2) 优缺点及适用范围 一般而言，锚杆是岩石隧道施工预加固和初期支护中应用最为广泛的一种技术手段，具有操作简单、施工方便、作用效果快等特点。但在软土隧道，尤其是Ⅳ级以上围岩，由于围岩自身稳定性很差，隧道拱部采用锚杆作为超前预加固的作用效果很小，超前锚杆宜改为超前小导管预注浆。
2) 优缺点 施工设备简单，工艺简单，工序交换容易，施工速度快; 可以根据实际情况，随时确定小导管注浆的使用与否，并能配套使用多种注浆材料，造价较低; 小导管注浆压力较小，对周边建构筑物及地下管线影响小。此外，小导管注浆适应性强，可以根据实际情况，随时变更施工方法。缺点是小导管注浆施工规模小，加固范围相对较小; 注浆效果不均匀，不能有效形成加固范围，可靠性较差; 控制地表沉降的效果一般，是一种近距离超前支护方法。
3) 适用范围 超前小导管注浆是城市隧道浅埋暗挖法施工中最为常用的超前注浆预加固处理方法，该方法已经成为浅埋暗挖隧道的常规施工工序，在Ⅳ级及其以上围岩，无特别风险源的情况下被大量采用。但对于风险较大的工程，一般不单独采用，需要与其他地层预加固技术配合使用。
2) 优缺点 一次施作长度大，支护效率高; 刚度大、承载能力强; 对控制塌方和抑制地表沉陷有明显的效果，是防止地中及地面结构物开裂、塌倒的有效方法之一; 若采用非开挖技术，管棚打设方向可控，一次支护距离更长，但造价相应提高，精度要求也高、施工速度慢; 此外，大管棚施工需要预留操作空间，或扩大断面，施工可能受限; 单独使用，止水效果一般，且由于纵向搭接设置第二排管棚难度大等原因，只在特殊地段、通过距离不长的不良地层或不稳定地层处开挖洞门时采用。
3) 适用范围 适用于软弱砂土质地层、砂卵砾石地层，膨胀性软流塑、硬可塑状粉质黏土地层，裂隙发育岩体、突泥突水段、断层破碎带、浅埋大偏压等地质条件的地下构筑物的超前支护; 隧道进出口段及大断面隧道施工的超前支护; 也可作为邻近或穿越既有建筑物、公路、铁路及地下结构物等对沉降有特殊要求工程的辅助施工方法。
2) 优缺点 质量优、均匀性好; 强度高，承载力大;抗渗性好; 效率高; 安全可靠; 可控性强; 经济实用，成本较低。但桩长受限制，一般水平旋喷桩长 8 ～ 15m;在风化破碎围岩中，成孔效率低; 浆液扩散范围较小，对有结石物或硬物阻碍时无法达到所需加固范围; 水灰比较大，固结体收缩也较大; 在砂质不均匀的土层中可能会产生问题。
3) 适用范围 适用于处理淤泥、淤泥质土、流塑、软塑或可塑黏性土、粉土、砂土、黄土、素填土和碎石土等地层。对于含大粒径块石、大量植物有机质以及地下水流速过大和已涌水的场地，适用性差，应根据现场适应结果确定。
1． 5 注浆预加固
1) 加固原理 以化学胶结作用、惰性填充作用、离子交换作用等方式改善土的物理力学性质。
2) 优缺点 施工设备简单; 规模小、耗资少; 占地面积小、施工灵活方便; 工期短、见效快; 地层适应性和适用性强; 施工噪声和振动小; 加固深度可深可浅，易于控制; 应用领域广泛。但注浆理论与实际有较大误差，注浆设计在很大程度上依靠经验以及现场试验; 注浆效果很大程度上取决于浆液配比、注浆方法和注浆工艺，若选择不当，将可能导致注浆失败，或可靠性不良。
3) 适用范围 根据不同的工程地质与水文地质条件，采用不同的注浆材料、浆液配比、注浆工艺，可适用于各种地层。尤其二重管双液注浆技术通过 A，B，C 3种浆液的不同配比组合，不仅能起到加固作用还能起到止水作用，适用范围广泛。
1． 6 冻结法
1) 加固原理 利用人工制冷技术，使地层中的水结冰，将松散含水岩土变成人工冻土，增加其强度和稳定性，在要开挖体周围形成封闭的连续冻土帷幕，以抵抗土压、水压并隔绝地下水与开挖体之间的联系。
