小导管超前支护技术在隧道浅埋暗挖法施工中的应用分析

江慧元

（江西省地质调查勘查院，南昌 330025）

1 工程概况

维西至兰坪通甸公路项目位于云南省迪庆州维西县与怒江州兰坪县境内，维通公路某合同段共有短隧道2 个，其中，1#隧道为明挖隧道，长159 m；2#隧道长94 m，拱顶最大埋深13 m，属于典型的浅埋隧道。鉴于2#隧道（K5+611～K5+705）围岩岩性表层为灰黄、褐黄及浅灰黄色填筑土，主要成分为粉质黏土、碎石土，围岩为Ⅴ类，开挖施工采用上下台阶法，施工原则是：管超前、严注浆、短进尺、少扰动、弱振动、强支护、勤量测、早封闭。

2 小导管超前支护技术相关概述

超前小导管超前支护技术是隧道开挖中的关键工艺，该技术的基本原理是在钻孔后插入特制的小导管，然后用注浆泵将砂浆注入隧道掌子面的地层结构中，借此增强隧道土体结构的力学性能，使小导管对隧道开挖作业起到良好的支护作用。小导管超前支护技术在具体应用时还可与钢拱架联合应用，从而作为支护管棚增强隧道开挖的安全性。在此过程中，超前小导管注浆后，小导管能够改善隧道开挖工作面的环境，并在隧道顶端形成约1 m 的加固圈。同时还可以与隧道地层结构相融合，形成完整的支护体系，确保施工范围内工作面的稳定性，预防坍塌、地表沉降等风险[1]。

3 浅埋暗挖法施工与小导管超前支护的联系性

浅埋暗挖法是隧道工程建设中的常用工法之一，具有大型设备依赖性低、灵活性强等特点。采用浅埋暗挖法施工时，开挖作业不会对周围建筑物、地面车辆的通行产生影响。在城市隧道工程施工建设中，由于地下管线布设较为复杂，为避免出现地表沉降、地面塌陷等安全风险，还应在隧道浅埋暗挖过程中利用各类辅助工法加固底层结构，确保隧道开挖施工的安全性。根据隧道开挖时辅助工法的基本目标，可将常用的工法划分为加固及防水两种类型，小导管超前支护技术属于加固类的辅助工法。维通公路项目2#隧道，在制订隧道浅埋暗挖施工方案时，同步应用小导管超前支护技术，借此增强地层稳固性，有效地防范了隧道开挖安全风险[2]。

4 隧道浅埋暗挖法施工中小导管超前支护的应用要点

4.1 施工条件分析

维通公路项目中，2#隧道进出口段表层均为全风化岩，洞顶板及围岩为强风化岩，岩体破碎，结构松散，浸水易化、崩解，围岩自稳能力差，拱部和侧壁存在大塌方的可能性，为进洞施工带来了较大的安全隐患。2#隧道洞身V 级围岩段因受浅埋及不均匀风化影响，拱部和侧壁易产生崩塌，存在塌方和冒顶的可能性，给施工造成不可预见的困难。

2#隧道监控量测是新奥法复合式衬砌设计、施工的核心技术之一，起到反馈和指导施工的作用。因此，在该项目施工设计中，相关人员结合超前地质预报了解掌子面前方工程地质及水文地质，并以此为基础，联合应用浅埋暗挖法及小导管超前支护技术施工方法，以此避免在施工作业中出现安全事故，保障施工安全。

4.2 小导管超前支护流程

1）制作支护小导管。本项目内小导管采用φ50 mm 钢管，在钢构件加工场制作。超前小导管的前端做成尖锥形，尾部焊接φ8 mm 钢筋加劲箍，管壁上每隔15 cm 交错布置注浆孔，孔眼直径为6～8 mm。

2）小导管超前支护施工原则。隧道工程浅埋暗挖施工时，为保证施工作业的安全性以及隧道开挖整体质量，需使用提前特制的小导管在隧道内进行超前支护。但在施工过程中应坚持以下原则：（1）坚持分部开挖、短进尺的基本原则。（2）坚持弱爆破的原则，最后坚持锚、网、喷、型钢钢架联合支护的原则。小导管超前支护施工的具体流程，如图1 所示。

图1 隧道浅埋开挖施工中超前小导管施工流程图

3）小导管超前支护施工。本项目中超前小导管支护技术方案是用风枪进行钻孔后，将小导管按设计要求插入孔中，外露端支撑于开挖面后方的钢架上，与钢架共同组成预支护体系。具体施工内容主要包括以下方面：（1）通过喷射混凝土的方式将已开挖的掌子面封闭，混凝土层的厚度约为10 cm。（2）随后测量分析钻孔注浆、插入小导管的实际位置，布设孔眼。（3）安装小导管时，导管应与隧道岩层结构相垂直。

4）使用风枪钻孔，钻孔时应坚持多回转、少冲击的基本原则，缓慢钻进，钻进期间反复扫孔，直到钻孔深度到达设计深度。钻孔深度到达设计值后，将小导管导入钻孔内，在此期间，施工人员应严格控制孔位方向、各钻孔的间距，以及钻孔时的各项参数，钻孔深度允许偏差约为5 cm、孔位允许偏差为4 cm、钻孔方向允许偏差为2°、钻孔间距的允许偏差为1.5 cm。

