暗挖隧道超前小導管施工技術探討

齊 濤

鄭州市第一建筑工程集團有限公司（450000）

在隧道及地下工程施工中，遇到不良地層時，往往要進行地層預加固。在較小斷面洞室開挖(一般跨度在6m以下的洞室)和局部小范圍塌方的處理中，超前小導管以其施工工藝簡單、施工作業空間要求較小、施工方案可以隨時調整和顯著的經濟效益等特點在地層預加固時成為首選的方案之一。

在隧道開挖以后，隧道圍巖將改變原來的初始應力狀態，進行應力重分布，形成二次應力狀態。小導管注漿在隧道開挖前就改變了圍巖的初始應力狀態，從而直接影響二次應力狀態的結果。在形成二次應力過程中，小導管將起到支撐梁和錨桿的作用，從而改變二次應力分布狀態，產生不同于未加固圍巖的應力狀態；另一方面，注漿改變了巖體的力學參數，主要是 E、μ、C、φ 值的變化，E、C、φ 值提高，μ值減小，這樣就提高了圍巖本身的自穩能力。通過這兩方面的作用，使得地下洞室在開挖時，圍巖塑性區出現的時間得到延緩并使圍巖的塑性區減小。

1 超前小導管設計參數及施工工藝

本工程中超前小導管采用管徑Φ42mm，壁厚3.25 mm的普通焊接鋼管，單根長3.5 m，管身鉆孔，孔徑10mm，成梅花形布設。小導管在隧道中心線上180°范圍內布設，環向間距300 mm，外插角呈10°～15°。每榀鋼格柵開挖步距500mm，每兩榀格柵打設一環，縱向間距1 m，施工時用機械打設，注漿機進行注漿。主要施工工序包括鉆孔、布管、封孔、注漿四道工序，工藝流程見圖1。

注漿管一端做成尖形，另一端焊上鐵箍，在距鐵箍端0.5～1.0 m處開始鉆孔，鉆孔沿管壁間隔100～200mm呈梅花形布設，孔位互成90°，孔徑6～8mm,尾部置于格柵鋼架上，并與格柵鋼架焊接。小導管加工示意圖詳見圖2。

2 雙液漿的配置及特性

根據地質條件及圍巖特性,注漿的目的等不同，注漿材料一般分為兩類:第一類為水泥漿,其主要作用為增強鋼管剛度。第二類為注水泥漿和水泥—水玻璃雙液漿等化學漿液,其主要作用為:

1）漿液通過超前壓注到巖體裂隙中經過物理化學作用,即能將破碎圍巖或松散顆粒在短時間內膠結成整體,起到超前預支護作用,為隧道開挖施工安全提供保障和增強圍巖的整體穩定性;

2）漿液填充巖(土)體的空隙，凝結固化后，阻隔了地下水向隧道的滲入，起到了堵水防水作用。在本工程施工中，小導管注漿材料為水泥—水玻璃雙液漿,通過前期的現場注漿試驗,注雙液漿的效果明顯優于單液漿，經測定水泥漿單液漿的固結時間一般為80 h；水泥水玻璃雙液漿的固結時間一般為4 h,現將水泥—水玻璃雙液漿的施工工藝予以重點探討。

雙液漿的特性主要反映在漿液黏度、顆粒度和凝膠時間長短,漿液配合比應由現場試驗確定;漿液可采用水灰比為 0.8∶1～1.5∶1，水泥漿與水玻璃的體積比一般在 1∶0.3～1∶1，在此范圍內隨著水玻璃用量減少,其凝固時間縮短，也可加入食鹽、三乙醇胺速凝劑等縮短凝結時間。當水泥漿與水玻璃的體積比在 1∶0.4～1∶0.6 范圍時，漿液使加固體的抗壓強度最高。我們實際在工程中采用的雙液漿為1∶1水灰比的水泥漿和40°Be’的水玻璃，前者與后者的體積比為1∶1。水玻璃的比重理論推算為145/(145-40)=1.809 t/m3，1∶1水泥漿的實際試驗比重為 1.512 t/m3,該雙液漿初凝時間為2min,終凝時間為60min。

