公路隧道軟弱圍巖超前支護與深空注漿施工技術研究

摘 要:本文基于筆者多年從事公路隧道施工的相關工作經驗，以公路隧道軟弱圍巖隧道超前支護與深空注漿施工技術為研究對象，論文詳細闡述了施工步驟與細節，全文是筆者長期工作實踐基礎上的理論升華，相信對從事相關工作的同行有著重要的參考價值和借鑒意義。

關鍵詞:淺埋偏壓 隧道施工 軟弱圍巖 注漿

中圖分類號:TB21 文獻標識碼:A 文章編號:1674-098X(2011)03(c)-0070-02

1 偏壓隧道的工程特性

1.1 偏壓隧道的定義

由于各種原因使對稱的隧道結構左右兩側所受荷載不同而使結構內力左右不對稱的現象稱為偏壓現象，出現偏壓現象的隧道稱為偏壓隧道。圍巖級別高，圍巖自身強度就低，隧道開挖引起的荷載全部或大部由隧道結構承擔，由于各種原因引起的不對稱荷載也就全部施加在隧道支護結構上。按照普氏和太沙基理論，隧道開挖后，其上方圍巖將形成天然平衡拱，而天然拱的形成與隧道埋深有關，埋深小時，無法形成天然拱，隧道承受的豎向荷載與地形便密切相關，因此偏壓隧道多數處于軟巖、淺埋且有較大地形橫坡的地段。

1.2 隧道偏壓的影響因素

影響隧道偏壓的因素有以下幾個方面:地形因素、地質因素和工程因素，其中前兩種屬于內在因素，第三種屬于外在因素。

(1)地形因素。

軟巖淺埋隧道隧址區地層中構造應力一般不易積累，地應力以自重應力為主。隨深度的變化，基本按靜水壓力狀態的形式存在。對于淺埋隧道，隧道結構承受的圍巖壓力為松動土壓力，即為隧道上部覆蓋巖土的自重減去巖土體假設破裂滑動面上的阻力。隧道結構四周荷載隨地表橫坡增大而增大，當地表橫坡較大，隧道支護結構內靠山一側受彎拉應力、靠溝側受壓應力作用，超過隧道結構承載極限時，就會出現偏壓破壞現象。

山體橫坡越大，軟質巖、巖堆、構造線附近的變質巖類地段山體易出現滑坡或滑動趨勢增大，滑面在隧道斷面內或隧道下方時，靠山側隧道結構會受很大的彎剪應力，外側拱腰及拱頂承受很大的壓應力。隧道有向外向上抬起趨勢，甚至整體旋轉而破壞。

(2)地質因素。

地質因素可分為圍巖的完整狀態、圍巖結構面性質、結構面組合狀態以及巖石單體強度等。圍巖結構狀態的完整程度受節理和裂隙發育程度來確定，節理裂隙愈發育，受節理裂隙的切割分裂，圍巖巖塊愈小，圍巖的φ值愈小，偏壓愈嚴重，同時圍巖完整性差，圍巖抗剪強度低，洞壁巖體不能承受由于隧道開挖而產生的較大的應力，松動圈較大。由于節理裂隙影響，松動圈不均勻性大，圍巖對支護結構產生的偏壓愈大;圍巖結構面性質是在各種不同的地質作用下形成的。

2 淺埋隧道特性研究

淺埋隧道與深埋隧道相比，主要是難以形成承載拱。淺埋隧道多數有地形偏壓、表層軟弱堆積物、風化帶、軟弱圍巖等對隧道開挖有很大影響的特殊地形、地質問題。在開挖過程中和開挖完成后會出現拱頂下沉急劇增大、隧道凈空收縮、地表開裂等，有時也會出現掌子面失穩。

