隧道軟弱破碎巖層輔助支護超前小導管施工

朵永輝

隧洞工程超前小導管注漿是在地基處理灌漿法基礎上發展起來的一項圍巖加固止水新方法。它是不良地質隧道工程施工常用的一種開挖輔助措施，具有超前支護作用。超前小導管注漿輔助支護的基本原理是沿開挖輪廓線周圍按一定的傾斜角度將超前小導管打入，使用注漿設備將水泥漿液壓入小導管內，并通過管壁的注漿孔注入巖層孔隙或裂隙中，排除其中的空氣和水而凝成固結體，在圍巖周圍形成一個加固圈，起到超前支護的作用，對巖層進行改良，從而在此圈的掩護下安全的進行開挖作業。

1 工程概況

本合同段司馬臺隧道位于北京市和河北省交界處司馬臺長城腳下，為分離式雙車道單向高速公路隧道，左幅范圍 LK1+888.5～LK3+162，長1 273.5 m，Ⅱ類圍巖長度30 m，占隧道總長度的2.3%，Ⅳ，Ⅴ類圍巖長度1 243.5 m，占隧道總長度的97.7%;右幅范圍 RK1+909.5～RK3+190.5，長 1 281 m，Ⅱ類圍巖長度30 m，占隧道總長度的2.3%，Ⅳ，Ⅴ類圍巖長度1 251 m，占隧道總長度的97.7%。建筑界限:凈寬10.75+2×0.75=12.25m，凈高5 m，為2.1%上坡。設計行車速度:按80 km/h設計。復合式襯砌在初期支護和二次襯砌之間設復合防水卷材。Ⅱ類圍巖超前支護結構圖見圖1。該隧道進口處為偏壓、淺埋段，最淺埋深為2.5 m，圍巖部分已處于風化殼，屬元古代強風化鉀長花崗巖;從開挖的巖層來看，節理裂隙發育，層間結合差，呈大塊狀結構、碎塊結構狀，巖塊間咬合力差，夾層雜亂，風化嚴重，巖層較軟，易掉塊，巖石自穩能力差。為保證在以上巖層作用結構下能夠順利進洞，我們采用了超前小導管注漿輔助支護與初期支護相結合的方法，實踐證明此方法能夠有效固結軟弱、破碎巖層。

2 注漿材料和小導管施工參數的確定

2.1 注漿材料確定

小導管注漿材料可分為粒狀材料和化學漿材兩類，粒狀漿材主要有純水泥漿和黏土水泥漿，一般用于裂隙寬度大于1 mm的軟弱、破碎帶。根據司馬臺隧道進洞的圍巖情況(節理發育、裂隙較大、夾層雜亂、石質較軟)及施工原材料廣泛、方便的情況，我們選用水泥漿液。根據超前小導管注漿后，架立格柵鋼架及系統錨桿、掌子面鉆眼、裝藥施工時間約5 h，能夠滿足水泥漿液凝固時間，不會因放炮受到很大影響。

2.2 超前小導管施工參數確定

超前小導管采用φ 50 mm無縫鋼管，導管長度為4 m。

超前小導管沿隧道開挖輪廓線151°布置，向外傾斜，傾斜角為10°，遇淺埋段時，為避免小導管穿透巖層，可適當減小傾斜角度。

小導管環向間距0.33 m，縱向排距 2.5 m。注漿壓力為0.5 MPa～1.0 MPa。注漿參數確定:水泥水灰比:W/C=1∶0.45。注漿擴散半徑 R確定:R=(0.6～0.7)L0。其中，L0為小導管中心間距，m。單根小導管注漿量 Q按下式計算:Q=πR2Ln。其中，R為水泥漿液擴散半徑，m;L為小導管長度，m;n為圍巖空隙率，%。

