湖北水利水电职业技术学院 教 师 授 课 教 案 课程名称：水利水电工程施工技术 200 年至200 年第 学期第 40 次课 授课班级： 03级水工 编制日期： 年 月 日 课题（章节）： 第十章 隧洞工程 10.3 喷锚支护技术  10.4 隧洞施工安全技术  传授主要知识点：  锚杆支护、 喷混凝土支护、隧洞施工安全技术  传授主要技能点：  掌握隧洞锚杆支护的施工方法特点 （2）掌握隧洞开挖方法。  了解隧洞施工安全技术措施  教学步骤安排： 1、复习上节课内容  2、讲述喷锚支护技术  3、讲述隧洞施工安全技术  4、小结本次课内容  授课方式： 1、课堂讲授  2、多媒体演示   3、介绍典型的施工实例  教学手段：  板书、多媒体、相关施工图片  作业布置情况：  利用课后习题进行练习，巩固知识，补充习题。    课后分析与小结：           第三节 喷锚支护技术 喷锚支护是喷混凝土支护、锚杆支护及喷混凝土与锚杆、钢筋网联合支护的统称。它是地下工程支护的一种新型式，也是新奥地利隧洞工程法（简称新奥法）的主要支护措施。喷锚支护适用于不同地层条件、不同断面大小的地下洞室工程，既可用作临时支护也可用作永久性支护。 喷锚支护是在隧洞开挖后，及时在围岩表面喷射一层厚3~5cm的混凝土，必要时加上锚杆、钢筋网以稳定围岩。这一层混凝土一般作为临时支护，以后再在其上加喷混凝土至设计厚度作为永久支护。这种施工方法称为“新奥法”。 “新奥法”所依据的理论与现浇混凝土支撑拱的理论显著不同。现浇混凝土衬砌的理论是把围岩当作衬砌设计的主要荷载，而“新奥法”是在隧洞开挖后围岩产生大量变形以前在围岩石表面喷射一层混凝土，以期达到以下目的：密封围岩、防止围岩风化；粘结和填充围岩裂隙，防止围岩松动；加固围岩，提高其强度和整体性。新奥法的理论依据是通过对围岩的适时支护，来控制和调整围岩中的应力，防止围岩开挖后产生过渡松动或坍塌，使围岩在与喷锚支护的共同变形中取得稳定。新奥法把“围岩是结构的荷载”的理论转化为“围岩是承载结构的重要组成部分”，围岩荷载由围岩与支护共同承担，从而减少衬砌的厚度。从我国已建隧洞工程的实际来看，采用喷锚支护，可以减少衬砌工程量50%以上，节约水泥1/2~1/3，减少劳动力和工程投资50%左右，缩短工期50%以上。喷锚支护，不需要安装模板，也不需要进行回填灌浆，操作方便，施工安全。 一、锚杆支护 锚杆是为了加固围岩而锚固在岩体中的金属杆件。锚杆插入岩体后，将岩块串联起来，改善了围岩的原有结构性质，使不稳定的围岩趋于稳定，锚杆与围岩共同承担山岩压力。锚杆支护是一种有效的内部加固方式。 1、锚杆的作用 （1）悬吊作用。即利用锚杆把不稳定的岩块固定在完整的岩体上，如图11-26（a）。 （2）组合岩梁。将层理面近似水平的岩层用锚杆串联起来，形成一个巨型岩梁，以承受岩体荷载，如图11-27（b）。 （3）承载岩拱。通过锚杆的加固作用，使隧洞顶部一定厚度内的缓倾角岩层形成承载岩拱。但在层理、裂隙近似垂直，或在松散、破碎的岩层中，锚杆的作用将明显降低，如图11-27（c）。  图11-26 2、锚杆的分类 按锚固方式的不同可将锚杆分为：张力锚杆和砂浆锚杆两类。