浅谈隧道超前小导管注浆

李伟权

(广东省南粤交通揭惠高速公路管理中心,广东普宁 515300)

浅谈隧道超前小导管注浆

李伟权

(广东省南粤交通揭惠高速公路管理中心,广东普宁 515300)

隧道施工中,自支护能力相对较弱,若遇到破损的围岩,很容易发生危险。而超前小导管注浆法能够改善土体的物理性能、增强软弱围岩的自承载能力、防止地层松弛变形,可极大地增强隧道的支护能力,是隧道工程在不良地质条件中最为有效的辅助施工方法之一。本文介绍了超前小导管注浆加钢支撑的施工工艺,阐述超前小导管的设计参数、注浆压力、工艺流程,提出施工中的注意事项。

隧道 超前小导 注浆工艺

山岭隧道施工中,往往会遇到稳定性极差的软弱破碎岩层,此时就要借助超前支护予以支撑。而超前小导管注浆技术则以其简单便捷的施工工艺技术,被广泛应用于隧道施工之中,并且成为隧道施工过程中辅助稳定开挖最为行之有效的工艺技术。该工艺特别适用于自稳时间较短的岩溶泥流地段,砂土层、小断层破碎带、砂卵(砾)石层,浅埋软岩地段,自稳性差的软弱破碎围岩,严重偏压,断层破碎以及大面积淋水或涌水地段施工。可在隧道开挖前或开挖中采用辅助施工方法与稳定措施,以加强隧道围岩稳定。较大管棚施工而言,小导管注浆技术更加简单便捷,经济实效性更强。目前隧道进、出口端普遍采用超前小导管注浆加钢支撑辅助开挖的进洞施工工艺。本文将结合隧道小导管注浆工艺的原理及特性,探究其工艺流程及其对实际隧道施工工程的应用价值。

图1 超前小导管设计示意图

图2 超前小导管施工作业流程图

1 隧道超前小导管注浆的加固原理及其特点

隧道超前小导管注浆加固机理为渗入性注浆,对于有裂隙且被破坏受扰动的围岩,可利用注浆压力,将水泥浆液渗透入这些裂隙之中,将水泥浆液作为粘合剂。胶接体,使有破损或已破碎围岩可以紧密胶合,从而形成一个完好的整体,组成承重环,使已破损的岩层又可转变为整体稳定带,防止在隧道施工过程中,因围岩开挖而引发岩块松动或脱落,实现加固岩石的目的。隧道超前小导管注浆施工工艺,拥有多重优点,在软弱破碎的围岩中,这些优点便尤为凸显。例如,打入后的小导管在隧道中形成管棚效果,联合网结,超前支护体系由此形成,进而增强了围岩的稳定性与牢固性,防止围岩松弛变形,极大的提升了隧道施工的安全性;稳妥的注浆效果,使得注浆质量更加易于操控,注浆效果更好;借助超前支护方法,再通过对水泥浆液凝结时间的调节,可极大的减少隧道开挖时间;另外,超前小导管注浆利用小型机具进行施工,不用专门设备,操作方法更加简单易行,而且这种方法的还具有安全性能更高,耗费成本更低的优点。

2 小导管注浆分类

结合各种注浆目的及注浆材料,小导管注浆一般可分为两类:一类为注水泥砂浆,关键作用是导管的刚度增强;二类为水泥或注水泥浆—水玻璃双液浆等化学浆液,关键作用为:(1)将坑道周围喷浆区的松散岩体通过浆液的化学作用在短时间加固并符合一定自稳力,为掘进时的施工安全给予保障;(2)浆液融入岩体的空隙凝结固化后可起到很好的防水作用。水泥一水玻璃双液浆的固结时间大约在4小时左右,单液水泥浆的固结时间大约在8小时左右。在施工操作工艺基木和地质条件相同的情况下,双液注浆的止水效果比单液注浆强。

3 浆液特性

3.1 单液桨

单液浆的特性重点反应浆液的稠度、浆液和凝结时间的配合比等。水灰比能选用0.8:1～2:1,如果要缩短凝结时间,需加入三乙醇胺速凝剂和食盐等。在孔口处有必要设置止浆塞,能承受规定的最大注浆压力和水压比浆塞要强,间隔注浆后至开挖前的时间,视浆液种类为4h～8h合适。开挖时,应保留1.5m～2.0m的止浆墙,防止下一次注浆时孔口跑浆,具体操作应根据地质条件、岩性、施工条件确定。

