隧道施工中的超前小導(dǎo)管施工工藝改進(jìn)與實(shí)踐

摘要 針對某隧道工程復(fù)雜地質(zhì)條件下超前小導(dǎo)管施工面臨的技術(shù)難題，文章對鉆孔、清孔、安裝及注漿等工序進(jìn)行了工藝改進(jìn)研究，通過采用高頻沖擊與高壓風(fēng)輔助鉆進(jìn)、輕質(zhì)泡沫液護(hù)壁清孔、環(huán)氧樹脂涂層小導(dǎo)管安裝，以及分段跳注注漿等優(yōu)化措施，有效解決了富水破碎地層中鉆孔偏斜、孔壁失穩(wěn)、注漿串通等問題。研究結(jié)果表明，優(yōu)化后的施工工藝可使鉆進(jìn)效率提高50%，孔壁坍塌率降低10%，圍巖收斂變形速率降低30%以上，對提升超前小導(dǎo)管的施工質(zhì)量具有重要意義。

關(guān)鍵詞 隧道工程；超前小導(dǎo)管；施工工藝；優(yōu)化改進(jìn)

中圖分類號(hào) U455.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 2096-8949（2025）05-0149-03

0 引言

隧道工程建設(shè)在推動(dòng)國家基礎(chǔ)設(shè)施現(xiàn)代化、助力區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展中發(fā)揮著重要作用。隨著《“十三五”現(xiàn)代綜合交通運(yùn)輸體系發(fā)展規(guī)劃》《國家公路網(wǎng)規(guī)劃（2013年—2030年）》等政策的出臺(tái)，隧道工程建設(shè)進(jìn)入高速發(fā)展階段[1]。其中，超前小導(dǎo)管作為一種先進(jìn)的隧道施工輔助技術(shù)，在復(fù)雜地質(zhì)條件下能夠有效增強(qiáng)圍巖穩(wěn)定性，保證施工安全。然而，受技術(shù)、工藝等因素制約，超前小導(dǎo)管施工中仍存在一些亟待解決的難題。該文結(jié)合某隧道工程實(shí)際，對超前小導(dǎo)管施工中的工藝難點(diǎn)進(jìn)行分析，并提出相應(yīng)的優(yōu)化對策，以期為類似工程提供有益參考。

1 工程概況

該文以某隧道工程Z3合同段為研究對象。該合同段隧道全長1 570 m，最大埋深67 m，洞徑12.8 m，凈空9.6 m，

為雙向四車道公路隧道。隧道穿越的地層主要為燕山期侵入巖體，以花崗巖和花崗閃長巖為主，巖性堅(jiān)硬。然而，由于受區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造的影響，局部巖體破碎，節(jié)理裂隙發(fā)育明顯。隧道工程的主要設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。襯砌厚度設(shè)計(jì)為60 cm，允許偏差±3 cm，要求嚴(yán)格控制。初支厚度設(shè)計(jì)為28 cm，允許偏差±2 cm，需要重點(diǎn)檢測。縱向坡度設(shè)計(jì)為2.1%，允許偏差±0.2%，需要定期復(fù)測。橫向坡度設(shè)計(jì)為2.0%，允許偏差±0.3%，需要?jiǎng)討B(tài)監(jiān)控。在水文地質(zhì)條件方面，隧道穿越多個(gè)富水?dāng)鄬悠扑閹В叵滤饕曰鶐r裂隙水為主。由于洞身埋深位于地下水位以下，局部地區(qū)涌水量較大。鉆孔數(shù)據(jù)顯示，沿線隧道圍巖以Ⅲ～Ⅳ級(jí)為主，占總長度的81.5%；局部為Ⅴ級(jí)，占4.7%。其中，Ⅳ～Ⅴ級(jí)圍巖段主要分布在隧道進(jìn)口、出口以及斷層破碎帶等不良地質(zhì)發(fā)育區(qū)段內(nèi)。

