初期支护结构施工技术.ppt

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1、初期支护结构施工技术,一、初期支护的基本认识,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。隧道工程中初期支护一般采用锚喷网结构形式。,锚喷支护工程特点:,1.及时性：喷射早强砼，能迅速给围岩提供支护抗力；2.密贴性：喷射砼与围岩能全面密贴粘结；3.深入性：锚杆可深入围岩一定深度加固围岩，形成承载圈。4.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；5.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

2、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。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；确定锚杆、钢架、钢筋网的加工、运输、安装方案。,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5C。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

3、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。,隧道工程优先采用锚喷的柔性支护结构目的：,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

4、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。,锚杆,1、锚杆的支护效应 锚杆(索)是用金属或其它高抗拉性能的

5、材料制作的一种杆状构件。(1)支承围岩；(2)加固围岩；(3)提高土层间摩阻力，形成“组合梁”(4)“悬吊”作用:,2、锚杆种类,（1）普通水泥砂浆锚杆 施工顺序：施工准备 初喷砼面上标注孔位 钻孔 清孔 往孔中注入 砂浆 插入杆体 固定杆体、待强 安装垫板,设计、施工要点钻孔：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1550mm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。,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

6、一般为水泥:砂:水1:(11.5):(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。,注浆管应插至距孔底510cm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。,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%。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。,(2)中空注浆锚杆,组成：由中空锚杆杆体和垫板、螺母、排气管等附件组成。

7、主要设在开挖断面的拱部及围岩较差地段的拱墙。施工顺序：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 连接注浆管、注浆 锚杆杆体孔口回浆 浆体待强、安装垫板螺栓,设计、施工要点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。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。,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。,锚杆孔位、孔深及布置形式符合设计要求，锚杆用的

8、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。,3、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。,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。,布置的原则：(1)在隧道横断

9、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。,(2)在岩面上锚杆宜成菱形排列，纵、横间距为0.61.5m，其密度约为0.63.6根/m2；(3)锚杆间距不宜大于锚杆长度的1/2，在、级围岩中，锚杆间距宜为0.51.2m，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。,我国铁路隧道喷锚构筑法技术规范规定：,在围岩条件较好的I级岩层，可以采用喷锚支护，锚杆长度为1.53.0m；在围岩条件中等和较差的级岩层中，作为复合衬砌中初期支护的锚杆，单线隧

10、道锚杆长度为2.03.0m，双线隧道锚杆长度为2.03.5m。,4、锚杆间距和布置,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。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；软岩、破碎岩体和土砂质地层的锚杆间距取1.00.8m；膨胀性地层的锚杆间距取1.00.8m。,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，

11、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。,砼工喷射艺流程施工准备 受喷面处理 埋设喷层厚度标钉 机具到位 接通风水电、试机 初喷混凝土作业 复喷混凝土作业 质量检查,1、喷混凝土的作用(1)支撑围岩(2)“卸载”作用(3)填平补强围岩,(4)覆盖围岩表面(5)阻止围岩松动(6)分配外力,2、喷混凝土的特点(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。(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

12、不需模板，因而施工快速、简捷。,(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 8 MPa，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。,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。,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

13、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。,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。,由于喷射工艺的不同，喷射混凝土强度不同，干喷和潮喷混凝土强度较低，一般只能达到C20，而混合喷射和湿喷则可达到C30C35。,4、喷混凝

14、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。对级围岩，喷射混凝土与岩面的粘结强度不应低于0.8MPa，对级围岩，喷射混凝土与岩面的粘结强度不应低于0.5MPa。,(2)一次喷射混凝土厚度应根据设计厚度和喷射部位确定，一般分23次喷至设计厚度，初喷厚度一般为46cm，后一层喷射应在前一层混凝土终凝后进行。若终凝后间隔1h以上且初喷表面已蒙上粉尘时，受喷面应用高压气体、水清洗干净。岩面有较大凹洼时，应结合初喷予以找平。,(3)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

15、比不超过0.55时，抗渗性可以达到P8。要求有较高的抗渗性时，水灰比最好不超过0.450.50。(4)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0.150.35范围内。,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%。,(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

16、般不宜超过管内径的1/3。(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。,(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。,配比(1)干集料中水泥与砂石重量比，一般为1:41

17、: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。,(3)水灰比一般为0.40.45。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。,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

18、调整水灰比。,(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(2.0m2.0m)，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。(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。,(3)喷射时喷嘴要垂直于受喷面，倾斜角不大于10，距离0.81.2m。,(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

19、。（6）应在其终凝2h后进行洒水养护，养护时间一般不少于14d。（7）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。,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0.30.4MPa(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。,5、钢纤维喷射混凝土,喷纤维混凝土与喷普通混凝土的最大区别

20、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。,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。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。通常在喷射钢纤维混凝土中，钢纤维的直径(或等效直径)为0.30.6mm，长度为2040mm，长径比 为4060，钢纤维的体积掺 量为12。,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。(2)钢纤维喷

21、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2050倍，抗冲击性能提高8%30%，抗磨损性能能提高30%,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,(3)操作同普通

22、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0.020.05 MPa；当输送距离不大于40m时，风压一般可为0.050.18MPa。,6、合成纤维喷射混凝土,合成纤维材料：聚丙烯纤维 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、

23、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45min，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0.350.45。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。,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。,环向筋一般为受力筋，由设计确定，直径12左右；纵向筋一般为构造筋，直径610；网格尺寸一般为20cm20cm，20cm25cm，25cm25

24、cm，25cm30cm或30cm30cm。,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35cm，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100200cm。,(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。,钢拱架,构造组

25、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。,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。,设计要点(1)钢拱架的设计可按其单独承受早期松弛荷载来设计。qq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；钢拱架的荷载系数，一般取0.10.4。,(2)钢

26、拱架的截面高度应与喷射混凝土厚度相适应，一般为1620cm，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。(3)为架设方便，每榀钢拱架一般应分为26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22的纵向钢拉杆。,(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

27、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。,(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。,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。,(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

28、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。,监控量测,隧道洞内、外观察：1、洞内观察分开挖工作面观察和已施工区段观察两部分。开挖工作面观察在每次开挖后进行，内容包括节理裂隙发育情况、工作面稳定状态、涌水情况及底板是否隆起等，当地质情况基本无变化时，每天进行一次。观察后绘制开挖工作面地质素描图。对已施工区段的观察每天一次，观察的内容包括喷射砼、锚杆的工作状况，以及施工质量是否符合规定的要求。,2、洞外观察重点在洞口段和洞身浅埋段，观察内容包括洞口地表情况、地表沉陷、边坡及仰拱的稳定、地表水渗透等。,净空水平收敛量测及拱项下沉量测：测点布设：净空水平收敛量测及拱项下沉量测在同一断面进行，拱顶下沉及周边收敛量测测点布置详见下图,净空变化、拱顶下沉量测应在每次开挖后12h内取得初读数，最迟不得大于24h，且在下一循环开挖前必须完成。各级围岩起、终点必须设量测断面，以掌握各级围岩的位移变化规律。,地表下沉量测 地表下沉量测只需在隧道浅埋地段进行，其测点的布置应与拱顶下沉及周边收敛测量的测点在同一断面内。地表下沉量测在开挖面前方（h+9）m处开始（h为隧道埋深），直到衬砌结构封闭、下沉基本停止时为止。其量测频率应与拱顶下沉和净空变化的量测频率相同。,