轨道交通工程精品课件：隧道预支护.ppt

1、第三讲第三讲 隧道预支护技术隧道预支护技术 一级建造师一级建造师 市政（陈明市政（陈明+曹明铭曹明铭+肖国祥肖国祥+申玉辰）课件申玉辰）课件 建筑（王树京建筑（王树京+李佳升李佳升+李立军李立军+王英）课件王英）课件 机电（董美英机电（董美英+唐琼唐琼+魏匡魏匡+李学斌）课件李学斌）课件 法规（陈印法规（陈印+王竹梅王竹梅+武劲松武劲松+蔡恒）课件蔡恒）课件 经济（梅世强经济（梅世强+达江达江+刘戈刘戈+关涛关涛+徐蓉）课件徐蓉）课件 管理（朱俊文管理（朱俊文+成丽芹成丽芹+丰景春）课件丰景春）课件 关注微信公众号关注微信公众号 课件免费下载课件免费下载 超前预支护技术在破碎或松散地层、自超前

2、预支护技术在破碎或松散地层、自 稳能力差的隧道施工中被广泛采用。所谓的稳能力差的隧道施工中被广泛采用。所谓的 超前预支护，就是隧道开挖之前，在掌子面超前预支护，就是隧道开挖之前，在掌子面 前方的自然地层设置一个像拱壳的连续体，前方的自然地层设置一个像拱壳的连续体， 使其既加固掌子面前方的自然地层，同时利使其既加固掌子面前方的自然地层，同时利 用初期支护又保持自然地层的特性，从而保用初期支护又保持自然地层的特性，从而保 证掌子面及地层的稳定，减少地表沉降量。证掌子面及地层的稳定，减少地表沉降量。 早期的隧道施工，预支护的形式主要为打插早期的隧道施工，预支护的形式主要为打插 钢板、木板或型钢，即所

3、谓的插板法。现代钢板、木板或型钢，即所谓的插板法。现代 常用的超前预支护方法有超前锚杆、超前小常用的超前预支护方法有超前锚杆、超前小 导管、水平旋喷注浆、机械预切槽法和超前导管、水平旋喷注浆、机械预切槽法和超前 管棚法。管棚法。 1 1 超前锚杆超前锚杆 超前锚杆是沿隧道开挖面外轮廓钻孔，插超前锚杆是沿隧道开挖面外轮廓钻孔，插 入钢筋杆体并用水泥砂浆使杆体与围岩固结入钢筋杆体并用水泥砂浆使杆体与围岩固结 成整体。成整体。 超前锚杆超前锚杆 隧道开挖后，杆体及周边固结的部分围岩隧道开挖后，杆体及周边固结的部分围岩 支承上覆岩土体，防止围岩坍塌，减少洞室支承上覆岩土体，防止围岩坍塌，减少洞室 变形

4、。在破碎岩石地层中，该方法工艺简单，变形。在破碎岩石地层中，该方法工艺简单， 造价低，应用十分广泛。在砂土质松软地层造价低，应用十分广泛。在砂土质松软地层 中，因砂浆与粘土体粘结力较低，限制了应中，因砂浆与粘土体粘结力较低，限制了应 用；同时因为一次施作距离短，预支护刚度用；同时因为一次施作距离短，预支护刚度 小，在地应力较大、地层位移控制严时，也小，在地应力较大、地层位移控制严时，也 限制了它的使用。限制了它的使用。 ( (1 1) )布置原则布置原则 超前锚杆的安装必须作为开挖循环的一个组超前锚杆的安装必须作为开挖循环的一个组 成部分来完成成部分来完成，旨在作为超前预支护及加固旨在作为超前

5、预支护及加固 岩体的作用岩体的作用。 超前锚杆的设置充分考虑岩体的结构面特性超前锚杆的设置充分考虑岩体的结构面特性 和围岩地质情况和围岩地质情况。 超前锚杆外插角：超前锚杆外插角：1030。 超前锚杆纵向两排的水平投影应有不小于超前锚杆纵向两排的水平投影应有不小于 100cm的搭接长度的搭接长度。 超前锚杆尾端一般焊接在钢拱架上超前锚杆尾端一般焊接在钢拱架上，以增强以增强 共同支护作用共同支护作用。 ( (2 2) )施工工艺施工工艺 材料加工与锚孔布置：锚杆除锈调直；按设计材料加工与锚孔布置：锚杆除锈调直；按设计 标孔位标孔位。 钻孔：准确控制外插角钻孔：准确控制外插角，以防增加超欠挖以防增

6、加超欠挖。 注浆：先用水和稀浆湿润管路注浆：先用水和稀浆湿润管路，再开始注浆再开始注浆。 插入锚杆：迅速将锚杆插入眼孔插入锚杆：迅速将锚杆插入眼孔，并用锤击方并用锤击方 法插至孔底法插至孔底，再用木楔堵塞孔口再用木楔堵塞孔口，防止砂浆流防止砂浆流 失失。 清洗整理注浆用具：除掉砂浆清洗整理注浆用具：除掉砂浆，以备下一循环以备下一循环 使用使用。 2 2 超前小导管超前小导管 超前小导管与超前锚杆所不同的是将钢筋杆体超前小导管与超前锚杆所不同的是将钢筋杆体 改为空心钢管，通常管径改为空心钢管，通常管径3650mm，管壁预留，管壁预留 注浆孔，管口止浆封面后，注入水泥浆。压力注浆孔，管口止浆封面后

