公路桥梁隧道施工中注浆拱棚超前支护技术

程勇

（张石高速公路张家口管理处，河北 张家口 075100）

公路桥梁隧道现场施工常遭遇不良地质体，涉及到松散、富水、软弱地层隧道穿越施工时，必须形成配套超前支护技术，以控制围岩变形，避免拱顶、掌子面发生坍塌，确保现场施工作业的安全性。目前超前支护常见技术形式包括锚杆支护、小导管注浆、长管棚、水平旋喷桩等，但超前支护技术在实际应用过程中，却不同程度地出现了成桩质量较差、加固体周边变形较大和废浆液排放无序等问题。针对这些问题，本文提出了一种全新的注浆拱棚超前支护技术，配套液压双摇臂全方位高压喷射注浆钻机，可满足超前支护技术需求，有效控制周边岩土体变形，具有安全可靠的综合应用价值。

一、注浆拱棚超前支护装备支持

公路桥梁隧道工程实践中注浆拱棚超前支护施工工艺复杂，为避免因隧道开挖工作断面场地局限、水平旋喷施工难度大、开挖速度要求高等一系列因素给隧道开挖作业带来的不良影响，实现注浆拱棚超前支护技术的实践应用，本文形成了与注浆拱棚超前支护技术相配合工艺设备体系，将液压双摇臂高压喷射注浆钻机及孔口止浆器应用于超前支护实践中，实现对流量和压力的可靠控制。

（一）液压双摇臂高压喷射注浆钻机

为满足公路桥梁隧道施工实践中对注浆拱棚超前支护技术的应用需求，已成功研制液压双摇臂高压喷射注浆钻机，并应用于注浆拱棚超前支护实践中。其相较于同类装备，在动力头行程、扭矩、装机功率及作业半径等方面均具有相同优势，性能特点在于钻机配置液压双摇臂支撑结果，主钻架长度达12m，转动灵活可靠，对定位定向有良好操作性，可满足钻喷一体化需求；支持作业面最大高度为5.6m，最大宽度为7.2m，转动范围广，其中水平作业面转动范围在±90°，垂直作业面转动范围在-15°～90°；同时，钻机配置双动力源支持，行走驱动装置为柴油发动机，旋喷、钻孔工作回路驱动装置为电动机，对预防空气污染、提高行走机构灵活性有重要意义；钻机配置有弹性支座，对实现孔口止浆器与主钻架的可靠连接有促进作用，连接拆卸方便，可满足操作人员作业需求。

（二）孔口止浆器

设置孔口止浆器对控制超前支护过程中周边岩土体变形量，调节孔口压力及废浆液排放量有重要意义。目前已成功研发孔口止浆器具备三方面性能优势：第一，可借助于溢流管截止阀实现对超前支护过程中废浆液排放量及孔口压力的调节控制；第二，借助于密封腔在钻孔及旋喷期间提高高压喷射浆液的密封性，避免自溢流管渗漏问题的发生；第三，通过溢流管将旋喷注浆过程中所产生废浆液及钻孔渣土排放至指定地点，在保障超前支护效果的同时，尽可能减少环境污染问题。

二、注浆拱棚超前支护技术方案

公路桥梁隧道工程实践中已经涉及到对注浆拱棚超前支护技术的应用，但受施工工艺及装备性能局限性的影响，导致超前支护技术的推广存在一定限制。针对该问题，有关人员尝试研究带有孔口止浆器的高压喷射注浆拱棚超前支护工法，对解决设备性能局限所致技术推广问题有重要意义，整体工序流程如图1所示。

图1 高压喷射注浆拱棚超前支护工序流程

第一步，定位。对钻机主钻架进行定向与定位，通过法兰盘实现孔口止浆器与掌子面墙上预埋钢管的可靠连接。

第二步，钻孔。按照设计深度视情况利用冲击回转或回转方式钻孔，钻进过程中所产生废浆液、渣土通过孔口止浆器溢流管，排放至指定位置。

第三步，高压喷射注浆。密切仓储称重系统、搅浆系统及高压泥浆泵的配合，自孔底自下至上完成高压旋喷操作，旋喷至与掌子面墙距离1m～2m位置。

第四步，分离部分孔口止浆器。将溢流管截止阀切换至关闭状态，钻头退出板阀腔并切换板阀至关闭状态，分离板阀腔与密封腔，主钻架转动至其他相应孔位，视实际情况经溢流管处理压力补浆，以满足注浆需求。

第五步，分离板阀腔。待加固体达到非流动状态后，分离掌子面墙预埋钢管与板阀腔连接端，孔口利用棉布或木塞封闭。

第六步，芯材插入。根据前期设计方案，通过孔口将钢筋、钢管或者钢筋束插入旋喷桩体，达到超前支护效果。

完成操作步骤后，利用高压喷射注浆拱棚达到超前支护效果，解决因孔口压力骤降对周边土体结构所产生不良影响，同时还能够避免因拱棚顶部周边土体变形作用力大而对超前支护结构稳定性所产生不良影响，是公路桥梁隧道工程领域超前支护的全新思路与渠道。

图2 旋喷拱棚注浆超前支护剖面结构

三、实验验证

某公路桥梁隧道工程位于某市西北郊区，现场勘查资料显示隧道开挖作业面基础场地为第四系冲洪积地层，地层构成为素填土、砂质粉土、粉质黏土及粉砂层，压缩模量在4.5MPa～10MPa，孔隙比在0.67～0.91。施工现场选用高压喷射注浆拱棚超前支护工艺技术，喷射注浆钻孔前方对称设置高压喷嘴，拱棚共配置7根旋喷桩，孔径为0.15m，钻深为8.5m。旋喷拱棚注浆超前支护剖面结构如图2所示。

该工程试验区段超前支护现场施工设备包括高压喷射注浆钻机、孔口止浆器、高压泥浆泵、水泥浆搅拌罐、清洗泵等。旋喷浆液选用普通硅酸盐水泥，标号为PO32.5R，水灰比为1。注浆拱棚超前支护过程中高压喷射注浆钻机保持固定状态，旋喷桩经钻机主钻架转动方式满足定位以及定向的需求。泥浆泵工作压力设定为40MPa，采用跳打施工方式，成孔速度按照80cm/min标准控制，旋喷转速控制标准为13.5r/min～15r/min，旋喷提速控制标准为14cm/min～16cm/min。现场旋喷桩经钢管中心插筋，1#旋喷桩于底部3m范围内进行复喷处理。为对注浆拱棚超前支护具体效果进行观察，在完工后30d内对拱棚顶部及隧洞内部进行开挖校验，开挖结果显示旋喷桩质地均匀，桩径平均为0.7m～0.8m，纵向、横向搭接紧密，无缝隙，咬合尺寸在0.2m以上。

四、结语

注浆拱棚超前支护对避免各类施工灾害发生，提高工作面结构安全性、可靠性有非常重要的价值。本文得出三点结论：第一，成功研发带孔口止浆器的高压喷射注浆拱棚超前支护工艺方案，并在工程实践中应用；第二，形成了与注浆拱棚超前支护技术相配合工艺设备体系，将液压双摇臂高压喷射注浆钻机及孔口止浆器应用于超前支护实践中，实现对流量及压力的可靠控制；第三，利用足尺试验对注浆拱棚超前支护技术的应用效果进行校验与检测，证实该工法能够提高结构质量，控制周边岩土体变形作用力。