青泥岭隧道超前小导管施工技术

曾燕

摘要：随着西部山区高速公路的快速发展，隧道已成为施工的重点和难点，以超前小导管注浆加钢支撑为主要形式的超前支护，在确保掌子面软弱围岩快速固结的同时，又极大地降低了施工成本，本文结合超前小导管在青泥岭隧道软弱破碎地带的成功应用，为其它隧道超前小导管施工提供一定的技术参考。

Abstract： With the rapid development of expressways in western mountainous areas， tunnels have become the focus and difficulty of construction. The main form of advance support is advance catheter grouting and steel support， which not only ensures the rapid consolidation of weak surrounding rocks on the face， but also greatly reduces the construction cost. This paper combines the successful application of advance catheter in the weak and fractured zone of Qingniling Tunnel， to provide some technical references for the construction of in other tunnels  of small pipes ahead of time.

關键词：隧道;超前小导管;支护

Key words： tunnel;advance catheter;support

中图分类号：U455                                        文献标识码：A                                  文章编号：1006-4311（2019）08-0138-03

1  工程简介

十天高速公路青泥岭特长隧道位于甘肃省陇南市徽县，隧道全长为5893米，其中Ⅳ级围岩1854.3米，Ⅴ级围岩2328米，隧道围岩整体性较差。

青泥岭隧道穿越两处断裂破碎带和六段软岩大变形，地质情况极为复杂，为确保不良地质地段的施工安全，设计图纸对该段围岩采取了超前支护的加固形式，支护形式为？准42的超前小导管并注浆，全隧共计超前小导管178416米。

2  主要施工工艺

超前小导管注浆加钢支撑又简称小管棚施工工艺，它是隧道超前支护的一种，通过预先在掌子面前方的开挖轮廓外施作小导管并注浆，以达到加固围岩的目的，可以有效地减少开挖过程中的坍塌风险。超前小导管施工工艺具有易操作、费用低的特点。所以当隧道施工遇到不良地质需要加固时，一般优先选用超前小导管注浆和钢支撑辅助开挖的施工工艺。

2.1 小导管主要参数

①超前小导管适用于Ⅳ、Ⅴ级围岩软弱、断裂破碎地段，加固拱周软弱岩体。

②超前小导管长度为3米，采用外径为42mm、壁厚为4mm的热轧无缝钢管。

③超前小导管与衬砌中线平行以10°-15°仰角打入拱部围岩，钢管环向间距为35-40cm。

④每打完一排钢管注浆后，开挖拱部及第一次喷射砼、架设钢架，初期支护完成后，隔1.5米或2米再打另一排钢管。

⑤超前小导管纵向保持1米或1.5米以上的搭接长度。

2.2 小导管加工

小导管的加工要求在钢筋加工场内统一进行，导管四周的注浆孔采用钻床成孔，考虑现场安装需要，小导管前端20-25cm需要加工成尖锥状，尾部焊上￠6加劲箍，管壁四周钻8mm压浆孔，间距15cm，梅花形布置，其中尾部预留50cm止浆段不钻孔，导管加工完毕须经现场技术人员验收合格，方可允许进洞使用，小导管加工如图1。

2.3 钻孔、安装

超前小导管安装之前，首先要施作导管孔，测量人员采用全站仪按照设计的开挖轮廓，考虑预留变形量后，放出拱架和拱顶位置，按照图纸设计从拱顶开始间距40cm对称布设小导管，每环共计35根小导管;然后按照布孔位置采用？准28mm的风动凿岩机进行钻孔，孔深不少于设计导管长度，为确保小导管对周围岩体的加固作用，所以小导管的外插角一定要满足设计要求，为此采用自制的简易方向架控制钻孔方向，钻孔完成后，利用高压风对孔内的砂尘及积水进行吹洗，以利于导管安装，对于塌孔失效的钻孔要重新施作。