7、，注入水泥浆。压力 注浆渗透扩散管周较大的砂土体。管周注浆固注浆渗透扩散管周较大的砂土体。管周注浆固 结体形成一定厚度的隧道加固圈后，实现超前结体形成一定厚度的隧道加固圈后，实现超前 支护的目的。支护的目的。 该方法工艺简单，造价低，特别是砂、土质松该方法工艺简单，造价低，特别是砂、土质松 软地层中，应用十分广泛。但因其一次施作距软地层中，应用十分广泛。但因其一次施作距 离短，预支护刚度小，在地层压力大，地层位离短，预支护刚度小，在地层压力大，地层位 移控制要求严时，也限制了它的应用。移控制要求严时，也限制了它的应用。 钻孔钻孔 15 小导管小导管 钢支撑钢支撑 0.2m a40cm r r

8、b (取取30cm) 3.56.0m 管箍管箍(6钢筋加焊钢筋加焊) 出浆孔出浆孔 1.5m不钻孔不钻孔 0.2m 2535mm有缝钢管有缝钢管 小导管常与格栅钢架共同组成支护系统小导管常与格栅钢架共同组成支护系统。小导小导 管起双重作用：一是起超前管棚作用管起双重作用：一是起超前管棚作用，二是起二是起 注浆管的作用注浆管的作用，通过注浆通过注浆，加固软弱围岩加固软弱围岩。 浆液扩散半径的确定：扩散半径不是浆液在地浆液扩散半径的确定：扩散半径不是浆液在地 层中扩散的最远距离层中扩散的最远距离，而是指浆液能符合设计而是指浆液能符合设计 要求的扩散距离要求的扩散距离。考虑到注浆扩散范围相互重考虑到

9、注浆扩散范围相互重 叠的情况叠的情况，可按下式计算：可按下式计算：R=(0.60.7)L0 ，其其 中中L0为导管中心间距为导管中心间距(m)。 (1)(1)基本原理及注浆范围基本原理及注浆范围 注浆量确定：先计算出单孔注浆量注浆量确定：先计算出单孔注浆量，然后乘以然后乘以 注浆管数即可得：注浆管数即可得： 式中式中，Q Q注浆量注浆量(m(m3 3) )； N N注浆管数量注浆管数量( (个个) )； R R浆液扩散半径浆液扩散半径(m)(m)；L L注浆长度注浆长度(m)(m)； n n围岩孔隙率围岩孔隙率( (% %) )； 浆液充填系数浆液充填系数，一般取一般取0 0. .7 70 0

10、. .9 9； 注浆材料损耗系数注浆材料损耗系数，常取常取0 0. .1 1左右左右。 )1 ( 2 LnRNQ (2)(2)注浆材料注浆材料 断层破碎带及砂卵石地层，当裂隙宽度（或粒断层破碎带及砂卵石地层，当裂隙宽度（或粒 径）大于径）大于mmmm或渗透系数大于或渗透系数大于5 51010- -4m/s4m/s时，时， 应采用料源广且价格便宜的注浆材料。一般对应采用料源广且价格便宜的注浆材料。一般对 于无水的松散地层，宜优先选用于无水的松散地层，宜优先选用单液水泥浆单液水泥浆； 对于有水的强渗透地层，则宜选用对于有水的强渗透地层，则宜选用水泥水玻水泥水玻 璃双浆液璃双浆液，以控制注浆范围。，

11、以控制注浆范围。 细、粉砂层、断层带，当裂隙宽度细、粉砂层、断层带，当裂隙宽度( (或粒径或粒径) )小小 于于1mm1mm，或渗透系数，或渗透系数k10k10- -m/sm/s时，注浆材料时，注浆材料 宜优先选用宜优先选用水玻璃类水玻璃类和和木胺类木胺类或或超细水泥超细水泥浆液。浆液。 砾石 砂粒 系别 浆液类别 大 中 小 粗 中 细 粉粒 粘粒 单液水泥类 水泥粘土类 水泥-水玻璃类 水玻璃类 粘土类 无机系 超细水泥类 丙烯酰胺类 木质素类 脲醛树脂类 聚氨脂类 糠醛树脂类 有机系 改性环氧树脂类 粒径/mm 10 4 2 0.5 0.25 0.05 0.005 渗透系数/cms-1

12、10-1 10-2 10-3 10-4 10-6 各种浆材的适用范围各种浆材的适用范围 采用水泥浆液时，水灰比可采用采用水泥浆液时，水灰比可采用0.5:11:1， 需缩短凝结时间，则可加入氯盐、三乙醇胺需缩短凝结时间，则可加入氯盐、三乙醇胺 速凝剂。速凝剂。 采用水泥水玻璃浆液时，水泥浆的水灰比采用水泥水玻璃浆液时，水泥浆的水灰比 可用可用0.5:11:1；水玻璃浓度为；水玻璃浓度为2540 Be，水，水 泥浆与水玻璃的体积比宜为泥浆与水玻璃的体积比宜为1:11:0.3。 (3)(3)注浆注浆 孔口最高压力应严格控制在允许范围内，以防孔口最高压力应严格控制在允许范围内，以防 压裂开挖面，注浆压