前者为集中锚固，后者为全长锚固。 （1）张力锚杆 张力锚杆有楔缝式锚杆和胀圈式锚杆两种。楔缝式锚杆由楔块、锚栓、垫板和螺帽等四部分组成，如图11-28（a）。锚栓的端部有一条楔缝，安装时将钢楔块少许楔入其内，将楔块连同锚栓一起插入钻孔，再用铁锤冲击锚栓尾部，使楔块深入楔缝内，楔缝张开并挤压孔壁岩石，锚头便锚固在钻孔底部。然后在锚栓尾部安上垫板并用螺帽拧紧，在锚栓内便形成了预应力，从而将附近的岩层压紧。 胀圈式锚杆的端部有四瓣胀圈和套在螺杆上的锥形螺帽，如图11-27（b）。安装时将其同时插入钻孔，因胀圈撑在孔壁上，锥形螺帽卡在胀圈内不能转动，当用扳手在孔外旋转锚杆时，螺杆就会向孔底移动，锥形螺帽作向上的相对移动，促使胀圈张开，压紧孔壁，锚固螺杆。锚杆上的凸头的作用是当锚杆插入钻孔时，阻止锚杆下落。胀圈式锚杆除锚头外，其他部分均可回收。  图11-27 （2）砂浆锚杆 在钻孔内先注入砂浆后插入锚杆，或先插锚杆后注砂浆，待砂浆凝结硬化后即形成砂浆锚杆，如图11-28。因砂浆锚杆是通过水泥砂浆（或其他胶凝材料）在杆体和孔壁之间的摩擦力来进行锚固的，是全长锚固，所以锚固力比张力锚杆大。砂浆还能防止锚杆锈蚀，延长锚杆寿命。这种锚杆多用作永久支护，而张力锚杆多用作临时支护。  图11-28  图11-29 先注砂浆后插锚杆的施工程序一般为：钻孔、清洗钻孔、压注砂浆和安插锚杆。钻孔时要控制孔位、孔径、孔向、孔深符合设计要求。一般要求孔位误差不大于20cm ，孔径比锚杆直径大10mm左右，孔深误差不大于5cm 。钻孔清洗要彻底，可用压气将孔内岩粉、积水冲洗干净，以保证砂浆与孔壁的粘结强度。 由于向钻孔内压注砂浆比较困难（当孔口向下时更困难），所以钢筋砂浆锚杆的砂浆常采用风动压浆罐（图11-29）灌注。灌浆时，先将砂浆装入罐内，再将罐底出料口的铁管与输料软管接上，打开进气阀，使压缩空气进入罐内，在压气作用下，罐内砂浆即沿输料软管和注浆管压入钻孔内。为了保证压注质量，注浆管必须插至孔底，确保孔内注浆饱满密实。注满砂浆的钻孔，应采取措施将孔口封堵，以免在插入锚杆前砂浆流失。 风动压浆罐的工作风压为0.5~0.6MPa；砂浆的配合比一般为0.4（水）：1.0（水泥）：0.5（细砂）。 安装锚杆时，应将锚杆徐徐插入，以免砂浆被过量挤出，造成孔内砂浆不密实而影响锚固力。锚杆插到孔底后，应立即楔紧孔口，24h后才能拆除楔块。 先设锚杆后注砂浆的施工工艺要求基本同上。注浆用真空压力法，如图11-30。注浆时，先启动真空泵，通过端部包以棉布的抽气管抽气，然后由灰浆泵将砂浆压入孔内，一边抽气一边压注砂浆，砂浆注满后，停止灰浆泵，而真空泵仍工作几分钟，以保证注浆的质量。  图11-30 3、锚杆的布置 锚杆的布置主要是确定锚杆的插入深度、间距及布置形式。 锚杆的布置有局部锚杆和系统锚杆。局部锚杆主要是用来加固危石，防止掉块。系统锚杆主要用来提高围岩的强度和整体性。锚杆的方向应尽量与岩体结构面垂直，当结构面不明显时，可与周边轮廓垂直。圆断面隧洞可采用径向布置。锚杆在平面上的布置要求呈梅花形或方格形。 锚杆的布置参数主要是通过工程类比和现场试验选择。