通過對Z3合同段隧道的詳細(xì)分析，可以看出該工程面臨著復(fù)雜的地質(zhì)條件和水文地質(zhì)環(huán)境，需要在施工過程中采取嚴(yán)格的控制措施和動(dòng)態(tài)監(jiān)測，確保工程質(zhì)量和安全。

2 超前小導(dǎo)管施工面臨難點(diǎn)

在該項(xiàng)目隧道洞身Ⅳ級(jí)圍巖段超前小導(dǎo)管的施工過程中，面臨著多項(xiàng)主要難題。

（1）復(fù)雜的水文地質(zhì)條件嚴(yán)重制約了小導(dǎo)管施工的質(zhì)量。該隧道段地下水資源豐富，水壓較高，局部單孔涌水量甚至達(dá)到12 m3/h。這種高水壓環(huán)境給小導(dǎo)管的鉆孔和注漿工作帶來了極大挑戰(zhàn)。如果注漿壓力控制不當(dāng)，水泥漿液容易沿著巖體的節(jié)理裂隙發(fā)生超前滲流，從而形成注漿空洞[2]。這不僅會(huì)降低小導(dǎo)管與巖體的握裹力，還會(huì)使小導(dǎo)管難以有效約束圍巖變形，進(jìn)而影響工程的整體質(zhì)量。

（2）由于不良地質(zhì)構(gòu)造的發(fā)育，小導(dǎo)管施工的精度控制要求非常高。受復(fù)雜構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的影響，隧道穿過的花崗巖體節(jié)理裂隙發(fā)育明顯，巖體的堅(jiān)硬程度也不均勻。在這種情況下，小導(dǎo)管在鉆孔過程中容易發(fā)生偏斜。如果偏斜角度超過規(guī)范規(guī)定的3°控制范圍，小導(dǎo)管根部的應(yīng)力將過于集中，可能導(dǎo)致接頭脫落、帽部回漿等質(zhì)量問題，從而影響施工的安全性和穩(wěn)定性。

（3）圍巖破碎浮渣較多，在鉆孔過程中容易出現(xiàn)坍孔和埋鉆的情況，導(dǎo)致小導(dǎo)管施工進(jìn)尺緩慢。如果選擇清水鉆進(jìn)的方式，在淋水段更容易發(fā)生孔壁垮塌，影響施工進(jìn)度。而采用泥漿護(hù)壁雖然可以提高成孔質(zhì)量，但會(huì)污染孔壁，影響小導(dǎo)管的注漿成形。因此，需要進(jìn)一步優(yōu)化施工工藝，確保小導(dǎo)管的施工質(zhì)量和效率。

總體來說，在Ⅳ級(jí)圍巖段超前小導(dǎo)管的施工過程中，復(fù)雜的水文地質(zhì)條件、不良地質(zhì)構(gòu)造以及圍巖破碎浮渣多等問題，給施工帶來了巨大挑戰(zhàn)。解決上述難題需要在施工過程中采取更加精細(xì)的控制措施和優(yōu)化的施工工藝，以確保工程的順利進(jìn)行和質(zhì)量穩(wěn)定。

3 超前小導(dǎo)管施工工藝改進(jìn)實(shí)踐

3.1 鉆孔

該工程超前小導(dǎo)管施工中，鉆孔采用液壓鑿巖臺(tái)車配合φ42 mm球齒鉆頭進(jìn)行，鉆進(jìn)方式為沖擊鉆進(jìn)。考慮隧道圍巖多為裂隙發(fā)育的硬質(zhì)花崗巖，易發(fā)生卡鉆、埋鉆等問題，施工團(tuán)隊(duì)根據(jù)不同巖層特性制定了差異化的鉆進(jìn)參數(shù)，詳見表2所示。

