小导管注浆超前支护技术在某水工隧洞不良地质段施工中的应用

（山西省漳河水利工程建设管理局 山西长治 046021）

水工隧洞开挖施工过程中，经常遇到断层破碎带、软弱带、遇水软化等不良地质情况，处理不当容易发生塌落或塌方现象，影响施工安全和工程工期。超前小导管注浆工艺通过在周边形成水泥浆固结体，能够提高岩体自稳能力，起到超前支护作用[1]。本文结合隧洞不良地质段施工实例，阐述其在施工中的应用。

1 工程概况

该引水隧洞全长6 657 m，进口高程640.0 m，出口高程638.88 m，为“城门洞”型无压隧洞，隧洞Ⅴ类围岩开挖净断面尺寸3.44 m×3.86 m，设计流量5 m3/s。开挖方式主要为全断面光面爆破。该隧洞埋深一般小于130 m，最大达300 m，主要经过基岩山区、山前洪冲积倾斜平原、河谷区，穿过的地层主要包括寒武系、奥陶系、第四系，岩性主要为灰岩、白云岩、卵石混合土以及低液限黏土层。地下水多位于洞底板以下，局部发育层间滞水。隧洞围岩类型以Ⅲ类为主，占比74.8%，Ⅳ类围岩占1.9%，Ⅴ类围岩23.1%。

2 不良地质条件

桩号ZG0+050.0～ZG0+245.0段发育F4正断层，断层滑动面位于 ZG0+215.5处，产状 N88°E/NW∠74°，破碎带宽约25 m，影响带宽20～150 m，附近埋深大约70 m。施工过程中结合TSP超前地质预报以及实际开挖到掌子面后地质条件显示，该处地层岩性以（∈2z）厚层鮞状灰岩夹薄层灰岩为主，局部为灰白、黄白色断层泥和断层角砾，岩体破碎，拱顶成型差，自稳时间短，掉块现象严重。

桩号 ZG3+515.0～ZG3+624.0段及 ZG4+442.0～ZG4+613.0段为土洞段，地层岩性为（Q2pl）卵石混合土、低液限黏土，部分洞段卵石混合土在其上部的地表深沟底部处出露，并顺沟展布，其成为地表雨水下渗通道，土层遇水易变形，混合土卵石层遇水易坍塌，洞室稳定性极差。

3 施工方案

由于断层破碎带及周围影响带区域围岩破碎，在施工扰动后自稳能力差，易坍塌；土洞段土体稳定性差尤其遇水情况下，容易形成大的塌空区，若施工方法和支护方式处理不当，很容易发生塌方甚至冒顶事故。为保证隧洞开挖安全，需要对破碎围岩和易坍塌土洞段提前采取有效加固措施。

施做超前小导管可以利用导管的抗拉特性，对前方围岩预锚固，防止开挖掌子面顶部和侧边滑塌；通过导管的抗弯、抗剪特性，对顶部破碎围岩及土体提供有效支撑，约束围岩，防止土体的松动变形，避免顶部土体大面积坍塌，使其周边荷载均匀传递到钢拱支架[2]。小导管注浆后形成一定范围的固结区，改善围岩、土体的稳定性，使周围形成环向承载，有效防止塌滑或坍塌，可以确保支护前的施工安全。经过方案比选，对该隧洞工程不良地质段及自稳能力差的土洞段采取施做超前小导管、超前注浆加固、工字钢加强支护、短进尺弱爆破、少扰动快封闭、加强监控量测的施工方案。

4 施工过程

4.1 小导管选材和加工

根据该隧洞开挖洞径，洞段地质情况及相关设计要求，小导管选用检测合格的管径为Φ42热轧无缝钢管，壁厚3.5 mm，单根长度为4 m。小导管插入岩体的端头加工成长度为10 cm的尖锥状，尾部焊接Φ8的钢筋加劲箍，最末端安装止浆阀。采用钻床在管体四周施钻Φ8 mm的注浆孔，注浆孔为梅花形布置，间距为15 cm，尾端留1 m范围不设注浆孔（图1），钻孔结束后，将铁屑清理，将注浆孔周围毛刺磨平。