2) 优缺点 适用范围广泛，隔水性能好，冻结壁强度高; 对地层扰动较小，地面沉降控制较好; 冻结地层具有复原性，不会影响日后建筑物管线的埋设; 可灵活地布置冻结孔和调节冷冻液的温度，冻土墙的连续性和均匀性好，比其他地层加固方法可靠。但施工周期长，对冻结设备、人员素质及管理水平要求较高，工艺复杂、技术要求较高，冻结施工费用昂贵; 地下水含盐量过高及地下水流速度过快，难以冻结; 要较大功率的电源。
3) 适用范围 适用于软土、流砂层、砾石地层以及高水压或高土压地层; 由于冻结法无烟、无震动、无冲击和强烈噪声，因而适合于环保要求严格的地方; 冻结法对地下水几乎无影响，因而适合那些对地下水位及水质控制严格的地方; 冻结法几乎以地层本身的物质形成支护体系，基本不要其他材料，因而在三材缺少或太贵地方，冻结法不会受影响。
1． 7 管幕法
1) 支护原理 管幕法属于大刚度管棚，是管棚中的特例，是与施工方法相关的联动体系。通过顶入钢管组成管幕，随后在内部边开挖边支撑，直至管幕段开挖贯通，再浇筑结构体。
2) 优缺点 不影响地面交通、地层扰动小; 无噪声、无振动，可以 24h 施工; 不抽取地下水，地面沉降小; 可以在既有建筑物邻近施工，一般不需对建筑进行基础托换和地下管线改移; 管幕钢管锁口注浆片可有效防止渗漏水; 预支护钢管埋入土体不能再回收，成本较高; 高精度的管幕机研制或购置费用较高，工程投入大，单位延米造价高。
3) 适用范围 该工法适用范围较广，但需要结合主体结构设计与施工方法整体考虑。从国外已有的工程实例来看，管幕法适用于回填土、砂土、黏土、岩层等各种地层，国内在沈阳地铁新乐府站刚成功应用，还没有形成相关规范标准。
总之，对于地层预加固的各种技术，管棚法必须有专用钻机，施工空间要求高，一次花费较大; 预注浆施工范围大，施工程序简单，但可靠性难以确定; 冻结法费用很高，从施工准备到发挥作用的时间很长; 水平高压旋喷法施工设备多，系统庞大; 超前小导管与前几种方法相比施工工艺相对简单得多，支护技术在很小的空间内利用简单的手持风钻即可进行钻眼及布管工作，遇到地层变化时可随时调整施工方案，但应对工程风险的能力差，一般只作为常规加固技术和其他预加固技术的补充。可见，各种地层预加固技术各有优缺点，在应用选择时，除了必须考虑技术上的适用性以外，还应该在施工成本和施工效率等方面择优选择。
2 地铁工程地层预加固技术综合比较
2． 1 棚式预支护与注浆的技术比较
大管棚、水平旋喷桩和预切槽可被列为预支护技术。它们各有优缺点，钢管棚强度高，但耗钢量大，在富 水地层还会从管间缝隙漏水。预切槽拱厚均匀，但长度有限，在极软含水地层中槽孔不易保持。水平旋喷桩既有一定强度又能防止渗漏，在极软地层中可以有效控制上方土体变形。但在洞内施工时，都需要设置工作间。因此，棚式预支护施工时需要提高一定距离，就必须先将工作断面局部扩大，如图 1 所示。
工作间按钻机尺寸和工作特点设计，一般比隧道断面加宽 500 ～800mm，长度 5 ～8m。如果只进行一个循环作业，则工作间相对简单、风险也小，但如果循环较多时，施作多个工作间就存在着 3 个问题。
1) 为施作工作间，隧道断面加大后，开挖难度加大，开挖风险增加。
2) 若循环作业后未能按设计开挖到位，工作间尺寸将满足不了要求，将无法进行正常管棚作业。
3) 由于工作间采取扩挖断面形成，既增加了开挖费用，又增加了回填混凝土费用，浪费大。
而注浆加固可以在隧道内任意位置、任意角度进行，施工限制少、灵活性强。
此外，棚式预支护一般是对隧道拱部或边墙外侧前方土体进行预加固，虽然它也可以注入浆液，改善周边土体的物理力学性质，但是毕竟作用范围有限，主要还是发挥梁拱效应，起到棚架的作用。而注浆加固范围可以灵活设定，尤其在软流塑地层，对掌子面前方核心土体的注浆加固能不同程度的减小掌子面塑性破坏区的面积和深度，控制掌子面向隧道内的挤出变形。而单独设置管棚时，对超前核心围岩的预收敛变形影响不大。