在鉆進(jìn)過程中，臺(tái)車操作手根據(jù)鉆進(jìn)阻力、鉆速等參數(shù)動(dòng)態(tài)調(diào)整鉆機(jī)壓力、回轉(zhuǎn)扭矩等，確保鉆孔軌跡的精準(zhǔn)可控。針對隧道局部淋水段巖體破碎、易坍孔的特點(diǎn)，鉆進(jìn)時(shí)可采用0.03～0.05 m3/min的霧化高壓風(fēng)提供輔助，利用其攜帶粉塵并部分膠結(jié)破碎巖屑，提高孔壁的穩(wěn)定性。同時(shí)，嚴(yán)格控制鉆孔水平偏角不超過左右3°，垂直偏角不超過上下5°，并采用非步進(jìn)方式進(jìn)行孔斜的測量，實(shí)時(shí)監(jiān)控鉆孔軌跡。通過上述措施，有效解決了隧洞復(fù)雜地質(zhì)條件下超前小導(dǎo)管的鉆孔偏斜難題，平均單孔施工進(jìn)尺可達(dá)12 m/d。但需注意的是，采用高壓風(fēng)輔助雖可一定程度上膠結(jié)孔壁，但鉆頭直徑相對較小，在遇到較大裂隙或破碎層時(shí)仍難免發(fā)生塌孔，應(yīng)預(yù)先做好觀察，并及時(shí)調(diào)整鉆進(jìn)參數(shù)或采取其他輔助措施[3]。

3.2 清孔

鉆孔施工完成后，應(yīng)及時(shí)開展孔內(nèi)清理工作，為后續(xù)安裝小導(dǎo)管創(chuàng)造條件。該工程采用分級(jí)清孔方案，即利用φ38 mm高壓旋噴管在0.6～0.8 MPa壓力下，從孔口至孔底全程往返清理2～3遍，同時(shí)通過高噴管側(cè)向出水孔帶出孔壁余渣；待出水明顯變清后，下入φ32 mm深井泵，以1.2～1.5 m/s流速抽取孔內(nèi)的殘余積水，直至出水固相物含量低于1.5 g/L。在清孔過程中，現(xiàn)場技術(shù)人員應(yīng)時(shí)刻關(guān)注出水狀況并測定含砂量，動(dòng)態(tài)調(diào)整清孔時(shí)間。通常在上覆土層厚度較大（如大于20 m）、富水或巖體破碎風(fēng)化的嚴(yán)重地段，適當(dāng)延長高壓旋噴時(shí)間，避免孔內(nèi)雜質(zhì)殘留過多。值得注意的是，對于巖體節(jié)理裂隙發(fā)育、局部滲透系數(shù)較高（如大于1×10-5 cm/s）地段，降深井泵可能會(huì)誘發(fā)孔內(nèi)水位驟降，引起孔壁失穩(wěn)坍塌[4]。對此，該工程創(chuàng)新性地將輕質(zhì)泡沫液與水按1∶4～1∶6比例充分混合，經(jīng)泵管內(nèi)徑D20 mm橡膠管注入孔底，借助其在孔內(nèi)形成的泡沫帷幕阻隔水體流失，削弱降深井泵擾動(dòng)，從而有效保證孔壁穩(wěn)固，為后續(xù)小導(dǎo)管安裝打下基礎(chǔ)。

