超前预加固综合技术在软岩隧道施工中的应用

邹红峰

（中铁二十一局集团第五工程有限公司，重庆 412100）

1 工程概况

某铁路隧道位于云南省普洱市境内，全长为10 657m，设1#斜井493m，2#斜井872m，全隧共6个作业面。隧区地质主要为泥岩、砂岩、泥岩夹砂岩等，围岩以Ⅳ级、V级为主，属构造剥蚀中山地貌，地形起伏较大，隧道穿越剥蚀丘陵区，地表迳流条件好，地表水除部分渗入地下外，多数以地表迳流的形式从沟谷排入区外水系中，隧区内地下水主要为基岩裂隙水和松散岩类孔隙水。该隧道2#斜井小里程有150m长段落内受构造挤压严重，围岩完整性差，岩体破碎，加之段内富水，掌子面开挖过程中出现溜塌，溜塌物似泥石流，滑移速度快、空腔大，施工十分困难。

2 地质情况描述

2#斜井小里程1处软弱围岩段150m长，属背斜构造，受背斜张力影响，岩体节理发育，破碎，稳定性差，地下水发育。开挖揭示为砂岩，灰色，粉细砂状碎屑结构。

开挖后出现持续掉块、溜塌，并伴随散状流水，每小时50～70m3，溜塌物为灰、浅灰色，物质为碎块石、泥浆，碎块石为2～5cm，个别大于5cm，泥浆为泥岩饱水后滑移、摩擦产生而成，溜塌物如图1。

图1 掌子面溜塌物

3 施工方案的比选确定

该段地下水发育，岩层破碎，为粉细砂状碎屑结构，遇水呈胶泥状，单靠洞内排水及常规支护措施不能满足施工要求，需采取综合治理措施，经多方比选论证，确定采用深孔注浆加固的方案，先进行打孔泄水泄压，再注浆加固围岩，最后进行开挖掘进，支护成环。综合治理目标如下：一是通过超前预注浆，充填衬砌开挖轮廓线5m范围内围岩裂隙，防止开挖过程中发生突泥、突水等地质灾害，保证施工安全。二是在开挖轮廓线外形成不小于5m厚的注浆加固圈，减少地层透水系数，达到“以堵为主，限量排放”的目的。三是通过注浆形成轮廓线外5m厚的注浆加固圈，减少直接作用在衬砌结构上的荷载，从而保证结构安全。

3.1 超前支护的确定

超前支护采用“长短结合”的施工工艺，对拱部采用φ89大管棚+φ42小导管（外插角10°+45°）超前支护，φ89大管棚每根长15m，纵向间距12m，搭接3m，环向间距0.4m，每环47根；φ42小导管纵向间距2.4m，每根长4.5m，环向间距0.4m，每环47根。大管棚采用注水泥+水玻璃双液浆，超前小导管注水泥浆。

3.2 掌子面超前预加固

根据岩体性质、出水量情况等综合考虑，对掌子面前方采取超前注浆预加固，固结围岩，浆液根据现场情况采用水泥—水玻璃浆液及水泥浆液两种形式。根据岩体性质注浆扩散半径计算，布孔间距为1.2m×1.2m，梅花型布置。

3.3 径向注浆加固

拱墙范围采用φ42钢花管注浆加固，对开挖轮廓线外5m范围注浆加固，形成固结圈。

4 施工方法

4.1 掌子面泄水泄压

掌子面施工作业超前水平钻孔3～5孔，深度30m，其目的一是为了探明前方地质情况，二是作为泄水孔，将前方水通过探孔泄水，为开挖及支护施工提供好的作业条件。

4.2 超前支护施工

φ89大管棚每根长15m，纵向间距12m，搭接3m，环向间距0.4m，每环47根。首先并行架立I20钢拱架2榀并穿眼，采用管棚钻机钻进，外插角控制在5～7度以内，钻杆连接采用连接套，直至达到钻孔深度15m，孔径应大于管棚外径10～20mm。

管棚采用φ89钢花管，眼孔孔径为10～16mm，间距15～20cm，梅花型布置，尾部留不小于1m的止浆段不钻孔，用钻机将花管低速推进至设计深度，钢花管间采用套丝连接。

φ42小导管纵向间距2.4m，每根长4.5m，环向间距0.4m，每环47根。小导管在每循环掘进前施打，采用风枪钻眼成孔。

因掌子面出水量大，为快速封闭堵水，管棚注浆材料采用水泥—水玻璃双液浆，为提高围岩强度，超前小导管注浆材料采用水泥浆液。每循环注浆完成后，及时用风枪钻眼泄水，将注浆导致封闭的泄水孔眼及时疏通。

