超前支护。鉴于投入使用后服务年限较长，设计隧道时一般都考虑对其设置混凝土或钢筋混凝土内衬结构，以保证隧道在服务过程中稳定、耐久、外形美观和通风阻力小。这类内衬结构形式上称为二次支护，作用则为安全储备。22 第一节锚喷支护的特点（1）灵活性锚喷支护是由锚杆、喷射混凝土和钢筋网等部件通过适当组合形成的支护形式。其中钢筋网需在喷射混凝土中设置，锚杆和喷射混凝土支护则即可单独使用，也可以组合使用。（2）及时性锚喷支护在施作后能迅速发挥其对围岩的支护作用，在时间和空间上都能体现其及时性。在时间上，喷射混凝土和锚杆都具有早强性，需要时锚杆安装后能立即起支护作用，喷层施作后也很快能起支护作用；在空间上，喷射混凝土和锚杆支护都可最大限度地紧跟开挖面施作，甚至可以利用锚杆进行超前支护。（3）密贴性喷射混凝土能与隧道周边的围岩全面、紧密的粘接，因而可以抵抗围岩中岩节理裂隙的剪切和张拉应力。（4）深入性锚杆能深入围岩内部一定深度，对围岩起约束作用。这种作用尤其是以适当密度的径向锚杆锚杆群的作用最为明显。（5）柔性锚喷支护属于柔性支护，它可以调节围岩变形，并允许围岩有限的变形。一方面因为喷射混凝土的工艺特点，使得它能与围岩密贴粘接，且能喷得很薄，从而成柔性。这类柔性还可以通过分层分次喷射和加钢纤维或钢筋网来进一步发挥。另一方面，锚杆也有一定的延性，它可以允许岩体有较大的变形，甚至同被加固岩体一起整体位移时，仍能继续工作而不失效。（6）封闭性22 喷射混凝土能全面及时地封闭围岩。这种封闭不仅可以阻止洞内潮气和水对围岩的侵蚀作用，减少膨胀性岩体的潮解软化和膨胀量，而且能够及时有效的阻止围岩变形，是围岩变形较早的进入收敛状态。第二节锚喷支护的作用和效果一、锚杆支护的作用与效果（1）支承围岩锚杆支护能支承围岩和约束围岩变形，并向洞内施加压力，从而处于二向应力状态的洞室内表面附近的围岩保持处于三轴应力状态，从而能制止围岩强度的恶化。（2）加固围岩由于系统锚杆的加固作用，使围岩中尤其是松动区的节理裂隙、破裂面得以连接，因而增大了锚固区围岩的强度；锚杆对加固节理发育的岩土和松动区是十分有效的，有助于裂隙岩体和松动区形成整体，成为加固带。（3）提高层间摩阻力，形成组合梁对于水平或缓倾斜的层状围岩，用锚杆群能把数层岩体连在一起，增大层间摩擦力，从结构力学的观点上看形成组合梁。（4）悬吊作用所谓悬吊作用是指为防止个别围岩的掉落或滑落，用锚杆将其围岩连接起来，这种作用主要表现在加固局部失稳的岩体。二、喷射混凝土的作用与效果（1）支承围岩22 由于喷层能与围岩密贴和粘贴，并给围岩表面以抗力和剪力，从而使围岩处于三向受力的有利状态，防止围岩强度恶化，此外，喷层本身的抗冲切能力阻止不稳定围岩的坍塌。（1）卸载作用由于喷层属柔性，能有效控制使围岩在不出现有害变形的前提下，进行一定程度的变形，从而使围岩卸载，同时喷层中的弯曲应力减小，有利于混凝土承载力的发挥。（2）填平补强围岩喷射混凝土可射入围岩张开裂隙，填充表面凹穴，使裂隙分割的岩层面粘接在一起，保护岩层间的咬合、镶嵌作用，提高其间的粘接力、摩阻力，有助于防止岩体松动，并避免或缓和围岩应力集中。（3）覆盖围岩表面喷层直接粘接岩面，形成风化和止水的保护层，并防止节理裂隙中充填物流失。（4）阻止围岩松动喷层能紧跟掘进进程后及时支护，早期强度高，因而能及时向岩体提供抗力，阻止围岩松动。（5）分配外力通过喷层把外力传给锚杆、钢拱架等，使支护结构受力均匀分担。三、钢筋网及钢纤维的作用与效果（1）防止收缩裂隙和减少裂隙数量和限制裂隙宽度（2）提高支护的抗震能力（3）使喷层应力得到均匀分布，改善变形性能，增强锚喷支护的整体性（4）增强喷层柔性22 （1）提高喷层承载力承受剪力和拉力四、钢拱架作用与效果（1）加强限制围岩变形（2）作为超前支护的支点（3）承受部分松弛荷载（4）增强喷层的柔性（5）提高喷层承载力承受剪力和拉力根据围岩级别、开挖宽度和施工方法，正确合理地从喷射混凝土、锚杆、钢筋网、格栅拱架、超前小导管注浆和长管棚中选用一种或多种组合的支护形式，对于加固围岩，控制围岩变形，防止围岩坍塌，充分发挥围岩的自承能力，保证施工安全，加快施工速度，节约劳动力及原材料、降低工程造价至关重要。