所以，在這種情況下，要采取掌子面穩定措施和控制地表下沉措施。地表下沉與埋深有密切關系。埋深大時，在隧道橫斷面內形成了承載拱，開挖引起的下沉局限在隧道周邊，而埋深淺時，沒有形成承載拱，開挖下沉會直接達到地表面。在這種情況下，埋深小的隧道，因不能期待形成承載拱，故為防止支護下沉、增強支撐力而應采取必要的措施，并研究采用藥液壓注、垂直錨桿等輔助施工方法。淺埋隧道掌子面前方的先行下沉很大，會造成很大的地表下沉，因此，研究前方地層的改善、管棚、水平高壓旋噴等輔助方法是必要的。在淺埋偏壓軟弱圍巖隧道施工時，為了保證安全及工程質量，節約投資、加快進度和保證運營期間的安全，必須采用一定的技術措施，包括正確的施工方法，合理的支護形式等。因此淺埋偏壓軟弱圍巖隧道施工一直是隧道施工過程中需要面臨和解決的重要課題之一。

3 超前支護

對于圍巖的自穩能力較差時，為了預防坍方，必須采用超前支護體系，主要的內容有超前錨桿、小導管注漿、管棚、全斷面預注漿、深孔注漿、帷幕注漿以及在洞口淺埋段采用的地表注漿等。

在軟弱破碎地質隧道施工中，雖然采用深孔注漿達到了止水固結的目的，但固結范圍有限，加上地質及注漿有些不確定因素，為保障施工萬無一失，一般在開挖前均采取超前支護，超前支護一般采用超前錨桿或超前小導管。對于地下水壓較大的隧道，開挖前一般還要采取排水降壓措施，主要采取鉆孔排水，鉆孔深度應超出注漿范圍。

淺埋偏壓軟弱圍巖隧道施工需要解決的問題是掌子面的穩定性和合理化施工(安全而快速的施工)兩大問題。對掌子面穩定性起重要作用的超前支護，是確保掌子面前方穩定不可缺少的手段。

3.1 超前錨桿

在隧道周邊，未開挖前先施作超前錨桿，起到預先加固的作用，其主要參數為:全苗桿的直徑φ=20～30mm;長度=3.0～5.0m;間距d=0.3～0.5m;外插角α=10＂～15＂。

錨桿一般采用普通砂漿錨桿，特殊情況下可采用藥包錨桿或邁式錨桿。

3.2 小導管注槳

小導管超前注漿，是在地基灌漿法基礎上發展起來的一項圍巖加固止水技術，它同時具有超前支護作用，是不良地質隧道與地下工程施工常用的一種開挖輔助措施。在隧道開挖掌子面上，沿設計開挖輪廓線以外0.2～0.3m，鉆孔安裝小的鋼花管，然后進行高壓注漿加固，等漿液達到一定強度后再進行開挖。其主要參數為:小導管的直徑φ=40～60mm; 長度1=3.0～5.0m; 間距d =0.3～1.0m。

3.2.1 技術特點

超前支護體系，提高了巖體的穩定性，控制了圍巖松弛變形，增強了施工的安全性。加固效果好，注漿質量易于控制。采用常規小型機械，無需配備專用設備，工藝操作簡便。

3.2.2 適用范圍

適用于風化很嚴重、節理很發育和碎石土、礫石土等各種軟弱圍巖條件下

的隧道及地下工程地層加固，也可用于處理坍方主體。

3.2.3 主要技術措施

小導管水泥一水玻璃雙液預注漿止水加固松散圍巖。

3.3 管棚

當圍巖十分軟弱、破碎、變形量很大時，一般在V、VI級大變形的條件下，可采用長管棚的超前加固措施，其主要參數為:管棚的直徑φ＝108～180llun。

長度1=10～40m;間距d=0.5～1.0m;注漿壓力F=1.5～3.0MPao。

管棚法的基本原理就是在開挖之前將一個傘形的金屬保護棚架預先安放在隧道開挖輪廓線的外弧線上，該棚架由一定間距排列的大慣性矩的鋼管構成，起到保護下部地層開挖的作用，一般超前長度在5～30m，有短管棚、長管棚。先用鉆機打一定深度的鉆孔，然后插入金屬鋼管，再用注漿機壓入水泥砂漿或混合漿液，待其凝固后就可以開挖。在法國馬賽地鐵2號工程、日本第一福田尾隧道、成渝高速公路中梁山隧道工程、北京第三使館區的供熱管線工程的暗挖隧道等都使用了該工法。

