小导管注浆超前支护施工工艺及钻机性能研究

贾勋涛 李强

摘要：隧道洞口开挖经常会遇到非稳定的软弱围岩段，由于围岩的自稳能力较差，加之掘进施工对围岩的破坏扰动极易造成各种塌方事故，给掘进作业加大了施工难度。因此，能否确保施工安全可靠，并顺利及时地完成进出洞施工隧道前期施工的关键所在。通常所采用的开挖辅助支护措施是小导管注浆超前支护，从实践效果来看还是能够有效地加固围岩结构，起到良好的结构支护效果。但是由于钻机性能的限制，施工效率不高成为了一个焦点问题。本文将就小导管注浆超前支护施工工艺及钻机性能展开分析与研究。

关键词：长管棚；小导管注浆超前支护；施工工艺；钻机性能

中图分类号：TN814文献标识码： A 文章编号：

1. 超前小导管的注浆工艺原理

超前小导管注浆预加固围岩就是对表土下风化破碎岩石及构造裂隙发育难以支护的破碎岩面，预先向其裂隙通道内注入固化材料（通常是水泥浆、水玻璃或聚氨酯等）充填裂隙，封堵涌水，胶结岩石，改善围岩力学性能，提高岩体自身整体强度，改变围岩支护状态。主要作用是提高管体周围岩体的抗剪强度，达到加固围岩并扩散围岩压力的作用。

2. 超前小导管的注浆工艺特点

2.1工艺特点

（1）施工机具设备简单，施工简便；

（2）用于特殊及不良地质隧道的支护。

2.2设计原则

为防止隧道开挖时掌子面前方围岩不能自稳而出现坍塌是采用超前小导管预支护的根本目的。就是为了保证隧道开挖的安全，利用隧道风钻机在隧道开挖工作面的拱部外150°范围钻孔，外插角控制在3°～5°，插入直径为φ42mm×3.5mm的无缝钢管，并进行注浆固结地层，使隧道拱顶形成一伞状保护环。超前小导管常采用直径为φ42mm钢管，壁厚一般为3.5mm。长度有3.5m或4m，每2m或2.4m一环，搭接长度不小于1m或1.1m，环向间距40cm或25cm。注浆孔径为6～8mm（用台钻钻孔），孔距15cm，梅花形布置。前端20cm制作成蒜瓣状锥形，尾端30cm范围内不钻孔作为止浆段，并设置Φ8加劲箍。锁脚锚管设置在拱脚处，采用直径φ42mm，壁厚3.5mm，长度4m的无缝钢管，钻孔直径为φ50mm，打设角度在30°左右俯角，锁脚锚管前端20cm做成蒜状锥形，尾端预留30cm焊接在钢架翼缘。根据设计，每处拱脚设置2根或4根锁脚锚管，对称布置，锁脚锚管与钢架焊接后，再采用φ22的横向短螺纹钢筋将锁脚锚管两两搭焊，主要是卡住钢架。锁脚锚管尾端应超出钢架5～10cm，以便焊接固定完成后，注浆锚固。

2.3 适用范围

（1）隧道洞口浅埋地段或软弱破碎围岩地段进洞施工；

（2）富水软弱破碎地质、砂砾地层、岩溶地质等不良地质地段的隧道开挖辅助措施；

（3）隧道坍方的处理。

3.超前小导管的注浆施工工艺

（1）施工准备。超前小导管及锁脚锚管直径一般采用φ42mm，壁厚3.5mm的热轧无缝钢管。超前小导管单节长度通常为3.5m或4.0m，锁脚锚管长度为4.0m，超前小导管壁加工注浆花孔，孔径为φ6mm，间距为15cm呈梅花形排列，前端20cm制作成蒜瓣状锥形，尾端30cm范围内不钻孔作为止浆段。

（2）测量定位。根据设计的超前小导管位置，用全站仪进行小导管位置的测量放样工作，并用红油漆在作业掌子面上作好小导管位置的标记。钻孔直径应大于设计导管直径3～5mm，一般钻孔φ50mm，孔深大于设计长度10cm。开挖长度应小于超前小导管的支护长度，注浆采用止浆塞，并设置注浆管及排气管，排气管插入孔底5～10cm，排气管采用φ20塑料管。注浆结束标准为达到设计注浆量或设计终压。

（3）钻孔。钻孔时一般采用风钻开孔，以设计的外插角向外钻孔，一般为3°～5°。锁脚锚管为俯角30°，为保证超前小导管的有效搭接长度，施工过程中严格控制隧道开挖的进尺，以使下一循环的施工顺利进行。

（4）清孔验孔。通常用地质岩芯钻配合钻头进行来回扫孔，清除浮渣至孔底，确保孔径、孔深符合要求，防止堵孔。然后用高压风从孔底向孔口清理钻渣，最后利用用经纬仪、测斜仪等检测孔深、倾角、外插角。

