超前小导管注浆施工技术在放水洞开挖中应用

贾来喜

（中国水电建设集团十五工程局有限公司，陕西 西安 710065）

0 引言

通过采用超前小导管注浆施工技术，在放水洞开挖前就改变了围岩的初始应力，在进行二次应力分布中，超前小导管能够起到支撑梁和锚杆的效果，此外，超前小导管注浆施工完成之后，还能改变岩体的变形参数和强度参数，促使放水洞在开挖中，围岩塑性区出现的时间会得到延迟，并减少围岩塑性区，从而达到加固放水洞围岩稳定性和承载力的目的。

1 工程概述

韩城市侯家峪水库是一座具有村镇居民生活供水和农业灌溉功能的Ⅳ等小（1）型水利枢纽工程。放水洞位于大坝右侧，洞身长307m，进口底板高程537m，出口底板高程522m，洞身坡降为5%，总长为399.8m。

2 工程地质情况

设计0+003～0+180.8 段位于河流二级阶地，上部地层为④黄土、⑤古壤土、⑥粉质壤土及⑥1粉质壤土混碎石层，下部为强～弱风化的砂泥岩。本段洞室围岩主要为⑥粉质壤土层和强风化砂泥岩，岩石破碎，围岩类别Ⅴ级，该段洞室位于地下水位以下，洞顶以上土层厚度约5～30m，开挖易坍塌，建议超前支护。

3 施工参数选取

3.1 直径确定

在案例工程施工中，为方便现场施工，超前小导管直径要控制在32～60mm 之间，如果超前小导管的太大，会增大钻眼和打入的难度，增加施工成本。如果太小，就无法起支撑锚固和注浆通道的作用。结合本工程的地质条件，采取了直径为42mm 的超前小导管，效果比较好。

3.2 长度确定

在超前小导管注浆施工中，小导管长度由防水到一次开挖的长度以及放水洞围岩的稳定性来确定。而围岩的自稳能力，则主要由岩体的内摩擦角φ 来决定，具体的长度可通过式（1）计算得到。

式中：L——超前小导管的长度，m；φ——放水洞围岩的塌落角度，°；H——围岩的坍落度，m。

（1）通过φ 可得到防水到开挖中掌子面上岩体的稳定性，φ 角越大，表明放水洞围岩的自身稳定性越强。在φ 保持不变的情况下，H 越大，放水洞开挖掌子面位置岩体坍塌的可能性也就越大。在具体施工中，为保证施工质量，通长将φ 控制在60°以下。

（2）为满足施工质量的要求，考虑围岩情况，小导管要控制在3～6m 之间效果最佳。如果遇到围堰结构稳定性比较差洞段，小导管的长度要取最大值。如果围堰稳定性比较好，没有勘察出不良地质，小导管的长度要取最小值。而在进行放水洞塌方处理中，要以小导管的最大打入长度作为设计长度，通常情况下，小导管的长度越大，则越利于施工。

3.3 外插角确定

超前小导管外插角的计算公式如式（2）所示。

在本工程中，为保证注浆施工效果，小导管的注浆半径为选择为0.5m，长度选择为3～6m，因此，小导管的外插角在5°～10°之间。

3.4 间距的确定

在塌方体处理过程中，小导管的间距需要采取密排的方法，按照塌体颗粒选择合适的间距。而在进行围岩加固中人，如果遇到岩体非常破碎层，如碎石土、砂卵石层等，也采取密排的方法，间距取2 倍小导管直径。在断裂破碎地段，注浆间距控制在30cm 左右。

4 超前小导管注浆施工方案

4.1 小导管制作

本工程超前小导管注浆施中，选择的小导管直径为42mm，壁厚为3mm，为提升注浆效果，小导管采取了热轧无缝钢管，在管壁加工中，按照确定好的间距控制注浆花孔的位置和间距，控制孔径为8mm，间距为15cm，呈现出梅花桩布设。小导管前端制作成锥尖状，尾端30cm 的范围内不钻孔，作为小导管注浆的止浆端。为保证小导管加工的精度，所有的小导管全部在钢筋棚中加工制作，选择用台钻钻管壁注浆孔，端头用电焊机焊接严密，具体的小导管制作如图1 所示。

4.2 测定定位

严格按照设设计好的超前小导管位置，选择高精度全站仪精确测放出小导管的位置，并用红色油漆清楚标记出掌子面掌各方小导管的精确位置，控制钻孔直径能够大于设计导管直径3～5mm，一般钻孔孔径为50cm，孔深要大于设计长度10cm。放水洞开挖的长度还要低于超前小导管支护的长度。本工程隧道开挖中设计爆破进尺为1m，注浆采取止浆塞进行注浆，并在合适的位置设计注浆管和排气管。保证排气管能够进入孔底5～10cm，排气管最好采取直径为20mm 的塑料软管。注浆结束的标准为达到设计注浆量，或者是达到设计终压标准也可以停止注浆。

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4.3 钻孔、清孔、验孔

（1）在钻孔时可采取手持风钻的方法进行钻孔，以设计的外插角向外进行钻孔，外插角的角度为6°，为最大限度上保证超前小导管的有效搭接长度，在具体施工中需要严格控制好开挖进尺深度，以保证以下循环施工能够顺利进行。对砂类土而言，可采取直径为20mm 的钢管来自制作吹风管，并将吹风管缓慢扦入土中用高压风射，成孔之后再扦入小导管[1]。

（2）清孔时可采用手持风钻来回扫孔的方法完成清孔操作，去除孔底浮渣，保证钻孔的孔径、孔深都符合设计要求，以免发生堵孔问题。并用高压风机，将孔底和孔口的钻渣清理干净，然后用钢尺对孔深、倾斜角、外插角等参数进行检查。

