温泉隧道注浆超前小导管在长管棚预支护段的应用

张高军　王小龙

【摘要】文章结合宝天高速公路温泉隧道超前小导管在长管棚预支护段的施工对预注浆超前长管棚后段欠加固原因进行了分析，阐述了超前小导管加固机理。

【关键词】温泉隧道；注浆小导管；支护机理

随着我国交通业的发展，隧道里程飞速发展，与此同时，施工中面临的技术问题也日益突出。尤其是在结构松散、整体性的差围岩中超前支护，是施工中的一个重大难题，现就结合甘肃宝天高速公路温泉隧道施工情况，浅谈注浆超前小导管作为一种超前支护手段，在隧道长管棚预支护段施工中的具体应用。

一、工程概况

宝天高速公路温泉隧道上行线起始桩号SK80+080，终点桩号SK82+198，全长2118m。隧道净宽10.25m，净高5.0m，设计时速80KM/H。上行线进口段30m范围内为Ⅴ级围岩覆盖层12～26 m之间，大部分处在全风化砂砾岩和全风化片麻岩段，岩体风化严重，结构松散，整体性差，围岩不能形成自承体系，若施工方法或支护形式不当易导致坍塌。为此，暗洞口原设计为28m长预注浆超前长管棚，采用上下微台阶留核心土环向开挖法，开挖后以50cm间距施做I18工字钢拱架，然后实施锚喷支护。

二、施工时遇到的问题及原因分析

洞口浅埋段施工时严格遵循了“管超前、严注浆、短进尺、弱爆破、早封闭、勤量测”的原则施工。依照设计施做完长管棚成后，在上台阶开挖至16m后时发现拱顶部分破碎岩体并未固结，超前注浆长管棚未达到预期的加固的效果，在长管棚20m后尤为严重，开挖过程中产生小的坍塌，拱顶破碎岩体对开挖安全工作造成极大威胁，同时开挖量增大，喷射砼量也持续超量。

经分析，造成长管棚预支护加固盲区的可能原因主要有以下三点：

1．考虑到管头因重力作用下沉，长管棚斜插角一般控制在1°2°，管头下沉量过大不仅起不到加固效果，同时影响开挖；下沉量过小会造成隧道开挖轮廓周围的欠加固。管头下沉还与钻孔岩层的阻力有很大关系，通常情况管头因重力作用会下沉，但遇到与管棚基本平行的软硬结合部时，软岩处于管上硬岩处于管下时管头局部容易出现上浮现象，反之软岩处于管下硬岩处于管上时可能加剧管头下沉趋势。这样在管棚后段支护效果难以保障。

2．由于设计单位对洞体围岩勘测不详，对围岩各项物理性能指标掌握不准，预注浆扩散半径未能覆盖到需加固区或注浆半径未达不到设计扩散半径。

3．施工时控制不严，未严格按设计意图控制工艺参数，如钻孔斜插角偏大、浆液参数不准、压力控制不严等。都易造成长管棚预支护加固的盲区，给后续开挖工作带来极大安全隐患。

为此，施工单位研究决定决定在长管棚20m以后段施设超前注浆小导管补强支护。

三、超前注浆小导管支护机理

目前，对于小导管注浆超前支护作用及机理的试验和理论分析尚处于进一步研究阶段。但我们可以明确小导管注浆具有以下作用：

1．支護作用：小导管可以限制约束围岩变形，它将松动围岩与拱架连接起来，协同受力，从而提高围岩的自承力。

2．加固围岩作用：使松动、节理、破裂的围岩得以联结，固而增大了围岩强度（主要是围岩内摩擦系数C、内摩擦角ф值得以提高）。

3．架设作用：导管为个别围岩提供支撑点，防止其掉落或滑落，其作用如同砖木结构的椽檩，从而有效仰制围岩进一步松动。

4．稳定作用：通过小导管向围岩压注浆液，浆液渗入，充填围岩缝裂，使松散围岩胶结。围岩整体性、稳定性大大加强，在坑道围岩形成一定厚度的加固圈，同时，也可以阻隔地下水向坑道渗流，起到赌水、防水作用。

总的来说，小导管能导入围岩内部一定深度，与拱架及内部稳定围岩一起发挥协同作用，通过注浆，使围岩整体性得以提高和加强，应力分布状态得以改善。为隧道的安全开挖提供有力的保障。

四、小导管施工设计

（一）小导管设计

温泉隧道长管棚20以后段补强加固小导管施工采用Φ42mm壁厚4.0mm热扎无缝钢管，长度为2.7m，前端管壁25cm交错钻眼，后段0.5m范围内不钻眼，眼孔直径为8mm，环向间距40cm，斜插角控制在10度-15度左右，小导管纵向搭接长度1m，先在钢拱架腹部先打孔，小导管从拱架腹部穿进，末端焊接在拱架上。

