錨噴支護與小導管注漿在隧道塌方處理中的應用

摘 要：本文以大嘩山隧道塌方為例，探討具體施工技術在隧道塌方段中的應用處理。

關鍵詞：隧道塌方 小導管注漿 錨噴支護 效果評價

中圖分類號：U455 文獻標識碼：A 文章編號1674-098X(2011)10(b)-0000-00

目前，在中國隧道施工中，關于塌方等地質災害的治理已經積累了一定的寶貴經驗，針對當前的道路施工中的隧道塌方問題，一般常見的措施就是及時的進行錨噴支護的處理。如果塌方的情況相對嚴重，面積較大，在使用錨噴支護方式的同時還采用一些輔助性的措施，例如小導管注漿等。使用錨噴支護進行處理的一個重要工作就是要確定具體的支護參數，當選取的支護參數不能滿足圍巖穩定要求時，往往會發生塌方或初期支護后再次塌方的事故，據統計，在過去的隧道工程施工過程中出現的塌方情況，有相當一部分是由于支護方式不當的原因造成的。所以，僅僅通過工程類比和施工經驗是不夠的，通過對支護參數進行優化設計，提出合理的錨噴支護和小導管注漿方案具有重大的使用價值和現實意義。以大嘩山隧道工程實例，通過對隧道塌方段支護方案進行優化，達到安全的通過隧道塌方段的目的。

1 工程概況

大嘩山隧道，在施工過程中出現塌方。在工程開挖到LK42+177拱部時出現了塌方情況，掌子面圍巖情況：兩側拱腳夾有薄層強風化灰巖，其余大部分為黃色變質砂巖，夾有灰色，黑色全風化炭質巖，拱頂右側有水滲出。在塌方過程中，通過觀察，整個坍方范圍長度約8M，高度約8-10M，寬度約8M。洞身塌方后，在里程LK42+170初期支護上產生裂縫，縫寬4mm，縫長從右側上臺階拱腳至拱頂，有主見加大趨勢，地表未發生明顯變化。為確保施工安全，遵循穩扎穩打的原則，對裂縫LK42+167-LK42+177段初期支護加固處理。LK42+167-LK42+177段采用直徑42mm的小導管注漿，間距按1×1m布置，小導管長度4m，漿液采用C30水泥凈漿，注漿壓力2MPa。

2 錨噴支護與小導管注漿作用機理及支護方案優化設計

2. 1 錨噴支護與小導管注漿的作用機理

錨噴支護的工作原理就是要求支護能夠分散圍巖的壓力，同時對圍巖要起到支撐作用，減少圍巖的受壓力狀況，使用錨噴支護和小導管注漿輔助支護后，一個顯著的作用就是提高圍巖的強度。

2. 1. 1噴層的作用機理

噴射混凝土支護是一種常見的支護方法，它主要就是借助外部的動力，例如高壓風的動力或者泵的動力，利用噴射機、輸料管及噴頭將混凝土的混合料噴射到隧道圍巖所需要的位置上。

利用噴射混凝土來加固圍巖的機理在于:噴射混凝土覆蓋護阻力，防止應力集中的出現，改善圍巖的應力狀態，并能與錨桿或鋼構件等組成聯合支護。

2. 1. 2 錨桿的作用機理

錨桿是整個錨噴支護工作中的一個重要組成部分，錨桿支護的工作原理就是通過錨入巖體內部的鋼筋，與巖體融為一體，通過錨桿的吊懸、減跨、組合、擠壓加固作用，達到提高圍巖的力學性能。

2. 1. 3 小導管作用

所謂小導管注漿，顧名思義就是通過一定方式將小導管導入管壁的內部，然后利用壓力降漿液通過導管注入壁內。由于小導管具有錨桿的聯結、組合和加固的作用，以及對巖石內裂隙的擠壓填充作用、 對巖溶的封閉作用和水泥—水玻璃漿液的水化凝結作用，使得小導管既能將巖體預加固，又能起超前預支作用。

2. 2 支護方案優化設計

大嘩山隧道塌方段圍巖以泥巖為主，巖體極為破碎，自穩性較差，開挖后，在掌子面前方發生了塌方，為了防止發生更大程度的塌方，保證隧道施工安全順利的進行，必須對圍巖采用合理的支護方案，而根據對圍巖的現場觀測情況，原設計支護方案偏弱，不能滿足支護強度要求，因此需要根據實際情況對支護方案進行優化設計。

2. 2. 1 噴層參數優化計算

對于噴層的優化主要是對噴層厚度進行優化，通常噴層的破壞類型主要有 “沖切型” 和 “撕開型”2種，根據破壞類型不同，所須的噴層厚度也不一樣。

1)按 “沖切型”破壞的驗算噴層的厚度設危巖自重為W，危巖底面周長為L，噴層厚度為h，砼的抗拉滑度為St。要使噴層不產生“沖切型”破壞，噴層厚度應滿足下式

S L

2)按“撕開型”破壞驗算噴層的厚度

驗算巖面與噴層間是否由于其間粘結力不足而產生“撕開型”破壞，要使噴層厚度能達到圍巖穩定的要求，則“危巖”自重的作用在噴層與巖面之間所產生的最大拉應力應小于噴層與巖面間的計算粘結強度。通過計算可以得到噴層厚度公式

