浅谈隧道超前支护技术及其工程应用

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1、浅谈隧道超前支护技术及其工程应用摘要：超前支护技术的出现是隧道施工工艺发展的一个重要里程碑，是不良地质条件下隧道安全施工的基本保证措施。为了对近年来迅速发展的超前支护技术进行总结研究，分别对超前锚杆、超前注浆和超前管棚等施工工艺的原理和方法进行了综合论述和对比，为隧道不良地质条件下超前支护方法的选择提供参考。关键字：超前支护；隧道；锚杆；灌浆1引言在一般隧洞工程选线时，洞线应尽可能地选在地质构造简单、岩体完整稳定和水文地质条件有利的地区，尽量避免不利地质区段。在遇到严重的不良工程地质段，如岩体结构发育、软弱破碎、断层、膨胀、岩溶以及地下水丰富等时，由于围岩自稳能力差，开挖以后围岩的

2、松弛变形发展极快，在实施初次支护结构前，围岩就有坍塌的可能，甚至出现边挖边塌的现象，危及施工安全。在遇到此类极不稳定的地质段时，必须采用一定的技术处理措施，对尚未开挖的前方一定范围地层进行加固，使围岩的自稳能力得到改善或提高，从而实现隧道的安全施工。超前支护是一种保证隧道工程开挖工作面稳定而采取的超前于开挖的辅助措施。隧道超前支护技术作为一种隧洞施工技术措施，对隧洞的安全施工和提高施工进度意义重大。虽然工程中应用比较广泛，但发展还不够完全成熟，对其机理研究及参数设计远落后于工程实践，还有很多技术环节有待进一步研究，比如说有关超前支护机理的研究多停留在定性的解释上，缺少完整的理论体系

3、和计算方法；设计参数的优化及施工工艺的控制等内容已成为当前国内外地下隧洞工程施工中的关键研究课题。2支护结构对隧道围岩稳定性的影响隧道是处于复杂地质条件下的建筑工程,它受天然形成的地质状态(如地应力、地下水、地质断层等因素)和人工开挖(如开挖方式、支护方式、支护时间等因素)影响很大。隧道所处的地质环境不同，其围岩稳定特性也就不同，应采用的支护方式和开挖方式也就不一样。岩体是一种非线性介质，洞室开挖后围岩中发生的变形一般都是非线性和不可逆的。当隧洞开挖后，围岩的应力状态将发生变化，从而导致围岩的应变能改变，自内而外分可为扰动区和未扰动区（如图2－1）。岩体发生弹性变化时，岩体的弹性应

4、变能将贮存在岩体内部；而岩体发生塑性变化时，岩体的塑性应变能增量将全部耗散掉。塑性应变能耗散越多，说明对围岩的扰动破坏越大，围岩的稳定性能也就越差。图2－1隧洞围岩状态示意图对于I，II类围岩地段，岩体较坚硬完整，围岩整体性较好，在少量支护的情况下亦能基本自稳。这两类地段主要依靠围岩本身承载。当岩爆强度不大时，隧洞初期支护可采用随机锚杆支护。III类围岩地段岩体整体性稍差，开挖后围岩会产生塑性变形，初期不支护时可能产生局部塌方或塑性破坏。该类地段围岩节理及溶蚀裂隙相对发育，一般均有滴水、线状水和较大面积的渗水，溶蚀裂隙较发育的洞段会有较大的涌水出现。隧洞顶拱及两侧可采用锚杆及喷钢纤

5、维混凝土支护。IV类围岩地段是指岩体破碎的坚硬岩或岩体完整--较完整的软岩地段，软岩或较软岩易产生塑性变形，脆性岩自稳时间短，围岩容易出现较大范围的垮塌。隧洞开挖采用扇形超前锚杆、钢格栅、以及系统锚杆和喷钢纤维混凝土初期支护，永久支护为模注钢筋混凝土衬砌。V类围岩是指隧洞断层破碎带及不良地质洞段，该地段结构面十分发育，岩体破碎，围岩自稳能力极差，需进行强支护和极强支护，采用管棚、钢拱架、以及系统锚杆和喷钢纤维混凝土作为初期支护，另与模注钢筋混凝土的永久衬砌组成复合支护结构。3隧道超前支护技术由于地层性质及其稳定程度不同，形成了在支护机理、施工工艺上不尽相同的各类超前支护技术，国内外

6、常采用的有如超前灌浆、超前锚杆、超前小导管、超前注浆管棚及人工冻结法等。这些超前支护方法从支护机理到实际应用都有很大的不同，所以其使用范围和获得的效果也都各不相同（如下表）。比如说在结构破坏了的硬岩以及软岩中多采用管棚、超前锚杆支护；在裂隙和带孔的硬岩地层中以及有巨大碎块的卵石-砾石地层中多采用超前灌浆法，根据裂隙，空洞大小和地下水流动的速度灌注水泥浆；在渗水严重，地层可灌性差的冲积地层中采用人工冻结法；预衬砌对土砂等围岩强度极低的地层、埋深小需要控制地表下沉的情况是非常有效的。3.1超前锚杆支护原理及其施工工艺在松散、破碎岩体的隧洞施工中，超前锚杆预支护是一种新型支护结构。它与普

7、通锚杆的本质区别在于安装程序的不同，普通锚杆是在隧洞掘进一段距离之后开始安装，而超前锚杆则在开挖之前先装好。开挖完成后，马上施作普通垂直锚杆支护或喷砼支护，能有效防止隧洞顶部掉块。（1）超前锚杆加固围岩机理在各种模拟试验研究和工程实测资料分析及前人工作的基础上，对锚杆的支护机理和加固效果有如下认识：①岩体经系统锚杆加固后，其力学性质得到改善，表现出抗压强度、弹性模量、C值、φ值得到提高；随着锚杆密度增大，锚固岩体的强度、弹性指标也持续增加，二者相关关系基本呈线性变化。