系统锚杆，锚杆深入岩体深度一般为1.5～3.5m，但不一定要深入稳定岩层，当岩层破碎时，用短而密的系统锚杆，同样可取得较好的锚固效果。系统锚杆间距为插入深度的1/2，但不得大于1.5m。局部锚杆，必须插入稳定岩体内，插入深度和间距根据实际情况而定。大于5m的深孔锚杆应作专门设计。 二、喷混凝土支护 喷混凝土就是将水泥、砂、石等干料按一定比例拌和后装入喷射机中，再用压缩空气将混合料送到喷嘴处与高压水混合，喷射到岩石表面，经凝结硬化而成的一种薄层支护结构。喷射到岩面上的混凝土，能填充围岩的缝隙，将分离的岩面粘结成整体，提高围岩的强度，增强围岩抵抗位移和松动的能力，还能封闭岩石，防止风化，缓和应力集中。 喷混凝土支护是一种不用模板就能成型的新型支护结构，具有生产效率高，施工速度快，支护质量好的优点。 1、原材料及配合比 喷混凝土原材料与普通混凝土基本相同，但在技术上有一些差别。 水泥 普通硅酸盐水泥，强度等级不低于32.5MPa，以利混凝土早期强度的快速增长。 砂子 一般采用中砂或中、粗混合砂，平均粒径0.35~0.5mm。砂子过粗，容易产生回弹；过细，不仅使水泥用量增加，而且还会引起混凝土的收缩，降低强度，还会在喷射中产生大量粉尘。砂子的含水量应控制在4~6%之间。含水量过低，混合料在管路中容易分离而造成堵管；含水量过高，混合料有可能在喷射罐中就已凝结，无法喷射。 石子 用卵石、碎石均可作为喷混凝土骨料。石料粒径为5~20mm，其中大于15mm的颗粒应控制在20%以内，以减少回弹。石子的最大粒径不能超过管路直径的1/2。石料使用前应经过筛洗。 水 喷混凝土用水与一般混凝土对水的要求相同。 速凝剂 为了加快喷混凝土的凝结硬化速度，防止在喷射过程中坍落，减少回弹，增加喷射厚度，提高喷混凝土在潮湿地段的适应能力，一般要在喷混凝土中掺入水泥重量2~4%的速凝剂。速凝剂应符合国家标准，初凝时间不大于5min，终凝时间不大于10min。 喷混凝土配合比应满足强度和工艺要求。水泥用量一般为375~400kg/m3,水泥与砂石的重量比一般为1：4~1：4.5，砂率为45~55%，水灰比为0.4~0.5。 水灰比的控制，主要依靠操作人员喷射时对进水量的调节，在很大程度上取决于操作人员的经验。若水灰比太小，喷射时不仅粉尘大，料流分散，回弹量大，而且喷射层上会产生干斑、砂窝等现象，影响混凝土的密实性；若水灰比过大，不但影响混凝土强度，而且还可能造成喷射层流淌、滑移，甚至大片坍塌。水灰比控制恰当时，喷混凝土的表面呈暗灰色，有光泽，混凝土粘性好，能一团一团地粘附在喷射面上。水灰比的控制，除了提高操作人员的技术水平外，还必须维持供水压力的稳定。 2、混凝土喷射机 工程中常用的喷射机有冶建69型双罐式喷射机和HP－Ⅲ型转体式喷射机，如图11-31和图11-32。  图11-31  图11-32转体式喷射机 双罐式喷射机的工作原理是上罐储料，下罐工作，下罐中的干拌和料通过涡轮机构带动的输料盘，均匀地把料送到出料口，再通过压气送至喷嘴，在喷嘴处穿过水环所形成的水幕与水混合后高速喷射到岩面上。