第三节锚杆安装一、锚杆类型锚杆是金属或其他抗拉能力强的材料制作的一中杆状构件，锚如地层后可对围岩起加固和稳定作用。按特征可以分为全长粘接锚杆、端头锚固锚杆、摩擦型锚杆、预应力锚杆和自钻式锚杆等。各类锚杆各有特点，分别适用于不同的场合。见表1锚杆类型表122 基本参数锚杆类型基本类型适用范围全长粘接型锚杆普通水砂浆锚杆杆体材料宜选用HPB235、HRB335、HRB4001.在适宜的地层下可作永久支护；2.地层自稳定时间不足时，可用树脂锚杆或早强水泥泵浆锚杆早强水泵浆锚杆杆体直径宜选用22~30mm树脂卷锚杆钻孔直径宜比锚杆直径大16~25mm水泥卷锚杆锚杆孔砂浆强度等级不低于M20预应力锚杆——材料：宜选用钢绞线、高强钢丝或后强精轧螺纹钢筋预应力砂浆锚杆可用作永久支护长度小于20m时也可用HRB335、HRB400钢筋围岩变形大，杆件深度大于5m时采用锚杆施工表2锚杆类型施工要求1.杆体应平直、除锈、除油；2.应采用中细砂，粒径小于2.5mm，过筛；3.配合比：水泥比砂宜为1:1~1:2（质量比）水灰比宜为0.38~0.45；22 全粘接型锚杆1.砂浆材料拌和均匀，初凝前应用完；2.注浆中途停止超过30min时，应用水或稀水泥浆润滑注浆罐及其管路；3.注浆管应距孔底50~100mm，随砂浆的注入缓慢拔出，杆体插入后看孔口砂浆溢出，否则应及时补注；4.杆体插入孔内长度应小于规定长度的95%，锚杆安装后不得随意敲击；1.杆体制作（1）杆体尺寸应满足设计要求，妥善保管，无锈蚀、无损伤；（2）按规定安放套管隔离架、时形管、承载体、注浆管、排气管；2.钻孔（1）孔深、孔径应符合设计要求，钻孔深度不宜比大200mm以上，钻头直径不宜比规定的钻孔直径小3mm以上；（2）钻孔与锚杆预定方位的允许角偏差为。3.孔口承压垫座（1）钻孔孔口应设有平整、牢固的承压垫座；（2）垫座尺寸、强度应满足设计要求，承压面应与锚孔轴线垂直；4.锚杆安装与注浆（1）杆体在安运输过程中应防止弯曲、扭转，不得破坏隔离架、防腐套管、注浆管、排气导管及其他辅件；22 预应力锚杆（2）杆体放入锚孔前应清除孔内石屑，岩粉，检查注浆管、排气管是否通畅、止浆器是否完好；（1）浆液采用水灰比为0.45~0.5的纯水泥浆或水灰比为0.45~0.5的水泥砂浆；（2）当使用自由段带套管的预应力筋时，宜在锚固段长度和自由段长度内采取同步注浆；（3）当采用自由段无套管的预应力的预应力筋时，应进行两次灌注，第一次浇筑时向锚固段内注入浆液，但浆液不得流入自由段。预应力筋张拉锚固后，应对自由段进行第二次灌浆；（4）永久性预应力锚杆应采用封孔灌浆，应用浆灌入自由段长度顶部的孔隙；（5）灌浆后，浆液强度未达到设计要求前，预应力筋不得受扰动；1.锚杆张拉与锁定（1）锚杆张拉前，设备应率定；（2）张拉应接程序进行，在编排程序时应考虑相邻孔预应力筋张拉的相互影响；（3）正式张拉前，应取20%的设计张拉荷载对其预拉1~2次，使各部位接触紧密，钢丝或钢绞丝完全平直；（4）压力分散型或拉力分散型锚杆应按张拉设计要求先分别对单位锚杆进行张拉，当各单位锚杆在同等荷载条件下因自由段长度不等而引起的弹性伸长差得以补偿后，再同时张拉各单位锚杆；（5）预应力锚杆正式张拉时，应张拉至设计荷载的105%~110%，再按规定值进行锁定；（6）22 预应力锚杆预应力筋锁定后48h内，若发现预应力筋损失大于锚杆拉力设计值的10%时，应进行补偿张拉；1.灌浆材料达到设计强度时，方可切除外露的预应力筋，切口的位置至外锚具的距离不应小于100mm。