13、力一般为压裂开挖面，注浆压力一般为0.51.0MPa，止，止 浆塞应能经受注浆压力。注浆压力与地层条件浆塞应能经受注浆压力。注浆压力与地层条件 及注浆范围要求有关，一般要求单管注浆能扩及注浆范围要求有关，一般要求单管注浆能扩 散到管周散到管周0.51.0m的半径范围内。的半径范围内。 要控制注浆量，即每根导管内已达到规定注入要控制注浆量，即每根导管内已达到规定注入 量时，就可结束；若孔口压力已达到规定压力量时，就可结束；若孔口压力已达到规定压力 值，但注入量仍不足，亦应停止注浆。值，但注入量仍不足，亦应停止注浆。 注浆结束后，应做一定数量的钻孔检查或用注浆结束后，应做一定数量的钻孔检查或用 声

14、波探测仪检查注浆效果，如未达到要求，声波探测仪检查注浆效果，如未达到要求， 应进行补注浆。应进行补注浆。 注浆后应视浆液种类，等待注浆后应视浆液种类，等待4h (水泥水玻水泥水玻 璃浆璃浆)8 h(水泥浆水泥浆)方可开挖，开挖长度应按方可开挖，开挖长度应按 设计循环进尺的规定，以保留一定长度的止设计循环进尺的规定，以保留一定长度的止 浆墙。浆墙。 超前小导管施工简易，应急速度快，比超前超前小导管施工简易，应急速度快，比超前 锚杆支护能力大；锚杆支护能力大； 比管棚简单易行、灵活、经济、施工速度快，比管棚简单易行、灵活、经济、施工速度快， 但支护能力较弱；但支护能力较弱； 格栅内空间被喷射混凝土

15、充填，其表面被覆格栅内空间被喷射混凝土充填，其表面被覆 盖，所形成的初期支护具有较强的承载能力，盖，所形成的初期支护具有较强的承载能力， 并有一定的防水性能；并有一定的防水性能； 与围岩紧密粘结，形成一个刚度较接近的共与围岩紧密粘结，形成一个刚度较接近的共 同变形体，易形成有效的压力拱，使隧道结同变形体，易形成有效的压力拱，使隧道结 构受力条件趋于合理。构受力条件趋于合理。 ( (4 4) )特点特点 3 3 水平旋喷注浆水平旋喷注浆 喷射注浆法喷射注浆法，又称旋喷法又称旋喷法，分为垂直和水平分为垂直和水平 旋喷注浆两种方法旋喷注浆两种方法。水平旋喷注浆的施工原水平旋喷注浆的施工原 理类似于垂

16、直旋喷注浆理类似于垂直旋喷注浆，只是一个为水平一只是一个为水平一 个为垂直个为垂直。其施工方法为其施工方法为，首先使用旋喷注首先使用旋喷注 浆机浆机，沿着隧道掌子面周边的设计位置旋喷沿着隧道掌子面周边的设计位置旋喷 注浆形成旋喷柱体注浆形成旋喷柱体，通过固结体的相互咬合通过固结体的相互咬合 形成预支护拱棚形成预支护拱棚。 一般每根旋喷体一般每根旋喷体，首先通过水平钻机成孔首先通过水平钻机成孔，钻钻 到设计位置以后到设计位置以后，随着钻杆的退出随着钻杆的退出，用水泥浆用水泥浆 或水泥水玻璃双浆液旋喷注入钻成的孔腔或水泥水玻璃双浆液旋喷注入钻成的孔腔， 通过高压射流切割腔壁土体通过高压射流切割腔壁

17、土体，被切割下的土体被切割下的土体 与浆液搅拌混合与浆液搅拌混合、固结形成直径固结形成直径600600mmmm左右的固左右的固 结体结体，同时周围地层受到压缩和固结同时周围地层受到压缩和固结，其土体其土体 的物理力学性能得到一定程度的改善的物理力学性能得到一定程度的改善。 旋喷柱体沿隧道拱部形成环向咬合旋喷柱体沿隧道拱部形成环向咬合、纵向搭接的纵向搭接的 预支护拱棚预支护拱棚，在松散不稳定地层隧道中在松散不稳定地层隧道中，可有效可有效 控制坍塌和地层变形控制坍塌和地层变形。水平旋喷注浆桩的应用在水平旋喷注浆桩的应用在 我国还不是很广我国还不是很广，旋喷桩抗弯性能不强旋喷桩抗弯性能不强，施工控施