虽然注浆加固对控制掌子面核心土体系的稳定效果较好，但是对于围岩条件特别差的大跨度隧道，管棚的棚架作用更能发挥优势。北京地铁 10 号线光华路车站中洞采用洞桩法施工，单拱单跨初支扣拱跨度达16． 2m，覆跨比 0． 5，矢跨比仅 0． 28，穿越地层为粉土层; 中洞与侧洞净间距仅为 4． 54m，且长距离并行，群洞效应突出，施工难度很大。施工采取“一次性导向跟管钻进工法”，在中洞拱部通长设置Ф159mm ×8mm 大管棚，中、侧洞之间土体采取注浆加固，中洞上拱 10m跨度一次性开挖扣拱，未做任何支撑，拱顶沉降值平均23． 15mm，地表沉降为 8． 31mm，小于控制标准。中洞一次性扣拱的成功，就是充分发挥了大管棚的作用。
因此，对于不同的地层、不同的跨度，就要合理选择地层超前预加固方法，发挥每种工法的长处，若单一的某一种加固方式不能完全保证隧道开挖后围岩的稳定，有时甚至需要组合使用。南京地铁鼓楼站至玄武站区间隧道工程采用“大管棚 + 小导管超前预注浆 +掌子面后退式注浆加固”成功通过了软流塑地层，并按要求控制了地面沉降，充分发挥了组合加固技术的长处。
2． 2 旋喷桩与管棚的技术比较
综合对比水平旋喷桩超前支护和管棚超前支护两种目前应用较多的超前支护方式发现: 两者在纵向的梁效应作用机理和力学规律较为一致; 在平面上，水平旋喷桩应考虑其壳效应，即水平旋喷桩的整体性，而管棚支护由于钢管强度远大于土体，且钢管之间无法有效连接，不具有整体性。故在计算各区域基床系数时，二者有较大差别。反应到地层变形的传递上，水平旋喷桩的壳效应可以减小变形的作用范围和程度。
在工作面开挖效应方面，由于暗挖法施工是工作面开敞式施工，土体由初始三向受力状态改为单向受力状态，使得土体抗压强度大幅降低而导致破坏。此规律，水平旋喷桩与管棚支护基本相同，在软弱地层需要通过注浆或工作面正面锚杆支护来提高土体单轴抗压强度或降低土体应力释放的程度，从而控制沉降。
与管棚不同，水平旋喷桩固结体本身的强度随着直径的增加变化不是很大，而管棚的直径却直接代表管棚的刚度，直径越大，管壁越厚，管棚刚度越大。在管棚荷载和支撑条件保持不变的情况下，管径存在最优值。当超过这一值时，管棚挠度曲线趋于收敛，且收敛速度很快，这说明此时单纯靠增加管径来控制管棚沉降收效甚微。在考虑水平旋喷桩固结体平面壳效应的情况下，不同直径的水平旋喷桩超前支护与其纵向挠度的关系形式如何尚没有理论依据和成果可以参考，故不能下结论。这是因为直径变化时，管棚支护所对应的各区域弹簧基床系数是不变的，而采用水平旋喷桩支护时，各区域弹簧基床系数会随着水平旋喷桩直径的变化而变化，情况更为复杂。
在对地层的改良方面，大管棚也可以注浆，但这种注浆主要是一种填充注浆，对地层的改良有限，难以形成完整连续的固结体。这样管棚之间必然存在很多渗水通道，在地下水较多的地方，大管棚的止水效果不好。而水平旋喷桩通过高压浆液切割土体，固结体是浆液与土以半置换或全置换的方式凝固而成的，且相互之间咬合形成一个帷幕结构，能起到止水作用。
2． 3 旋喷桩加固与注浆加固的技术比较
从广义上讲，水平旋喷桩加固和注浆加固都是采用注浆的方法，改善土体的物理力学性质，提高地层的抗剪强度，两者同属于注浆的范畴。但静压注浆一般压力较低，注浆压力随着浆流遇到的阻力增大而升高，浆液注入后为流动状态，通常所说的注浆泛指静压注浆。而高压旋喷注浆一般压力( 20 ～ 70MPa) 较高，流体在喷嘴处呈射流状切割、置换土体。由于作用机理的不同，两者加固的效果也不同，具体如下。
1) 高压旋喷高速浆液喷流被限制在破碎的范围内，浆液不易窜入土层较远的地方，可以确保预期的改良范围和形状。而注浆加固的范围一般不易控制和准确确定。
2) 高压旋喷桩通常采用水泥浆液，材料成本低，耐久性较好，且不会污染环境和地下水资源。而注浆加固的材料就相对复杂多变一些，需要根据具体地层条件选取，尤其化学浆液，价格较贵。
3) 在相同的地层条件下，高压旋喷桩止水加固对地面、地下管线和隧道洞内的影响相比注浆加固要小，但费浆较多，处理麻烦。
