隧道軟弱破碎巖層輔助支護(hù)超前小導(dǎo)管施工

朵永輝

隧洞工程超前小導(dǎo)管注漿是在地基處理灌漿法基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)圍巖加固止水新方法。它是不良地質(zhì)隧道工程施工常用的一種開(kāi)挖輔助措施，具有超前支護(hù)作用。超前小導(dǎo)管注漿輔助支護(hù)的基本原理是沿開(kāi)挖輪廓線周?chē)匆欢ǖ膬A斜角度將超前小導(dǎo)管打入，使用注漿設(shè)備將水泥漿液壓入小導(dǎo)管內(nèi)，并通過(guò)管壁的注漿孔注入巖層孔隙或裂隙中，排除其中的空氣和水而凝成固結(jié)體，在圍巖周?chē)纬梢粋€(gè)加固圈，起到超前支護(hù)的作用，對(duì)巖層進(jìn)行改良，從而在此圈的掩護(hù)下安全的進(jìn)行開(kāi)挖作業(yè)。

1 工程概況

本合同段司馬臺(tái)隧道位于北京市和河北省交界處司馬臺(tái)長(zhǎng)城腳下，為分離式雙車(chē)道單向高速公路隧道，左幅范圍 LK1+888.5～LK3+162，長(zhǎng)1 273.5 m，Ⅱ類(lèi)圍巖長(zhǎng)度30 m，占隧道總長(zhǎng)度的2.3%，Ⅳ，Ⅴ類(lèi)圍巖長(zhǎng)度1 243.5 m，占隧道總長(zhǎng)度的97.7%;右幅范圍 RK1+909.5～RK3+190.5，長(zhǎng) 1 281 m，Ⅱ類(lèi)圍巖長(zhǎng)度30 m，占隧道總長(zhǎng)度的2.3%，Ⅳ，Ⅴ類(lèi)圍巖長(zhǎng)度1 251 m，占隧道總長(zhǎng)度的97.7%。建筑界限:凈寬10.75+2×0.75=12.25m，凈高5 m，為2.1%上坡。設(shè)計(jì)行車(chē)速度:按80 km/h設(shè)計(jì)。復(fù)合式襯砌在初期支護(hù)和二次襯砌之間設(shè)復(fù)合防水卷材。Ⅱ類(lèi)圍巖超前支護(hù)結(jié)構(gòu)圖見(jiàn)圖1。該隧道進(jìn)口處為偏壓、淺埋段，最淺埋深為2.5 m，圍巖部分已處于風(fēng)化殼，屬元古代強(qiáng)風(fēng)化鉀長(zhǎng)花崗巖;從開(kāi)挖的巖層來(lái)看，節(jié)理裂隙發(fā)育，層間結(jié)合差，呈大塊狀結(jié)構(gòu)、碎塊結(jié)構(gòu)狀，巖塊間咬合力差，夾層雜亂，風(fēng)化嚴(yán)重，巖層較軟，易掉塊，巖石自穩(wěn)能力差。為保證在以上巖層作用結(jié)構(gòu)下能夠順利進(jìn)洞，我們采用了超前小導(dǎo)管注漿輔助支護(hù)與初期支護(hù)相結(jié)合的方法，實(shí)踐證明此方法能夠有效固結(jié)軟弱、破碎巖層。

2 注漿材料和小導(dǎo)管施工參數(shù)的確定

2.1 注漿材料確定

小導(dǎo)管注漿材料可分為粒狀材料和化學(xué)漿材兩類(lèi)，粒狀漿材主要有純水泥漿和黏土水泥漿，一般用于裂隙寬度大于1 mm的軟弱、破碎帶。根據(jù)司馬臺(tái)隧道進(jìn)洞的圍巖情況(節(jié)理發(fā)育、裂隙較大、夾層雜亂、石質(zhì)較軟)及施工原材料廣泛、方便的情況，我們選用水泥漿液。根據(jù)超前小導(dǎo)管注漿后，架立格柵鋼架及系統(tǒng)錨桿、掌子面鉆眼、裝藥施工時(shí)間約5 h，能夠滿(mǎn)足水泥漿液凝固時(shí)間，不會(huì)因放炮受到很大影響。