3.4 超前支護輔助方法

下面就國內外各種超前支護輔助施工方法作詳細介紹。

(1)壓縮空氣法或氣壓室法。

被開挖地層的穩定性往往取決于地層是否充分排水，在地層透水性差時水對開挖影響不大，但在地層透水性好時如砂層，水就會對開挖產生較大的影響，這時一般用排水井和壓縮空氣控制地下水。后者利用壓縮空氣的壓力(0.1MPa左右)來抑制地下水不流出，并對開挖面產生支護作用，減小地面沉降，這是壓縮空氣法或氣壓室法的主要原理，在慕尼黑和維也納的地鐵工程已經取得了成功應用。

(2)冷凍法(凍結施工法)。

冷凍法一般適用于地下水比較豐富、或地下水壓比較大的地層中，它是采用冷凍機和循環泵將氟利昂或低溫液化氣通過冷凍管注入隧道前方地層中使地層孔隙水凍結而得到強化，一般按30m一段進行土木工程施工，但要考慮解凍后的地面下沉。

(3)頂蓋法。

其主要步驟是:明挖壕溝到隧道拱頂;利用切入隧道開挖輪廓的泥土作為建造隧道頂蓋的土模板;澆注混凝土拱后回填壕溝;在頂蓋保護下結合必要的臨時支護來開挖隧道。優點是能有效控制地面沉降，工期短，但對地表環境破壞比較嚴重，在頂蓋完成后應對地表植被進行恢復處理。德國波鴻市的韋斯特坦根特公路隧道曾應用本方法進行過施工。

4 深孔注漿

深孔注漿適用于斷層破碎帶、軟弱破碎圍巖，地下水特別發育，易形成涌水以及因地下水而造成特大坍方的隧道。深孔注漿分為深孔充填注漿和深孔劈裂注漿。

4.1 準備工作

主要是對工程地質進行分析，收集分析鉆孔的排碴;記錄分析鉆孔的推進壓力，鉆速以及鉆進不同長度時出水量的大小，推斷開挖面前方的地質構造、巖性、水源位置及水量大小。

4.2 止漿墻

由于開挖面圍巖軟弱，注漿時有較高的壓力，易引起開挖面垮坍，嚴重影響注漿效果和施工安全，因此開挖面必須設置止漿墻。對于未坍原始巖體，一般采用掛鋼筋網、噴射混凝土作止漿墻。具體作法是:先在開挖面鉆孔，埋設注漿用孔口管(孔口管一般用φ150～200mm，長1.5～2.0cm鋼管制作)，鋼筋網焊在孔口管上，鋼筋網網格間距30cm，再噴射15～20cm厚的C20級混凝土，這樣網噴混凝土與開挖面巖體共同形成止漿巖盤。如在坍方地段，則應設置加厚混凝土止漿墻。一般灌注100～150cm厚C20級混凝土作止漿墻。

4.3 鉆孔作業

孔口管作為鉆孔導向管，在注漿設計中應加以布置，布置原則應根據注漿段長度、加固擴散范圍等參數決定。鉆機作業機具可采用液壓鑿巖車、地質鉆機、錨桿鉆機等。

4.4 注漿作業

將注漿混合器連接在孔口管上，試壓洗孔，將孔眼內的石碴沖掉，保證注漿通道順暢;注水約2～3min，使圍巖孔隙暢通:然后進行注漿，對于軟弱、斷層帶的圍巖體，先注純水泥漿，注入一定量或達到一定壓力后，并持續5min，再注雙液漿(CS)，如注純水泥漿大量漏漿時，可先注雙液漿(CS)，再注純水泥漿，最后再注雙液漿。注漿過程應作好記錄，記錄注漿時間、注漿量，注漿壓力變化，圍巖、止漿墻以及已支護或襯砌地段的竄漿情況。注漿結束后，拆卸注漿部件，清洗干凈對注漿機械進行檢修保養，保證下循環注漿使用。一般采用推進式注漿，即分段累進注漿。當有的部位鉆孔過程中出水量很小時，可一次鉆到設計深度，然后進行全孔一次注漿。如在鉆孔中發現出水量較大時，應分段鉆孔，比例sm，再加10m，15m，直到設計深度，注漿與鉆孔一致，分次進行。注漿一般按由內向外，由下到上的順序進行。

參考文獻

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