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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，开挖以后围岩的松弛变形
2、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和计算方法；设计参数
3、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21）。岩体发生弹性变化时，岩体的弹性应变能将贮存在岩体内部；而岩体发
4、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21 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维混凝土支护。IV类围岩地段是指岩体破碎的
5、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，国内外常采用的有如超前灌浆、超前锚杆、超前小导管、超前注浆
6、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
7、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： 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、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。在加载条件一定的情况下，不同的布锚方向引起锚固岩体呈现一定各向异性性质。 虽然有锚杆的试件一旦达峰值强度，其破坏仍是突然的，但与无锚杆情形相比，加锚的围岩具有一定的残余强度。 在裂隙极为发育的
8、岩层中，未安装支护时岩层顶板易于呈三角形或楔形块状冒落。超前支护可以通过岩体本身的“楔固”作用，而将岩块悬吊起来。在岩层开挖时，顶板岩层中的原始压缩应力得到释放，锚杆能将围岩临空面处的松弛压力传递到围岩深部，充分调整围岩自身的应力，保留部分原始压缩应力场，发挥围岩自身的承载能力和稳定作用。随着岩体限制程度的增加，其抵抗破坏和松散的阻力增大。这样就阻止了岩层开挖后失去控制的岩体发生松散脱落，从而加固了顶板岩层。当顶板围岩是由软弱界面隔开的多层岩层时，在开挖之前预装上超前支护，岩梁就不会像应用普通支护时那样挠曲。因为锚杆已将多层水平顶板结合为一整体岩层，其强度将高于任一分层的强度。如果使用普通支护
9、，很难保证不稳定的层状顶板不发生离层。这种情况下，锚杆围岩介质实际上可以看作是一种复合式受力结构，围岩即使荷载物又是结构物。 施工流程。采用台阶开挖法时,开挖拱部后对其喷一定厚度的混泥土进行封闭,进行测量放线后定位钻孔、锚杆制作、锚杆插入、注浆封孔。（2）超前锚杆支护工艺的探讨由以上对支护机理的分析，在选取锚杆间距时，对于松软地层，锚杆中心间距应适当缩小，凝聚力较高的粘性土层间距可适当加大。而且，实际布锚或布管时，从拱顶到拱脚，间距可以逐渐变疏。如隧洞围岩特别松散、破碎，除了加密间距外，还可以采用双层、三层锚杆。在地下水丰富的地段要注意排水，如遇孔内流水，可在附近另钻排水孔，再安插锚杆。如水量
10、太大，可采用自钻锚杆或药包锚杆。超前锚杆的安装必须作为开挖循环的一个组成部分来完成，旨在缩短围岩暴露时间，增加岩体的自承能力。每循环长度视施工要求而定。隧洞开挖进尺过小，则增加工序转换次数和时间,影响施工效率；开挖进尺过大，易产生塌帮或冒落事故。超前锚固支护长度越长，越能节省辅助时间，提高施工效率。但是，由于受到钻孔机具、钻进技术和锚杆或钢管挠度等条件限制，如果超前锚固长度过长，就很难保持锚杆的水平角度和排列规整，从而影响施工质量。在围岩质量差的隧洞中，锚杆主要承受松脱地压，其外插角要尽量小，岩性较硬的岩层中，锚固材料既有承担松脱岩块自重的作用，又有抗剪的作用，更好地发挥材料的抗剪作用，需要加
