小导管预注浆加固公路隧道围岩的试验研究0

1小导管预注浆加固公路隧道围岩的试验研究摘要：利用长短交错小导管超前钻注支护技术，对狮形公路隧道Ⅱ类围岩进行预加固处理，通过小导管孔向松散岩体内压入水泥浆以充填围岩裂隙使与破碎岩石胶结成一体，从而提高围岩的整体性及坚实性。论文介绍了小导管钻注工艺流程、注浆设备、注浆参数的选取以及实际工程应用情况。通过对隧道围岩变形监测和分析，注浆加固取得了很好的效果。关键词：小导管；隧道；围岩加固；预注浆0概述随着高速公路和铁路的发展，越来越多的隧道修建在不稳定地层中，往往要借助超前支护对地层进行预加固处理。超前支护一般有以下几种形式：超前大管棚、超前预注浆(全面预注浆)、超前锚杆和超前小导管等；这些加固措施中，使用最为广泛的是注浆、小导管或管棚[1~2]。其中，小导管注浆技术由于施工设备、工艺简单，适应性强，可以根据实际情况，随时变更施工方法等优点得到广泛应用[2~6]。小导管注浆预加固原理为：对表土下风化破碎岩石及构造裂隙较发育难以支护的破碎顶板，在开挖揭露来压前，预先向其裂隙通道内注入固化材料(通常是水泥浆，水玻璃或聚氨酯等)充填裂隙，封堵涌水，胶结岩石，改善围岩力学性能，提高岩体自身整体强度，改善围岩支护状态。1超前支护方案及其参数的确定1.1工程概况狮形隧道位于歙县杞梓里镇狮形山，设计为单洞双车道，全长544m，断面净面积90m2，狮形隧道进口表土层为第四系残坡积土，厚约0.5～0.8m，下伏基岩受构造影响严重，节理发育，岩体成块石、碎石状松散镶嵌压碎结构，雨季地下水活动对Ⅱ类围岩稳定性影响较大，稳定性较差。洞口Ⅱ类围岩原设计为长管棚(一阶，20m)钢插管超前支护，后改为小导管加长加密短管注浆加固钢拱架挂网喷射混凝土，及钢筋模注混凝土复合支护结构。1.2预加固围岩支护方案狮形隧道进口段，Ⅱ类围岩埋深较浅，靠近F2压扭性断层左侧，断层泥多，泥岩遇水软化，易变形脱落。右侧岩层节理发育，岩体成块石，碎石状破碎结构，雨季地下水活动对其稳定性影响较大，稳定性较差。单纯地采用锚网钢拱架喷射混凝土支护，在顶板来压时，易产生钢拱架扭曲变形，喷体开裂脱落，顶板下沉，洞门变形。采用传统地U型钢棚或槽钢棚加强支护投入大，采用小导管超前钻注，进行预加固围岩，即在小导管挂网钢拱架喷射混凝土联合支护的基础上，通过小导管孔向松散岩体内压入水泥浆以充填围岩裂隙，使与破碎岩石胶结成一体，从而提高围岩的整体性及坚实性。实践证明，这是一种预加固围岩，提高围岩自身承载能力，保持围岩自身稳定性，实现安全生产最有效的支护方案。1.3小导管注浆预加圈参数注浆预加固支护材料主要包括注浆长、短管，金属网、钢拱架，快硬水泥药圈、水泥、水玻璃及喷射混凝土等。(1)注浆长、短管分别采用φ42mm．L=5500mm及φ42mm，L=3500mm的焊接管制作，管体上依次钻有φ8mm的出浆孔，梅花形布孔，孔间距为400mm，孔口间距为250mm，环间距为1.2m，用快硬水泥药圈封孔止浆。2注浆效果检查安设小导管施工准备钻孔小导管制作布网、安设钢拱架、喷浆注浆小导管制作开挖支护图l小导管钻注工艺流程图(2)钢筋网采用φ6mm的钢筋焊接而成，规格为60mm×l000mm。(3)钢拱架采用φ22mm钢筋焊制。(4)喷射混凝土强度等级为C20，初喷采用50mm，复喷为200mm。(5)帮底及底角使用φ22mn，L=2500mm的砂浆锚杆全锚。(6)注浆浆液采用单液水泥浆，水泥标号为425#，普通硅酸盐水泥，水灰比为08～12，浆液中添加水泥重量3％～5％的水玻璃，注浆压力0.1~1.0MPa，根据现场试验来确定这些支护参数（见表1）。表1注浆浆液配合比及性能参数表序号水灰比水泥（kg）水（kg）水玻璃（L）28d单轴抗压强度（MPa）浆液结石率（%）10.850401.03~1.7210.02~13.4491.1~92.321.050501.03~1.726.09~7.6684.2~87.331.250501.03~1.725.45~6.5682.9~83.22工程试验及应用2.1小导管钻注工艺流程图小导管钻注是指，使用普通的施工工具能够完成钻孔及打入地层的直径较小的钢管，直径均在50mm以下，长度为6m；小导管注浆是指，在施工中利用小导管的作用和注浆改变围岩力学性能的作用，达到使被加固围岩在一定时间内保持稳定，从而能够使施工正常进行的一种超前预支护技术（见图1）。2.2小导管布置纵、横断面示意图根据隧道断面大小及围岩情况，工作面小导管布置如图2所示。2.3注浆机具设备（见表2）表2注浆机具设备一览表序号名称规格型号单位数量用途1钻机YT-24台4钻孔2注浆机TBW-50/15台2压浆3注浆管Φ25m200高压管4闸阀Q11SA-Dg-25个10止浆阀5压力表0~2.0MPa个6测压2.4注浆施工注浆顺序：先由中间向两边对称压浆，然后再由两边向中间对称复注，多次复注，最后结束整环注浆。