（二）注浆参数设计

经现场注浆测试确定：

注浆材料及配合比：注浆液采用水泥浆液（添加水泥重量5%的水玻璃），水泥浆水灰比1：1；

注浆压力：0.5-1.0Mpa，终压：2.0 Mpa；

水玻璃浓度：35波美度，模数：2.4；

浆液扩散半径R取0.4m；

单根钢管注浆量由下式计算所得；

Q=πΥ2L +πR2Lnαβ

式中:Υ：小导管半径0.042/2=0.021cm;

L：导管长度，考虑后段0.5不钻孔；取注浆有效长度2.2m；

R：浆液扩散半径，取0.4m;

n：地层孔隙率：该地层经工地实验室测试n=12%；

α：有效充填率：取0.9；

β：浆液损耗系数，取1.2 。

经计算：单管注浆量Q=0.15m3

五、小导管施工作业

（一）小导管施工工艺流程

（二）施工放样

先在拱架上按小导管环向间距画孔位，在拱架上钻50mm的孔洞，如遇到软弱带或其他特殊带时，可适当调整孔位，但变动范围不能超过30cm，钻孔前面必须先喷一层砼作为止浆墙。

（三）钻孔

1．钻孔前先检查钻机各部位是否正常，钻孔时必须按设计位置开钻，如设计位置开钻有难度，采取其他辅助措施。

2．钻孔速度应保持均匀，特别是遇到夹泥层时，控制钻进速度，以避免发生卡钻现象。

3．开钻时上挑10～15度，以避免因钻头自重下垂或遇到块石方向不易控制等现象，随时检查钻进方向。

4．钻孔结束后应掏孔检查，确定有无探头石、塌孔。

（四）安设小导管

1．钻孔结束后及时安装小导管，以避免时长后出现塌孔。

2．当小导管安装有困难时，可采用千斤顶或其他辅助方式将其顶至设计位置。

3．小导管安装后，及时将小导管与孔壁间缝隙填塞密室，并检查填塞密实度。

（五）注浆

1．注浆前，对开挖面喷射厚度为5～10cm混凝土封闭，

2．保证机具设备性质良好的，工作压力满足注浆要求。

3．注浆顺序为：先注内圈孔后再注外圈孔，先注无水孔后注有水孔，从拱顶顺序向下进行。

4．如出现窜浆式跑浆，则可间隔一孔或数孔注浆。

5. 单管注浆量达到设计值或注浆压力达到终压20分钟以上但注浆量不够均可停止注浆。

6．注浆结束后及时用止浆阀保持空内压力，直至浆液完全凝固。

7．注浆期间经常检查泵口及孔口压力变化，发现问题及时处理。

（六）检测注浆效果方法

注浆施工结束后，一般通过以下三种方法检测注浆效果,对于注浆质量较差的地段要重新补注，直到检测合格后方可进行下道工序。

1．通过注浆体内钻孔，用压水、注水或抽水等办法测定地基的流量及渗透系数，不合格者需进行补充注浆。检查孔的数目约为总注浆孔数的5%～10%，布孔的重点是地质条件不好的地段以及注浆质量较差或有疑问的部位。

在防渗注浆工程中，这类检测是一种重要的和基本的手段。对加固注浆而言上述水力物理性虽不能直接反映加固效果，但至今仍旧被广泛的当作一种参考指标，因为吸水量大小与地基的密度和强度之间存在着一定的关系。

2．通过钻孔，从注浆体内取出原状样品，送试验室进行必要的试验研究。实践经验证明，通过这类检测可得出下述几项重要的物理力学性能指标，据此能对注浆效果作出比较确切的评价:

（1）样品的密度；

（2）结石的性质；

（3）浆液充填率及剩余孔隙率；

（4）无侧限抗压强度及抗剪强度；

（5）渗透性及长期渗流稳定性；

3．采用挖探或其他方法检验加固效果。

（七）开挖

注浆8小时后方可开挖，采用超短台阶预留核心土环向开挖法施工，核心土预留长度为3 m ～3.5m，台阶控制在5m左右开挖。开挖时保留1.5m左右的止浆墙，防止下次注浆时跑浆。

六、支护效果评价

温泉隧道上行线进口采用了注浆超前小导管补强支护后，拱顶破碎岩体得以胶结，围岩整体性、稳定性大大加强，开挖过程中坍塌得到了有效遏制，开挖安全得到保证，施工质量得到提高。

该隧道进行监控量测的项目有：工程地质及现状观测，周边收敛位移量测，拱顶下沉量测，地表下沉量测等。开挖后及时施作初期支护，根据对比观测SK80+095和SK80+105两断面观测点净空变形及拱定下沉，数据分析采用u=t/a+bt双曲线函数类型，对观测数据离散点采用最小二乘法原理进行回归处理，建立时间～变形关系函数，预测两断面有可能达到的最大变形量分别为14cm和10 cm。显然，采用了注浆超前小导管补强支护后，可能达到的最大变形量比加强支护前小了很多，围岩稳定性有了很大程度的提高，效果还是相当明显的。

【参考文献】

[1]隧道工程现场施工技术[M]．人民交通出版社．

[2]公路隧道施工[M]．人民交通出版社．

[3]隧道施工技术规范[M]．人民交通出版社.