11、大外插角。但是，外插角太大，又减小了锚固材料的影响范围。为了尽早发挥超前锚杆的预支护作用，一般采用早强砂浆作为锚杆杆体与岩层孔壁的胶结物即为全长粘结锚杆。这种锚杆对岩层的适用性很强，阻止围岩移动和变形的能力强，具有防锈价廉且可作永久支护的特点。其缺点是施工复杂，施工后不能立即承载，一般要两天后才能达到足够的锚固力并且注浆质量不易检查。钻孔不能成孔时,采用迈式锚杆。迈式锚杆具有以下优点：集钻、注、锚于一体，解决了常规锚杆钻锚时的塌孔问题，能够保证复杂地质条件下的锚固质量；在抗弯、抗剪强度和表面粘结等方面优于截面积相同的常规锚杆，且可根据需要对之进行切割接长或施加预应力。3.2 超前灌浆支护原理及
12、其施工工艺当隧洞开挖面前方，遇到含水裂隙岩层或松散地层时，采用灌浆超前支护，可使松散岩土得到胶结硬化，提高其整体性和密实度，同时使裂隙和空洞得到填充，有效地控制地下水的渗流，从而达到封闭水源和加固围岩的目的，为隧洞开挖创造了一个有利施工的安全条件。超前灌浆的方法主要有：工作面超前灌浆、地面超前灌浆和导洞预灌浆等。在洞内工作面前方，开挖轮廓线钻孔灌浆可有效地控制灌浆范围，因此在工程实践中多采用这种方法。（1）超前灌浆中的加固原理超前灌浆能够加固围岩、封闭水源，为隧洞开挖创造一个有利施工的安全条件。灌注的浆液之所以能达到这些目的，主要依靠下述三种作用：、化学胶结作用。不管是水泥浆或化学浆，都具有能
13、产生胶结力的化学反应，把岩石或土粒连结在一起，从而使岩土的整体结构得到加强。、惰性填充作用。填充在岩石裂隙及土孔隙中的浆液凝固后，因具有不同程度的刚性而能改变岩层及土体对外力的反应机制，使岩土的变形受到约束。、离子交换作用。浆液在化学反应过程中，某些化学剂能与岩土中的元素进行离子交换，从而形成具有更加理想力学性能的新材料。根据灌浆实践经验及室内试验研究可知，被灌介质强度的增长是一种受多种因素制约的复杂的物理化学过程，除灌浆材料外，下述几个因素对上述三种作用的发挥也起着重要的作用。一、浆液与界面的结合形式。化学胶结作用对被灌介质强度的增长具有决定性的影响，因而灌浆时除了要采用强度较高的浆材外，还
14、要求浆液与介质接触面具有良好的接触条件。提高浆液对孔隙或裂隙的充填程度及对界面的结合能力，是使介质强度增长的重要因素。二、浆液饱和度。裂隙或孔隙被浆液填满的程度，称为浆液饱和度。一般饱和度越大，被灌介质的强度也越高。不饱和充填可能在饱水孔隙、潮湿孔隙或干燥孔隙中形成，原因则可能有多种，灌浆工艺欠妥可能是关键因素。另一个重要原因，是采用不稳定的粒状浆液。这类浆液如果太稀，而且灌浆结束后浆中的多余水不能排除，则浆液将沉淀析水而在孔隙中形成空洞。三、时间效应。时间效应对强度也有重要的影响，表现在如下几方面：1）许多浆液的凝结时间都较长，被注介质的力学强度将随时间而增长。这是有利的一面。但在利用这一效
15、应时要兼顾两方面的需要，有时为了使加固体尽快发挥作用而必须缩短凝结时间，而为了维持浆液的可注性则要求适当延长浆液的凝结时间。2）许多浆材都具有明显的蠕变性质，浆材和被灌介质的强度都将受加荷速率和外力作用时间的影响，进行灌浆的设计、施工和试验研究时，都应考虑这一不利的因素。3） 浆液搅拌时间过长或同一批浆液灌注时间太久，将加固体的强度削弱。（2）超前灌浆施工的主要流程超前灌浆施工主要包括六个方面：即掘进注浆洞室、钻凿注浆孔、注前准备、配制浆液、注浆、注浆管理。超前灌浆通常采用如下工艺流程（如图31）进行灌浆施工的安排：（3）灌浆顺序及灌浆后的质量检测灌浆顺序一般是从拱顶顺序向下，先注内圈孔后注外