针对岩层裂隙细小，吸浆量小，可注性差等特点，小导管注浆均采用先压清水及水玻璃冲洗，润滑裂隙，再高压注稀浆，冲开裂隙，增大其开度，最后高压复注浓浆，充填裂隙通道，胶结松散岩体，浆液浓度按l：l、0.75：l、0.5：l逐级递增，注浆压力增大到4.0MPa，吸浆量小到5L／min，且稳定5min不变时，结束单孔注浆(见表3)。3小导管超前小导管φ4.2．L=550（350）220220431ⅤⅢⅥⅡⅢⅥ43150°125横向施工示意图纵向施工示意图单位：cm；Ⅱ~Ⅳ、1~4为施工顺序图2小导管布置纵、横断面示意图狮形隧道进口Ⅱ类围岩共34m，小导管钻注28环，共注浆入水泥15t，平均有每延米注入0.44t水泥，单孔复注时，浆液浓度大，吸浆量小。隧道轴线右侧，围岩裂隙发育程度大，注浆量多，压力上升慢，浆液扩散半径大，平均为5m左右；隧道轴线左侧，断层泥多，岩层致密，可注性差，注浆压力上升快，吸浆量小，浆液扩散半径小，平均为1m左右。表3K60+980中孔注浆施工原始记录表注浆时间（min）浆液起始浓度稀浆量（L/min）泵压（MPa）注水泥量（t）始注终注8:008:15水/水玻璃00~100~0.108:158:35稀浆1：11510.1~0.60.18:358:55较浓0.75：1100.6~0.80.38:559:00浓浆0.5：150.8~1.00.13试验及应用效果根据上述参数和工艺施工一段时间后，为进一步提高预注浆加固围岩的效果，将原等长导管改为加长、加密、加宽（原管长3.5m改为5.5m、3.5m间布，原环距1.5m改为l.2m，原管口间距0.3m改为0.25m，原顶部120°改为150°布管）长短管注浆，长管覆盖短管注浆范围，浆液扩散半径增大，复注效果好。实际揭露时，由于严格按照“管超前、早封闭、严注浆、短开挖、强支护、勤勘测”的原则，一个月以后除了发现进口段左侧腮尖及下部突出和移近外，没有发现顶板明显下沉、喷体开裂、底鼓等现象。同时，将左侧钢拱架原设计的钢筋腿改为钢棚腿后，更加有效地阻止了左侧部位的位移，从而保证了开挖作业的安全。4变形情况观察分析在隧道进口轴线左侧．F1断层走向几乎与隧道轴线平行，断层泥多，岩层致密，可注性差。泥岩遇水软化，在隧道下部开挖时发现左侧腮尖突出，左帮内敛。在洞门左侧设置应变点，经过一个月的观察，累计变形为：左帮移近20mm，左腮尖突出25mm。右侧变形很4小，注浆效果好(见图3)。右帮移近量左腮突出量t/d累计变形量/mm4030207123456010图3左侧注浆预加固变形曲线图5结论由于小导管布置仰角小（5°~10°），超前注浆，对顶板起前探支护，临时护顶作用效果较好，但由于复合顶板层厚较大或岩层松散顶压较大，单纯地采用小导管超前钻注，不够合理。如果在小导管超前钻注的基础上，再沿径向布置深孔注浆锚杆索进行预加固效果更好。因为注浆锚杆对复合顶板锚注预加固，不仅起锚杆支护作用，而且还增大了浆液径向扩散半径，有效地控制了围岩松动圈的进一步扩大，防止再生顶板。再者注浆预加固，提高围岩的自身稳定性，减小钢拱架的承压及变形，能进一步提高整体支护效果。故此，注浆锚杆索预加固围岩在公路隧道支护中更值得进一步研究与探讨，推广应用。参考文献[1]陈炜韬，王明年，张磊，等.预加固措施对隧道开挖稳定性的影响研究[J].岩石力学与工程学报，2009，28(8)：1640~1645（ChenWeitao,WangMingnian,ZhangLei,etal.Influenceofpre-reinforcementmeasuresonexcavationstabilityoftunneling[J].ChineseJournalofRockMechanicsandEngineering,2009,28(8)：1640~1645(inChinese)）[2]李河玉.小导管注浆技术及在隧道和地下工程中的应用[硕士学位论文][D].成都：西南交通大学，2002.(LIHeyu.Pipegroutingtechnologyandtheapplicationtothetunnelandundergroundengineering[M.S.Thesis][D].Chengdu：SouthwestJiaotongUniversity，2002.(inChinese))[3]张旭芝，符飞跃，王星华.南京地铁软-流塑淤泥质地层劈裂注浆试验研究[J].水文地质工程地质，2004，(1)：67~70(ZhangXuzhi,FuFei-Yue,WangXinghua.ExperimentoffracturinggroutinginsoftflowingmuckyclayinNanjingtunnelingconstruction[J].HydrogeologyandEngineeringGeology,2004,(1)：67~70(inChinese))[4]曹桢楹.管棚及注浆加固在隧道坍方治理中的应用[J].公路，2004，(6)：173~176[5]昝月稳.蠕动地层增建二线隧道围岩注浆加固技术[J].铁道工程学报，1999，(3)：68~71[6]何修仁.注浆加固与堵水[M].沈阳：东北工学院出版社，1990