超前注浆小导管在破碎围岩隧道开挖施工中的应用

李连超

中国水利水电第七工程局有限公司海外事业部 四川成都 610081

摘要：近年来，随着国家对山区道路建设能力的不断提升，隧道工程在道路建设中所占的比例提升，隧道施工技术的提升得到了越来越广泛的关注。但是，隧道建设中存在着围岩破碎等弱质夹层岩石发育丰富的问题。因此，在破碎围岩隧道中采用超前注浆小导管技术，解决道路施工中的塌方问题很有必要。本文在探讨超前注浆小导管在破碎围岩地质隧道中施工工艺的前提下，提出了一种新型的隧道工程超前支护凿孔工具。经试验，施工进度得到明显提高，值得使用和推广。

关键词：超前注浆小导管；破碎围岩；注浆参数

0.引言

随着超前注浆小导管技术和超前大管棚技术在隧道道路工程中的广泛使用，提升了隧道工程的施工质量。超前注浆小导管在使用的过程中，不仅加固了“管棚”，还起到了加固岩体和改善破碎围岩性质，提升围岩稳定能力的目的。通过注浆管和围岩的紧密结合，提升了围岩的承载能力。本文结合2009年-2013年大渡河金川水电站省道S211改线公路工程实例，对超前注浆小导管技术和新型隧道工程支护超前支护凿孔工具的工作原理、施工工艺以及施工效果进行分析，以提升其在道路隧道工程中的应用能力。

1.工程概况

大渡河金川水电站省道S211改线公路工程全程长3400m，其中包含新扎沟隧道680m。该路段隧道围岩破碎，主要围岩类型为V级和IV级，围岩完整性差，裂隙发育十分丰富。隧道开挖过程中，曾于2009年9月20日因塌方停工，为工程建设带来了较大的影响。为了提升隧道的开挖能力，在采用超前注浆小导管的前提下，运用工字钢+锚杆的型式进行初期加固，待初期支护稳定后再进行C25砼二次衬砌，最终完成隧道成型。在2010年9月20日复工后，通过一种新型的隧道工程超前支护凿孔工具的使用，提升了隧道开挖的安全性。通过两者的结合使用，道路建设过程中再未出现过塌方事故[1]。

2.超前注浆小导管的力学模型

超前注浆小导管通过在初支体系和开挖岩体两端的固定，采用中间部分悬空的方式，构成一个简易的支梁结构。如图1所示。它的工作原理是通过小导管向围岩注浆，在提升围岩强度和围岩完整性的同时，通过围岩的加固工作，增强围岩和周围环境的适应能力。

超前注浆小导管的目的是在围岩的周围形成一个有力的“加固拱”，通过提升其长度和注浆的质量，提升整个岩体的安全性。同时，在小导管的相互搭建中，能有效提升管棚的加固作用。通过注浆小导管的加固作用，使图中B方向的支座承载能力得到加强，并且能够有效提升中间土体的承载能力，使整个不平衡的受力结构成为一个受力均匀的荷载。

图1 超前注浆小导管力学模型

3.超前注浆小导管在破碎围岩隧道开挖中的施工中的应用

3.1超前注浆小导管作用机理

超前小导管通过对掌面和拱腰受力环向的改变，能有效减少拱线的受力影响，通过位移和竖向荷载的变化，在纵向上能够增加掌子面的位移，增强位移的稳定性。小导管在超前支护中，通过荷载作用力的传递，能够改变掌子面和衬砌的应力分布。在隧道开挖的过程中，通过减少掌子面的荷载力，将力量传递给初支，减少隧道建设过程中前方围岩的承载力。通过超前注浆小导管的使用，能够改变隧道内部的应力分布，减少塌方事故的发生，有利于隧道的安全建设。

3.2超前注浆小导管在破碎围岩隧道开挖中的影响要素分析

影响超前注浆小导管加固能力的因素很多，包括地质条件、注浆厚度、注浆范围等各种因素。在施工过程中，由于施工建设的复杂性和不可重复性，要求在施工前运用模拟数值的方法对各项影响因素进行综合考量。比如软件数值模型的使用，通过对有限单因素的控制，在模型中分析各因素对加固效果的影响[2]。

