隧道变形控制技术的辅助工法优质PPT.ppt

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第二点：

隧道施工过程的特点隧道施工过程的特点从工程结构的角度看，这种结构体系的形成则是通过一定的施工过程或者说是一定的力学过程来实现的.这个过程大体上可作如下表达。

与之相适应的力学过程如下简单地说，这个过程是动态的，力学状态的变化过程。

隧道施工也就是一个应力释放与应力应力释放与应力控制的过程控制的过程。

应力释放到什么程度？

，是可以通过一定的人为的干涉手段（支护）加以控制的。

因此，施工过程就是施工过程就是利用和控制围岩动利用和控制围岩动态变形（应力）的态变形（应力）的过程过程。

认识这一点是非常重要的。

第三点、隧道变形过程及其类型第三点、隧道变形过程及其类型前面提到，隧道工程，归根结底，就是一个应力释放和应力控制的问题。

应力释放的直接后果，就是引起周边围岩的变形和松弛。

因此，应力控制实质上就是控制围岩的变形和松弛。

也就是说如何在开挖和支护过程中，使围岩不松弛或少松弛。

这是隧道设计施工的主要原则。

围岩松弛与围岩变形直接相关。

也就是说要想控制住围岩的松弛，就要控制住围岩的变形。

因此，认识和掌握围岩在开挖后是如何变形及其变形的过程是非常重要的。

从图可知，在计算条件下，从掌子面前方到掌子面后方一定范围内的拱顶下沉分布规律，大致如下。

1）隧道开挖后在掌子面前方一定范围内（2a5a）产生了下沉，我们称之为“先行位移”或称为掌子面前方的位移；

2）在掌子面处，产生一定量的“初始位移”，此值与地质条件关系密切，视围岩条件的不同，约为最终位移值的2050左右，这个位移是开挖后瞬间发生的；

我们目前的量测技术是量测不到的；

3）在掌子面后方，随掌子面的推进，产生不断增大的位移，其特点是初期的位移速度很大，而后增长的速度逐渐减缓，并趋于稳定。

这是处于一般围岩中的隧道变形的基本规律。

这是一个随着掌子面推进的围岩位移测定例。

在隧道拱顶上方2m的位置设一个长50m的水平铝管，根据测定的弯曲应变计算位移。

总之，隧道开挖后的变形可以通过以下二维和三维图示表示。

下图是二维表示的概貌下图是三维表示的开挖后位移概貌。

由上述各图可知，隧道开挖后隧道的变形可分为掌子面前方的先行位移掌子面前方的先行位移、掌子面位掌子面位移及掌子面后方的位移移及掌子面后方的位移三种。

这三种位移是同时发生的。

在所隧道施工中，各种支护方法的就是要抑制这些位移的发展，也就是抑制由这些位移引起的围岩松弛。

因此，对设计、施工来说就是要搞清楚这三种位移（变形）的产生条件和发展规律，并通过什么手段来控制其发展。

隧道设计施工的基本（原则）理念上述3点基本认识，直接引申出来的就是隧道设计施工的4点基本（原则）理念。

1、最大限度地利用围岩固有的支护能力；

2、必须以不同的施工方法和支护方法，控制开挖后产生的不同的位移；

3、初期支护与围岩必须成为一体，才能发挥其控制变形的功能；

4、在不良地质、地形条件下，初期支护断面早期闭合，极力控制围岩的松弛及其发展。

如何实现上述（原则）理念，是需要我们认真对待的问题。

所谓的隧道施工技术都是围绕上述理念形成的。

例如，如何控制掌子面前方的先行位移？

；

如何控制拱脚下沉？

如何利用围岩固有的支护功能？

、如何快速使初期支护断面早期闭合？

等等问题，都需要一定的施工技术，予以解决。

在这方面，我们通过大规模的隧道施工，积累了不少的经验，但与国外同类技术相比，还是有一定差距的。

一、控制隧道变形的关键技术一、控制隧道变形的关键技术这里所谓的关键技术，就是开挖和支护中的关键技术。