因此，相比注浆技术，高压旋喷桩技术具有成本低、速度快、效率高、固结体坚固、质量可靠等优点。但对于砾石直径较大、含量过多、风化破碎岩层以及有大量纤维质的腐殖土喷射质量较差，有时甚至不如静压注浆; 此外，对于地下水含量较大、流速过快的地层，旋喷桩经常难以成桩。而注浆技术灵活多变，适应性很强，尤其二重管双液注浆技术，通过水玻璃类浆液和水泥类液浆的灵活组合，即便在水流较大的流砂层和风化破碎岩层，也能很好的起到止水和加固作用。
2． 4 各地层预加固技术的经济比较
为了准确比较水平旋喷桩、大管棚、深孔注浆 3 种地层预加固技术的经济效益，假设这 3 种技术应用在同一施工条件下，加固断面为地铁暗挖区间标准断面，加固范围为隧道拱部 180°区域，地层孔隙率 40%。其中: ①水平旋喷桩: 桩径Ф500mm，环向间距 300mm，桩长 15m，水泥用量 160kg/m，采用单管工艺; ②大管棚:直径Ф108mm ×8mm，环向间距 300mm，长 15m，注 1∶ 1水泥浆，采用普通地质钻施工工艺; ③深孔注浆: 采用二重管双液注浆工艺，加固范围拱部 180°开挖线外2m，注浆浆液采用水泥-水玻璃双浆液( AC 液) 。
采用以上 3 种方法加固地层，折合成隧道每延米造价的经济比较如表 1 所示。
通过上表可见，采用常规工艺和机械材料施工，水平旋喷桩单管法每延米综合造价最低，二重管双液注浆加固每延米综合造价较高。考虑到水平旋喷桩和大管棚在隧道内施工时，需要设置工作间，由于工作间采取扩挖断面形成，既增加了开挖费用，又增加了回填混凝土费用; 此外，不同地层和含水情况、不同的旋喷工艺，水平旋喷桩每延米水泥用量相差较大，对成本影响较大; 同样，对于不同的地层和打设长度，大管棚施工需要采用不同的工艺，其施工成本从 200 ～ 600 元/m不等，变化较大。而二重管双液注浆技术就采用 AB、AC 两种浆液，通过材料的不同配比和复合，适应不同的地层需要，工艺和成本变化不是很大。
3 结语
通过从加固原理、优缺点、适用范围、技术与成本对比 4 个方面对超前锚杆预加固、超前小导管预加固、管棚预支护、高压旋喷桩预支护、注浆预加固，以及冻结法、管幕法等 7 种地层预加固技术进行了综合分析比较。从工程适用性上看，注浆预加固相较高压旋喷桩预支护和管棚预支护等加固技术，具有更广泛的适用性，能够满足各类工程的不同加固需要; 从经济角度来看，水平旋喷桩预支护相较注浆预加固和管棚预支护成本较低，但水平旋喷桩预支护与管棚预支护工艺性较强，不同的施工工艺，成本相差较大。综合比较，注浆预加固技术在经济技术上都具有一定优势性。
总之，地铁工程中，地层预加固技术的选择，从技术经济角度考虑一般遵循以下顺序: 小导管( 不注浆) 、小导管( 注浆) 、长短结合小导管( 注浆) 、旋喷桩( 包括垂直和水平向) 与洞内深孔预注浆、大管棚( 注浆) 、冻结法加固。
参考文献:
［1］ 杨甲豹． 破碎围岩中管棚预支护理论［D］． 长沙: 中南大学，2010．
［2］ 周顺华，董新平． 管棚工法的计算原理及其应用［M］． 上海: 同济大学出版社，2007．
［3］ 周捷． 大断面隧道超前预加固适用性研究［D］． 成都: 西南交通大学，2010．
［4］ 雷小朋． 水平旋喷桩预支护作用机理及效果的研究［D］． 西安: 西安科技大学，2009．
［5］ 刘建国． 水平旋喷搅拌桩工法应用研究［J］． 北京: 铁道工程学报，2002( 6) : 103-104．
［6］ 黄树炉． 砂卵石地层浅埋暗挖隧道近桥桩施工注浆加固技术研究［D］． 北京: 北京交通大学，2007．
［7］ 陈湘生，陈朝辉，罗小刚． 岩土工程技术最新进展———全向冻结施工技术［J］． 地下空间，1999( 10) : 297-302，339．
京公网安备 11010202007575号