超前小导管注浆处理黄土隧道红砂岩夹细砂层段的施工技术

（中铁十七局集团第二工程有限公司，陕西西安 710000）

近年来，我国隧道施工技术突飞猛进，隧道工程在全国铁路、公路等工程建设中占比例增大，截至2016年，我国投入运营和贯通的铁路隧道共14 494座，约15 000 km。在全国铁路、公路网延伸及完善阶段，隧道建设在新建线路中处于主导地位，我国地质地貌种类多，例如广东省韶关地区的丹霞地貌、云贵地区的喀斯特地貌（岩溶地貌）、陕北地区的黄土地貌及新疆青海地区的雅丹地貌等，其对应的地质情况复杂，隧道施工难度较大。

1 工程概况

蒙华铁路为国家Ⅰ级新建重载铁路，银山1号隧道为该线上的一座单洞双线隧道，位于陕西省延安市安塞区境内，进口里程为DK262+107.69，出口里程DK263+537.26，隧道全长1 429.57 m，最大埋深79.22 m。本隧道区内地形受地台抬升及黄土高原水流向源侵蚀的影响，下切作用明显，“V”字形冲沟发育，呈树枝状分布，具有沟壑纵横、支离破碎的特点，地形较为复杂，为典型的黄土高原侵蚀性梁峁沟谷地貌类型。

洞身行经处围岩多变，洞身DK262+508～DK262+563段，原设计地质情况为砂岩，强风化，砂质结构，泥质胶结，厚层至巨厚层状交错层理构造，斜层理及交错层理发育，成岩作用差，岩质较软，强风化砂岩岩体较完整但强度低，呈块状结构，围岩级别为Ⅳ级，衬砌类型为Ⅳb型复合衬砌，施工工法为三台阶法，采用超前小导管的施工辅助措施。现场DK262+508掌子面采用悬臂式掘进机开挖时，拱顶发生溜塌，拱顶约90°范围为细砂层，紫红色，潮湿，结构松散，上台阶两侧拱脚地层仍为强风化红砂，台阶拱部不同程度范围内呈现红砂岩夹细砂层的地质状态直至DK262+563。

2 工程施工重难点及施工方案设计

2.1 工程施工重难点

2.1.1 围岩地质情况勘测分析

（1）经现场测量勘测地表K262+519.4～DK262+569.2为横向冲沟，且隧道此段埋深较浅。在隧道中线地表DK262+512、DK262+532（冲沟中心）、DK262+570处作钻孔探测，分别显示埋深47.5、51.3、46.8 m均为散装细砂与强分化红砂岩分界处，对应均处于隧道拱顶开挖轮廓线上下2.5 m范围内，初步推测隧道K262+508溜塌掌子面前方段相应长度范围内围岩地质状态仍为红砂岩夹细砂层，其在隧道方向由大里程向小里程方向发展，横向沿冲沟方向由线路右侧向左侧发展，与隧道上台阶拱部交叉通过[1]。

2.1.2 拱顶溜塌原因分析

（1）隧道掌子面开挖后呈现细砂层，紫红色，潮湿，结构松散，无整体性，自稳能力差，出现凌空面时易发生溜塌。

（2）原设计围岩级别为Ⅳ级，复合式衬砌类型为非绝缘一般锚段Ⅳb，采用三台阶工法，悬臂式掘进机开挖施工，初期支护钢架为H150格栅钢架，间距1.0 m，3.5 m长超前小导管辅助措施，其整体支护强度低，随着新循环的开挖，其承载力无法满足围岩支承要求。

2.1.3 施工重难点

（1）虽对前方地表冲沟段做了地质钻探，但前方围岩情况、细砂层的具体分布位置及内部有无空洞难以准确判定，施工存在再次溜塌的风险。

（2）隧道洞身上、中台阶采用悬臂式掘进机机械开挖，但仰拱爆破开挖（掘进机开挖仰拱施工困难、超挖严重）会对上部细砂层的稳定造成较大影响，导致开挖施工困难。

（3）格栅钢架支护强度低，须与混凝土并用，以发挥其支护作用，且不能立即发挥承载作用，使围岩产生溜塌的概率增加。由于细砂层结构松散，无整体性，无法自稳，后续随着掌子面的不断开挖掘进，越来越多的细砂层将靠已完成段初期支护支承，初支的承载力能否满足要求处于未知状态，难以保障施工人员的安全。

2.2 施工方案设计

由于细砂层具有结构松散、无整体性、自稳能力差等特性，属于软弱围岩，因此，此段初期支护施工须严格执行软弱围岩施工方针（管超前、严注浆、短开挖、强支护、快封闭、勤量测），以此为出发点进行分析。

（1）DK262+508溜塌面采用15 cm厚喷射混凝土封闭，DK262+505～DK262+508段拱部150°范围采用Φ42超前长导管注浆预支护，长导管长6 m，打设角度为45°，环向间距40 cm，纵向间距1.0 m施作一环。