开挖是应力释放的方法，不同的开挖方法，应力释放的过程及程度也是不同的，支护则是应力控制的方法，同样地，不同的支护方法应力控制的过程和程度也是不同的。

除开挖、支护作业外，其他作业都是辅助性的，如运输、排水、通风、量测、地质超前预报等。

但这些作业也是左右开挖、支护成败的关键，也不能忽视。

因此作为关键技术主要指：

开挖、支护开挖、支护。

开挖、支护作业的关系定位开挖、支护作业的关系定位在矿山法施工中，开挖和支护是密切相关的。

根据地质情况，其关系大致可分为以下几类：

只挖不支只挖不支；

在无需支护的硬质围岩中采用的方法；

先挖后支先挖后支；

开挖后进行支护的一般地质、地形条件下采用的方法；

先支后挖先支后挖；

开挖前进行支护的特殊地质、地形条件下采用的方法。

我主要谈在“先支后挖”情况下，应该采取的技术对策，即：

辅助工法。

所谓的“先支后挖”的基本概念就是：

在特殊地质、地形条件下要：

1、先行支护（预支护）抑制掌子面前方先行位移（变形）和掌子面位移（变形），确保掌子面和拱顶的稳定；

2、开挖后再用初期支护抑制掌子面后方位移、拱脚下沉、及早闭合断面，使变形（位移）在一定范围内收敛，形成一个稳定的隧道结构体系。

一般说，初期支护只能抑制掌子面后方位移的发展。

对控制先行位移和掌子面位移是无能为力的。

因此，为完成上述任务，就不得不借助辅助工法。

这也说明了，辅助工法在不良地质、地形条件下修建隧道的重要作用。

工法采用目的和效果摘要确保施工安全保护周边环境掌子面稳定地下水位降低对策枯水对策地表面下沉对策近接结构物对策拱顶稳定掌子面稳定抑制脚部下沉地下水对策抑制先行位移抑制开挖后位移抑制先行位移抑制开挖后位移超前支护充填式、非充填式小导管注浆小导管压入式短钢管钢管钢背板小导管*管棚*水平喷射注浆*预衬砌*二、辅助工法的分类及应用掌子面补强弧形开挖、留核心土掌子面喷混凝土短掌子面锚杆长掌子面锚杆*脚部补强补强锚杆补强锚管脚部注浆水平喷射注浆临时仰拱基脚混凝土水平锚管工法采用目的和效果摘要确保施工安全保护周边环境掌子面稳定地下水位降低对策枯水对策地表面下沉对策近接结构物对策拱顶稳定掌子面稳定抑制脚部下沉地下水对策抑制先行位移抑制开挖后位移抑制先行位移抑制开挖后位移涌水对策、围岩补强排水坑道*排水钻孔*轻型井点*管井*止水注浆*改良围岩*地表垂直锚管*隔断壁*工法采用目的和效果摘要确保施工安全保护周边环境掌子面稳定地下水位降低对策枯水对策地表面下沉对策近接结构物对策拱顶稳定掌子面稳定抑制脚部下沉地下水对策抑制先行位移抑制开挖后位移抑制先行位移抑制开挖后位移三、控制掌子面失稳的技术三、控制掌子面失稳的技术1、倾斜的掌子面英国最近在几座铁路和公路隧道中。

为了提高掌子面稳定性和作业人员的安全，采用倾斜的掌子面进行开挖，取得了良好的稳定效果。

其施工步骤示于图18。

图18斜掌子面的施工步骤图19是不同形状掌子面的解析结果一例。

塑性区的比较位移分布的比较2、掌子面锚杆设置掌子面锚杆的目的是给全断面开挖创造条件。

掌子面锚杆的长度一般都在1224m之间，是比较长的。

因此，必须具备打长锚杆的设备和技术。

下面是意大利采用掌子面锚杆加固掌子面前方围岩的一些示例（图20）。

日本近期施工的一些隧道也开始采用掌子面锚杆的方法来提高掌子面的自稳性、一直掌子面前方围岩的坍塌和先行下沉。

例如在六户隧道因地表面存在重要的结构物，要求控制开挖引起的先行位移，就采用了直径76mm，长18m（搭接长度6m）的纤维掌子面锚杆。

图21是锚杆的详图、照片6是其施工状况。

图23最大剪应变分布的比较图22拱顶下沉、地表面下沉、掌子面挤出量的比较日本在阿部仓隧道中采用的开挖面注浆式长锚杆，为了解决易于拆除的问题，横向开槽的钢管，如图24所示。