小导管的安装采用人工配合机械进行，导管尾部通过钢架并与预先埋设的型钢钢架组合焊接在一起，最后压注水泥浆。

2.4 超前支护小导管注浆

2.4.1 超前小导管施工工艺流程如图2。

2.4.2 施工要点及注浆

超前小导管全面注浆之前要进行注浆试验，以确定最佳的注浆参数和指标，首先要收集相关的围岩地质资料如：围岩岩性、孔隙率、渗水系数等。并据此进行初步的注浆设计：

①选定注浆浆液的初凝时间，并通过试验确定注浆配合比。

②确定注浆的其它参数（管径、管长、管距、注浆压力、辐射半径、注浆量）。

1）超前小导管选用直径？准42mm，壁厚4mm的无缝钢管。

2）导管沿开挖轮廓线环向布置并向外倾斜，其外插角为10～15°，在坍方体可加大到15～20°左右。

3）注浆压力根据掌子面围岩的致密程度决定，一般为0.5MPa至1.0MPa，本隧道从洞口开始长度为1400米范围极高应力为1.0MPa，其它部位最高地应力为0.5MPa，实际操作中注浆压力控制在0.5MPa以内，以防压裂工作面，同时注意控制进浆速度，观察压浆泵及压浆管的状态是否正常，每个导管的注浆量由理论计算确定，在施工过程中，要根据注浆量和注浆压力综合确定注浆效果，即使注浆量未达到设计值，但压力上升很快达到0.5MPa，也可确定结束注浆。

4）纵向前后相邻相排导管搭接水平投影长度为1.0米和1.5米。如图示：

横向小导管沿开挖轮廓布置如图5示。

IV、V级围岩注浆时采用单排管，处理坍方时可采用双排管，大断面或注浆效果差时也可采用双排管。

5）渗入性注浆导管环向间距为a=0.4米。

6）單根导管理论注浆量按Q=πr2ln

式中：r—注浆半径取0.2米;

l—注浆管长度取3米;

n—围岩的空隙率，根据现场实际而定。

7）为了避免串浆，双排或双排以上多排管布置时，可分层施工，即先打一排管，注浆完后再打另一排管并压浆。

2.4.3 注浆试验

注浆试验是注浆施工正式开始前的一项必备试验步骤，要求试验施工地点要与施工地质情况相类似，这样才能检验注浆设备是否配备合理，注浆参数是否正确可行。对实验数据要认真仔细的做好记录，并对注浆实体进行开挖或取芯验证，获取在额定注浆压力、选定注浆材料、注浆配合比、设计导管注浆孔布设情况下，浆液渗透及扩散半径、土体固结时间及强度等实际资料，作为确定注浆参数的依据。

2.4.4 注浆工艺

注浆前先喷C20混凝土加固封闭掌子面以防漏浆，砼厚度不小于50mm，然后将加工好的钢管插入孔中，为确保整体受力效果，小导管尾部要置于工字钢腹部，并焊接牢固以增强共同支护能力。

导管安装后及时焊接阀门接头，以便与注浆管连接，注浆压力控制在0.5MPa以内，注浆按照由下而上、两边对称顺序进行。

单液注浆：

水泥浆水灰比按照设计为1：1进行拌制，考虑到注浆后需尽快开挖，注浆采用早强的硫铝酸盐水泥。

水泥浆、水玻璃注浆：

在地下水丰富或有淤泥、流砂等复杂地质条件下，采用水泥浆与水玻璃双液法注浆，双液浆采用水泥浆：水玻璃配合比为1：0.8。

2.4.5 注浆量计算

小导管注浆单管浆液扩散半径一般为0.4m～1.0m，按照《隧道施工规范》中的注浆量计算公式（如下），小导管注浆量的估算公式为：

Q1=πr2×L×n×A×B

式中：Q1-注浆量，m3;

r-扩散半径，m;

L-注浆管有效长度，m;

n-岩体空隙率，%;

A-注浆系数，0.7～0.9;