18、工控 制的难度较大制的难度较大，特别是目前我国的水平旋喷钻机特别是目前我国的水平旋喷钻机 性能尚未过关性能尚未过关，制约了水平旋喷预支护技术的应制约了水平旋喷预支护技术的应 用和发展用和发展。 它主要适用于粘性土它主要适用于粘性土、砂类土砂类土、淤泥等地层淤泥等地层。 （a）意大利产重型水平选喷钻机 （b）1983年研制的轻型水平选喷钻机 （c）三一重工2008年产中型水平选喷钻机 4 4 械预切槽法械预切槽法 机械预切槽法首次应用于机械预切槽法首次应用于2020世纪世纪7070年代法国巴年代法国巴 黎快速轨道运动系统的一个车站的建造工程中黎快速轨道运动系统的一个车站的建造工程中。 它是利用专

19、业的切槽机械它是利用专业的切槽机械，沿隧道外轮廓切割沿隧道外轮廓切割 一定深度的切槽一定深度的切槽。切槽方式有带锯式和排钻式切槽方式有带锯式和排钻式 两种两种。在硬岩地层中在硬岩地层中，利用该切槽利用该切槽，作为爆破作为爆破 振动的隔振层振动的隔振层，主要起隔振或减振的目的主要起隔振或减振的目的。在在 软石或砂质地层中软石或砂质地层中，在切槽内填筑混凝土在切槽内填筑混凝土，形形 成预支护拱成预支护拱，提高隧道稳定性提高隧道稳定性。 机械切槽预支护机械切槽预支护，在国外已有多次成功应用的在国外已有多次成功应用的 实例实例，取得了较好的经济和社会效益取得了较好的经济和社会效益。在国内在国内， 软岩

20、锯式切槽机尚在研制当中软岩锯式切槽机尚在研制当中。 在安全稳定的作业环境下在安全稳定的作业环境下，用挖掘机或臂式掘进用挖掘机或臂式掘进 机开挖前作业面机开挖前作业面。自卸汽车或翻斗车可穿行于预自卸汽车或翻斗车可穿行于预 切槽机内切槽机内。 必要时必要时，作业面装以玻璃纤维锚杆作业面装以玻璃纤维锚杆，以稳定作业以稳定作业 面面。随后在作业面上喷混凝土随后在作业面上喷混凝土。 紧随其后紧随其后，安装隧道防水层安装隧道防水层，进行二次衬砌进行二次衬砌。 作业过程如下：作业过程如下： 用预切槽锯沿隧道外廓弧形拱深切一宽用预切槽锯沿隧道外廓弧形拱深切一宽1530cm、 长约长约5m的切槽的切槽。 在切槽

21、内立即填充高强度喷射混凝土在切槽内立即填充高强度喷射混凝土，形成长形成长 35m的整体连续拱的整体连续拱，两次连续拱的搭接长度为两次连续拱的搭接长度为 0.52.0m，视围岩的不同而定视围岩的不同而定。 可减轻在硬岩爆破时可减轻在硬岩爆破时，振动的扩展；振动的扩展；在作在作 业面开挖前业面开挖前，快速建成一临时的整体弧形拱快速建成一临时的整体弧形拱， 从而减小围岩变形与地表沉陷；从而减小围岩变形与地表沉陷；为人员和设为人员和设 备提供清洁备提供清洁、安全的工作条件；安全的工作条件；有利于作业有利于作业 全过程的工业化及机械化全过程的工业化及机械化，从而使进度快速均从而使进度快速均 衡衡，适应性

22、增强适应性增强，大大节约了成本大大节约了成本。机械预切机械预切 槽法在硬岩地层中应用的最大弱点是推进速度槽法在硬岩地层中应用的最大弱点是推进速度 慢慢，较适合用于市区隧道工程较适合用于市区隧道工程、松散地层和大松散地层和大 断面隧道断面隧道。 机械预切槽法的优点机械预切槽法的优点 5 5 超前管棚超前管棚 大管棚大管棚(一般管径一般管径70180mm，长度长度1030m)是是 指开挖掘进前在隧道开挖工作面的上半断面指开挖掘进前在隧道开挖工作面的上半断面 (呈扇形呈扇形)或全部沿隧道断面周边间隔一定距离或全部沿隧道断面周边间隔一定距离 用大型水平钻机钻孔用大型水平钻机钻孔，钢管跟入或向孔内压入钢

23、管跟入或向孔内压入 钢管而形成钢管群体钢管而形成钢管群体。为提高钢管刚度常向管为提高钢管刚度常向管 内灌注混凝土或钢筋笼混凝土内灌注混凝土或钢筋笼混凝土。由于一次施作由于一次施作 距离大距离大，支护刚度大支护刚度大，它能有效控制土质围岩它能有效控制土质围岩 的下沉松驰和坍塌的下沉松驰和坍塌，好地控制地表沉降量好地控制地表沉降量，在在 城市地铁施工中广泛应用城市地铁施工中广泛应用。 a)管棚的环向布置管棚的环向布置 b)管棚钢管纵向错接管棚钢管纵向错接 c)钢管端部横向联接钢管端部横向联接 钢管型号的选择：钢管型号的选择：根据实际地层和技术经济因素根据实际地层和技术经济因素 分析分析，土体凝聚力

