双层注浆小导管在铁路隧道穿越软弱围岩地段施工中的应用

杨立辉

中铁十六局集团第一工程有限公司

1 工程概况

新建福厦铁路3标段碧峰寺隧道全长为8434.27m，为3标段的最长隧道，起讫里程为DK51+761.00~DK60+195.27。该隧道地质条件较差，不良地质占比大，围岩主要类型为J3n晶屑凝灰岩，岩体分散破碎，含水量大，为构造裂隙地下水；隧道发育有8条断层、8处节理密集带，围岩胶结较差，自稳性较弱；本隧道工程最大埋深约为232m，隧道洞身最浅埋深约为28m。

2 施工方案

本隧道工程原进洞设计方案为：实施30m长管棚注浆超前支护。施工单位立足施工现场进行全面勘探报告，综合考虑的隧道工程的地质条件、地貌及气象水文因素，并根据铁路工程的项目要求和工期安排，以“快速安全开挖进洞、零进洞”为优化原则，经过反复研究与讨论，最后确定采用在双层注浆小导管超前支护下进行预留核心土环形开挖施工，具体的施工设计图如图1所示

图1 双层注浆小导管超前支护施工设计图

此方案能够有效减少洞口开挖，安全性高，花费成本少，且施工开挖对围岩的干扰较小，不会过度影响对仰坡和边仰坡稳定性，对环境的破坏较轻。此外，在本隧道工程中实施这一施工方案，施工单位能够充分利用原有设备的基础，提高刷坡效率，保证快速安全进洞，还能够通过施作护拱来提高施工的安全性，防止出现山坡落石等安全事故，保证施工人员的安全，推动隧道施工顺利进行。

3 施工技术

3.1 双层注浆小导管超前支护施工流程

根据施工方案，确定在本隧道工程中应用双层注浆小导管超前支护进行施工，其施工流程具体如下：施工人员刷坡至设计标高，喷射混凝土封闭开挖面，再喷射强度等级C20混凝土，喷射厚度为10cm，标出并按照轮廓线进行开挖，开挖出小导管参数钻孔，并将钢花管顶入向小导管参数钻孔内部，顶入设计位置后再进行注浆作业，由注浆机连接钢花管，完成加固岩土体的注浆，浇筑护拱掌子面上面的加固拱圈，支护完成后，就继续正式开始隧道施工，开挖隧道洞口上部弧形导坑[1]。

3.2 施工方法

3.2.1 刷坡

施工人员根据隧道洞口截水沟布置图来进行作业，开挖布置洞口坡顶截水沟，保证排水顺通，避免地表水下渗或冲刷边坡，保证洞口稳定性后再进行洞口刷坡及双层注浆小导管超前支护作业。按照施工标准和设计要求来进行洞口刷坡和支护作业，确保洞口边坡和仰坡测量放样精准，并清理边坡和仰坡上石头与杂物，刷坡作业后要立即对边坡和仰坡进行临时支护，尽快封闭岩面，避免出现坍塌事故[2]。

3.2.2 测量放样

在完成刷坡作业后，施工人员应尽快封闭开挖轮廓面，选择性能适当地混凝土进行喷射，本隧道工程选择的是强度等级为C20的混凝土，并要保证喷射厚度达到10cm，防止跑浆。技术人员应严格参考设计图纸来确定双层小导管的布设位置，在横断面上用红漆标注小导管的具体位置。此外，为了保证隧道施工的质量，使得施工人员能够正确应用双层注浆小导管施工技术，在正式进行隧道施工前，技术人员应做好技术交底工作，并根据施工现场的实际情况来设置一个稳定的控制点，该控制点的主要作用是用于控制钻孔作业，保证钻杆外插角与方向准确[3]。

3.2.3 小导管制作

综合考虑隧道洞口覆盖层厚度和地表坡度、岩土的物理力学参数以及隧道支护部位等影响因素，基于经济性和安全性的施工原则，确定应用Φ42mm~Φ50mm的无缝钢管或者是钢花管来制作小导管，钢管的长度要依据待加固区的范围和围岩外注浆作业的实际需求来确定，通常长度控制在300cm~600cm。为了提高导管顶入效率，在制作小导管的过程中采取将小导管前端20cm制作成尖锥形的措施。

管壁布眼间隔应控制在10cm~20cm，并以梅花形的形状错落布置，保证溢浆孔的直径在6mm~8mm。在外层注浆小导管后端预留20cm的空间，内层小导管后端预留出100cm的空间，这些预留空间作为预留止浆段，便于后续开挖施工顺利进行。与小导管末端位置进行加焊，加焊选择的是6mm钢筋。本隧道进口所选择的双层小导管长度为450cm，出口所选择的双层小导管的长度为600cm，所选择的无缝钢花管直径均为φ50mm，壁厚均为5mm。小导管加工示意图如图2所示。

