隧道小导管预支护施工技术及材料选择分析

张艳娜

摘 要：小导管预支护施工是隧道施工过程中常见的施工工艺。文章结合工程实践，首先论述小导管预支护作用机理，并详细介绍在不同情况下小导管施工的处置措施和施工控制要点，给出不同情况下的小导管施工材料选择，以期为类似隧道小导管施工提供借鉴。

关键词：隧道;小导管;预支护;材料选择

1 小导管预支护作用

小导管预支护主要作用是在隧道开挖前，通过小导管和注浆的共同作用改变岩石性能及边界条件，从而直接影响围岩的二次应力状态。其中，小导管注浆可以直接改变围岩的力学性能，浆液主要通过渗透作用、填充作用、劈裂作用和挤密作用改变围岩受力状态。小导管预支护起到支撑梁和锚杆的作用，主要体现在以下4 个方面。

（1）对岩石块和围岩的连接作用。小导管穿过隧道围岩岩体内不稳定的岩石块段，将岩石块同周围岩体连接起来，提高岩体的整体稳定性。

（2）自身形成的组合梁作用。小导管打入岩层后，同周围围岩结合，整体形成组合梁或者组合拱，对组合梁或者组合拱上方的岩体起到有效的支撑作用。

（3）对岩体的挤压加固作用。小导管打入岩层后，对作用范围内的岩体产生挤压作用，周围均匀布置的小导管形成一条均匀的围岩压缩区，该区域围岩受到压缩后的反作用力又形成了对压缩区周围岩体的径向支撑力，从而使围岩岩体强度进一步得到提高。

（4）增加岩层摩擦力的作用。小导管打入岩层后，对岩层有一定的锚固力，该锚固力增加了岩层间的摩擦力，很大程度上降低了岩层发生滑动的风险[4]。

2 小导管预支护施工流程及控制要点

如图1所示，小导管预支护施工是沿隧道掘进断面外轮廓线外纵向且向上倾斜安设注浆管，将浆液注入，从而实现加固隧道围岩、密实围岩裂缝，达到止水的目的。小导管预支护施工流程如图2所示，施工过程中，各控制要点如下[2]。

（1）施工中一般采用钻孔打入法安设（简称“打设”）小导管，钻孔直径应比钢管直径大3～5 mm，钢管顶入长度不小于自身长度的90%，打设完成后将小导管内砂石清理干净。

（2）隧道掘进施工开挖长度小于小导管的注浆长度，预留部分作为下一次循环的止浆墙，如图3所示。小导管安装后，应根据实际情况对导管附近喷射混凝土，防止工作面发生坍塌。

（3）注浆量通过2个指标控制：设计注浆量或设计终止注浆压力。当任何一项指标达到设计值时，即可停止注浆。

（4）注浆前对设备进行压力机管路检查，注浆过程中应随时观察注浆泵排浆变化，防止堵管或者漏浆。

（5）注浆压力应作为注浆施工的关键控制因素。施工过程中，常见注浆压力变化及对应对处置措施如下：①若注浆开始后压力递增，但是难达到设计要求，此时应适当增大浆液浓度，缩短压浆时间间隔;②若压力上升很快但注浆速度慢，主要可能是由于浆液浓度同岩层密实度不匹配或者浆液浓稠凝结时间短所致，应停止注浆，检查管路是否堵塞;③若压力上升后突然下降，则可能是压力过大导致周围围岩空隙被冲破，此时应降低注浆速度;④若压力上升后下降，而后压力又上升，并且可以达到设计压力，则此种情况有效，无需处理。

3 小导管预支护材料选择

3.1 小导管材料选择

小导管一般采用普通焊管制作而成，顶端加固成锥形便于打插，中部打直径为5 mm左右的溢浆孔，溢浆孔呈梅花形排列，末端焊接环形箍筋，用以防止小导管尾部在打设过程中开裂。

3.2 注浆浆液选择

注浆浆液通常采用改性水玻璃+水泥浆制作，但是浆液的水灰比、水泥浆和水玻璃的比例、水玻璃的浓度等各项指标不同，均会导致浆液性能发生改变，现场实际施工过程中，应根据围岩地质不同，确定不同的浆液参数。

3.2.1 砂层浆液参数选择

砂层围岩致密但是自稳能力差，当隧道围岩主要是砂层时，容易发生坍塌，无法形成自然应力拱，且在隧道施工过程中，易发生流砂，给施工造成极大困扰。因此，通常采用增加水玻璃浓度和注浆压力的方法增强土体强度。根据施工经验，可采用预注酸性水玻璃再注浆的方法对周围土体进行加固。建议以水玻璃为主，加入15%左右的稀硫酸，控制水玻璃浓度为30 Be°左右，同时加入少量碳酸氢钠（NaHCO3）使浆液pH值控制在3左右，各成分具体的比例应同土体细纱的级配协调。通过不同方法加固的土体实验数据如表 1所示。

3.2.2 黏土层浆液选择

通过大量的施工对比发现，对于黏土层采用劈裂法注浆效果最佳，使用水泥和水玻璃的混合液注浆，可以有效地避免灌浆过程中跑浆的发生，提高土体的早期固结强度。此外，浆液灌注过程中对周围土体产生挤压作用，也可以在一定程度上提高地层的整体强度。

为确定水泥和水玻璃混合液的材料及配比，通过开展大量配比试验，总结了如下规律：①水泥水灰比提高，混合液凝结时间和流动性增加;②水玻璃用量提高，混合液初凝时间缩短，流动性降低。现场施工过程中可根据此规律，根据需要对混合液配比进行调整，以求最佳效果。

3.2.3 卵石层浆液选择

卵石层是隧道施工过程中最为常见的地质，通常卵石层小导管注浆采用渗透法，浆液采用水泥浆。注浆压力只需确保使浆液迅速扩散并填充即可，通常控制在0.3～0.5 MPa，按照相关要求把浆液注入到土壤层中，且保持不破坏土壤层结构。实际施工中，一般采用2种方式提高卵石层中注浆效果：调节注浆压力和调整浆液水灰比。根据相关资料，注浆效果同压力和水灰比的关系如表2所示。

由表2可知，卵石层浆液水灰比最好控制在0.7 ： 1左右，注浆压力控制在0.5 MPa。但由于卵石夹砂地层空隙小，浆液难以顺畅填充缝隙，因此，建议根据实际情况，适当增加注浆压力或者降低水灰比。

4 结语

小导管预支护施工工艺的安全性、可靠性和适用性经过大量工程实践检验，已得到对比和证实。但是，在实际施工过程中，还需要充分理解其作用机理，根据实际情况选择合适的施工工艺和参数，掌握施工控制要素，才能真正发挥小导管预支护施工工艺的优势，保证隧道施工过程中开挖和衬砌的顺利进行。

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收稿日期 2019-12-27

责任编辑 宗仁莉