24、较高的粘性土土体凝聚力较高的粘性土，可选取可选取8989mmmm； 一般土层在多数情况下选取一般土层在多数情况下选取108108mmmm型钢管型钢管。 间距的选择：间距的选择：对于松散地层对于松散地层，钢管间距应适当缩钢管间距应适当缩 小小，考虑钻进等因素考虑钻进等因素，选择间距在选择间距在0.10.2m为宜；为宜； 一般地层选择间距为一般地层选择间距为0.30.4m；土体凝聚力较高；土体凝聚力较高 的粘性土也可适当加大的粘性土也可适当加大。 ( (1 1) )支护参数的选择支护参数的选择 支护掘进步距的选择：支护掘进步距的选择：管棚支护掘进步距过小管棚支护掘进步距过小， 会增加工序转换时间会

25、增加工序转换时间，影响施工效率；管棚支影响施工效率；管棚支 护掘进步距过大护掘进步距过大，又可能会产生塌帮等安全事又可能会产生塌帮等安全事 故故，根据实际地质条件根据实际地质条件，掘进步距应确定在掘进步距应确定在 1.02.0m。 支护长度的选择支护长度的选择: :管棚支护长度越长管棚支护长度越长，越能节省越能节省 辅助时间辅助时间，提高施工效率提高施工效率，但是由于受到钻孔但是由于受到钻孔 机具机具、钻进技术和钢管柔性弯曲等条件限制钻进技术和钢管柔性弯曲等条件限制， 如果管棚支护长度过长如果管棚支护长度过长，就很难确保管棚的水就很难确保管棚的水 平角度和排列整齐平角度和排列整齐，从而影响施工

26、质量从而影响施工质量，一般一般 根据不同地质条件管棚支护长度选择为根据不同地质条件管棚支护长度选择为1030m。 仰角的确定仰角的确定: :因土层松软及钻杆重力因土层松软及钻杆重力，管棚在钻进管棚在钻进 过程中要发生向下弯曲过程中要发生向下弯曲，在开孔钻进时要有一定在开孔钻进时要有一定 的上仰角度的上仰角度。如果上仰角度过小如果上仰角度过小，管棚会因向下管棚会因向下 弯曲而进入隧道区域弯曲而进入隧道区域，在隧道掘进时需要将钢管在隧道掘进时需要将钢管 割去割去，从而严重影响隧道掘进速度和安全；如果从而严重影响隧道掘进速度和安全；如果 上仰角度过大上仰角度过大，使管棚远离隧道外径而失去支护使管棚远

27、离隧道外径而失去支护 作用作用，而且使管棚有效支护长度缩短而且使管棚有效支护长度缩短。为此需要为此需要 选择合适的管棚上仰角度选择合适的管棚上仰角度(一般一般15 )。 工作室施工：工作室施工：隧道开挖至设计工作室里程后隧道开挖至设计工作室里程后， 将隧道标准断面扩大到管棚工作室断面将隧道标准断面扩大到管棚工作室断面。 预制导向架预制导向架，安装导向管：安装导向管：架立导向架架立导向架，并按并按 设计角度将导向管焊接到导向架上设计角度将导向管焊接到导向架上，确认无误确认无误 后后，封堵导向管管口加以保护封堵导向管管口加以保护，再用喷射混凝再用喷射混凝 土将导向架与工作室构成整体土将导向架与工作

28、室构成整体。 工作面处理：工作面处理：掌子面上挂网喷混凝土掌子面上挂网喷混凝土，封闭掌封闭掌 子面子面，并作为注浆的止浆墙并作为注浆的止浆墙，确保管棚施工中确保管棚施工中 工作面安全工作面安全。 ( (2 2) )施工工艺施工工艺 钻机就位：钻机就位：用仪器量测导向管用仪器量测导向管，固定钻杆转轴固定钻杆转轴， 使之与钻杆共线使之与钻杆共线。 钻孔：钻孔：用低档开钻用低档开钻，钻到一定深时钻到一定深时，接杆继续接杆继续 钻进钻进，经常复核钻孔角度经常复核钻孔角度，确保钻孔方向确保钻孔方向，若若 发现偏斜发现偏斜，及时高速处理及时高速处理。 插入导管：插入导管：插前应对每个钻孔的管子配管编号插前

29、应对每个钻孔的管子配管编号， 保证同一断面上钢管接头数保证同一断面上钢管接头数50%。 孔口密封处理：孔口密封处理：注浆前对管口与孔口间空隙密注浆前对管口与孔口间空隙密 封封，防止水泥浆外渗防止水泥浆外渗。 导管注浆：导管注浆：通过注浆通过注浆，即可增强导管刚度即可增强导管刚度，又又 可使浆液渗入周围地层可使浆液渗入周围地层，加固地层加固地层。 大管棚刚度大大管棚刚度大、结构强度高结构强度高、所形成的拱棚承所形成的拱棚承 载能力强；载能力强； 一次支护长度大一次支护长度大，可以减少超前支护的次数可以减少超前支护的次数， 缩短施工时间；缩短施工时间； 由工程经验得知由工程经验得知，大管棚预注浆支

