隧洞不良地質段小導管注漿超前支護技術的應用

0 引言

目前，不良地質段圍巖超前支護的主要類型有超前小導管、超前錨桿、超前管棚、超前預注漿及掌子面全封閉等。其中，超前小導管施工設備最為簡單，靈活性最強，且針對松散軟弱巖體和含水量大的圍巖，可根據地質條件隨時變動注漿比例和密濃度，適應性更強，因此廣泛應用于水利調水工程和公路隧洞工程施工中。本文以某高速鐵路隧道項目為例，研究超前小導管的施工技術，通過優化設計參數，以期達到最優支護效果[]。

1工程概況

1.1 項目基本情況

本工程為高速鐵路隧道項目，標段正線長度 17.937km 涵蓋多座單洞雙線隧道。為保障復雜地質條件下開挖的穩定性，需采用超前支護技術控制圍巖變形。工程部分區段埋深較淺，周邊分布村莊及農田，對環保要求嚴格。施工團隊結合現場條件，重點部署小導管注漿工藝，以強化隧道初期支護效果，確保后續掘進安全高效。

1.2不良地質條件

隧址區地表廣泛出露侏羅系泥巖夾砂巖地層，巖體破碎特征明顯。泥巖風化節理裂隙密集發育，砂巖受陡傾節理切割形成不穩定臨空面，局部存在危巖落石及巖堆風險。水文地質條件復雜，第四系土層孔隙水與基巖裂隙水并存，水位受季節波動影響較大，部分地段地下水對混凝土結構具有氯鹽侵蝕性。

特殊巖土分布廣泛，包括人工棄填土、軟黏性土、膨脹巖及石膏鹽溶角礫巖，其中煤系地層存在淺層天然氣與瓦斯溢出風險。線路多次穿越河流溝谷、既有交通設施及生態敏感區，圍巖自穩能力差，施工擾動易引發變形坍塌，安全風險增加。

2小導管注漿超前支護施工要點

2.1 小導管加工與制作

小導管選用 Φ42×3.5mm 熱軋無縫鋼管，單根長度設計為3.5m或 4.0m ，小導管構造如圖1所示。嚴格依據圖紙切割鋼管，將前端加工成尖錐狀，以增強破巖能力。管身環向間隔 15cm 鉆設直徑 8mm 注槳孔，呈梅花形均勻分布，尾部保留1.0m無孔段作為止漿區。鋼管外插角預設10～15^° ，確保支護范圍覆蓋隧洞拱部 120^° 區域。加工時需控制注漿孔定位精度，避免損傷管體強度[2]。

圖1小導管構造

2.2測量布孔

管孔通常布置在開挖輪廓線以外 5～10cm 。采用全站儀放樣小導管位置，并在掌子面標記鉆點，再用風鉆按設計外插角鉆孔。為保證小導管有效搭接，需控制開挖進尺，確保下一循環施工順利。注槳小導管與鋼拱架配合使用，縱向搭接長度 ?1.0m 。施工時沿鋼拱架外側鉆孔安裝，不得在鋼拱架上鉆孔。

成孔后用氣水聯合法沖洗孔道，清除巖屑并檢查孔深、孔徑及傾斜度是否符合設計。清孔合格后，按從拱頂向兩側隔孔間隔的順序安裝小導管，用帶沖擊功能的風鉆或錘擊將導管頂入孔內，確保安裝牢固。導管布設后，采用水泥－水玻璃膠泥封閉孔口周邊及掌子面裂隙，為后續注漿創造密封條件。

2.3小導管注漿

2.3.1小導管注漿系統

小導管注漿系統由注漿泵、漿液攪拌站、壓力監測裝置及管路組成，小導管注漿施工示意圖如圖2。

圖2小導管注漿施工示意

2.3.2水灰比及注漿量確定

漿液的水灰比要嚴格控制在0.8：1～1：1范圍內，必要時添加速凝劑調節凝結時間。施工前，需通過現場試驗校準參數，確保漿液覆蓋開挖輪廓線外 0.3～0.5m 范圍[3]。