3 施工方法

1)施工準備。a.熟悉設計圖紙、地質，確定注漿原材料來源。b.通過試驗確定注漿半徑、注漿壓力、單管注漿量，選取小導管縱環向間距。c.檢查注漿所用設備的良好性，連接管路的密封性能。d.準備注漿工作平臺。2)小導管制作。小導管采用φ 50 mm，壁厚4 mm無縫鋼管，管壁周圍鉆φ 8 mm、間距為15 cm的梅花狀注漿孔，距管尾15 cm用φ 10 mm鋼筋焊成圓形鋼箍，套在小導管外圈(見圖2)。3)鉆孔。由測量人員用紅漆在掌子面周圈按設計要求準確點出鉆孔位置，然后炮工用鉆機對準點位直接鉆孔至設計深度，鉆孔孔徑一般比小導管外直徑大1.0 cm～1.5 cm，鉆孔中鉆機需隔開一定距離，否則因鉆機向巖體注水過多，可能導致圍巖塌滑。4)安設小導管。鉆到設計深度后，用水或高壓風清孔，確保孔體通暢。用不帶鉆桿的鉆機本身將小導管打入，桿尾外露15 cm，確保桿尾鋼箍封閉鉆孔與小導管之間的縫隙。5)拌漿。用拌漿機按試驗配合比拌制水泥漿，水與水泥用秤進行稱量，水泥漿要攪拌均勻，不要留有水泥塊。注漿過程中人工用鐵鍬隨時攪拌貯漿筒中水泥漿，防止水泥沉淀造成不均勻現象。6)注漿。注漿前用噴錨料封閉小導管周圍巖體，防止漏漿;并用清水進行試壓，檢查注漿泵與其管路是否正常。注漿順序從拱頂順序對稱向下進行，先注無水孔，后注有水孔。如果有竄漿或跑漿現象，則可間隔一孔或數孔灌注。注漿結束后，利用止漿閥保持孔內壓力，直至漿液完全凝固。注漿過程中應控制注漿量，即每根小導管內以達到規定注入量時就可結束;若孔口壓力已達到規定壓力值而注入量尚不足時，亦應停止注漿，以防止壓裂開挖面。7)注漿效果檢查。注漿結束后應鉆孔檢查，根據芯樣鑒定注漿量是否達到設計計算要求;根據注漿量判斷注漿過程中漏漿是否嚴重，并估算擴散半徑是否與設計計算相符。如果總注漿量未達到設計要求，應進行補孔注漿。

4 注漿處理后的效果

1)據巖體力學方法分析，隧道施工中支護結構與圍巖相互作用，組成一個共同承載體系，其中圍巖為主要的承載結構。超前小導管注漿預支護對軟弱、破碎圍巖地段施工，改善了巖體的物理力學性能。從開挖的已加固圍巖段來看，水泥漿液能夠在巖體裂隙中互相串通，使巖層擠壓填充密實，膠結牢固，充分發揮了圍巖的自穩能力。為司馬臺隧道進洞口存在淺埋、偏壓的情況下能夠順利進洞提供了前提保障。2)通過小導管注漿擠壓和水泥漿水化作用下，使固結范圍內的巖層含水量得到了有效的降低，經取樣做含水量對比試驗知:含水量降低了53.6%。3)小導管注漿擠密預超前支護施工，減少了小塌方事故發生，保證施工中的安全，保持了正常施工秩序，提高了工作效率，使進度有了明顯的加快。4)小導管注漿后與圍巖形成整體，起到管棚的作用;同時小導管與格柵鋼架焊接形成一體，使圍巖下沉壓力能夠均勻分部到鋼拱架上，更能夠加強圍巖的整體性，提高圍巖的自穩能力，能充分體現新奧法施工的特點。

5 施工中的體會

超前小導管注漿工作看似簡單，但它關系到開挖工序的安全和開挖的進展速度。如注漿方法不當或注漿技術不過關，使漿液未按設計要求準確地進入預定的注入范圍，會出現沒注到的部位，即遺漏部位，這些情況就是日后出現漏水、塌方事故的禍根。因此，控制好小導管注漿的每一道工序，才能保證超前支護起到應有的作用，為下道工序提供安全、進度保障。

在施工過程中，注漿這一道工序尤為關鍵，注漿壓力可通過壓力表進行控制，而注漿量的控制比較困難，我們在注漿管路上安裝記錄漿液流量的流量計，使用這一裝置，可以使我們更準確地記錄注漿量，掌握注漿壓力與注漿量的關系，把這一結果用于施工指導，使注漿效果更加理想。

[1] 黃成光，于敦榮.公路隧道施工[M].北京:人民交通出版社，2001.

[2] 陳豪雄，殷 杰.隧道工程[M].北京:中國鐵道出版社，1995.