30、护效果可靠大管棚预注浆支护效果可靠， 劳动消耗量相对较少劳动消耗量相对较少，虽然材料费用要高些虽然材料费用要高些， 但安全系数也能相对提高但安全系数也能相对提高，可望能有效地保持可望能有效地保持 隧道周边围岩的稳定隧道周边围岩的稳定，提高施工安全提高施工安全。 ( (3 3) )技术特点技术特点 6 6 管幕预支护技术管幕预支护技术 美国是最早采用管幕技术的国家，在美国是最早采用管幕技术的国家，在19221947年年 间，美国采用管幕法累计完成铺管工程间，美国采用管幕法累计完成铺管工程830项，铺项，铺 管总长度管总长度16800m。20世纪世纪50年代开始长距离管幕，年代开始长距离管幕， 2

31、0世纪世纪70年代出现了小口径管幕，以年代出现了小口径管幕，以19771984年年 下水道敷设看，短距离、手挖式的一次顶进方法占下水道敷设看，短距离、手挖式的一次顶进方法占 半数以上，长距离的管幕施工方法、半盾构方法则半数以上，长距离的管幕施工方法、半盾构方法则 逐渐增加。美国逐渐增加。美国1990年以前是液压管幕占主导，随年以前是液压管幕占主导，随 着气动钢管顶打技术出现，迅速发展并取代液压，着气动钢管顶打技术出现，迅速发展并取代液压， 液压管幕已由液压管幕已由1990年的年的80%迅速降为迅速降为1994年的年的40%。 6.1 国外管幕技术的发展国外管幕技术的发展 日本自日本自20世纪世

32、纪7080年代下水道敷设中年代下水道敷设中，直径直径 10001850mm者大部分是管幕者大部分是管幕，直径大于直径大于 2000mm的多用衬砌盾构施工法的多用衬砌盾构施工法，顶进施工法顶进施工法 其施工管道长度占下水道总长度的其施工管道长度占下水道总长度的6.3%，另另 外盾构法占外盾构法占2.3%，而明挖施工法占而明挖施工法占36%。各各 种工法如铁鼠掘进机施工法种工法如铁鼠掘进机施工法、水平螺旋钻施水平螺旋钻施 工法工法、鼹鼠式掘进机施工法鼹鼠式掘进机施工法、土箭施工法应土箭施工法应 运而生运而生。 微型机械施工法能使原先不可能的小口径管幕微型机械施工法能使原先不可能的小口径管幕 进行长

33、距离转弯施工进行长距离转弯施工，且比较经济且比较经济。施工机具施工机具 主要分为压入式主要分为压入式、水平螺旋钻机水平螺旋钻机、水平钻孔水平钻孔、 泥浆加压式施工泥浆加压式施工，其中前两种使用较多且可修其中前两种使用较多且可修 正方向正方向。20世纪世纪90年代日本年代日本super-mini施工法协施工法协 会开发的适于大会开发的适于大、中口径中口径16003000mm的长距的长距 离管幕施工法离管幕施工法，即覆膜管幕法又一次飞跃地提即覆膜管幕法又一次飞跃地提 高了管幕一次顶进的最大距离高了管幕一次顶进的最大距离。日本还自行研日本还自行研 制开发了闭水性制开发了闭水性、耐酸性好的钢筋混凝土管

34、耐酸性好的钢筋混凝土管、 聚乙烯塑料管聚乙烯塑料管、铸铁管铸铁管、增强塑料管等专用规增强塑料管等专用规 范管材范管材。 英国管幕技术发展也较快，英国管幕技术发展也较快，1980年从日本年从日本 引进泥水平衡式管幕机械与当时西德合作引进泥水平衡式管幕机械与当时西德合作 施工的一条内径为施工的一条内径为2489mm，长度为，长度为3.2km 的管道已获成功，且曾达到不用中继间最的管道已获成功，且曾达到不用中继间最 大顶距大顶距178m的记录。的记录。 德国在大口径管顶进方面技术比较先进德国在大口径管顶进方面技术比较先进，一次顶进一次顶进 最长最长2.2km，最大直径最大直径4.4m，如如VS864

35、掘进系统掘进系统， 用感应式激光屏幕显示顶进位置用感应式激光屏幕显示顶进位置，采用快速运行的采用快速运行的 液压千斤顶推顶液压千斤顶推顶，每天进尺达每天进尺达4050m。1970年的年的 德国汉堡下水道管幕工程是世界上首次一次顶进超德国汉堡下水道管幕工程是世界上首次一次顶进超 千米的混凝土管幕工程千米的混凝土管幕工程，1987年完成的西柏林供热年完成的西柏林供热 水钢筋混凝土管道水钢筋混凝土管道，内径内径4.1m，一次顶进一次顶进1088m， 工程总长工程总长3607m。在小口径管幕方面：施密特克朗在小口径管幕方面：施密特克朗 茨有限公司开发了一种新的茨有限公司开发了一种新的PBA38型顶压钻