转体式喷射机的工作原理是混凝土干料从料斗落到一个多孔形的旋转体中，随孔道旋转至出料口，再在压缩空气的作用下将干料送至喷嘴，与高压水混合后喷射到岩面。转体式喷射机出料量可以调整，体积小，重量轻，操作简单，且可远距离控制，但结构复杂，制造要求高。 喷混凝土施工，劳动条件差，喷枪操作劳动强度大，施工不够安全。有条件时应尽量利用机械手操作。如图11-33为国产QPS-Ⅰ型机械手简图，它适用于大断面隧洞喷混凝土作业。  图11-33 3、喷混凝土施工 （1）施工准备 喷射混凝土前，应做好各项准备工作，内容包括：搭建工作平台、检查工作面有无欠挖、撬除危石、清洗岩面和凿毛、钢筋网安装、埋设控制喷射厚度的标记、混凝土干料准备等。 （2）喷枪操作 直接影响喷射混凝土的质量，应注意对以下几个方面的控制： 喷射角度 是指喷射方向与喷射面的夹角。一般宜垂直并稍微向刚喷射的部位倾斜（约10o），以使回弹量最小。如图11-34（b）所示。  图11-34 喷射距离 是指喷嘴与受喷面之间的距离。其最佳距离是按混凝土回弹最小和最高强度来确定的，根据喷射试验一般为1m左右。 一次喷射厚度 在设计喷射厚度大于10cm时，一般应分层进行喷射。一次喷射太厚，特别是在喷射拱顶时，往往会因自重而分层脱落；一次喷射也不可太薄，当一次喷射厚度小于最大骨料粒径时，回弹率会迅速增高。当掺有速凝剂时，墙的一次喷射厚度为7~10cm，拱为5~7cm；不掺速凝剂时，墙的一次喷射厚度为5~7cm，拱为3~5cm。分层喷射的层间间隔时间与水泥品种、施工温度和是否掺有速凝剂等因素有关。较合理的间歇时间为内层终凝并且有一定的强度。 喷射区的划分及喷射顺序 当喷射面积较大时需要进行分段、分区喷射。一般是先墙后拱，自下而上地进行，如图11-35所示。这样可以防止溅落的灰浆粘附于未喷的岩面上，以免影响混凝土与岩面的粘结，同时可以使喷混凝土均匀、密实、平整。  图11-35 施工时操作人员应使喷嘴呈螺旋形划圈，圈的直径以20~30cm左右为宜，以一圈压半圈的方式移动，如图11-35（a）所示。分段喷射长度以沿轴线方向2~4m较好，高度方向以每次喷射不超过1.5m为宜。 喷射混凝土的质量要求是表面平整，不出现干斑、疏松、脱空、裂隙、露筋等现象，喷射时粉尘少、回弹量小。 4、养护 喷混凝土单位体积水泥用量较大，凝结硬化快。为使混凝土的强度均匀增加，减少或防止不均匀收缩，必须加强养护。一般在喷射2~4h后开始洒水养护，日洒水次数以保持混凝土有足够的湿润为宜，养护时间一般不应少于14d。 隧洞施工安全技术 一、常见安全事故及预防措施 隧洞施工保证安全是十分重要的。要搞好施工安全工作，除了做好必要的安全教育、促使施工人员重视外，还必须采取相应的技术措施，确保施工顺利进行。 隧洞施工过程中可能产生的安全事故及处理、防止措施简述如下： （1）塌方 当隧洞通过断层破碎带、节理裂隙密集带、溶洞以及地下水活动的不良岩层时，容易产生塌方事故。特别是当洞室入口处地质条件较差时，更容易产生塌方现象。 防止塌方的主要措施是：详细了解地质情况，加强开挖过程中的检查，及时进行支撑、支护或衬砌。 （2）滑坡 滑坡主要发生在洞外明挖部分。一般是因地质条件不良所造成。 