超前小導管注漿施工技術在放水洞開挖中應用

賈來喜

（中國水電建設集團十五工程局有限公司，陜西 西安 710065）

0 引言

通過采用超前小導管注漿施工技術，在放水洞開挖前就改變了圍巖的初始應力，在進行二次應力分布中，超前小導管能夠起到支撐梁和錨桿的效果，此外，超前小導管注漿施工完成之后，還能改變巖體的變形參數和強度參數，促使放水洞在開挖中，圍巖塑性區出現的時間會得到延遲，并減少圍巖塑性區，從而達到加固放水洞圍巖穩定性和承載力的目的。

1 工程概述

韓城市侯家峪水庫是一座具有村鎮居民生活供水和農業灌溉功能的Ⅳ等小（1）型水利樞紐工程。放水洞位于大壩右側，洞身長307m，進口底板高程537m，出口底板高程522m，洞身坡降為5%，總長為399.8m。

2 工程地質情況

設計0+003～0+180.8 段位于河流二級階地，上部地層為④黃土、⑤古壤土、⑥粉質壤土及⑥1粉質壤土混碎石層，下部為強～弱風化的砂泥巖。本段洞室圍巖主要為⑥粉質壤土層和強風化砂泥巖，巖石破碎，圍巖類別Ⅴ級，該段洞室位于地下水位以下，洞頂以上土層厚度約5～30m，開挖易坍塌，建議超前支護。

3 施工參數選取

3.1 直徑確定

在案例工程施工中，為方便現場施工，超前小導管直徑要控制在32～60mm 之間，如果超前小導管的太大，會增大鉆眼和打入的難度，增加施工成本。如果太小，就無法起支撐錨固和注漿通道的作用。結合本工程的地質條件，采取了直徑為42mm 的超前小導管，效果比較好。

3.2 長度確定

在超前小導管注漿施工中，小導管長度由防水到一次開挖的長度以及放水洞圍巖的穩定性來確定。而圍巖的自穩能力，則主要由巖體的內摩擦角φ 來決定，具體的長度可通過式（1）計算得到。

式中：L——超前小導管的長度，m；φ——放水洞圍巖的塌落角度，°；H——圍巖的坍落度，m。

（1）通過φ 可得到防水到開挖中掌子面上巖體的穩定性，φ 角越大，表明放水洞圍巖的自身穩定性越強。在φ 保持不變的情況下，H 越大，放水洞開挖掌子面位置巖體坍塌的可能性也就越大。在具體施工中，為保證施工質量，通長將φ 控制在60°以下。

（2）為滿足施工質量的要求，考慮圍巖情況，小導管要控制在3～6m 之間效果最佳。如果遇到圍堰結構穩定性比較差洞段，小導管的長度要取最大值。如果圍堰穩定性比較好，沒有勘察出不良地質，小導管的長度要取最小值。而在進行放水洞塌方處理中，要以小導管的最大打入長度作為設計長度，通常情況下，小導管的長度越大，則越利于施工。

3.3 外插角確定

超前小導管外插角的計算公式如式（2）所示。

在本工程中，為保證注漿施工效果，小導管的注漿半徑為選擇為0.5m，長度選擇為3～6m，因此，小導管的外插角在5°～10°之間。

3.4 間距的確定

在塌方體處理過程中，小導管的間距需要采取密排的方法，按照塌體顆粒選擇合適的間距。而在進行圍巖加固中人，如果遇到巖體非常破碎層，如碎石土、砂卵石層等，也采取密排的方法，間距取2 倍小導管直徑。在斷裂破碎地段，注漿間距控制在30cm 左右。

4 超前小導管注漿施工方案

4.1 小導管制作

本工程超前小導管注漿施中，選擇的小導管直徑為42mm，壁厚為3mm，為提升注漿效果，小導管采取了熱軋無縫鋼管，在管壁加工中，按照確定好的間距控制注漿花孔的位置和間距，控制孔徑為8mm，間距為15cm，呈現出梅花樁布設。小導管前端制作成錐尖狀，尾端30cm 的范圍內不鉆孔，作為小導管注漿的止漿端。為保證小導管加工的精度，所有的小導管全部在鋼筋棚中加工制作，選擇用臺鉆鉆管壁注漿孔，端頭用電焊機焊接嚴密，具體的小導管制作如圖1 所示。