36、进设备型顶压钻进设备 可有效控制敷设接户支管以及最大内径可有效控制敷设接户支管以及最大内径DN300mm 的管道且目标精度高的管道且目标精度高，管接口为双层密封管接口为双层密封。 6.2 国内管幕技术的发展国内管幕技术的发展 管幕施工法是中国最早使用的非开挖施工方法，管幕施工法是中国最早使用的非开挖施工方法， 1953年首次用于北京西郊行政区污水管工程，采用年首次用于北京西郊行政区污水管工程，采用 人工挖掘顶进直径人工挖掘顶进直径900mm管径的铸铁管。随后，上管径的铸铁管。随后，上 海等城市也相继采用这一技术，但都是手掘式管幕，海等城市也相继采用这一技术，但都是手掘式管幕， 设备也较简陋。设

37、备也较简陋。 20世纪世纪70年代，为适应大口径管道穿越江河的需要，年代，为适应大口径管道穿越江河的需要， 我国开始发展长距离顶进技术。我国开始发展长距离顶进技术。1978年研制成功的年研制成功的 三段双铰型工具管解决了百米管幕技术，同年，上三段双铰型工具管解决了百米管幕技术，同年，上 海又成功开发适于软粘土和淤泥质粘土的挤压法管海又成功开发适于软粘土和淤泥质粘土的挤压法管 幕，比普通手掘式管幕效率提高一倍以上。幕，比普通手掘式管幕效率提高一倍以上。 从从20世纪世纪80年代开始年代开始，管幕技术在中国有了很大发管幕技术在中国有了很大发 展展。1981年在穿越甬江的管道工程中年在穿越甬江的管道

38、工程中，第一次应用第一次应用 中继间获得成功中继间获得成功，顶进长度达顶进长度达581m，成为当时继美成为当时继美 国依里诺斯州一次顶进国依里诺斯州一次顶进585m之后之后，世界一次顶进最世界一次顶进最 长的管幕工程长的管幕工程。 20世纪世纪90年代我国的管幕技术已处于世界先进水平年代我国的管幕技术已处于世界先进水平。 1992年上海研制成功国内第一台加泥式年上海研制成功国内第一台加泥式1440mm土土 压 平 衡 掘 进 机压 平 衡 掘 进 机 ， 在 奉 贤 排 污 工 程 中在 奉 贤 排 污 工 程 中 ， 直 径直 径 DN1600mm钢筋混凝土管一次顶进钢筋混凝土管一次顶进15

39、11m，创单向创单向 一次顶进混凝土管的世界记录一次顶进混凝土管的世界记录。 1996年底又设计成功可调换止水带的中继间在上海年底又设计成功可调换止水带的中继间在上海 黄浦江上游引水工程中黄浦江上游引水工程中，将内径将内径3500mm的钢管的钢管， 单向一次顶进单向一次顶进1743m，再创世界之最再创世界之最，该工程地面该工程地面 用微机监控用微机监控，采用无线电通讯手段传达到地下采用无线电通讯手段传达到地下，可可 随时调整其偏差随时调整其偏差，减轻人工负担且确保施工精度减轻人工负担且确保施工精度， 目前我国管幕工程的管幕直径之大目前我国管幕工程的管幕直径之大、顶进长度之长顶进长度之长 均属世

40、界领先水平均属世界领先水平，已具备一次顶进已具备一次顶进3000m管道的管道的 能力能力。 管幕技术显著的优越性使它得到了广泛的应用管幕技术显著的优越性使它得到了广泛的应用，在在 给排水工程给排水工程、煤气热力工程煤气热力工程、通信电缆和发电厂循通信电缆和发电厂循 环水冷却系统中采用管幕施工法的愈来愈多环水冷却系统中采用管幕施工法的愈来愈多，从经从经 济效益和社会效益济效益和社会效益、环境效益环境效益，及三者综合比较来及三者综合比较来 看看，管幕施工明显具有实际的可用性管幕施工明显具有实际的可用性。 6.3 管幕预支护技术管幕预支护技术 考虑到流塑状淤泥质含水地层考虑到流塑状淤泥质含水地层，浅

41、埋和城市环浅埋和城市环 境境(周边建筑物和地下管线周边建筑物和地下管线)等因素等因素，把隧道暗挖把隧道暗挖 施工对环境安全施工对环境安全、对地面交通和既有建筑物的对地面交通和既有建筑物的 干扰减少到最低程度干扰减少到最低程度，超前预支护是一项重要超前预支护是一项重要 的工程技术措施的工程技术措施。传统的超前预支护刚度较小传统的超前预支护刚度较小、 一次施作距离短一次施作距离短，而管幕预支护中的钢管一般而管幕预支护中的钢管一般 直径为直径为2002500mm，一次施作距离长一次施作距离长，这种支这种支 护钢管可作为整个支护结构的一部分护钢管可作为整个支护结构的一部分，因此又因此又 称为结构性管棚

42、称为结构性管棚。 6.3.1 管幕用作隧道预支护应用现状管幕用作隧道预支护应用现状 北京地铁五号线崇文门站总长北京地铁五号线崇文门站总长202202. .9 9m m，两端为两层两端为两层 三拱结构三拱结构，中间下穿既有环线地铁区间段中间下穿既有环线地铁区间段，为单层为单层 三拱结构三拱结构，既有线区间结构底板与车站单层断面顶既有线区间结构底板与车站单层断面顶 部净距部净距2 2. .858858m m。由于既有区间地铁轨道允许沉降小由于既有区间地铁轨道允许沉降小， 传统的超前支护技术不能控制车站暗挖施工引起的传统的超前支护技术不能控制车站暗挖施工引起的 过量地层位移过量地层位移。因此因此，采