4.3 掌子面前方围岩预加固施工

止浆墙：采用C25挂网喷射混凝土对上中台阶进行封闭，厚度为30cm。

注浆孔布设：以满足注浆加固范围为标准，在上中台阶布设，布孔间距为2m×2m，采用伞形辐射状，长管注浆加固范围存在盲区死角，需要采用中长管和短管多层次加以补充注浆，达到设计要求的加固范围。

钻孔注浆：钻孔采用TXU-150型跟管钻机，注浆设备采用SYB-60/50型高效三缸双液泵。根据孔位布置设计图在作业面上用红油漆标出孔位，采用钻机成孔，用角规、吊锥控制钻杆水平角和仰角，钻进过程中不断纠正钻杆角度，确保形成咬合的终孔效果逐孔钻进，钻至设计深度后边退边注浆，周边三排注浆浆液为水泥—水玻璃双液浆，能快速堵水固结，中间孔位采用水泥浆液，局部出水点采用化学浆液。注入顺序为从外至内隔孔跳的顺序进行施工。钻孔剖面如图2。

图2 超前预加固钻孔剖面

注浆压力的确定:注浆压力是浆液在裂隙中扩散、充塞、压实脱水的动能，压力太小不能充满裂隙，扩散范围有限，达不到堵水、固结的目的；注浆压力高，可提高岩体强度和不透水性，还可以扩大孔距，减少孔数，加快施工进度，但是压力过高，易引起裂隙扩大，岩层移动和抬升，浆液扩散到注浆设计范围以外，造成材料浪费，甚至事故。经试验确定取最大注浆压力2MPa，临近止浆盘段需要降低注浆压力，防止将止浆墙压垮，临近止浆盘段注浆压力不宜大于0.65MPa。

掌子面前方预加固以15m为一个循环，注浆参数如表1。

表1 超前预加固参数设置表

浆液配合比的确定：注浆原材料主要为普通硅酸盐水泥、水玻璃、外加剂等，根据现场实际情况选择不同的浆液类型，适当调整配合比，并适当加入特种材料以增加可灌性和堵水性能，提高止水效果及浆液耐久性。配制的浆液需达到下列要求：（1）初始黏度低、流动性好、可灌性强，能渗透到细小的裂隙或孔隙。（2）早期强度高，注浆完成后可立即开挖。（3）可控性强，凝胶时间可以任意调整，准确控制。（4）稳定性好，有较好的耐久性。（5）固结体具有一定的抗压、抗拉强度，抗渗性和抗冲刷性好。（6）材料配制及操作简单，便于施工现场使用。

通过现场试配确定的水泥浆及双液浆配合比如表2、表3、表4。

表2 水泥净浆配合比

表3 双液浆水泥浆液配合比

表4 双液浆水玻璃浆液配合比

水泥浆液与水玻璃浆液=1:1（体积比）。

4.4 上台阶开挖支护施工

因围岩软弱，开挖无需钻爆，采用鹰钩开挖即可，尽量减少对围岩的扰动，每循环进尺1榀60cm，开挖后需快速进行初喷封闭，然后架立钢架，采用I20钢及时支护，拱脚采用混凝土预制块加垫，上台阶拱脚采用φ42钢花管双锁脚加强，并及时喷射混凝土封闭。

4.5 径向注浆加固施工

为了保证中下台阶开挖顺利实施及注浆过程中后方初支的安全，拱墙范围采用φ42钢花管注浆加固，每根长5m，梅花型布置，1.0m×1.0m（环×纵），注水泥浆或水泥—水玻璃双液浆，对开挖轮廓线外5m范围注浆加固，形成固结圈，钻孔注浆工艺与前述相同。

5 控制要点

（1）出水量较大段落，首先要在掌子面钻设泄水孔，根据出水点位置及水量大小布设孔位，一般布设3～5孔，将水排出。初支完成后的段落，也要在初支面上适当布设泄水孔，防止水集聚形成压力，施工将更加困难。

（2）钻孔施工前，严格按照施工布置图布好孔位。钻机定位要准确，开钻前的钻头点位与布孔点之距相差不得大于5cm。钻杆偏移度不得大于1°。钻孔时，密切观察钻孔进度，如发生涌水情况，应立即停止钻孔，先进行注浆止水 (压力应达到0.3～1Mpa) ，并确认止水效果后，方可停止注浆，向前继续钻孔施工。

（3）注浆一定要按程序施工，每段进浆要准确，注浆压力一定要严格控制，专人操作。当压力突然上升或从孔壁溢浆，应立即停止注浆。每段注浆量应严格按设计进行，跑浆时应采取措施确保注浆量满足设计要求。

（4）注浆完成后，应采取措施保证不溢浆跑浆。

（5）每道工序均要安排专人负责操作及注浆记录。