暗挖隧道超前小導(dǎo)管施工技術(shù)探討

齊 濤

鄭州市第一建筑工程集團(tuán)有限公司（450000）

在隧道及地下工程施工中，遇到不良地層時(shí)，往往要進(jìn)行地層預(yù)加固。在較小斷面洞室開(kāi)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(dǎo)管以其施工工藝簡(jiǎn)單、施工作業(yè)空間要求較小、施工方案可以隨時(shí)調(diào)整和顯著的經(jīng)濟(jì)效益等特點(diǎn)在地層預(yù)加固時(shí)成為首選的方案之一。

在隧道開(kāi)挖以后，隧道圍巖將改變?cè)瓉?lái)的初始應(yīng)力狀態(tài)，進(jìn)行應(yīng)力重分布，形成二次應(yīng)力狀態(tài)。小導(dǎo)管注漿在隧道開(kāi)挖前就改變了圍巖的初始應(yīng)力狀態(tài)，從而直接影響二次應(yīng)力狀態(tài)的結(jié)果。在形成二次應(yīng)力過(guò)程中，小導(dǎo)管將起到支撐梁和錨桿的作用，從而改變二次應(yīng)力分布狀態(tài)，產(chǎn)生不同于未加固圍巖的應(yīng)力狀態(tài)；另一方面，注漿改變了巖體的力學(xué)參數(shù)，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(wěn)能力。通過(guò)這兩方面的作用，使得地下洞室在開(kāi)挖時(shí)，圍巖塑性區(qū)出現(xiàn)的時(shí)間得到延緩并使圍巖的塑性區(qū)減小。

1 超前小導(dǎo)管設(shè)計(jì)參數(shù)及施工工藝

本工程中超前小導(dǎo)管采用管徑Φ42mm，壁厚3.25 mm的普通焊接鋼管，單根長(zhǎng)3.5 m，管身鉆孔，孔徑10mm，成梅花形布設(shè)。小導(dǎo)管在隧道中心線上180°范圍內(nèi)布設(shè)，環(huán)向間距300 mm，外插角呈10°～15°。每榀鋼格柵開(kāi)挖步距500mm，每?jī)砷駯糯蛟O(shè)一環(huán)，縱向間距1 m，施工時(shí)用機(jī)械打設(shè)，注漿機(jī)進(jìn)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(jiàn)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(kāi)始鉆孔，鉆孔沿管壁間隔100～200mm呈梅花形布設(shè)，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(dǎo)管加工示意圖詳見(jiàn)圖2。

2 雙液漿的配置及特性

根據(jù)地質(zhì)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(lèi):第一類(lèi)為水泥漿,其主要作用為增強(qiáng)鋼管剛度。第二類(lèi)為注水泥漿和水泥—水玻璃雙液漿等化學(xué)漿液,其主要作用為:

1）漿液通過(guò)超前壓注到巖體裂隙中經(jīng)過(guò)物理化學(xué)作用,即能將破碎圍巖或松散顆粒在短時(shí)間內(nèi)膠結(jié)成整體,起到超前預(yù)支護(hù)作用,為隧道開(kāi)挖施工安全提供保障和增強(qiáng)圍巖的整體穩(wěn)定性;

2）漿液填充巖(土)體的空隙，凝結(jié)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(dǎo)管注漿材料為水泥—水玻璃雙液漿,通過(guò)前期的現(xiàn)場(chǎng)注漿試驗(yàn),注雙液漿的效果明顯優(yōu)于單液漿，經(jīng)測(cè)定水泥漿單液漿的固結(jié)時(shí)間一般為80 h；水泥水玻璃雙液漿的固結(jié)時(shí)間一般為4 h,現(xiàn)將水泥—水玻璃雙液漿的施工工藝予以重點(diǎn)探討。

雙液漿的特性主要反映在漿液黏度、顆粒度和凝膠時(shí)間長(zhǎng)短,漿液配合比應(yīng)由現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)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(nèi)隨著水玻璃用量減少,其凝固時(shí)間縮短，也可加入食鹽、三乙醇胺速凝劑等縮短凝結(jié)時(shí)間。當(dāng)水泥漿與水玻璃的體積比在 1∶0.4～1∶0.6 范圍時(shí)，漿液使加固體的抗壓強(qiáng)度最高。我們實(shí)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(shí)際試驗(yàn)比重為 1.512 t/m3,該雙液漿初凝時(shí)間為2min,終凝時(shí)間為60min。

