超前小导管预支护在膏溶角砾岩隧道中的应用

罗定伦

(重庆水利电力职业技术学院，重庆 402160)

0 引言

膏溶角砾岩是一种特殊性岩土，它是由于含膏盐岩系中的易溶硫酸盐(CaSO4)溶蚀后，残余的碳酸盐岩组分及杂质原位堆积而成的角砾岩［1，2］。膏溶角砾岩在华北及西南地区均有分布［1-3］，其特殊的工程地质性质对隧道与地下工程建设具有较大的影响，给隧道与地下工程围岩稳定和施工安全造成困难。因此，有必要对膏溶角砾岩中的隧道施工方法进行探讨。

1 膏溶角砾岩主要特性

1.1 膏溶角砾岩的强度特性

在天然状态下，膏溶角砾岩单轴抗压强度在0.43MPa～0.69MPa之间，强度极低，根据铁路隧道设计规范应划分为Ⅴ级围岩［3］。膏溶角砾岩变形模量为14MPa～100MPa，除部分由于含大的角砾变形模量大外，大多数为15MPa左右，其中最小值已接近或部分小于粘性土指标，表明地层土质不均，局部压缩性高。并且遇水后强度迅速降低，降低幅值在1/4～1/3之间。

1.2 膏溶角砾岩的膨胀性

某隧道膏溶角砾岩中蒙脱石含量在10%～16%之间时，根据相关研究成果［7］，在有水的条件下，有可能对工程引发不同程度的膨胀变形破坏。因此，在膏溶角砾岩隧道施工中应避免水对围岩强度降低的影响。

通过对膏溶角砾岩特性的研究，发现某隧道膏溶角砾岩本身强度较低，遇水后强度会迅速降低，并且产生较大的膨胀，会给隧道支护造成较大的压力和施工困难，施工方案的选取就对此有针对性的措施。

2 超前小导管预支护的设计与施工

2.1 隧道施工总体方案

某膏溶角砾岩隧道采用新奥法原理施工，新奥法允许围岩有适当的变形，并控制其变形量，目的在于充分发挥围岩自身的承载能力。根据新奥法基本原理，对某隧道膏溶角砾岩段进行研究后决定:采用超前小导管进行预支护，微台阶法开挖，初期支护系统由锚杆、钢筋网、格栅钢架和喷射混凝土组成，必要时对超前小导管进行注浆。

2.2 超前小导管预支护设计

超前小导管采用 φ42热轧钢管，长3.5m，环向每米3根，纵向每2榀格栅打一环，施工外插角10°～15°，小导管搭接长度1.5m，小导管构造图如图1所示。在无水膏溶角砾岩段，如果围岩质量较好，可不注浆，则超前小导管可不钻孔。

超前小导管在隧道拱部140°范围内布置，以加强超前小导管作用范围，确保膏溶角砾岩围岩的稳定。超前小导管环向间距为0.33m，其布置横断面图如图2所示。

隧道预支护施工时，超前小导管纵向间距2m前方伸入未开挖围岩0.5m～0.8m，后方焊接在已做好初期支护的钢筋格栅上。超前小导管前后均得到支撑，形成“梁”，可以通过“梁”的作用承受开挖部分岩体的部分荷载，保持围岩稳定。隧道在膏溶角砾岩段超前小导管的纵断面布置图如图3所示。

2.3 超前小导管预支护注浆探讨

超前小导管注浆凝固后，可增强围岩的整体性，提高围岩的强度，进而提高围岩的承载能力，提高围岩的稳定性，确保隧道施工安全。一般情况下，注浆后的超前小导管可以对隧道围岩起到预加固的作用，但在注浆过程中，有大量的水存在，对膏溶角砾岩有可能产生溶蚀作用和软化作用，并引起较大的膨胀。因此，在膏溶角砾岩地段超前小导管是否注浆应视具体情况进行处理。

膏溶角砾岩围岩地段可细分为Ⅴ级围岩地段、Ⅴ级围岩加强段。

在Ⅴ级围岩地段膏溶角砾岩强度较高且无水时，超前小导管可以不注浆，超前小导管只发挥“梁”的作用对围岩进行预支护。

在Ⅴ级围岩地段膏溶角砾岩强度较低或有水时，可采用对超前小导管水泥单液注浆的方法对围岩进行预加固。水泥单液注浆设计时，应加入适量的速凝剂，加快凝结速度，尽快提高围岩的整体性和承载能力，同时减少浆液中含水对膏溶角砾岩的不利影响。

在Ⅴ级围岩地段水较多时或者在Ⅴ级围岩加强段宜采用水泥水玻璃双液注浆。水玻璃的波美度e′=40。水泥水玻璃双液注浆配合比以加快凝结速度，尽快提高围岩的整体性和承载能力，同时减少浆液中含水对膏溶角砾岩的不利影响为原则。

所有注浆段围岩的开挖应待浆液凝固后进行，以确保超前小导管能够充分发挥预支护和预加固的效果。

3 结语

通过有针对性的设计与施工，把超前小导管预支护应用于膏溶角砾岩隧道施工中的效果良好，根据量测资料显示，某隧道膏溶角砾岩段在初期支护完成后的10d内，隧道拱顶下沉累计最大3.3cm，水平收敛最大累计2.8cm，均小于预留的隧道围岩变形值，隧道顺利通过膏溶角砾岩段围岩。工程实践证明，采用超前小导管能确保隧道围岩的稳定和施工安全，满足设计与施工相关要求。

［1］何本国，朱永全，孙明磊，等.高速铁路膏溶角砾岩深埋隧道支护荷载确定方法［J］.岩土力学，2013，34(3):827-832.

［2］邓建华，黄醒春，彭结兵，等.膏溶角砾岩不同天然含水率情况下力学特性的试验研究［J］.岩土工程学报，2008，30(8):1203-1207.

［3］彭勇民，高 波，张荣强，等.四川盆地南缘寒武系膏溶角砾岩的识别标志及勘探意义［J］.石油实验地质，2011，33(1):22-27.

［4］熊江陵，李建华.太行山隧道膏溶角砾岩工程特性试验研究［J］.隧道建设，2007，27(1):6-8，15.

［5］张俊兴.强风化膏溶角砾岩隧道施工技术［J］.铁道标准设计，2006(6):64-66.

［6］TB 10003-2005，铁路隧道设计规范［S］.

［7］彭结兵，邓建华，黄醒春.膏溶角砾岩侧限膨胀特性试验研究［J］.工程地质学报，2008，16(8):634-638.