4.2 測定定位

嚴格按照設設計好的超前小導管位置，選擇高精度全站儀精確測放出小導管的位置，并用紅色油漆清楚標記出掌子面掌各方小導管的精確位置，控制鉆孔直徑能夠大于設計導管直徑3～5mm，一般鉆孔孔徑為50cm，孔深要大于設計長度10cm。放水洞開挖的長度還要低于超前小導管支護的長度。本工程隧道開挖中設計爆破進尺為1m，注漿采取止漿塞進行注漿，并在合適的位置設計注漿管和排氣管。保證排氣管能夠進入孔底5～10cm，排氣管最好采取直徑為20mm 的塑料軟管。注漿結束的標準為達到設計注漿量，或者是達到設計終壓標準也可以停止注漿。

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4.3 鉆孔、清孔、驗孔

（1）在鉆孔時可采取手持風鉆的方法進行鉆孔，以設計的外插角向外進行鉆孔，外插角的角度為6°，為最大限度上保證超前小導管的有效搭接長度，在具體施工中需要嚴格控制好開挖進尺深度，以保證以下循環施工能夠順利進行。對砂類土而言，可采取直徑為20mm 的鋼管來自制作吹風管，并將吹風管緩慢扦入土中用高壓風射，成孔之后再扦入小導管[1]。

（2）清孔時可采用手持風鉆來回掃孔的方法完成清孔操作，去除孔底浮渣，保證鉆孔的孔徑、孔深都符合設計要求，以免發生堵孔問題。并用高壓風機，將孔底和孔口的鉆渣清理干凈，然后用鋼尺對孔深、傾斜角、外插角等參數進行檢查。

4.4 超前小導管安裝和注漿

鉆孔完成之后，需要及時安裝小導管，以免出現塌孔問題，在進行小導管頂進施工中，可采取大孔引導和風鉆相互結合的方法，具體安裝方法為，先鉆大于小導管直徑的引導孔，再利用鉆機的沖壓力和推力低速頂進鋼管。

（1）本工程在超前小導管注漿施工中，漿液選擇了水泥漿液，水灰比為0.5～1.0，注漿壓力控制在0.5MPa～1.0MPa，選擇的水泥標號為P.042.5 型號水泥。單根小導管理論注漿量可通過式（3）計算。

式中：Q——注漿量，m3；R——漿液擴散半徑，m，通常管體間距的0.6 倍，本工程管體間距為0.35cm，則R 為0.21m；L——注漿段的長度，m；η——地層孔隙率，風化巖層2%～3%，巖石破碎帶取5%～8%、砂土取40%～60%，黏土取20%～40%計算，本段取7%；α——漿液有效充填率，取85%；β——漿液損耗系數，取1.05。通過計算可知，本工程單管注漿量為0.026m3，也就是26L[2]。

（2）在注漿施工中，孔口采取注漿管注漿的方法，為保證注漿效果，孔口的排氣管和注漿管，可由閥門進行有效控制，排氣管采取直徑為20mm 是塑料軟管，插入孔底5～10cm 的位置，連接上注漿管道和其他管路。通過錨固劑（特速硬水泥）封閉掌子面和導管之間的孔隙，以免發生漿液滲漏問題。關閉孔口閥門之后，開啟注漿泵進行管路壓水試驗，如果存在泄露問題及時檢查，保證試驗壓力能夠等于注漿終壓。本工程超前小導管導管注漿終，密封管的結構形式如圖2 所示。