單孔注漿量計算公式為：

Q=πR²ηL

式中： Q 為單孔注漿量， R 為漿液擴散半徑（通常取 ， η 為巖層孔隙率（破碎帶取 5% ，風化巖層取 2%～3% ， L 為導管有效長度。

2.3.3注漿壓力確定

注漿壓力是質量控制的核心指標，設計范圍為 0.5～ 1.0MPa 。與巖層裂隙發育程度匹配：裂隙寬度 lt; 1mm時取下限壓力 0.5MPa ，寬度1～5mm時取中值 0.8MPa ，大于5mm時取上限壓力 1.0MPa 。注漿過程采用“先邊后中、先下后上”順序，每環間隔施作以避免串漿。正漿盤采用10cm厚噴射混凝土封閉工作面，防止漿液沿掌子面滲出。注漿壓力與巖層裂隙的關系圖如圖3所示。

圖3注漿壓力與巖層裂隙的關系

2.3.4注漿過程控制

初始階段以 0.3MPa 低壓慢速注漿，觀察壓力表與管路滲漏情況，持續至漿液流出孔口。穩壓階段逐步增壓至設計值，保持壓力穩定10min，進漿速率降至初始值的1/4時終止注漿。

壓力驟升超過 1.2MPa 時立即停泵，排查管路堵塞或巖體異常。如果發生串漿時則關閉相鄰導管閥門，調整注漿序列。同時，操作人員必須穿戴防濺護具，注漿泵接地可靠，現場配備清水與中和劑應對漿液泄漏。

2.4開挖

在超前小導管注漿形成的穩定加固圈保護下，實施短循環開挖，每循環開挖進尺不超過 2.4m ，確保該進尺長度小于小導管縱向 1.0m 的搭接長度，新暴露的圍巖始終處于超前導管支護范圍內。開挖采用三臺階法分步實施：上臺階高度約為隧道總高的 1/3 ，并預留核心土增強掌子面穩定性；中、下臺階滯后上臺階約5m依次開挖，以分散圍巖應力。鉆爆施工采用微震控制技術，周邊炮眼間距加密至 40cm ，裝藥量減少 30% ，最大限度降低爆破震動對注漿加固圈的影響[4]。

開挖輪廓面形成后，立即啟動初期支護工序。在開挖面暴露后15min內完成初噴混凝土覆蓋，初噴層厚度不小于 4cm ，以快速封閉巖面新鮮裂隙，隔絕空氣并抑制風化。初噴后立即架設鋼拱架，為圍巖提供及時有力的環向支撐。通過開挖與初期支護緊密銜接，有效控制圍巖變形，為下一循環安全連續推進奠定基礎。

2.5 鋼拱架支護

鋼拱架安裝前，用全站儀在初噴混凝土面標定鋼拱架安裝位置。采用分段吊裝方式架設，相鄰拱架中心間距 0.5m 。安裝時同步調整拱架垂直度，并用激光定位儀實時監測偏斜角度，確保其與隧道軸線正交偏差 ?2^° 。拱架單元間通過高強度螺栓連接板緊固，螺栓預緊力120kN ，保證節點板密貼。每榀拱架就位后，立即將超前小導管尾端與拱架腹板焊接固定，焊縫長度 ?10cm ，形成協同受力體系。

鋼拱架縱向連接采用HRB400、 Φ22 鋼筋，環向間距1.0m且交錯布置，通過液壓扳手緊固連接筋端部螺紋，使拱架群形成整體網狀結構。拱腳增設鎖腳錨管支護，采用 Φ42 鋼花管以 30^° 斜角打入圍巖2.5m深，注漿壓力穩定在 0.8MPa 。架設完成后，復測拱架間距（允許誤差 ±50mm ）、高程及平面位置，合格后立即噴射C25混凝土封閉，初噴厚度 ?4cm ，24h內完成全斷面覆蓋[5]。