（5）安装超前小导管及锁角锚管。钻孔完成后及时安设小导管，避免出现塌孔。小导管及锁脚锚管顶进采用大孔引导和风钻相结合的工艺，即先钻大于小导管直径的引导孔，利用钻机的冲压力和推力低速顶进钢管。

（6）超前小导管及锁脚锚管注浆。注浆采用水泥浆液，水灰比为1：1；注浆压力0.5～1MPa，水泥标号为PO32.5水泥。注浆采用孔口注浆管注浆，孔口排气管与注浆管，由阀门来控制开关，排气管采用Φ20塑料管，插入孔底5～10cm处，然后连接注浆管等各种管路，利用锚固剂封闭掌子面与导管间的孔隙，防止漏浆。关闭孔口阀门，开启注浆泵进行管路压水试验，如有泄漏及时检修，试验压力等于注浆终压。

注浆控制措施如下：

a.导管施工完成后开始注浆，注浆前对所有孔眼安装止浆塞，同时对管口与孔口侧进行密封处理；

b.水泥浆液采用拌和机制浆，采用液压注浆机浆液注入导管钢管内，注浆前先检查管路和机械状况，确认正常后作压浆试验，确定合理的注浆参数，据以施工；

c.注浆分两步完成，当第一次注浆的浆液充分收缩后，进行第二次注浆，以使导管填充密实。注浆采取注浆终压和注浆量双控措施，注浆压力以0.5～1.0 MPa为宜，持压3～5mm后停止注浆，注浆量一般为钻孔圆柱体的1.5倍。若注浆量超限，未达到压力要求，应调整浆液浓度继续注浆，直至符合注浆质量标准。确保钻孔周围岩体与钢管周围孔隙均为浆液充填，方可终止注浆。注浆过程中压力如突然升高，可能发生堵管，应停机检查；

d.注浆过程应程派专人负责，填写“注浆记录表”，记录注浆时间、浆液消耗量及注浆压力等数据，观察压力表值，监控连通装置，避免因压力猛增而发生异常情况。

注浆效果判断：

a.对注浆加固区进行钻孔取芯，观察注浆充填情况；

b.导管注浆后再打无孔管作为检查管，检查注浆质量。有水地层可观察无孔管孔内涌水颜色及涌水量，水颜色如较澄清或夹带水泥渣块，则注浆效果较好，如涌水为泥浆颜色或涌水量较大时，应补注或重注。

4.钻机性能研究

金星多功能全液压履带钻机主要参数（如下表）：

表1 金星多功能全液压履带钻机主要参数

采用金星多功能全液压履带钻机实施钻孔作业的主要特点：

（1）钻机配置带液压冲击器的大扭矩动力头可实现多种钻进工艺，以对付特殊地层，例如跟套管冲击回转钻进；

（2）钻机可全方位调定钻孔位置，满足露天或隧道各种空间施工；

（3）配有液压夹持器及卸扣器可减少劳动强度及提高效率；

（4）动力头具有反向冲击功能，可以轻松拔出套管;

（5）钻机各方向由液压缸调整并锁定，刚性大、整体稳定，有利于提高钻孔精度；

（6）配合本公司特殊开发的各种钻具及钻孔工艺，可在卵砾石地层高效钻孔达50 m深。

钻机就位正确与否是小导管注浆超前支护钻孔作业质量的首要保证，由于金星多功能全液压履带钻机实施钻孔作业可通过自行调整孔位，就位便利。当钻机就位即可以利用摆臂装置将导轨与孔位对正，并利用水平尺和全站仪配合参与对位验证。实施钻进作业前还需对钻机的位置、钻杆以及方位倾角予以检核，从而避免开孔倾角和方位的偏差过大。

5.结语

隧道开挖小导管注浆超前支护通常要与钢架支撑结合使用，适用于软弱破碎且自稳时间短的围岩结构段。实践告诉我们，此技术为应用较普遍的一种工艺。通过在隧道掌子面轮廓周边形成一个加固圈来提高围岩结构的自稳能力，以防止在掘进中开挖周边围岩的坍塌和过大变形。本文深入浅出着重论析隧道小导管注浆超前支护施工工艺，并就采用采用金星多功能全液压履带钻机实施成孔作业加以概述，为隧道超前支护提供参考和认识。

参考文献

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作者简介：贾勋涛（1984-），男，助理工程师，2006年毕业于陕西交通职业技术学院，2009年长沙理工大学交通土建专业本科毕业，一直从事路桥工程施工方面的工作。

李强（1986-），男，助理工程师，2009年毕业于陕西交通职业技术学院，现就读于北京交通大学交通土建专业，一直从事路桥工程施工方面的工作。