开槽锚杆的规格：

STK400，76.35.2t，L12.5m。

注浆材料采用水泥系或二氧化硅树脂系。

开槽锚杆的最大特征是：

每50cm在钢轨周围设一个槽，与过去采用的钢管、钢棒正面锚杆比，岁开挖面进展易于切断，拆除容易。

图24是日本采用金属锚杆的一个事例，可以借鉴。

掌子面锚杆是向掌子面前方大致水平的打设锚杆的工法（图5.22）。

掌子面锚杆有短锚杆和长锚杆，前者是以防止松弛和裂隙张开等小崩落和岩块掉落为目的的，后者则以控制先行位移为目的的。

图5.22长掌子面锚杆掌子面锚杆的材质，考虑不妨碍开挖，多采用玻璃纤维锚杆（GFRP、照片5.1）。

表5.6锚杆用GFRP材料的特性GFRP锚杆GFRP管外径（mm）30.576内径（mm）14601段长（m）163.0单位重量（kg/m）0.753.0抗拉承载力（kN）180以上约1000抗剪承载力（kN）40170接头承载力（kN）约110约200掌子面锚杆在开挖后还有适当长度留在围岩中，因此，搭接是很重要的。

短掌子面锚杆一般长36m，长掌子面锚杆一般长915m，根据施工条件也有采用长度达40m的超长掌子面锚杆的。

短掌子面锚杆，应一边观察掌子面状况，一边按一定间隔（12m）或者随机设置。

短掌子面锚杆的施工例示于图5.23。

长掌子面锚杆一般用钻孔台车钻孔或者用专用机钻孔。

根据2000年关于掌子面锚杆的实态调查，如图5.24所示，锚杆长度多在1020m的范围内。

其中12m长度的锚杆应用最多。

长掌子面锚杆的应用例示于图5.25。

本事例的掌子面锚杆长12.5m，搭接长度3.5m，每隔9m打设一次。

采用的GFRP管，如照片5.1所示，外径76mm，壁厚8mm。

素管的抗拉强度约1000kN，但接头部的抗拉强度约200kN，是素材部的1/5。

因此，接头部的接头强度采用STK400，101.6mm、壁厚4.2mm的钢管加工的，其抗拉强度大致相同。

掌子面锚杆的锚固材料，如图5.26所示，采用砂浆等水泥系和尿烷树脂系材料。

对锚固材料的要求水准列于表5.7。

条件要求性状围岩条件裂隙岩体砂质土系粘性土系涌水充填压注充填压注充填压注充填压注流动性无收缩性秘浆附着强度耐久性硬化速度渗透性注：

高；

：

中；

低3、留核心土这也是我们经常采用的方法。

日本对不留核心土，留核心土以及不同台阶长度的影响等进行的一项研究说明，不留核心土的场合，掌子面挤出量超过70mm的部分可达到掌子面前方1.3m，而留有核心土的场合，掌子面挤出量超过70mm的部分，只达到掌子面前方0.6m处。

核心土对掌子面起到了控制掌子面挤出的效果（图25和26）。

四、控制拱顶失稳、坍塌的技术四、控制拱顶失稳、坍塌的技术在复杂地质、地形条件下，要想安全施工必须确保掌子面的稳定和极力控制围岩的松弛和坍塌，除加强初期支护外，必须采用有效的超前支护技术超前支护技术。

超前支护技术它超前支护技术它不是辅助性的，而是支护技术中的主要方不是辅助性的，而是支护技术中的主要方法之一，与喷混凝土、锚杆以及钢架具有法之一，与喷混凝土、锚杆以及钢架具有同等的重要性。

同等的重要性。

1、超前支护、超前支护超前支护依其构筑方法，大体上分为以下几类。

短超前支护：

25m左右，日本以插板法和预衬砌法为主；

中超前支护；

510m左右，以