（3）導管布設完成之后要及時開始注漿，但在正式注漿前，需要對所有孔眼安裝上止漿塞，同時對管口和孔口側進行有效的密封處理。注漿用到的水泥漿液，要用拌合機集中配制，隨用隨拌，再通過液壓注漿機將漿液注入鋼管中，而且在進行正式注漿之前，需要對管路、機械狀況等進行詳細檢查，確認無誤后按照確定好的參數進行注漿操作。為提升注漿效果，保證第一次注漿的漿液被充分收縮之后，再進行第二次注漿，以提升注漿的密實度。注漿采取注漿終壓和注漿量雙控措施，注漿壓力以0.5MPa～1.0MPa 為宜，持壓3～5min 后停止注漿，注漿量一般為鉆孔圓柱體的1.5 倍[3]。

（4）對注漿加固區進行鉆孔取芯，觀察注漿充填情況。導管注漿后再打無孔管作為檢查管，檢查注漿質量。有水地層可觀察無孔管孔內涌水顏色及涌水量，水顏色如較澄清或夾帶水泥渣塊，則注漿效果較好，如涌水為泥漿顏色或涌水量較大時，應補注或重注。

5 超前小導管注漿質量保證措施

雖然超前小導管注漿施工技術在施工效率，速到加固質量等方面具有顯著的優勢，但在具體施工中，依然存在很多問題亟待解決，需要嚴格控制好鉆孔質量、注漿質量，并加強異常處理，才能最大限度上發揮出超前小導管注漿施工技術的優勢，更好的保證放水洞開挖的質量。

5.1 鉆孔質量控制措施

在超前小導管注漿施工中，為最大限度上保證使用質量，在開始鉆孔前，需要精確測量好定位孔位、傾斜角、外插角等，同時每個孔進行詳細標記和標號。同時還要樣嚴格控制好鉆孔的平面位置，保證超前小導管和超前錨桿不會侵入放水洞開挖線之內，相鄰的鋼管也不能相互交叉碰撞。而且成孔之后，需要對鉆孔的位置、深度、孔徑、外插角等進行詳細檢查保證都達到設計要求后，再用高壓風機吹掃干凈，為注漿提供良好的條件。

5.2 注漿質量控制措施

（1）在注漿中需要嚴格控制好漿液配合比，并用專用的拌合機進行拌和，控制好漿液拌和時間，注重對漿液質量的檢查。在整個注漿過程中，需要隨時檢查孔口、鄰孔、覆蓋層等位置是否存在串漿問題，如果發現串漿及時用麻紗、木楔、錨固劑等進行封堵，保證不再串漿后再繼續注漿。

（2）相鄰孔眼在注漿時需要控制好注漿間隔時間，嚴禁連續注漿，為漿液固結提供充裕的時間，以提升注漿質量。在注漿全過程，采取注漿終壓和注漿量聯合注漿質量控制的方法。如果某一個注漿孔發生漿液注漿不通暢問題，被迫終止，可在鄰孔適當加壓補償。注漿全部完成之后，及時檢查注漿效果，如果沒有達到要求及時補孔注漿。

5.3 注漿異常處理

串漿處理：在超前小導管注漿施工中，一旦發生串漿問題，需要及時堵塞串漿孔，輪到該孔注漿時，再取下堵塞物。并用細鋼筋，將管內雜物清理干凈后再進行注漿。

機械故障：如果在超前小導管注漿施工中發生泵壓突然升高問題，可能是出現了堵管問題，需要及時停機檢查。堵管問題處理后，再繼續注漿。

漏漿和耗漿量過大：加大漿液水膠比，降低壓力。將流量限制在10L 范圍內，過一段時間后，再緩慢提升壓力，直到達到設計標準為止。

6 結語

超前小導管注漿施工技術是目前淺埋暗挖隧道支護施工中常用的措施，可有效提升隧道圍巖的穩定性，為放水洞開挖營造一個良好的條件。和其他支護技術相比，施工工藝相對簡單，在很小的空間內利用簡單的工具就能進行鉆眼和布管施工，如果遇到地層變化嚴重問題情況，可及時調整施工方案，具有良好的支護效果。