2.在软弱破碎和渗水量大的围岩中施作永久性预应力锚杆，施工前应根据需要对围岩进行固结灌浆处理；第四节喷射混凝土喷射混凝土既是一种新的施工工艺，又是一种新型支护结构。新施工工艺方面，它是使用混凝土喷射机和压缩空气，按一定比例和混合程序，将掺有速凝剂的细石混凝土喷射到岩壁表面上，迅速凝结硬化为一层结构层的工法，该结构层与围岩密贴，可对围岩起支护作用。一、混凝土喷射方式喷射混凝土喷射方式可分为干喷、湿喷、潮喷及混合式喷射等，区别主要时各工艺的投料程序不同，尤其是加水和速凝剂的时机不同。（1）干喷和潮喷22 干喷是将集料、水泥、速凝剂按一定比例干拌均匀后装入喷射机，用压缩空气使干集料在软管内呈悬浮状态压送到喷枪，在在喷嘴处与高压水混合后，以较高速度喷射到岩面上的喷射工艺。潮喷是将集料预加少量水，使之成潮湿状态，再加水泥拌和，从而降低上料、拌和和喷射时的粉尘。其工艺流程见表1.速凝剂水压缩空气喷头喷射机搅拌机水泥粗集料细集料图1干喷、潮喷工艺流程图（1）湿喷湿喷是将集料、水泥和水灰比按设计比例拌和均匀后，用湿式喷射机借助压缩空气将其压送到喷嘴处，再在喷头上添加速凝剂后喷向围岩表面的喷射工艺。其工艺流程见图2。22 压缩空气细集料喷头喷射机搅拌机速凝剂粗集料图2湿喷工艺流程图外加剂水水泥22 （1）混合式喷射混合式喷射又称水泥裹砂造壳喷射法。它将一部分砂加一次水拌湿，再投入全部水泥全部强制搅拌造壳，然后加第二次水和减水剂SEC砂浆；再将一部分砂和石强制搅拌均匀，最后分别用砂浆泵和干式喷射机压送到混合管后喷出。其工艺流程见图3.减水剂二次水水泥一次水泵搅拌机砂喷头干喷机搅拌机石速凝剂表3混合喷射工艺流程图22 一、喷射混凝土的施工工艺（1）施工准备作业混凝土喷射作业施工准备工作的内容及要求见下表：喷射作业施工准备工作内容表3项目内容及要求材料方面对水泥、水、砂、石、速凝剂等的质量要进行检验。砂、石应过筛，并应事先清洗干净。砂石含水率应符合要求，为控制砂、石含水率，一般应设置防雨棚，干燥的砂子应该洒水。机械及管路方面喷射机、混凝土搅拌机、皮带运输机等使用前均应检修完好，就位前应进行试运转；管路及接头要保持良好，要求风管不漏风、水管不漏水，沿风、水管路每隔40~50m装一阀门接头，以便当喷射机移动时，连接风、水管。其他方面检查开挖断面，欠挖处要补够。不良地质应事先进行加固，对设计要求及施工使用的预埋件要安装准确。喷射作业面须有充足的照明，照明灯上应套上铁丝网，以免回弹物打坏照明灯。当喷头作业也喷射机间的距离超过30m时，宜设置电铃或信号灯作为联络信号。（2）喷射作业的基本要求风压及水压22 喷射作业所需的风压与输送距离、高程、管道的弯曲半径及数量、干拌和配合比、砂石的种类、级配、含水率等有关。为了确保喷射混凝土的质量，降低回弹率，减少粉尘，喷射作业时要求风压稳定，压力大小调整适当。水灰比的控制合理的给水量是保证混凝土质量、降低回弹率和减少粉尘的重要因素。如果表面无光泽或出现干斑，回弹物增加，灰尘飞扬，混凝土不密实，则说明水量小；如果表面塑性大或出现流淌、滑动现象，说明水量大。喷射角度与喷射距离喷嘴与岩面的角度，一般应垂直于岩面，但在喷边墙时，宜略向下俯10°左右，使混凝土束射在较厚的混凝土顶端，由于混凝土束喷射在呈黏塑性状态的混凝土上，可避免料束中的粗集料直接与岩面撞击，减少回弹量。喷射距离应由混凝土最小回弹量和最高的强度确定。一般以0.6m-1.2m较好，最佳为0.8m-1.0m。一次喷射厚度一次喷射厚度，主要由喷射混凝土颗粒之间的凝聚力和喷射层与受喷岩面之间的粘结力确定。厚度太薄会增大回弹率；厚度太大会使混凝土颗粒间的凝聚力减弱，同时会引起大片坍塌或导致混凝土与岩面脱离。分层喷射的间隔时间分层喷射的合理间隔时间不仅与水泥品种及速凝剂掺量有关，而且与施工温度，速凝剂种类和水灰比大小等有关。