3.3超前注浆小导管在破碎围岩隧道开挖中的施工设备分析

在施工中，主要采用设备进行注浆，通过对公移流量、公移压力、设备功率以及水灰比进行参数考量，在设备中的主回路、换向控制回路以及电机控制回路中，实现注浆目标。另外，在注浆参数的考量上，水灰比按照同等的比例进行单液水泥注浆，注浆前进行注浆记录和现场测试，以提升注浆的安全性和稳定性。再考量掌子面施工安全的前提下，确保导管施工和支护施工的安全性。最后，还要为隧道内进行施工的注浆超前小导管进行施工参数测试。一般来讲，超前小导管的施工直径为42mm，管壁厚度为3.5mm，在承压端上加上钢箍，通过注浆管在隧道开挖轮廓线上的布置，搭建外插角为30度和60度，搭线长度不小于120cm的超前注浆小导管。

3.4超前注浆小导管在破碎围岩隧道开挖中的施工工艺

在小导管的安装上，导管的制作要合乎规范，在现场确定空位后，即可进行钻孔的施工，在钻孔施工完成后，检查小导管的安装。在小导管的安装完成后，便可进行注浆施工，在堵孔后进行压水试验，通过水的实验，来扩充浆液的通路。在确保浆液能提升加固的松散体之后，按照从下至上的顺序进行注浆施工。在施工过程中，很容易出现跑浆的现象，通过钻头和小导管的连接，便可以解决这一问题。该施工工艺的创新在下一个部分会进行具体讲解，在此不作赘述。在注浆完成后，还要进行注浆的检查，保证注浆的成功，当浆液达到一定的凝固时间后，进行下一个钻孔的开挖施工。同时还应当注意破碎围岩和浆液渗透的情况，及时发现情况，进行工艺的维护。

4.超前注浆小导管在破碎围岩隧道开挖中的施工技术创新

2009年9月20日因塌方停工后，我部在进行技术反思的同时，针对隧道软弱岩层破碎和结构岩体松散的问题，进行了技术创新。提出在超前注浆小导管中才有有效成孔的技术进行钻孔工艺的创新。它由钻头、钻杆以及前后端接钻头组成，通过在钻杆上链接超前小导管的技术创新，有效解决了破碎巖层超前小导管的成孔问题。通过该项技术的工艺创新，在运用过程中，由于避免了超前支护不足而产生的塌方现象，有效地提升了施工进度。其结构如图2所示：

图2 一种新型的隧道工程超前支护凿孔工具

5.超前注浆小导管在破碎围岩隧道开挖中施工效果检测

为了研究小导管加固和超前注浆小导管对加固效果的不同效果。隧道的深埋为C/D=2，小导管的管径为42mm，长度为6m，纵向搭接长度为2m，超强注浆小导管的加固厚度为0.5m。通过数据对比分析可知，采用超前注浆小导管加固的隧道，加固后拱顶和地表的沉降值分别为28mm和14mm，而仅采用小导管加固技术的拱顶最大值为38mm，地表沉降值为17mm.由此可知，超前注浆小导管在提升地表沉降力和加固拱顶的影响上，作用显著。在该工程的施工前期，未采用超前注浆小管工艺，事故频发。在复工后，经过技术的改进，有效提升了施工效果。该技术已经在某些工程得到运用，在隧道开挖衬砌施工中，提高了岩体的稳定性，施工效果较好[3]。

6.结语

超前注浆小导管在加固过程中具有较强的支护能力，在运用的过程中，具有简单方便，灵活经济的优点。不仅能够提高隧道内部破碎围岩的力学性能，也能增加隧道的稳定性，在隧道开挖的过程中，防止因隧道开挖而导致地表变形的现象产生。在本工程中，通过采用超前注浆小导管技术和新型的隧道工程超前支护凿孔工具的结合，有效地保证了施工的顺利进行，值得推广。

参考文献：

[1]李传书.长大管棚在隧道浅埋穿越高速公路中的应用[J].西部探矿工程，2010，5（23）：12-16.

[2]石磊.注浆在塌方处理中的应用[J].中华建设，2011，7（15）：34-38.

[3]顾海峰.地表深孔预注浆的初步设计与施工[J].建筑工程，2009，32（04）：78-80.