软弱围岩隧道预支护技术浅析

朱光情 宋李秦

【摘要】随着我国经济的迅猛发展，国家对能源、交通等基础设施建设的大力投入。为满足交通的需要，隧道数量不断增多，因此，隧道在掘进过程中不可避免会遇到软弱围岩地层。为保证隧道穿越软弱围岩地层的安全，隧道预支护技术就显得格外重要。预支护技术不仅可以提高软弱地层的强度和围岩稳定性，更重要的是可以保证在安全的前提下高效、顺利地完成施工任务。本文主要对软弱围岩隧道中的预支护技术进行评述。

【关键词】软弱围岩；隧道；预支护；超前

1 前言

随着世界各国交通运输和城市地铁与地下空间的开发利用，隧道及地下工程进入了高速发展阶段。但是由于我国地形地质条件比较多样性，隧道的修建不可避免的会遇到各种复杂的问题，目前一些长大、深埋、偏压的在建隧道也随之不断涌现。对于松散、破碎的土质围岩或软弱围岩隧道，其施工过程中对支护结构的强度和刚度较难控制。因此需要一些辅助工法来控制围岩的变形，其中隧道预支护技术就是隧道掘进过程中经常采用的。隧道预支护是指在隧道开挖之前，在掌子面前方的地层里，沿隧道横断面设置一个类似拱壳的连续体或加固体，用以加固隧道掌子面前方的地层，保证隧道掌子面及围岩的稳定性，控制围岩的变位，形成一个超前的支护体系。

2 超前锚杆

锚杆是在隧道施工加固与初期支护中应用非常广泛的一种支护手段。它操作简单，施工方便，见效快。锚杆主要有三种作用：①悬吊作用：由于隧道围岩被节理、裂隙、断层等切割，开挖爆破震动可能引起局部失稳，采用锚杆将不稳定岩块悬吊在稳定的岩体上，或将应力降低区内不稳定的围岩，悬吊在应力降低区以外的稳定岩体上。②组合梁作用：在水平或倾角小的层状岩体中，锚杆能使岩层紧密结合，形成类似组合梁结构，能增加层面间的抗剪强度和摩擦力，从而提高围岩的稳定性。③加固作用：软弱围岩开挖后，使洞内临空面变形较大，当沿坑道周边布设系统锚杆，向围岩施加径向压力而形成承载拱后，便与喷射混凝土支护共同承受围岩的形变压力，可减少围岩变形，提高围岩的整体稳定性。

3 水平旋喷注浆法

高压喷射注浆技术是20世纪60年代后期由日本日产冷冻有限公司开发的一种加固松软土体的技术。我国对水平钻孔旋喷注浆技术研究起步较晚，石家庄铁道学院在这方面进行了大量的试验和应用研究；中国地质科学院探矿工艺研究所也对水平钻孔旋喷注浆技术在隧道中的应用进行了大量的研究。该技术采用钻机先钻进土层的预定位置，由钻杆一端安装的特别喷嘴把水泥浆液高压喷出，以喷射流切割搅动土体。钻杆边旋转边提升，使土体与水泥浆混合凝固，从而造成一个均匀的圆柱状水泥加土固体，已达到加固地基和止水防渗的目的。水平旋喷注浆加固包括成桩和成拱两方面原理。其主要优点是：效率高，水平搅拌桩无需成孔，其钻进、搅拌、注浆同步进行；施工速度快，安全可靠，质量稳定；止水、防渗作用，控制地表沉降。其缺点是：钻进方向可控性较差，桩长受限制，若桩太长，其尾部容易向下偏移；遇障碍物难以处理，一旦卡钻，则只好将钻杆、钻头丢弃；对地层扰动大。

4 机械预切槽法

机械预切槽法就是在隧道掌子面开挖之前，先用一台锯割机械沿着隧道拱背线切割出一条宽为4至35cm的切槽，随后才将切槽所界定的掌子面开挖出来。软弱、松散地层中的预切槽法主要是通過预置拱圈作为拱顶支护，并且其支护在开挖作业之前就建好了，土方工程完全可以在坚固结构的防护下进行，较少地扰动地层和保护相邻地层的稳定，还可以把地层沉降限制到最小程度。随着预切槽机械的发展，预置拱圈的长度已从1.6m增加到5m，厚度从15cm增加到25至35cm。

5 预衬砌法

预衬砌法隧道施工技术的施工原理与机械预切槽法基本相同，预切槽技术的缺点是能够获得的开挖长度和厚度有限，还要求切槽必须保持敞开直至用喷混凝土填充为止。预衬砌技术可使隧道永久衬砌领先于隧道开挖面之前，其特点是在进行切槽的同时并填充混凝土，混凝土的压力使切削刀具沿隧道轮廓线推进。这样预衬砌隧道施工技术使得隧道在开挖之前就可安装永久衬砌。由于在切槽和泥凝土浇筑阶段有切割机控制着围岩，在隧道开挖阶段有混凝土衬砌控制着围岩，从而使隧道施工稳定安全。

6 冷冻法

地层冷冻法（简称冷冻法）是一项加固含水地层的特殊工法。其基本施工过程是：在拟建地下构筑物周围地层中安装冷冻管，并在冷冻管内循环低温液体或气体，使冷冻管周围的含水地层逐步结冰，形成冻土帷幕，然后在冻土帷幕包围中安全地进行地下构筑物施工。冷冻法主要工程对象是含水地层，尤其适用于软弱粉沙层、大量涌水围岩、接近结构物施工场合，是解决淤泥、流砂等不稳定含水地层的可靠技术工法。冷冻法施工的优点是：适应性强；支护结构灵活、易控制；隔水性好；环境影响小。其缺点是：造价昂贵；工期长，后期混凝土结构施作困难；解冻后对地层和结构影响大。

7超前注浆小导管

超前注浆小导管是沿隧道纵向在拱上部开挖轮廓线外一定范围内向前上方倾斜一定角度，或者沿隧道横向在拱部附近向下方倾斜一定角度的密排注浆钢花管。以一定压力向管内压注具有固化作用的浆液使围岩形成注浆的固体，小导管自身起到加筋作用，既可以提高围岩的整体性，也可以封堵地下水。超前注浆小导管加固的原理主要体现在锚固作用和浆液通道作用两方面。其适合于砂土层、砂卵石层、断层破碎带、软弱围岩浅埋段等地段的隧道施工。其具有以下特点：

（l）比超前锚杆和单独小导管的支护能力强大；

（2）比管棚简单易行，灵活经济，但支护能力较弱；

（3）围岩与钢管均紧密粘结，形成一个共同变形体，受力条件合理，防水性能。

8管棚预支护法

管棚预支护，就是把一组钢管沿开挖轮廓外己钻好的孔中打入地层内，并与钢拱架组合形成强大的棚架预支护加固体系，支承来自于管棚上部的荷载，通过钢管的梅花形布置的注浆孔加压向地层中注浆，以加固软弱破碎的地层，提高地层的自稳能力。管棚中钢管起着支承上部荷载和充当注浆管的双重作用。管棚注浆具有预支护距离长，刚度较大，承载能力强，适用于开挖面不能自稳、含水的地层，控制地表沉降、防渗止水的效果较好，施工工艺要求较高等突出优点。

以上预支护加固方法的选用，应视围岩工程水文地质条件、环保要求、经济条件等具体情况而定，并尽量与常规施工方法相结合，进行充分的技术经济比较，选择其中一种或几种方法结合使用。

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