3 注漿壓力

注漿小導管環向間距可根據地質變化通過試驗確定。注漿試驗的主要目的是選定注漿壓力p、注漿半徑r及注漿量。在選定注漿半徑r后，可按兩圓相交形成厚度等于30 cm確定孔距，注漿半徑及孔距示意圖見圖3。

注漿壓力是促使漿液在土層裂隙中流動擴散的一種動力，必須有足夠的注漿壓力來克服土層內天然水頭壓力和地層裂隙阻力，才能使漿液充分擴散填充，達到加固堵水的作用。因此，在漿液的黏稠度固定的情況下，注漿壓力直接與土層內天然水頭壓力和地層裂隙阻力,才能使漿液充分擴散填充，達到加固堵水的作用。因此，在漿液的黏稠度固定的情況下，注漿壓力直接與土層的裂隙寬度和粗糙度、孔隙率、裂隙發育程度、水頭壓力有關。壓力過高亦會劈裂土體，因此注漿壓力一般控制在0.2～0.5 MPa。

4 注漿量計算

小導管注漿單管漿液擴散半徑一般為0.3～1.0 m。這與深孔超前圍幕注漿的擴散半徑2～4m(管徑75～110mm、注漿壓力為 1.5～4 MPa)有明顯區別,故《隧道施工規范》中的注漿量計算公式(如式1)不能作為小導管注漿量的估算公式。

式中:Q1—注漿量,m3；R—擴散半徑，m；H—注漿管有效長度,m；η—地層孔隙率,%；α—地層填充系數,0.7～0.9；β—漿液損耗系數,1.1～1.4。

根據現場實際施工過程中的實際注漿量驗證，以下計算公式相對符合實際單孔注漿量。

式中:Q2—注漿量，m3；S—小導管中心距離，m；L—小導管有效長度，m；R—考慮到注漿范圍相互重疊的原則,擴散半徑取(0.6～0.7)×S,m；η—土壤孔隙率，見表1。

表1 土壤孔隙率參數表

實際施工中因鉆孔偏差或鉆眼內的地質原因,注漿液竄漿或跑漿經常出現，每個注漿管內的注漿量很不均勻，因此理論單眼注漿量尚不能作為單孔注漿的一個控制指標,應以整環（排）小導管的理論推算總量作為控制指標。故按整環小導管上下各0.3～0.5 m范圍的土體內均已注漿填充考慮,應以下列公式估算注漿總量。

式中:Q3—注漿量，m3；H—拱部小導管布設范圍相對于圓心的角度；R—小導管位置相對于圓心的半徑；t—漿液擴散半徑，0.3～0.5 m;L—小導管有效長度，m；η—巖體孔隙率，%。

按此理可推算同一斷面上單（環）排或多（環）排小導管的注漿總量。

5 施工控制注意事項

1）注漿前應對開挖掌子面及側壁噴射厚度為5～10 cm的噴射早強速凝混凝土進行封閉作為止漿層。待止漿層有一定強度時方可注漿，防止漿液從各掌子面及其他導洞反滲。2）安裝注漿管時,應在注漿與孔口掌子面相交處設置止漿裝置，或者用膠泥(水玻璃與水泥)和麻絲纏繞，使之與鉆孔孔壁充分擠壓塞緊，實現注漿管的止漿和固定。膠泥未凝固到一定強度不得注漿。3）漿液應先經過過濾防止雜物進入注漿泵或進入小導管。4）如注漿孔有滲水現象，則注漿時應先注無滲水孔，后注有滲水孔。5）嚴格控制注漿壓力，以防壓裂開挖面。注漿機壓力應與規定壓力配套,不宜升壓過快。注漿壓力達到規定時應穩壓一定時間,以利漿液進一步擴散和滲入。6）一個導管注漿時,相鄰導管應打開止回閥讓原來管內貯存的裂縫水從相鄰的導管流出，當相鄰的導管內流出濃漿時停止注漿，關閉相鄰管的止回閥，再待達到控制壓力時關閉該管的止回閥。7）配制的漿液應在規定的時間內用完。8）注漿時應嚴格記錄注漿容器原有漿液體。