3.2 双液浆

双液浆的特性关键发生在浆液粘度、凝胶时间和颗粒度长短上,现场试验确定浆液配合比;浆液选用水灰比为:0.8:1～1.5:4。水玻璃与水泥浆的体积比一般在1:0.3～1:1,在相对范围内水玻璃用量的逐渐减少,凝固时间逐渐缩短,也能把食盐和三乙醇胺速凝剂添加进去等。当水玻璃与水泥浆的体积比在1:0.4～1:0.6范围时,浆液使石体抗压强度升高。水玻璃浓度一般在30Be～50Be(波美度)之间,浆液浓度越高使石体抗压强度升高。采用的双液浆在实际工程中为1: 1重量比的水泥浆和35Be的水玻璃,前者与后者的体积比为1:0.5。理论推算水玻璃的比重为145(145－35Be)＝1.318t/m3。1:1泥浆的实际试验比重为1.512t/m3,该双液浆初凝时间为4min,终凝时间为70min。

4 超前小导管设计参数

超前小导管设计规格一般采用ф42 mm热轧无缝钢管,长4m～7m,壁厚3.5mm,管壁每隔15-20cm交错钻眼,眼孔直径60mm～80mm,钻孔直径在风钻凿岩时的单位比管径大2cm。小导管顶端要定为尖锥型方便导管钉入岩壁钻孔内,小导管打入岩体后尾端余下5cm～10 cm,已接有止回阀的短钢管要加焊,见图1所示。

5 注浆压力

小导管注浆注浆压力应由试验确定。促使浆液在岩层裂隙中流动扩散的一种动力就是注浆压力,拥有足够的注浆压力来抵制地层裂隙阻力和岩内天然水头压力才能使浆液大量扩散填满,使加固堵水的作用起到效果。

因此,浆液的粘稠度在固定的情况下,注浆压力直接与岩层的裂隙宽度和粗糙度、裂隙水头压力、裂隙发育程度相关。压力升高导致劈裂土体,因此,注浆压力普遍约束在0.5MPa～1.0MPa。

6 工艺流程(见图2所示)

7 施工过程中注意事项

(1)小导管钻孔前应先清除掌子面危岩,然后采用喷射混凝土进行封闭,以保证施工人员的安全,确保注浆作业时封闭的掌子面能起到止浆墙的作用。钻孔前应按设计要求进行精确定位,以防止穿孔或交叉。(2)安装注浆管时,应在注浆与孔口岩面相交处用胶泥(水玻璃与水泥)和麻丝缠绕,使之与钻孔孔壁充分挤压塞紧,实现注浆管的固定和比浆。胶泥还没有凝固到相当强度不能注浆。(3)严格控制配合比与凝胶时间,初选配合比后,用凝胶时间控制调节配合比,并测定注浆结实体的强度,选定最佳配合比。浆液第一关经过过滤网过滤,阻止杂物融入注浆泵及小导管。(4)注浆时第一步注无渗水孔,接下来注有渗水孔。(5)注浆过程中,注浆压力严格控制,注浆终压必须达到设计要求,并稳压,保证浆液的渗透范围。注浆机压力符合规定压力,要慢慢升压。达到注浆压力规定值时给予稳压的时间,应持压3min～5min,以便于浆液渗入缝隙加强。(6)注浆过程中及时观察掌子面围岩情况,并根据吸浆量及压力上升情况,当两者之一达到设计规定时可结束注浆作业。(7)导管在注浆时,打开相邻导管止回阀让原有管内存放的裂缝水流出相邻的导管,浓浆从相邻的导管内流出时注浆停止,相邻管的止回阀关闭,等到控制压力达到时该管的止回阀被关闭。然后注浆软管在相邻管接上,止回阀打开加压注浆开始进行,等到控制压力符合时压浆关闭停止该止回阀。(8)在规定的时间内把配制的浆液用完。(9)注浆过程应有专人记录,完成后检验注浆效果,不合格者进行补注。注浆达到设计强度后方可进行开挖作业。(10)注浆量控制。1)经过对超前小导管注浆的浆液特性的认识还有施工工艺的严格把关控制,浆液有必要注入岩体实际中,使围岩达到预期的固结强度和止水作用;注浆量如果异常超标时,例如,局部岩体发生空洞,我们可以提前了解并推测围岩地质条件的变异情况,从而之后的施工工艺事先调整。因此比较实际注浆量和理论注浆量,评估实际注浆质量和止水效果非常有意义;2)根据注浆量理论计算的总量控制,管控实际工地注浆量的现场计量受到严格把关,避免因施工技术人员盲目套用不适当公式而导致计量注浆量过高,造成业主支付不必要的、不符合实际的工程款。

8 结语

隧道施工地质具有不定性的条件,均采用多种多样的小导管注浆工艺的设计参数。及时在具体施工中把握好、控制好施工中事项发生,能达到隧道围岩固结和止水效果的可以采用小导管注浆工艺,同时,通过注浆量的理论推算和实际量测的比较可有效地评估实际注浆质量和控制工程费用。现将某高速公路施工中获得的经验与体会在此总结,供业内人士参考。

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[2]张凤爱.浅谈对隧道超前小导管注浆的质量管理[J].公路交通科技(应用技术版),2011(08).

[3]孙军. 富涌隧道超前小导管注浆施工工艺[J].企业技术开发,2008(03).