43、用了双排采用了双排600600大直径钢大直径钢 管管，长长2828m m一次施作；振动锤夯入一次施作；振动锤夯入，螺旋钻出土的螺旋钻出土的 施工方法施工方法，取得了工程的预期效果取得了工程的预期效果。 (1)北京地铁五号线崇文门站穿越既有地铁段北京地铁五号线崇文门站穿越既有地铁段 北京地铁五号线东四站穿越朝内菜市场段北京地铁五号线东四站穿越朝内菜市场段，为为 严格控制暗挖施工沉降严格控制暗挖施工沉降，采用采用159159长长5050. .5454m m、 间距间距0 0. .5 5m m拱部大管棚预支护拱部大管棚预支护。由于该区段管棚由于该区段管棚 一次施作长度大一次施作长度大，普通钻机无法施

44、作普通钻机无法施作，采用地采用地 质钻机引孔质钻机引孔、振动锤夯入振动锤夯入、管内高压水出土的管内高压水出土的 施工方法施工方法，也取得了工程的预期效果也取得了工程的预期效果。 (2)北京地铁五号线东四站穿越地面建筑物段北京地铁五号线东四站穿越地面建筑物段 6.3.2 管幕预支护的特点管幕预支护的特点 因管幕钢管顶入时因管幕钢管顶入时，正面土体封闭形式正面土体封闭形式、开挖方法开挖方法 和出土方式的不同和出土方式的不同，形成了不同类别的管幕施工方形成了不同类别的管幕施工方 式式，但均遵循一个共同的原理但均遵循一个共同的原理，即无论是否使用工即无论是否使用工 具管具管，首节切入管均是切土顶进首节

45、切入管均是切土顶进，切入段的长度视切入段的长度视 地层松软和稳定性的不同而不同地层松软和稳定性的不同而不同，如采用全长切土如采用全长切土 顶入顶入。因此因此，管幕施工自身对地层扰动极小管幕施工自身对地层扰动极小，施工施工 安全可靠安全可靠。管幕作为隧道施工的预支护管幕作为隧道施工的预支护，管幕自身管幕自身 施工遵守着预支护原理施工遵守着预支护原理。因此：因此： (5)高精度的管幕机研制或购置费用较高高精度的管幕机研制或购置费用较高，但作为隧但作为隧 道预支护一次顶进长度较短时道预支护一次顶进长度较短时，其精度要求相对其精度要求相对 较低较低，也可采用较为简单的正面土体开挖方法和也可采用较为简单

46、的正面土体开挖方法和 出土方式出土方式。 (2)可以在不采用气压振动条件下可以在不采用气压振动条件下，使钢管顶入使钢管顶入，不不 扰动砂土和淤泥地层；扰动砂土和淤泥地层； (3)可以在既有建筑物邻近施工可以在既有建筑物邻近施工，小直径管自身顶入小直径管自身顶入 施工引起的地表沉降通常可控制在施工引起的地表沉降通常可控制在3mm以内以内，一一 般不需对建筑进行基础托换和地下管线改移；般不需对建筑进行基础托换和地下管线改移； (4)预支护钢管埋入土体不能再回收预支护钢管埋入土体不能再回收，成本较高；成本较高； (1)该工法施工时无噪音和震动该工法施工时无噪音和震动，不影响城市道路交不影响城市道路交

47、 通；通； 6.3.3 施工步骤施工步骤 (1)工作面封闭或加固处理工作面封闭或加固处理 对待预支护的隧道或导坑工作面进行封闭对待预支护的隧道或导坑工作面进行封闭。 (2)推进基坑或反力座准备推进基坑或反力座准备 根据所采用推进设备的作业要求根据所采用推进设备的作业要求，铺设推进铺设推进 机作业轨道或修筑顶力后背机作业轨道或修筑顶力后背，以及顶入管的以及顶入管的 安装安装，存放场地存放场地。 (3)推管推管 利用推进设备利用推进设备，将整长或分节管推入地层将整长或分节管推入地层， 形成管幕的预支护拱形成管幕的预支护拱。 (4)隧道开挖隧道开挖 在管幕的超前支护下在管幕的超前支护下，进行隧道开挖进行隧道开挖。 6.3.4 大刚度管幕预支护的力学作用大刚度管幕预支护的力学作用 管幕预支护因其大刚度及大长度管幕预支护因其大刚度及大长度，末端支撑末端支撑 在已支护结构上在已支护结构上，前端伸入未扰动地层很远前端伸入未扰动地层很远 或也支撑在托拱上或也支撑在托拱上，使掌子面开挖地层由未使掌子面开挖地层由未 扰动的初始平衡直接转换到建成隧道的最终扰动的初始平衡直接转换到建成隧道的最终 平衡平衡，这一点这一点，使管幕预支护优于所有传统使管幕预支护优于所有传统 预支护技术