4.4 超前小导管安装和注浆

钻孔完成之后，需要及时安装小导管，以免出现塌孔问题，在进行小导管顶进施工中，可采取大孔引导和风钻相互结合的方法，具体安装方法为，先钻大于小导管直径的引导孔，再利用钻机的冲压力和推力低速顶进钢管。

（1）本工程在超前小导管注浆施工中，浆液选择了水泥浆液，水灰比为0.5～1.0，注浆压力控制在0.5MPa～1.0MPa，选择的水泥标号为P.042.5 型号水泥。单根小导管理论注浆量可通过式（3）计算。

式中：Q——注浆量，m3；R——浆液扩散半径，m，通常管体间距的0.6 倍，本工程管体间距为0.35cm，则R 为0.21m；L——注浆段的长度，m；η——地层孔隙率，风化岩层2%～3%，岩石破碎带取5%～8%、砂土取40%～60%，黏土取20%～40%计算，本段取7%；α——浆液有效充填率，取85%；β——浆液损耗系数，取1.05。通过计算可知，本工程单管注浆量为0.026m3，也就是26L[2]。

（2）在注浆施工中，孔口采取注浆管注浆的方法，为保证注浆效果，孔口的排气管和注浆管，可由阀门进行有效控制，排气管采取直径为20mm 是塑料软管，插入孔底5～10cm 的位置，连接上注浆管道和其他管路。通过锚固剂（特速硬水泥）封闭掌子面和导管之间的孔隙，以免发生浆液渗漏问题。关闭孔口阀门之后，开启注浆泵进行管路压水试验，如果存在泄露问题及时检查，保证试验压力能够等于注浆终压。本工程超前小导管导管注浆终，密封管的结构形式如图2 所示。

（3）导管布设完成之后要及时开始注浆，但在正式注浆前，需要对所有孔眼安装上止浆塞，同时对管口和孔口侧进行有效的密封处理。注浆用到的水泥浆液，要用拌合机集中配制，随用随拌，再通过液压注浆机将浆液注入钢管中，而且在进行正式注浆之前，需要对管路、机械状况等进行详细检查，确认无误后按照确定好的参数进行注浆操作。为提升注浆效果，保证第一次注浆的浆液被充分收缩之后，再进行第二次注浆，以提升注浆的密实度。注浆采取注浆终压和注浆量双控措施，注浆压力以0.5MPa～1.0MPa 为宜，持压3～5min 后停止注浆，注浆量一般为钻孔圆柱体的1.5 倍[3]。

（4）对注浆加固区进行钻孔取芯，观察注浆充填情况。导管注浆后再打无孔管作为检查管，检查注浆质量。有水地层可观察无孔管孔内涌水颜色及涌水量，水颜色如较澄清或夹带水泥渣块，则注浆效果较好，如涌水为泥浆颜色或涌水量较大时，应补注或重注。

5 超前小导管注浆质量保证措施

虽然超前小导管注浆施工技术在施工效率，速到加固质量等方面具有显著的优势，但在具体施工中，依然存在很多问题亟待解决，需要严格控制好钻孔质量、注浆质量，并加强异常处理，才能最大限度上发挥出超前小导管注浆施工技术的优势，更好的保证放水洞开挖的质量。

5.1 钻孔质量控制措施

在超前小导管注浆施工中，为最大限度上保证使用质量，在开始钻孔前，需要精确测量好定位孔位、倾斜角、外插角等，同时每个孔进行详细标记和标号。同时还要样严格控制好钻孔的平面位置，保证超前小导管和超前锚杆不会侵入放水洞开挖线之内，相邻的钢管也不能相互交叉碰撞。而且成孔之后，需要对钻孔的位置、深度、孔径、外插角等进行详细检查保证都达到设计要求后，再用高压风机吹扫干净，为注浆提供良好的条件。

5.2 注浆质量控制措施

（1）在注浆中需要严格控制好浆液配合比，并用专用的拌合机进行拌和，控制好浆液拌和时间，注重对浆液质量的检查。在整个注浆过程中，需要随时检查孔口、邻孔、覆盖层等位置是否存在串浆问题，如果发现串浆及时用麻纱、木楔、锚固剂等进行封堵，保证不再串浆后再继续注浆。

（2）相邻孔眼在注浆时需要控制好注浆间隔时间，严禁连续注浆，为浆液固结提供充裕的时间，以提升注浆质量。在注浆全过程，采取注浆终压和注浆量联合注浆质量控制的方法。如果某一个注浆孔发生浆液注浆不通畅问题，被迫终止，可在邻孔适当加压补偿。注浆全部完成之后，及时检查注浆效果，如果没有达到要求及时补孔注浆。

5.3 注浆异常处理

串浆处理：在超前小导管注浆施工中，一旦发生串浆问题，需要及时堵塞串浆孔，轮到该孔注浆时，再取下堵塞物。并用细钢筋，将管内杂物清理干净后再进行注浆。

机械故障：如果在超前小导管注浆施工中发生泵压突然升高问题，可能是出现了堵管问题，需要及时停机检查。堵管问题处理后，再继续注浆。

漏浆和耗浆量过大：加大浆液水胶比，降低压力。将流量限制在10L 范围内，过一段时间后，再缓慢提升压力，直到达到设计标准为止。

6 结语

超前小导管注浆施工技术是目前浅埋暗挖隧道支护施工中常用的措施，可有效提升隧道围岩的稳定性，为放水洞开挖营造一个良好的条件。和其他支护技术相比，施工工艺相对简单，在很小的空间内利用简单的工具就能进行钻眼和布管施工，如果遇到地层变化严重问题情况，可及时调整施工方案，具有良好的支护效果。