3超前支護效果分析

3.1 有限元分析

3.1.1數值模型構建

基于MIDAS/GTS建立三維模型模擬隧洞不良地質段開挖過程。模型尺寸設定為長 100m （橫向）、寬 30m （縱向）、高 88m （豎向），圍巖采用實體單元，物理參數依據實際地質報告確定。侏羅系泥巖夾砂巖圍巖彈性模量為0.8GPa ，密度為 26kN/m³ ，泊松比為0.28；注漿加固區彈性模量提升至 3.2GPa ，黏聚力增大至 450kPa 。

超前小導管采用梁單元模擬，設計參數如下：直徑42mm ，壁厚 3.5mm ，環向間距為 0.4m/0.5m ，縱向間距2.4m ，外插角 10～15^° 。鋼拱架與噴射混凝土采用殼單元，材料本構均按彈性模型計算。圍巖及支護結構參數表如表1所示。

表1圍巖及支護結構參數

3.1.2超前小導管支護影響分析

數值模擬基于實際工程參數開展，對比分析有無超前小導管支護條件下的圍巖響應，圍巖變形對比如表2所示。由表2可知，無支護時，隧道拱頂沉降達 247mm 掌子面水平位移達 435mm 。采用小導管支護后，拱頂沉降降至 193mm ，降幅 21.9% ；掌子面位移減至 243mm ，降幅44.1% 。這表明，小導管支護明顯抑制了開挖松弛效應，提升了圍巖自承能力。此外，水平收斂與拱底隆起變化不明顯，說明支護壓力主要傳遞至拱腰及基底。

表2圍巖變形對比

為進一步驗證支護效果，進行地表沉降監測。地表沉降監測結果如圖4所示。由圖4可知，無支護時，地表最大沉降 17.3mm ，位于隧道軸線正上方；采用小導管后沉降值降至 16.3mm ，降幅 5.8% 。由此說明，注槳加固對淺層土體擾動有限，沉降控制主要依賴掌子面穩定性提升，與數值結論一致。

3.2施工效率與經濟性分析

施工效率方面，小導管支護單循環耗時約6h，其中鉆孔布設2h、注漿3h、混凝土封閉1h，較傳統大管棚支護縮短8h。優化注漿參數后，工序銜接緊密，月均進尺達 45～60m ，較無支護段提升 60% 。

經濟性方面，熱軋無縫鋼管單價120元/m，注漿水泥漿成本80元/ in³"，單延米綜合成本約800元。相較管棚支護單延米成本2400元，節約費用 67% ，工期縮短22d/km ，人工與機械費用減少15萬元/km。超前支護方案效率與經濟性對比如表3所示。

表3超前支護方案效率與經濟性對比

4結束語

小導管注漿技術通過形成0.3～0.5m的漿液擴散加固圈，明顯改善了圍巖自穩性。數值模擬表明，拱頂沉降降幅達 21.9% ，掌子面位移減少 44.1% ，地表沉降降低5.8% ，有效抑制了淺埋段變形坍塌風險，保障超大斷面隧洞施工安全。相較于傳統大管棚支護，小導管技術單循環耗時縮短 57% （僅6h），月均進尺提升 60% ，材料成本降低 67% 。工期節約 22d/km ，綜合成本減少15萬元/km，實現了安全、效率與經濟性的協同優化。

圖4地表沉降監測結果

參考文獻

[1]劉瑞強.超前小導管施工設計參數對圍巖沉降的影響分析[J].水利建設與管理 2023（9）：55-59+64 業

[2]孫安培.隧道工程中的超前支護施工技術要點探討[J].科技與創新，2025（9）：139-141+145.

[3] 張留.高海拔板巖公路隧道多次塌方冒頂的處治與反思[J].建筑技術開發，2025（4）：139-141.

[4]彭生輝，徐松，徐長節，等.超大斷面隧道進出洞預支護方案比選研究[J].科技通報，2025（3）：64-69+81.

[5]錢亦媛，徐建，周聯英，等.復雜地質市域電力管廊隧道頂管法機械超前清障技術[J].浙江建筑，2025（2）：41-44.