B-浆液损耗系数，1.1～1.4。

实际施工过程中，各方面的原因会引发注浆液窜浆或跑浆现象，每个注浆管内的注浆量很不均匀，理论的单眼注浆量没有指导意义，以整排小导管的理论推算总量作为控制指标更为合理，按整排小导管上下各0.4m～1m范围的岩体全部注浆考虑，以下计算公式相对符合实际单循环注浆量：

Q2=（π×H/360）×[（R+r）2-（R-r）2]×n×L

式中：Q2-注浆量，m3;

H-拱部小导管布设范围相对于圆心的角度，本隧道该角度为144°;

R-小导管位置相对于拱部圆心的半径;

r-浆液扩散半径，0.4m～1m;

L-小导管有效长度，m;

n-岩体孔隙率，%;软岩破碎带3%～5%、硬岩为2%～3%。

以此可推算同一断面上单排或多排小导管的注浆总量。

2.4.6 注浆异常处理

①在注浆过程中，如发生浆液从其它孔流出的现象，这种现象为串浆，发生串浆时，应暂停注浆并将串浆孔及时用阀门封堵，待该管注浆时再打开阀门，并以高压水清洗管内杂物，然后再注浆，直至全部注浆结束。

②注浆量很少，但注浆压力显示突然升高，很有可能是在注浆管路出现了堵管现象，要立即停止注浆施工并时敲打或滚动以疏通注浆管，如果这样还是不能解决问题，就必须尽快拆管。

③水泥与水玻璃双注浆时注浆压力突然升高，应关停水玻璃泵，然后进行单液注浆或注清水，等注浆压力正常时，再进行双液注浆。

④清洗：为了不影响注浆设备的再次使用，在注浆完成后，应对本次注浆过程中使用的所有设备进行仔细的清洗，尤其是设备内的浆液要清洗干净。

3  注浆设备配置及劳力组织

现场施工所需的设备主要有：2台注浆泵、1台拌浆机、2台储浆桶、2个试验用的量杯、2把木尺、1台开挖台架、6把风动凿岩机、1个自制的导向架。

施工人员共需16人：风枪工6人、钳工2人、技术员1人、注浆工2人、普工3人、电工1人、安全员1人。

4  质量及安全注意事项

①注浆前应对掌子面及附近5m范围内的初支采用厚度为5cm～8cm的喷射砼临时封闭，同时要待喷射砼达到一定强度后才能注浆，避免浆液外泄，引起注浆失效。

②现场要严格按照配合比进行施工，技术人员要随时抽检浆液浓度，防止配合比不当而使注浆失效。

③注浆顺序要严格按照先注无渗水孔，后注有渗水孔，技术人员做好现场记录：注明注浆压力、每孔注浆量、注浆水灰比、注浆温度等，以此作为注浆效果的依据。

④为了确保注浆管路的安全，在施工中使用的注浆管路，都必须用经合格检验后的高压注浆管，在所有管路的接头、闸阀使用上，必须采用有生产许可证的，经过实践检验的正规合格产品。在注浆的过程中，要时刻注意注浆机压力的变化，不能在段时间内过快升压。注浆压力达到规定时应予以稳压一定时间，以利浆液进一步渗缝。

⑤注浆后开挖要在注浆强度达到2.0MPa后方可进行，以防止坍塌，软弱及断裂破碎带围岩的开挖必须遵循短进尺、弱爆破、紧封闭的原则，每循环进尺一般0.6～1.0米，在处理坍方体时一般为每循环不超过一榀拱架，但必须设置钢支撑。

5  结束语

青泥岭隧道双线采用超前小导管预注浆的辅助施工方法，有效地加固了前方软弱围岩，为此设计单位同意优化调整开挖方式，开挖方式由CD法调整为台阶法，在保证工程质量和施工安全的前提下，快速安全地穿越了地质复杂的软岩大变形和断裂破碎带，有效防止了隧道塌方冒顶事故发生，成为十天高速第一个贯通的特长高风险隧道，得到了业主和监理单位的认可。超前小导管施工技术在隧道软弱围岩的实施取得了良好的经济和社会效益，并为其它同类隧道的施工提供一定的借鉴意义。

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