2.2 超前小導(dǎo)管施工參數(shù)確定

超前小導(dǎo)管采用φ 50 mm無(wú)縫鋼管，導(dǎo)管長(zhǎng)度為4 m。

超前小導(dǎo)管沿隧道開(kāi)挖輪廓線151°布置，向外傾斜，傾斜角為10°，遇淺埋段時(shí)，為避免小導(dǎo)管穿透巖層，可適當(dāng)減小傾斜角度。

小導(dǎo)管環(huán)向間距0.33 m，縱向排距 2.5 m。注漿壓力為0.5 MPa～1.0 MPa。注漿參數(shù)確定:水泥水灰比:W/C=1∶0.45。注漿擴(kuò)散半徑 R確定:R=(0.6～0.7)L0。其中，L0為小導(dǎo)管中心間距，m。單根小導(dǎo)管注漿量 Q按下式計(jì)算:Q=πR2Ln。其中，R為水泥漿液擴(kuò)散半徑，m;L為小導(dǎo)管長(zhǎng)度，m;n為圍巖空隙率，%。

3 施工方法

1)施工準(zhǔn)備。a.熟悉設(shè)計(jì)圖紙、地質(zhì)，確定注漿原材料來(lái)源。b.通過(guò)試驗(yàn)確定注漿半徑、注漿壓力、單管注漿量，選取小導(dǎo)管縱環(huán)向間距。c.檢查注漿所用設(shè)備的良好性，連接管路的密封性能。d.準(zhǔn)備注漿工作平臺(tái)。2)小導(dǎo)管制作。小導(dǎo)管采用φ 50 mm，壁厚4 mm無(wú)縫鋼管，管壁周?chē)@φ 8 mm、間距為15 cm的梅花狀注漿孔，距管尾15 cm用φ 10 mm鋼筋焊成圓形鋼箍，套在小導(dǎo)管外圈(見(jiàn)圖2)。3)鉆孔。由測(cè)量人員用紅漆在掌子面周圈按設(shè)計(jì)要求準(zhǔn)確點(diǎn)出鉆孔位置，然后炮工用鉆機(jī)對(duì)準(zhǔn)點(diǎn)位直接鉆孔至設(shè)計(jì)深度，鉆孔孔徑一般比小導(dǎo)管外直徑大1.0 cm～1.5 cm，鉆孔中鉆機(jī)需隔開(kāi)一定距離，否則因鉆機(jī)向巖體注水過(guò)多，可能導(dǎo)致圍巖塌滑。4)安設(shè)小導(dǎo)管。鉆到設(shè)計(jì)深度后，用水或高壓風(fēng)清孔，確?？左w通暢。用不帶鉆桿的鉆機(jī)本身將小導(dǎo)管打入，桿尾外露15 cm，確保桿尾鋼箍封閉鉆孔與小導(dǎo)管之間的縫隙。5)拌漿。用拌漿機(jī)按試驗(yàn)配合比拌制水泥漿，水與水泥用秤進(jìn)行稱(chēng)量，水泥漿要攪拌均勻，不要留有水泥塊。注漿過(guò)程中人工用鐵鍬隨時(shí)攪拌貯漿筒中水泥漿，防止水泥沉淀造成不均勻現(xiàn)象。6)注漿。注漿前用噴錨料封閉小導(dǎo)管周?chē)鷰r體，防止漏漿;并用清水進(jìn)行試壓，檢查注漿泵與其管路是否正常。注漿順序從拱頂順序?qū)ΨQ(chēng)向下進(jìn)行，先注無(wú)水孔，后注有水孔。如果有竄漿或跑漿現(xiàn)象，則可間隔一孔或數(shù)孔灌注。注漿結(jié)束后，利用止?jié){閥保持孔內(nèi)壓力，直至漿液完全凝固。注漿過(guò)程中應(yīng)控制注漿量，即每根小導(dǎo)管內(nèi)以達(dá)到規(guī)定注入量時(shí)就可結(jié)束;若孔口壓力已達(dá)到規(guī)定壓力值而注入量尚不足時(shí)，亦應(yīng)停止注漿，以防止壓裂開(kāi)挖面。7)注漿效果檢查。注漿結(jié)束后應(yīng)鉆孔檢查，根據(jù)芯樣鑒定注漿量是否達(dá)到設(shè)計(jì)計(jì)算要求;根據(jù)注漿量判斷注漿過(guò)程中漏漿是否嚴(yán)重，并估算擴(kuò)散半徑是否與設(shè)計(jì)計(jì)算相符。如果總注漿量未達(dá)到設(shè)計(jì)要求，應(yīng)進(jìn)行補(bǔ)孔注漿。