16、圈孔(在双排或多排孔的情况下)，先注无水孔后注有水孔。如遇窜浆或跑浆，则可间隔一孔或几孔灌注。对每一个孔，一般采用全孔一次压入式，这种方式工艺简单，重复钻孔量小，可以用相对较高的压力把浆液压入较小的裂隙。但当岩石裂隙发育，有容易产生浆力劈裂的岩体时，也可采用在钻孔内采用分段灌浆的方法。注浆完毕后要进行效果检测，一般采用以下方法：1、利用开挖直接观查浆液在地层中的扩散、胶结情况以及堵漏效果。2、根据注浆记录绘制压力P一注浆量Q一时间T曲线，综合分析注浆效果。3、开挖后采用径向钻孔检查注浆的有效范围。4、根据注浆前后地层声波速度的大小对比，来判断浆液充填的密实程度。5、根据围岩变形及支护受力量测结
17、果，间接判断注浆改善岩体的效果。超前探测 施工作超前探孔开孔、安装孔口管注浆钻孔压水试验浆液制作注浆钻检查孔检查补注浆孔 未达到结束标准注浆结束达到结束标准 图31 注浆工艺流程图3.3 超前冻结法冻结法是通过在将要开挖的隧洞四周，钻孔放套管循环输送低温液体(盐水或氨水)造壁形成一个临时的、强度能够支承周围地层的地压和水压的冻结壁。地层人工冻结加固技术是一种封水性好、加固强度高的环保型施工技术，它既适用于松软土砂层的封水和加固，又能用于风化含水岩层的封水，在我国矿山凿井领域得到广泛应用。对于地层致密，降水、灌浆的难度大的地方，人工冻结法能起到很好的效果。随着城市地铁建设高潮的兴起，冻结法作为一
18、种高效预支护技术手段越来越受重视。我国北京和上海的城市地铁修建过程中，出现了地表的沉降、潜水涌入、维护结构强度不够等问题，采用冻结法，很好的解决了这些问题。冻结法进行超前支护的施工工艺流程如下图32所示：图32 超前冻结法施工工艺流程图3.4 超前注浆管棚法管棚法是地下结构工程浅埋暗挖时采用的一种超前支护技术，就是沿隧洞周边开挖轮廓线，顺轴线方向钻设一定数量的钻孔，而后插人不同直径的钢管，并向管内注浆，加固管周边的围岩，在预定的范围内形成棚架的支护体系，起临时超前支护作用，防止土层坍塌和地表下沉，以保证掘进和后续支护工艺安全运作。管棚超前支护的支护机理主要是钢管和浆液固结体共同作用的结果，一方
19、面进行钻孔、下设钢管，当钢管穿过松散软弱围岩等破碎区后，伸入到原岩部位时，有力地保障了开挖掌子面岩土体的稳定，起到骨架，格栅作用；另一方面通过注浆使浆液从钢管孔眼中压出，并在一定的压力作用下注到钢管周围松软、软弱的地层中，从而形成复合稳定的固结体，使周围地层的力学性质得到改变，稳定性得到加强，防止了地层坍塌和地表下沉。从国内外的施工实践看，超前注浆管棚法主要适用于：作为公路、铁路及地下结构物下方修建隧道的辅助方法；作为隧道洞口段及修建大断面隧道施工的辅助工法；作为其他施工的辅助工法，如托底盾构基地防护等。超前注浆管棚法适用的地质条件为：第四纪覆盖地层，软弱砂土层或砂卵砾石地层；软弱围岩、岩堆、
20、破碎带等易于崩塌、松弛、软化的地层。超前管棚支护的施工工艺流程如下图3-3所示：施 作 洞 门搭 设 平 台设 备 定 位钻 孔插 入 钢 管注 浆拆 除 平 台图3-3隧道管棚施工工艺流程图3.5 超前小导管法超前小导管法是沿隧洞开挖轮廓线向前以一定的角度，打入管壁带小孔的导管，并以一定的压力向管内注起胶结作用的浆液的施工方法，待浆液凝固后，隧洞周围的岩体能得到预加固，并形成具有一定厚度的加固圈。此加固层能起超前预支护作用。同时，浆液填充了空隙，阻隔了地下水向隧道渗流的通道，也起到了堵水、隔水的作用。在其保护下，可以安全地进行开挖作业。前小导管注浆适用于小洞室(一般跨度在6米以下的洞室)的超