图2 小导管加工示意图

3.2.4 钻孔并安设小导管

不同的围岩等级和支护对象，钢管的环向间距及排距有所不同，针对断层破碎带富水地段，钢管环向间距应较小，排距较密；而针对水平桩层状围岩，间距可适当调大，也能够保证围岩稳定性。若小导管间距过大，则双层注浆小导管超前支护的效果会急剧下降，且小导管的锚杆作用和梁作用就难以对待支护体起到加固效应，围岩加固效果差，掌子面稳定性受到影响，上方的地表易发生沉降和土体坍塌；若小导管间距过小，小导管的加固效应易叠加，从而导致小导管的注浆加固作用难以充分发挥，且对围岩干扰大，影响施工进度，增加施工成本。

因此，为了保证双层注浆小导管超前支护充分发挥作用，应将小导管的环向间距控制在25cm~40cm，排距的大小应控制20cm~40cm，还要保证小导管的外插角恰当，即，保证外层小导管的外插角在30°~60°，内层小导管的外插角在10°~15°，保证小导管水平投影搭接长度≥100cm。

本隧道工程根据施工现场的实际情况，结合项目需要，拟定的参数如下：隧道进口位置内层和外层小导管的外插角分别为10°和20°，小导管之间的环向间距为35cm，每个环向共计35根小导管，双层排距为35cm，于拱顶120°的范围内布设，内外层的小导管的布置方式为错落布置；隧道出口位置的内外层小导管的外插角都是29°，小导管之间的环向间距为30cm，每个环向共计45根小导管，双层排距为30cm，小导管布置范围及方式与进口位置的小导管布置相一致。

严格按照拟定参数来进行小导管的布设，保证间距、排距及外插角都达到设计要求，技术人员在进行布设放样时可参考拱顶外轮廓中心高程与支距，标注小导管的位置。保证钻孔直径大于钢管直径，应至少＞2cm，从而提升小导管顶入效率，在钻孔作业时要避免钻孔孔壁出现坍塌和缩孔问题。为了保证注浆顺利，不应将小导管全部顶入钻孔，应预留一定长度来连接注浆管，便于注浆加固岩土体。

3.2.5 焊接

为了充分发挥小导管的锚杆桩、梁等作用，施工人员可通过焊接来将其固定在型钢拱架上。

3.2.6 注浆施工

注浆施工应该从上到下进行，要保证施工对称，内外圈施工时要先进行内圈注浆，并且要先注浆无水钻孔，然后再完成有水钻孔的注浆作业。如果选择的是双液浆，注浆施工就需要配置两台注浆泵及其配套管路，保证注浆作业的质量。本隧道注浆施工的具体参数如下：水泥浆和水玻璃组成的双液浆，其中，水泥浆中水灰比为1∶1，水玻璃的质量为水泥浆的5%，其浓度和模数分别为35波美度和2.4，注浆施工的压力大小为0.5MPa~10MPa。

注浆施工期间，施工人员要加强对注浆压力的实时监测与控制，可通过调节注浆泵的方式改变压力值，从而使浆液在合适压力条件下注入。注浆施工时，先启动注浆泵，待其可维持正常运行状态后关闭泵口阀门。注浆压力应逐步提高，对应泵压也需同步增加，期间应由专员观察压力，明确其在历史注浆阶段的变化特点，预测后续发展趋势，若实测注浆压力提升至设计值，应及时关闭注浆泵，但依然需稳压20min，使浆液完全注满。经上述流程后，结束注浆作业，按规范卸下注浆系统和注浆混合器，做全面的检查，若存在问题应该及时修复，并清理装置内残留的浆液等杂物，妥善保管。

注浆施工期间若遇串浆现象时，需有效封堵串浆孔，采取隔孔注浆的方法。若注浆压力在短时间内异常提高，需停机检查，分析管口是否存在堵塞等异常现象。若进浆量偏多但压力仅呈小幅度提升或是无变化的状态，应当及时调整浆液的配合比，改善其浓度，此外，适当延长浆液在缝隙内的停留时间，以便充分发挥出浆液的作用，达到有效胶结加固的效果。

4 结束语

综上所述，双层注浆小导管施工技术应用价值高，不仅能够极大地提高围岩的自稳性，延长围岩的自稳时间，还能够保障施工进度和施工安全，控制施工成本。因此，施工单位需加强对双层注浆小导管超前支护技术的研究与开发，从而提高自身的各项效益。