4 注漿處理后的效果

1)據(jù)巖體力學(xué)方法分析，隧道施工中支護(hù)結(jié)構(gòu)與圍巖相互作用，組成一個(gè)共同承載體系，其中圍巖為主要的承載結(jié)構(gòu)。超前小導(dǎo)管注漿預(yù)支護(hù)對(duì)軟弱、破碎圍巖地段施工，改善了巖體的物理力學(xué)性能。從開(kāi)挖的已加固圍巖段來(lái)看，水泥漿液能夠在巖體裂隙中互相串通，使巖層擠壓填充密實(shí)，膠結(jié)牢固，充分發(fā)揮了圍巖的自穩(wěn)能力。為司馬臺(tái)隧道進(jìn)洞口存在淺埋、偏壓的情況下能夠順利進(jìn)洞提供了前提保障。2)通過(guò)小導(dǎo)管注漿擠壓和水泥漿水化作用下，使固結(jié)范圍內(nèi)的巖層含水量得到了有效的降低，經(jīng)取樣做含水量對(duì)比試驗(yàn)知:含水量降低了53.6%。3)小導(dǎo)管注漿擠密預(yù)超前支護(hù)施工，減少了小塌方事故發(fā)生，保證施工中的安全，保持了正常施工秩序，提高了工作效率，使進(jìn)度有了明顯的加快。4)小導(dǎo)管注漿后與圍巖形成整體，起到管棚的作用;同時(shí)小導(dǎo)管與格柵鋼架焊接形成一體，使圍巖下沉壓力能夠均勻分部到鋼拱架上，更能夠加強(qiáng)圍巖的整體性，提高圍巖的自穩(wěn)能力，能充分體現(xiàn)新奧法施工的特點(diǎn)。

5 施工中的體會(huì)

超前小導(dǎo)管注漿工作看似簡(jiǎn)單，但它關(guān)系到開(kāi)挖工序的安全和開(kāi)挖的進(jìn)展速度。如注漿方法不當(dāng)或注漿技術(shù)不過(guò)關(guān)，使?jié){液未按設(shè)計(jì)要求準(zhǔn)確地進(jìn)入預(yù)定的注入范圍，會(huì)出現(xiàn)沒(méi)注到的部位，即遺漏部位，這些情況就是日后出現(xiàn)漏水、塌方事故的禍根。因此，控制好小導(dǎo)管注漿的每一道工序，才能保證超前支護(hù)起到應(yīng)有的作用，為下道工序提供安全、進(jìn)度保障。

在施工過(guò)程中，注漿這一道工序尤為關(guān)鍵，注漿壓力可通過(guò)壓力表進(jìn)行控制，而注漿量的控制比較困難，我們?cè)谧{管路上安裝記錄漿液流量的流量計(jì)，使用這一裝置，可以使我們更準(zhǔn)確地記錄注漿量，掌握注漿壓力與注漿量的關(guān)系，把這一結(jié)果用于施工指導(dǎo)，使注漿效果更加理想。

[1] 黃成光，于敦榮.公路隧道施工[M].北京:人民交通出版社，2001.

[2] 陳豪雄，殷 杰.隧道工程[M].北京:中國(guó)鐵道出版社，1995.