21、前支护和在处理塌方施工中应用。小导管注浆技术在很小的空间内利用简单的手持风钻即可进行钻眼及布管工作，遇到地层变化时可随时调整施工方案，注浆质量易于控制，经济效益显著。3.6 各种超前支护工艺对比（如下表31）表31隧道超前支护方法一览表超前支护方法目的围岩情况使用材料拱顶稳定掌子面稳定控制地表下沉固结止水硬岩软岩土砂超前锚杆钢筋、锚固剂小导管小导管管棚钢管水平旋喷注浆水泥浆 钢筋预衬砌预制衬砌块预注浆水泥及其他人工冻结氨气 盐水4 超前支护在工程中应用举例 三峡翻坝高速公路起于湖北省秭归县曲溪桥，经过秭归县、夷陵区、点军区，止于宜昌长江公路大桥南岸，连接沪渝高速公路，设计时速80公里，为四车道
22、高速公路，工程概算总额40余亿元，2008年4月1日开工，建设工期48个月。全长57.378公里。其中桥梁25座、隧道12座，桥隧占路线总长53.8%，其中秭归曲溪龚家坝隧道（如图41）是一个分左右的双连拱隧道，全长3.18公里，宽12.6米。2008年7月3日，龚家坝隧道超前支护工作已完毕，开挖了12米，龚家坝隧道采用新奥法（NATM）施工，开挖初期一般少扰动，早喷锚，以保证原围岩不受损。进洞位置是强、中风化的花岗岩，属于V类围岩，围岩软弱、破碎，易于崩塌、松弛、软化，超前支护技术采用的是超前长管棚法（如图4-1），隧洞口上有35根12米长的钢管插入，然后灌浆固定围岩。实践证明采用长管棚法成
23、功克服了龚家坝周围的不良地质条件，取得了很好的支护效果。 图41龚家坝隧道5 结论与建议 为克服不良地质因素的影响，隧道开挖越来越多采用超前支护技术，运用预支护，灌浆，冻结等方法对开挖面前方的地层进行预加固。合理的超前支护方案是隧道施工安全，快速掘进的保证。随着人类改造自然的不断深化，工程建设活动越来越多，原来很少涉及的不利地质区段逐渐成为常见地质条件。通过对不良地质条件下（如软弱破碎、含水地层等）隧洞开挖引起的围岩变形进行分析，探讨影响围岩稳定的主要因素，可知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有很重要的意义。基于各方面因素的影响，建议有以下几方面：第一：
24、我觉得在隧道开挖之前应做好地质勘查，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，勘查之后需对隧道需要穿过的岩体进行合理的分析评价，然后根据不同的地质条件选择与之相适宜的超前支护方法，从而达到经济、高效；第二：在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后，应严格按照新奥法的施工理念施工，确保安全施工；第三：虽然超前支护技术在工程中应用比较广泛，但发展还不够完全成熟，比如对其支护机理研究多停留在定性的解释上，缺少完整的理论体系和计算方法、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改进。参考文献：1地下工程支护
25、结构.徐干成、白洪才、郑颖人、刘超编著.中国水利水电出版社.2002年2公路隧道围岩稳定与支护技术.朱汉华、孙红月、杨建辉著.科学出版社.2007年3现代隧道工程理论与隧道施工.陈小雄主编.西南交通大学出版社.2006年4隧道支护设计新论.李世辉等著.科学出版社.1999年5公路隧道施工技术.钱东升主编.人民交通出版社.2003年6交通隧道工程.彭立敏、刘小兵主编.中南大学出版社.2003年7隧道施工.于书翰、杜谟远主编.人民交通出版社.1999年8公路双连拱隧道.何川、林刚、汪会帮著.人民交通出版社.2006年9二郎山隧道高地应力与围岩稳定问题.王兰生、李天斌、李永林等著.地质出版社.2006年