4.2 小导管支护施工

小导管安装以前，先将掌子面喷射混凝土封闭并施做钢拱架，断层破碎带洞段小导管按照环向间距40 cm安装，布置在拱顶135°范围内，采用单层小导管，每环布置12根，每2 m为一个循环；易塌方土洞段安装间距为30 cm，排距为1 m，布置在拱顶180°范围内。小导管安设于钢拱架外侧，沿隧洞开挖轮廊线布置向外倾斜，外插角为 10°～15°。

图1 小导管加工示意图

图2 小导管施工布置图

在断层破碎带洞段超前小导管采用钻孔打入法，先采用YT-28气腿式凿岩机钻孔，钻孔直径比小导管直径大3～5 mm，采用钻机顶入，顶入长度为3 m，吹出杆体内残存的砂石；土洞段小导管采用人工锤击的方式打入。安装过程中及时检查并保护小导管尾部不被损坏变形。安装后，把小导管尾端与钢拱架焊接固定，采用锚固剂对孔口周围裂隙进行封堵。

4.3 小导管注浆加固

注浆采用PO42.5水泥，水灰比为1∶1，注浆压力选择0.5～1.0 MPa。注浆施工前检查注浆泵，确保设备正常，确保管路连接正确。注浆顺序按从下到上的顺序，两侧拱脚至拱顶对称施工，土洞段首先对局部无渗水的注浆孔注浆，再进行渗水孔注浆。当注浆量达到设计注浆量（0.081 m3/根）和注浆压力达到设计终压（1.0 MPa）时，结束注浆。注浆工序流程见图3。

注浆过程中专人负责及时观察压力和注浆泵排浆量的变化程度，分析注浆情况，同时做好注浆量、注浆压力的记录，及时分析注浆效果；注浆施工中防止堵管、跑浆、漏浆的情况；遇到串浆时及时对串浆孔进行封堵。施工安全员随时观察工作面的支护状态，本工程超前注浆施工过程中未发生支护变形。

4.4 开挖

超前小导管注浆完成后过12 h再进行开挖，并采用“短进尺、弱爆破、强支护、勤支护、多循环”的开挖方式[3]。对断层破碎带洞段采用松动爆破，并严格控制用药量，每循环进尺严格控制在1.5 m以内，爆破后对危石及时进行排除，喷射3～5 cm厚C20混凝土。对易塌落土洞段采用小范围松动爆破结合小型挖掘机机械开挖的形式，进尺控制在1 m范围。

4.5 钢拱架支护

立拱前先对开挖洞段掌子面喷射C20混凝土进行封闭，起拱至顶拱环向施做Φ25系统锚杆，长度2 m，排距1 m，梅花型布置，土洞段未施做系统锚杆。

图3 注浆工艺流程示意图

采用I14工字钢，断层破碎带洞段钢拱架间距设置为80 cm，易塌方土洞段拱架布设间距为50 cm，钢架纵向连接采用Φ25钢筋，每榀10根。安装在测设位置后进行，将螺栓穿过相互密贴的钢板连接各节钢架；清除干净各节钢架底脚下部的虚渣，保证各节钢架置于稳固的基础上；两侧钢支腿每侧安设8根2 m长锁脚锚杆将其锁定，土洞段采用2 m锁脚锚管。采用Φ8钢筋施做钢筋网片，根据钢拱架间距和网片之间搭接长度确定网片尺寸，单个网片钢筋纵、横向间距为15 cm，网片之间搭接为25 cm。

钢拱架架立后喷射C20混凝土，厚度12 cm，以使钢架与混凝土成为一体，共同受力。喷射混凝土采用自拱脚由下向上分层喷射，过程中检查并确保拱脚喷射密实。小导管配合钢拱架喷锚支护结构见图4。

5 结语

通过采用超前小导管工艺进行注浆超前支护，有效提高了该隧洞断层破碎带软弱围岩的自稳能力，同时避免了渗水土洞段的塌方风险，确保了施工安全，保障了施工进度。配合钢拱架及钢筋网片喷射混凝土施工能够满足小断面隧洞初期支护的要求，具有很好的适用性、安全性和经济性。

图4 小导管配合钢拱架喷锚支护结构示意图