式中: h 為噴層厚度(cm); SLu為噴層與巖面的粘結強度(kN/ cm2);W 為危巖重量( kN); L 為危巖底面積周長(cm)。E為砼的深彈性模量(MPa); K為巖體彈性拉伸系數(MPa)。從安全角度出發，在對噴層參數進行設計時，要同時考慮按“沖切型” 破壞驗算噴層的厚度和按 “撕開型”破壞驗算噴層的厚度。

2. 2. 2 錨桿參數計算

1)錨桿長度的確定

錨桿長度的確定，需要考慮兩方面的因素，一是鋼筋的抗拉能力和砂漿的粘結力，按照一定的強度原則計算出巖層中錨桿需要插入的具體長度。

式中:[ C]為砂漿與錨桿間的作用粘結力; [σ t ]為錨桿鋼材的作用拉應力; d為錨桿直徑。

從錨桿的組合和懸吊作用出發，錨桿總長度應按下式計算。

式中:L2 為錨桿外露長度;一般為 50～100 mm;錨桿的總長度一般包括三個方面：固錨的長度、錨桿外露的長度，和有效的長度。

2)錨桿間距

如果采用等距離布置，每根錨桿所負擔的巖體重量即其所承受的荷載。

式中: i為錨桿間距; r為巖體的巖重; k 為安全系數，通常取 k = 2～3。錨桿受拉破壞時，其所承受的荷載應小于導管的允許抗拉能力，即故有

2. 2. 3 小導管注漿參數設計

1)小導管的長度計算

小導管長度是依據一次開挖長度和圍巖的自穩能力來確定的。

式中:L 為小導管的長度(m) ;φ為圍巖的塌落角度(°) ; H 為圍巖的塌落度(m) 。

2)外插角度的大小

為了保證漿液能夠進入洞室之中，必須確定小導管的長度以及選用何種角度講漿液注入小導管之中，這就要確定注漿的半徑r.

式中: a為小導管的外插角; r為注漿半徑。

3)漿液擴散半徑計算

漿液的液態特征決定了注漿范圍的確定需要考慮到注漿擴散的問題，根據重疊原則，注漿擴散的半徑Rk通過這個公式進行計算。

式中:Lo 為導管之間中心距離。

4)單根導管的漿液注入量計算

式中:η為巖體孔隙率;α為漿液充填率α= 0. 7～1. 0 ;β為漿液損耗系數β= 1. 1～1. 4。

3 施工方案

3. 1 錨桿施工技術

1)為了防止危巖掉落對人員造成傷亡和設備造成損失，應先處理好松石，然后再進行初噴，對掌子面進行封閉。

2)在布設好鉆孔位置后，用風鉆進行鉆孔，然后用吹管將孔內巖粉吹出，鉆孔時應注意鉆孔不宜平行于巖層層面。

3)插入錨桿，當插入困難時，可用重錘打入，必須保證錨桿和拱架形成一個統一的支護體系。

4)采用注漿泵灌漿，實例中，砂漿配合比為水泥∶ 砂∶ 水 = 1∶ 1. 5∶ 0. 45。

3. 2 噴射混凝土施工技術

常見的噴射混凝土的工藝有以下幾種，既濕噴、干噴、潮噴、混合噴。在工程實例中所采用的類型為干噴，其具有工藝設備簡單，水泥用量少，操作方便和輸送距離遠等優點。

干式噴射混凝土的流程為:將水泥和集料在攪拌機中和好，在漏斗中加入速凝劑，同時使用壓縮空氣使干混合料在整個軟管內處于懸浮狀態，然后借助壓力壓送到噴槍，利用高壓水進行混合，用高速噴射到巖層表面。

噴射混凝土的原材料包括:水泥、砂石、水、速凝劑等。在實例中，水泥∶砂:石子 = 1∶2∶ 2，所采用的噴射機為:飛躍 711 型。

3. 3 小導管注漿技術

1)小導管施工前準確放樣，定好鉆孔位置，作好標記。并設置必要的控制點，以便鉆孔時用來控制小導管的外插角度和方向。

2)小導管制作及安裝，超前小導管前端采用呈尖端狀，本實例中，尾部焊上<6加勁箍，管壁四周鉆8 mm 壓漿孔，間距為15 cm ，梅花型布置;尾部有1 m不設壓漿孔。結構采用φ 42 壁厚3. 5 mm 熱軋無縫鋼管，安裝時孔位誤差不得大于 5 cm ，角度誤差不得大于 2°。

3)實例中注漿液采用水灰比為1∶1的水泥與水玻璃漿液，其注漿壓力為1.0MPa 左右。

結 論

通過對錨噴支護和小導管注漿支護方案的機理和參數設計進行分析和研究，達到優化支護方案的效果，并通過內空收斂和拱頂下沉量測對優化后支護方案進行評價，可以得到以下結論:

1)通過對錨噴支護和小導管輔助支護作用機理、 參數的研究，以及在現場實際工程中的應用，表明合理的錨噴支護和小導管注漿方案有利于穩定塌方段圍巖。

2)采用合理支護方案加固塌方段圍巖后，可以通過監控量測的方法來了解圍巖的變形情況及加固效果進行評價，在實例中，對塌方段采用合理的支護方案，其量測結果表明，最終內空收斂和拱頂下沉量均未發生大的位移變形，遠小于設計的預留變形量，這說明所采用的支護方案能有效的保證隧道塌方段施工安全順利的進行。

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