3.3 安裝小導(dǎo)管

經(jīng)清孔合格的鉆孔，應(yīng)在2h內(nèi)及時(shí)完成φ42 mm小導(dǎo)管的安裝，以免孔壁長時(shí)間裸露失穩(wěn)。小導(dǎo)管采用Q235無縫鋼管，設(shè)計(jì)長度L=12 m，壁厚δ=6 mm。管體縱向開設(shè)D3 mm的透水孔，孔間距為150 mm，環(huán)向錯(cuò)開120°布置，并在管端100 mm范圍內(nèi)密集布孔，孔數(shù)不少于16個(gè)/百米管長。為提高小導(dǎo)管與圍巖的緊密貼合度，小導(dǎo)管表面均勻涂刷一層厚度為1.5 mm的環(huán)氧樹脂膠黏劑，固化后的粗糙度可達(dá)1.25。同時(shí)，在小導(dǎo)管外壁每隔1.5 m焊接一道U形卡箍，卡箍寬20 mm，厚2 mm，U形開口朝向管外。小導(dǎo)管安裝采用懸吊入孔法施工，即通過鉆機(jī)主機(jī)吊裝，緩慢沿已成孔插入，其間應(yīng)嚴(yán)格控制入孔速度≤1.5 m/min。在下管過程中，隨時(shí)觀察小導(dǎo)管姿態(tài)，避免與孔壁劇烈摩擦[5]。當(dāng)小導(dǎo)管施工角度與孔斜角度偏差超過2°時(shí)，應(yīng)及時(shí)調(diào)整下放方位角，以防小導(dǎo)管根部受力不均。表3是小導(dǎo)管安裝過程中的主要技術(shù)參數(shù)：

當(dāng)小導(dǎo)管頂部標(biāo)高距離孔口50～100 mm時(shí)，開始緩慢回?fù)茔@桿，使小導(dǎo)管保持相對靜止。待鉆桿完全拔出后，將小導(dǎo)管頂口置于孔口以下20～30 mm，并利用快速凝固水泥漿封固頂口，養(yǎng)護(hù)12 h后方可進(jìn)行后續(xù)施工。

3.4 注漿

小導(dǎo)管安裝完畢并經(jīng)驗(yàn)收合格后，即可實(shí)施注漿加固施工。注漿材料選用P.O42.5普通硅酸鹽水泥，水灰比控制在0.6～0.8，經(jīng)30 min充分?jǐn)嚢韬蟮乃酀{液須滿足：流動(dòng)度為15～18 s，密度為1.50～1.65 g/cm3，體積膨脹率≤3%，滲透比≤0.09，含氣量≤2%，Marsh錐流出時(shí)間為32～36 s。該工程采用自下而上的分段注漿法，即通過在小導(dǎo)管孔口安設(shè)帶雙向閥芯的高壓注漿管，利用壓漿泵將水泥漿液沿導(dǎo)管由下至上分3～5段緩慢壓入孔內(nèi)，過程中實(shí)時(shí)監(jiān)測注漿壓力的波動(dòng)情況。考慮該隧道地層富水、破碎裂隙發(fā)育的特點(diǎn)，注漿壓力宜控制在1.5～2.5 MPa，每段注漿速率維持在2～4 L/min[6-7]。為有效填充巖體節(jié)理，抑制注漿串通，該工程創(chuàng)新性地在水泥漿液中摻入粒徑為80～100目的膨潤土，摻量為水泥質(zhì)量的1.5%～3%。同時(shí)，在導(dǎo)管透水孔外預(yù)置一層由水泥、粉煤灰、石英砂按質(zhì)量比1∶2∶1拌制而成的速凝堵漏材料，厚度在8 mm左右，以增強(qiáng)導(dǎo)管與水泥漿液的黏結(jié)性能。不同注漿段采用的主要技術(shù)參數(shù)對比如表4所示。

如表4所示，隨注漿段埋深增大，注漿壓力與速率也相應(yīng)提高，而水灰比則降低，單位注漿量隨之增大。特別一提的是，注漿過程中應(yīng)及時(shí)調(diào)整壓力、速率等參數(shù)，確保注漿曲線平滑上升，當(dāng)曲線急劇陡升或平緩滯后時(shí)，須暫停并分析原因，排除堵管或串通等質(zhì)量隱患后方可恢復(fù)施工。