3 注漿壓力

注漿小導(dǎo)管環(huán)向間距可根據(jù)地質(zhì)變化通過(guò)試驗(yàn)確定。注漿試驗(yàn)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(jiàn)圖3。

注漿壓力是促使?jié){液在土層裂隙中流動(dòng)擴(kuò)散的一種動(dòng)力，必須有足夠的注漿壓力來(lái)克服土層內(nèi)天然水頭壓力和地層裂隙阻力，才能使?jié){液充分?jǐn)U散填充，達(dá)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(nèi)天然水頭壓力和地層裂隙阻力,才能使?jié){液充分?jǐn)U散填充，達(dá)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(fā)育程度、水頭壓力有關(guān)。壓力過(guò)高亦會(huì)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(jì)算

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

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

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工過(guò)程中的實(shí)際注漿量驗(yàn)證，以下計(jì)算公式相對(duì)符合實(shí)際單孔注漿量。

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

表1 土壤孔隙率參數(shù)表

實(shí)際施工中因鉆孔偏差或鉆眼內(nèi)的地質(zhì)原因,注漿液竄漿或跑漿經(jīng)常出現(xiàn)，每個(gè)注漿管內(nèi)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(gè)控制指標(biāo),應(yīng)以整環(huán)（排）小導(dǎo)管的理論推算總量作為控制指標(biāo)。故按整環(huán)小導(dǎo)管上下各0.3～0.5 m范圍的土體內(nèi)均已注漿填充考慮,應(yīng)以下列公式估算注漿總量。

式中:Q3—注漿量，m3；H—拱部小導(dǎo)管布設(shè)范圍相對(duì)于圓心的角度；R—小導(dǎo)管位置相對(duì)于圓心的半徑；t—漿液擴(kuò)散半徑，0.3～0.5 m;L—小導(dǎo)管有效長(zhǎng)度，m；η—巖體孔隙率，%。

按此理可推算同一斷面上單（環(huán)）排或多（環(huán)）排小導(dǎo)管的注漿總量。

5 施工控制注意事項(xiàng)

1）注漿前應(yīng)對(duì)開(kāi)挖掌子面及側(cè)壁噴射厚度為5～10 cm的噴射早強(qiáng)速凝混凝土進(jìn)行封閉作為止?jié){層。待止?jié){層有一定強(qiáng)度時(shí)方可注漿，防止?jié){液從各掌子面及其他導(dǎo)洞反滲。2）安裝注漿管時(shí),應(yīng)在注漿與孔口掌子面相交處設(shè)置止?jié){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?jǐn)D壓塞緊，實(shí)現(xiàn)注漿管的止?jié){和固定。膠泥未凝固到一定強(qiáng)度不得注漿。3）漿液應(yīng)先經(jīng)過(guò)過(guò)濾防止雜物進(jìn)入注漿泵或進(jìn)入小導(dǎo)管。4）如注漿孔有滲水現(xiàn)象，則注漿時(shí)應(yīng)先注無(wú)滲水孔，后注有滲水孔。5）嚴(yán)格控制注漿壓力，以防壓裂開(kāi)挖面。注漿機(jī)壓力應(yīng)與規(guī)定壓力配套,不宜升壓過(guò)快。注漿壓力達(dá)到規(guī)定時(shí)應(yīng)穩(wěn)壓一定時(shí)間,以利漿液進(jìn)一步擴(kuò)散和滲入。6）一個(gè)導(dǎo)管注漿時(shí),相鄰導(dǎo)管應(yīng)打開(kāi)止回閥讓原來(lái)管內(nèi)貯存的裂縫水從相鄰的導(dǎo)管流出，當(dāng)相鄰的導(dǎo)管內(nèi)流出濃漿時(shí)停止注漿，關(guān)閉相鄰管的止回閥，再待達(dá)到控制壓力時(shí)關(guān)閉該管的止回閥。7）配制的漿液應(yīng)在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)用完。8）注漿時(shí)應(yīng)嚴(yán)格記錄注漿容器原有漿液體。