间隔时间不宜过短，当掺入速凝剂达2.5%-4%时，分层喷射的间隔时间宜为15-20min。喷射顺序喷射顺序应先墙后拱，自下而上。喷射厚度控制控制喷射厚度的方法有标桩法、针控法或凿孔法及摄影法三种。22 l标桩法通过设置标桩对喷射混凝土厚度进行计量和控制的方法。l针探法及凿孔法针探法是在喷射混凝土表面，每隔一定距离将针插入新喷而未凝固的混凝土中，以探查和测定喷射混凝土层的厚度。凿孔法系在混凝土喷射后2-4h，钻凿直径20mm的检查孔，探测喷射混凝土层的厚度，孔距约5m。二、锚喷支护的设备混凝土喷射的主要设备时喷射机和喷射混凝土机械手。干式喷射机在国内外应用最为广泛。它的主要优点是设备简单，机型小巧，运输与移动方便，混合料输送距离长，粉状喷射剂可在喷射机前加入。喷射混凝土机械手用于对喷嘴实现远距离控制，以明显改善作业条件，机械手的结构一般由臂的伸缩机构、起落机构、回转机构及喷嘴组成，功能应具有能使喷嘴前后俯仰、左右摆动，并能有作圆圈轨道运动的能力。采用机械手旋喷有施工速度快，作业范围大，可避免粉尘对身体的危害，防止由突发性坍塌危及施工人员安全等优点。第五节构件支护一、概述松软、破碎围岩自稳时间短，甚至掌子面不能自立，故在喷撑或锚喷支护作用发挥前，需采取措施保持掌子面稳定。22 为抑制围岩发生较大变形，需增设钢架支承，并与喷混凝土、锚杆、钢筋网组成联合支护，以提高支护的强度和刚度。钢架可作为超前锚杆和管棚注浆的支撑点。钢架支撑的作用主要是加强锚喷支护中喷射混凝土层的刚度和强度，并立即发挥支护作用。二、构件组成钢架作为衬砌混凝土骨架时，可采用焊接连接。钢架支护的种类有钢筋格栅钢架、工字钢拱架、U型钢架等。（1）钢筋格栅钢架可按对刚度实际需要的不同，制成矩形、梯形、三角形等几种截面，格栅主筋直径一般宜为mm，联系钢筋可用，分节段焊接，用拼接板及螺栓连接而成。（2）工字钢钢架常用的有116、118、120、122几种工字钢，可根据对刚度的要求选用。（3）U型钢钢架可不采用连接钢板直接焊接，或用螺栓连接，并可进行小范围拱幅调节，有一定的灵活性。钢架支护必须有足够的强度和一定的刚度，应能承受2~4m高的松动岩体荷载，同时应保证自身的稳定性。三、性能特点松软、破碎围岩采用钢架支撑加固围岩有以下优点：（1）钢拱架的整体刚度较大，可以提供较大的早期支护强度。（2）钢拱架可以很好地与锚杆、钢筋网和喷射混凝土相结合，构成联合支护，增强支护有效性，且受力条件较好。（3）格栅钢架采用钢筋现场加工制作，对隧道断面变化适应性好，且技术难度和要求并不高。22 （1）钢架的安装架设方便。四、构件支护的架设构件支护架设应符合下列要求：（1）架设的支护不应超出设计考虑的施工误差范围。（2）构件支护是靠其上部拱架支承围岩，所以必须使支护紧贴围岩，为此可使用背板和楔块等。（3）支护发生不均匀下沉会使个别支架破坏，并导致荷载增大。（4）通过增设底梁形成框架式支撑时，应注意接头部分的牢固性。（5）构件支护架设的构架间距宜取80~120cm，松软破碎地段可适当加密。（6）设置开挖漏斗孔时，应对该处的下导坑支护进行临时加固。（7）一般在围岩、稳定性差的拱部进行扩大开挖时才采用扇形支护。采用先拱后墙法施工时，尚应符合下列要求：（1）在洞口地段和松软地层开挖中层或落底前，必须用卡口梁加木楔顶紧拱脚，其间距一般在120cm，也可在拱脚加设锚杆，防止拱脚内移。（2）在松软破碎的围岩中开挖马口时，应设置斜撑、立柱等支顶拱脚。构件支护的加强及抽换应满足下列要求：（1）支护应有专人经常进行检查，特别是在每次放炮以后。（2）支护因变形非常明显必须抽换时，应从末端起逐排抽换。应本着先顶后拆的原则进行抽换，防止围岩松动坍塌。（3）施工中如需要短期停止工作时，应将各部支护架设至开挖面。（4）开挖中层或落底前需拆除下导坑支护时，应由里向外倒退拆除。各部分支护的架设、修复和拆除，均应有专人及时进行检查和验收。22