（2）DK262+508～DK262+563段拱部150°范围采用Φ42（t=3.5 mm）超前小导管注浆预支护，使用6、4 m小导管隔榀交错打设，角度分别为45°和15°，环向间距40 cm；注浆浆液采用普通纯水泥浆，水灰比为1∶1（现场试验确定），注浆压力按0.3～0.5 MPa。

（3）DK262+508～DK262+523段围岩级别由Ⅳ级调整为Ⅴ级，衬砌类型由Ⅳb变更为Ⅴb（土）级，初期支护采用I20a型钢钢架，间距60 cm，采用三台阶法施工。

（4）施工过程中，地质发生变化时，及时调整支护参数；加强洞内监控量测工作，加密布设此段监控量测点（原设计5 m一环，现2 m一环），如若遇变形突变等现象立即采取应急措施。

3 施工处理

3.1 DK262+508掌子面溜塌面处理施工关键

（1）DK262+508溜塌面采用15 cm厚C25喷射混凝土封闭完成后，须待喷射混凝土终凝后再施作长导管。

（2）6.0 m长导管须为注浆钢花管，其打设角度及环向间距须严格控制。

（3）采用C25喷射混凝土再次封闭掌子面时须将注浆管四周封闭严密，掌子面不得有未封闭点，且封闭混凝土厚度必须达到15 cm以上，确保注浆过程中或注浆后水泥浆不外漏。同时，长导管外露部分在二次封闭过程中必须堵塞密实。

（4）全部注浆长导管需提前焊接丝扣，注浆过程中及时安装注浆阀门及排气阀门，保证注浆连续不间断。按照设计方案确定参数拌制水泥浆液，严格控制其注浆压力，注浆过程中严格控制注浆压力，测定注浆流量统计注浆量[2]。

（5）注浆作业连续施作完毕后，需待水泥浆液彻底凝固后，再进行掌子面开挖掘进作业。

3.2 细砂层段施工

3.2.1 施工关键

（1）新循环上台阶开挖前，须待超前小导管注浆浆液终凝后进行，普通硅酸盐纯水泥浆经现场试验确定终凝时间一般在4.5～5.0 h，超前注浆完毕须等待5 h再进行新循环开挖。

（2）严格按钢架设计间距（60 cm）控制开挖进尺，拱脚严禁超挖。

（3）I20a型钢钢架腹板处超前定位孔需采用冲孔机冲孔，钢架拱脚用高强塑料垫块支垫，钢架紧贴站字面支立；超前小导管严格控制打设角度，锁脚锚管采用已注满水泥浆液的锚管直接打设，并使用“L”形钢筋有效焊接。

（4）C25喷射混凝土施作前堵塞小导管管口，喷射混凝土施作过程应严密封死掌子面。

（5）由于此段施工循环进尺小，为了缩短循环作业时间，需搭接作业，即上台阶开挖完毕，立即支立钢架，中下台阶单侧开挖。在上中下台阶每完成4个作业循环（2.4 m）后，立即完成仰拱开挖闭合作业，做到仰拱初支早闭合[3]。

3.2.2 监控量测

此红砂岩夹细砂层段，每2 m布设一个监控量测断面，上台阶拱顶一个沉降监控量测点和一对收敛监控量测点，中台阶边墙一对收敛监控量测点。

测量班监控量测小组每天测设两次，期间测设断面沉降及收敛未发现超限情况，待此段沉降收敛趋于稳定后，区间各断面累计沉降收敛值在规定范围内。DK255+508（Ⅴ）GD01（拱顶）沉降累计值为57 mm；DK255+520（Ⅴ）SL01（收敛）收敛累计值为45 mm。

4 结论

通过上述施工设计方案，银山1号隧道成功处理了DK262+508掌子面溜塌事故，避免了后续施工再次出现溜塌，安全、优质、快速通过了红砂岩夹细砂层段。

超前小导管加长、加密、加大打设角度，注入普通纯水泥浆的方法可较好地加固溜塌区域，提高围岩的自稳性能，解决细砂层在开挖支护时易溜塌的问题，提高、缩短后续的施工安全和施工工期。

现场施工发现细砂层结构松散，若其颗粒间处于连续不间断的正常结构状态，砂层内部无空洞，注浆作业可使施工整体更稳定。本次施工中，加长、加密的超前小导管在施工过程中起到了决定性作用，开挖进尺小，严格按照设计方案进行施工，保证了超前小导管的充分受力又不超过其自身承载力[4]。

5 结语

综上所述，采用超前小导管注浆为核心的设计方案处理银山1号隧道红砂岩夹细砂层段，实践证明可使施工更稳定，可为今后类似特点的隧道施工提供参考。