防止滑坡的主要措施是：放缓边坡，并在一定高度设置马道；对裸露岩石进行喷锚处理，防止风化和松动。 （3）涌砂涌水 当隧洞通过地下水发育的软弱地层和一些有高压含水层的不良岩层时，容易产生涌水现象。 防止涌水的措施是：详细了解涌水的地质原因，采取封堵和导、排相结合的措施处理，必要时利用灌浆进行处理。 （4）瓦斯中毒与爆炸 瓦斯类有害气体多产生于深层，特别是含煤的矿层中。 防止瓦斯中毒与爆炸的措施是：加强洞内通风和安全检查，严格控制烟火。 （5）小块坠石 爆破后及拆除支撑时都有可能产生小块坠石。 防止小块坠石的措施是：爆破后应做好安全检查工作，将松动的石块清除干净；进洞人员必须戴安全帽。 （6）爆破安全事故 因操作不当或未严格执行操作规程和安全规程而发生事故。 防止爆破安全事故的措施是：必须严格执行操作规程和安全规程，加强安全检查，完善爆破报警系统，妥善处理瞎炮。 （7）用电安全事故 洞内施工，动力、照明线路多，洞内潮湿，导致漏电或其他用电事故。 防止用电安全事故的措施是：选用绝缘良好的动力、照明供电电线，线路的接头处应采取预防漏电的有效措施，加强用电安全检查。 （8）洞内交通事故 隧洞施工，空间狭小，洞内运输工作量大，施工机械设备多，容易产生交通安全事故。 防止交通事故的措施是：加强洞内运输的组织和管理工作。 （9）临时支撑失效 因临时支撑的布置、维护不当而发生坍塌事故。 防治措施：重视临时支撑的结构设计和施工，加强临时支撑的维护和管理。 二、洞口段施工与塌方处理 1、洞口段施工 隧洞的洞口地段，往往是比较破碎的覆盖层，而且在降雨时有地面水流下，很容易发生塌方。洞口又是工作人员出入必经之地，必须做到安全可靠。 隧洞施工前，应结合地质和水文地质条件，选好洞口位置。洞口以外明挖段完成后，应先将洞口边坡、仰坡及地表排水系统做好，然后才能进洞。常用的进洞方式是导洞进洞，即在刷出洞脸后，先架好5~6排明箱（即明挖部分的支撑），其上铺以装砂土的草袋，厚1~2m，并用斜撑顶牢，然后放炮开挖导洞，边挖边架立临时支撑，支撑排架间距0.5~0.8m（如图11-36），以后再进行扩大部分开挖和衬砌。  图11-36 2、塌方处理 在不稳定的岩层中开挖隧洞，常会遇到塌方。塌方一旦发生，首先应突击加固未塌方地段，防止塌方扩大，并为抢险工作提供比较安全的基地。尽快查明塌方的性质和范围，根据具体情况，采取有效措施进行处理。 （1）小塌方，先支后清。对塌方体未将隧洞全部堵塞，塌方的间歇时间较长或塌方基本停止，施工人员尚可进入塌穴进行观察处理的小塌方，在清除之前，必须先将塌方的顶部支撑牢固，在清除塌方。支撑塌穴的方法应因地制宜。对于规模不大的塌方，塌穴高度较低时，可在渣堆上架设木支撑，将塌穴全面支护，边清边倒换成洞底支撑，如图11-37。  图11-37 （2）大塌方，先棚后穿。当塌方量很大，且已将洞口堵塞，或塌方继续不停地扩展，施工人员不易进入塌穴时，可将塌方体视为松软破碎的地层，按先棚后穿的原则进行处理。即先用硬质圆木（直径8~15cm，长约1m）向上倾斜打入塌方体中，并架立木支撑，再进行出渣，然后向前打入新的圆木并架立支撑，如此逐步向前推进，如图11-38所示。  图11-38