4.3 小导管注浆方案

维通公路2#隧道施工中，注浆设备采用注浆泵，注水泥砂浆，砂浆的配合比由现场试验确定，在管口处设止浆塞。采用小型砂浆搅拌机拌制水泥砂浆，注浆压力为0.5～0.8 MPa。注浆前先喷射混凝土3～5 cm 封闭掌子面作止浆盘，若注浆未达到压力要求，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。注浆先从拱顶开始向下注，先灌注单号孔，再灌注双号孔。注浆参数应根据注浆试验结果及现场情况适当调整。注浆作业中认真填写注浆记录，随时分析和改进，并注意观察施工支护工作面的状态，试挖掌子面，无明显渗水时，即可进行开挖作业。

1）按照小导管超前支护技术安装、布置小导管时，应按照隧道浅埋开挖的轮廓线将小导管从钢格栅腹部穿过，并将导管底部与格栅拱架固定起来。安装受阻时用钻机将导管顶入，顶入深度应不小于导管长度的90%，各支护小导管之间的环向距离约为30 cm，之后，施工人员可将注浆阀门、小导管相连接，为避免出现漏浆问题，可用锚固剂处理钻孔、注浆管的间隙，使其充分衔接后进行注浆。

2）注浆前期，将配制好的混凝土喷射在隧道坑道处，喷射厚度为10 cm，喷射区域的浆层强度较高时，可有效避免围岩裂缝中渗漏浆液。注浆过程中小导管注浆的速度与围岩、地层孔隙率、注浆设备动力系数有关，通常情况下，注浆速度应保持在5～110 L/min。而在控制超前小导管注浆量时，可参考的信息包括支护工艺、浆液特性及其凝固后对岩体的支护作用。施工人员可结合浅埋开挖施工时的基本需求，注入适量的浆液，确保岩体结构的强度、防渗漏能力符合预期要求。

3）完成小导管注浆作业后还应及时检查注浆效果。（1）小导管注浆结束后，会使围岩在预支后与周围粉土形成整体，产生“支护壳体”，借此提升隧道浅埋开挖时的土体刚度及强度，以避免隧道开挖时因应力释放而出现坍塌现象。现场开挖检验后可知，本项目的注浆效果良好，小导管超前支护作用明显。（2）地面沉降检测同样是检验小导管注浆效果的关键，所以，还应加强隧道开挖区域地表沉降值的监测，当沉降检测点的沉降值控制在7～13 mm 以内且小于基本预警值20 mm 时，表示地面沉降数据趋于稳定。（3）施工人员还应查看钻孔内注浆压力及注浆量，分析其是否符合小导管超前支护的技术要求，确定其符合设计值后，根据注浆量估算浆液扩散半径，评估注浆效果。

4.4 隧道浅埋开挖

4.4.1 小导管超前支护的隧道浅埋开挖流程

隧道工程建设中，基于小导管超前支护技术与浅埋暗挖法的施工流程包括施工前准备、开挖隧道覆盖层、边坡支护、上部小导管超前支护、上部开挖、下部小导管超前支护、下部开挖、施作仰拱、填充混凝土、二次衬砌等内容。维通公路项目施工中浅埋暗挖的具体方式采用台阶开挖法，在完成超前小导管支护、导管内注浆等作业后，可正式进行隧道开挖工作。

4.4.2 小导管超前支护时的隧道开挖工艺

隧道施工中台阶开挖法是将隧道断面划分为多个断面，然后分段实施开挖作业。隧道浅埋开挖施工中台阶法的应用较为广泛，具体包括中隔墙台阶法、正台阶法等类型。其中，正台阶法在实际应用中可通过及早闭合支护的方式，控制地面沉降。维通公路2#隧道进出口段表层均为全风化岩，围岩较为软弱，所以，可采用灵活性较强的正台阶法。但在实际应用正台阶法时，还应合理控制隔断门的台阶长度、断面分块。通常情况下，普通地质条件的隧道工程其台阶长度应保持在5～8 m，若因地下水而出现开挖困难问题时，应适当延长台阶长度，实际长度约为15 m。

具体施工流程可分两部分进行：（1）正式开挖时用小导管进行超前支护注浆，然后开挖隧道上部弧形区域，安装上部支护钢架，并在隧道上部拱墙处喷射混凝土，同时开挖上方的核心土层、安装临时支护的横撑。（2）开挖下层土方，安装下层支护钢架，将混凝土喷射在下层边墙处，开挖隧道底板、安装底板处的支护钢架。

采用正台阶法进行隧道浅埋开挖施工时，还应重视以下工作：（1）隧道开挖时，开挖循环进尺应与一榀格栅间距相同，开挖过程中注意控制开挖时的水平线、中线、轮廓，同时注意预防超挖风险，人工修凿欠挖区域时，还应注意预留变形。（2）开挖时尽量保留核心土体，初次支护完毕后开挖该区域。若围岩本身的稳固性不强，采用台阶法时应适当缩短台阶长度，并闭合支护体系，联合应用钢架结构时，钢格栅可用螺栓连接。

5 结语

综上所述，超前小导管支护技术作为隧道工程建设中的辅助工法之一，能够在隧道浅埋暗挖时增强地层稳定性。但是对于不同地质条件的隧道工程，其对小导管规格的要求会有明显差异，对此，可根据实际情况特制超前支护小导管。小导管注浆、安装过程中应明确注浆配制比例与安装方法，持续规范隧道浅埋暗挖施工流程，借此有效地增强隧道掌子面的稳固性，保障隧道开挖的安全性。