4 施工啟示

該工程超前小導(dǎo)管施工的工藝改進(jìn)，為今后類似復(fù)雜地質(zhì)條件下的隧道工程提供了一些技術(shù)借鑒。

（1）鉆孔施工應(yīng)遵循“高頻沖擊+高壓風(fēng)輔助”的優(yōu)化原則。與常規(guī)鉆進(jìn)方式相比，采用27～32 Hz的高頻沖擊，配合0.03～0.05 m3/min的高壓風(fēng)，可通過削弱圍巖抗剪強(qiáng)度、攜帶巖屑并起膠結(jié)作用，在提高鉆進(jìn)效率（提高幅度可達(dá)50%）的同時(shí)保證孔壁穩(wěn)定，其背后的機(jī)理在于高頻沖擊與高壓風(fēng)的協(xié)同作用。因此，今后類似工程應(yīng)著重優(yōu)化鉆進(jìn)參數(shù)，并緊密監(jiān)控鉆孔軌跡，嚴(yán)控水平與垂直偏差不超過3°與5°。

（2）清孔工藝應(yīng)因地制宜采用多級(jí)組合方案。對于富水破碎地層，在高壓旋噴達(dá)到一定程度（噴射壓力0.6～0.8 MPa）后，宜創(chuàng)新性引入輕質(zhì)泡沫液輔助工藝，泡沫液可按1∶4～1∶6的體積比例配制，經(jīng)D20 mm橡膠管泵入孔內(nèi)，形成隔水帷幕并阻斷地下水運(yùn)動(dòng)，從而抑制深井泵抽水引起的孔壁擾動(dòng)。工程實(shí)踐表明，采用該復(fù)合清孔工藝可使孔壁坍塌發(fā)生率降低10%。今后工程應(yīng)加強(qiáng)泡沫液配比與泵注參數(shù)的優(yōu)化，并實(shí)時(shí)監(jiān)測孔內(nèi)的水位變化，預(yù)防局部涌水導(dǎo)致的孔壁失穩(wěn)。

（3）小導(dǎo)管注漿須堅(jiān)持分段跳注、外包預(yù)埋的施工理念。在縱向分段方面，隨注漿段埋深增加，注漿壓力、水灰比等參數(shù)應(yīng)動(dòng)態(tài)調(diào)整，例如壓力由1.5 MPa逐步升至2.5 MPa，水灰比則由0.6降至0.5，以保證深部巖體裂隙的充填密實(shí)程度；在橫向跳注方面，相鄰兩序注漿孔距不宜小于1.2 m，且應(yīng)待前序孔初凝后再實(shí)施后序的孔注漿，如此交替進(jìn)行，方能有效防止串通。同時(shí)，采用速凝堵漏劑對小導(dǎo)管進(jìn)行外包，控制包層厚度在8～10 mm，可顯著改善“管—固結(jié)體—巖體”之間的黏結(jié)性能。現(xiàn)場監(jiān)測顯示，上述注漿工藝可使圍巖收斂變形速率降低30%以上。對此，未來工程應(yīng)著重加強(qiáng)注漿材料的優(yōu)選及配比試驗(yàn)，并強(qiáng)化注漿全過程的精細(xì)化管控，以進(jìn)一步提升加固效果。

5 結(jié)束語

通過對超前小導(dǎo)管施工工藝的系統(tǒng)優(yōu)化與實(shí)踐，形成了一套適用于復(fù)雜地質(zhì)條件的施工技術(shù)體系。研究表明：高頻沖擊配合高壓風(fēng)輔助鉆進(jìn)可顯著提升鉆孔質(zhì)量；輕質(zhì)泡沫液護(hù)壁清孔工藝能有效防止孔壁坍塌；環(huán)氧樹脂涂層小導(dǎo)管安裝工藝提高了管體與圍巖的黏結(jié)性能；分段跳注注漿工藝改善了固結(jié)體的整體性。未來工作中，應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)施工參數(shù)的精細(xì)化管控，深入研究不同地質(zhì)條件下的工藝適應(yīng)性，開發(fā)智能化監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)，持續(xù)提升超前小導(dǎo)管的施工質(zhì)量與效率。

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