17超前小导管超前锚杆.docx
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17超前小导管超前锚杆
-1-17超前小导管〔含超前锚杆〕施工技术
1前言
1.根本原理
在隧道开挖轮廓线外一定距离，以一定的外插角，向开挖面前方打〔钻、压〕入小导管〔锚杆〕并压注具有胶凝性质的浆液，使浆液在压力的作用下渗透、扩散到地层孔隙或裂隙中，以改善围岩物理力学性能，在开挖面周围形成一个具有既可止水又有一定强度骨架的硬壳固结体，从而提高围岩的整体性、抗渗性和稳定性；超前小导管〔含超前锚杆〕是隧道辅助稳定开挖的一种方法。
1.2适用范围
适用于自稳时间很短或无自稳能力的砂层、砂卵（砾）石层、土层、断层破碎带、涌水地段、软弱围岩及地层加固和塌方处理。
一般来说围岩较破碎的地段应优先选用超前小导管预注浆加固措施。
1.3工艺特点
⑴施工机具设备简单，施工操作方便，其费用比大管棚超前支护低1～2倍；
⑵能确保特殊及不良地质隧道的开挖平安；
2工艺流程及施工方法
2.1施工工艺流程
2.1.1超前小导管
表1:
超前小导管预注浆施工工艺流程
2.2.2超前注浆锚杆
表2:
超前注浆锚杆施工工艺流程
2.2超前小导管
2.2.1参数选择和加工
超前小导管一般选用Φ42～Φ50mm热轧无缝钢管加工制成，多采的用长度为3～6m。
布置间距根据围岩地质通过试验确定，视地质条件按20～50cm选用。
可以采用均匀间距布置，也可由拱顶至拱脚采取由密至疏不均匀布置。
外插角大多为5～10度，但用于坍方处理以注浆固结塌体形成人工护顶其倾角宜选为30°。
超前小导管可根据围岩的地质情况设置一排或数排。
对于超前小导管注浆加固范围较长的地段，前后排之间搭接长度一般在1m～1.5m范围内。
小导管前部应钻注浆孔，孔径一般为6～8mm，孔间距为10～20cm，呈梅花形布置。
小导管前端加工成锥形，尾部长度不小于30cm，作为不钻注浆孔的预留止浆段。
2.2.2测量布孔
小导管管孔一般布置在开挖轮廓线以外5～10cm。
用全站仪进展小导管位置的测量放样工作，并用红油漆在作业掌子面上作好小导管位置的标记。
2.2.3钻孔
钻孔时一般采用风钻〔台车〕开孔，以设计的外插角向外钻孔。
为保证超前小导管的有效搭接长度，施工过程中严格控制隧道开挖的进尺，以使下一循环的施工顺利进展。
钻孔直径应大于设计导管直径3～5mm，孔深大于设计长度10cm。
对于砂类土,也可采用直径比小导管稍大的钢管制作吹风管,将吹风管缓缓插入土中,用高压风射孔,成孔后将小导管插入。
2.2.4布管
钻孔完毕后，通常要对钻孔进展冲洗并检查钻孔孔深、孔径和倾斜度是否符合设计要求后，方能进展小导管的安装，工程中多采用气水联合法对钻孔进展冲洗。
钻孔检查合格后，用带冲击的风钻将小导管顶入孔中，或直接用锤击插入钢管，再用塑胶泥封堵导管孔口周围及工作面上的裂缝，以利于后续注浆工作。
布管顺序：
从拱顶分别向左右方向进展，采取隔孔间隔布置；小导管的外露长度一般为30～50cm。
2.2.5注浆
注浆是小导管施工工艺中最重要的一道工序，注浆质量的好坏直接影响小导管施工的效果。
⑴浆液的选择
注浆有单液和双液注浆两种。
在砾砂层、中粗砂层、圆砾层中宜选用注单液注浆〔一般分纯水泥浆和改性水玻璃浆液〕,砾质粘性土及砂质粘性土中宜选用双液注浆〔一般为水泥水玻璃浆液〕；断层破碎带和砂卵石地层，宜选用水泥浆液和水泥水玻璃浆液；中、细粉砂层及细小裂缝岩层、断层泥堵水注浆，宜选用渗透性好、低毒及遇水膨胀的改性水玻璃浆液。
单液注浆法是将注浆材料全部混合搅拌均匀后，用一台注浆泵注浆。
这种方法适用于凝胶时间大于30分钟的注浆。
双液注浆法是用两台注浆泵或一台双缸注浆泵，按一定比例分别压送甲、乙两种浆液，在孔口混合器混合后，再注入到岩层中。
采用这种方法，浆液凝胶时间一般为几十秒到几分钟。
⑵浆液的配制
一般根据现场试验确定，通常情况下按如下原那么配置：
纯水泥浆液：
浆液的水灰比宜为0.5:
1～1:
1，采用标号为32.5R以上水泥。
如需要缩短注浆的凝结时间，那么可以参加食盐、三乙醇胺速凝剂等外加剂。
改性水玻璃浆液：
由硫酸与水玻璃配制而成。
首先将98%的工业浓硫酸稀释成18%～20%的稀硫酸,将40Be的水玻璃稀释成20Be；在快速搅拌的情况下,将水玻璃缓慢地倒入稀硫酸中,并用试纸测量ｐＨ值,以3～4为宜。
水泥水玻璃浆液：
浆液水灰比宜为0.8∶1～1.5∶4,水泥浆与水玻璃的体积比一般为1∶0.3～1∶1。
⑶注浆参数的选择
注浆参数根据试验确定。
一般情况下扩散半径可按此式计算：
R=〔0.6～0.7〕L
式中：
L为注浆导管之间的中心距离
单管理论注浆量可按此式计算:
Q=лR2Lη；
式中：
Q单管注浆量m3；
R注浆半径；
L导管长度m；
η———围岩孔隙率%。
注浆压力应根据地层致密程度和选用的浆液类型决定，一般为0.3～1.0Mpa。
纯水泥浆的注浆压力可稍微大一些，一般为0.6～1.0Mpa；其余浆液的注浆压力一般为0.3～0.6Mpa。
注浆压力一般可按右式计算:
P=（0.4～0.6）γh；
式中：
P注浆压力kPa；
γ砂、围岩的重量kN/m3；
h为被注浆岩体的厚度m。
注浆过程根据实际情况确定,可以通过参加少量的缓凝剂〔如磷酸氢钠〕来控制初凝时间,初凝时间一般控制在8～10min左右，但加缓凝剂的浆液对结石体的强度有明显不良影响，因此掺量不能超过水泥质量的2%。
⑷注浆工艺
选用适宜的注浆泵注浆，采用浆液搅拌桶制浆。
为防止浆液从其他孔眼溢出，注浆前对所有孔眼安装止浆塞，注浆顺序宜从两侧拱脚向拱顶。
由于岩体孔隙不均匀，考虑开挖的方便，同时要到达固结破碎松散岩体的目的，保证开挖轮廓线外环状岩体的稳定，形成有一定强度及密实度的壳体，特别是确保两侧拱脚的注浆密实度和承载力，宜采取注浆终压（0.8～1.2MPa）和注浆量来双控注浆质量，拱脚的注浆终压高于拱腰至拱顶。
通过现场试验确定拱脚终压值。
注浆时相邻孔眼需间隔开，不能连续注浆，以确保固结效果，同时到达控制注浆量的目的。
超前小导管施工应注意的几点：
准确测量线路或构造物控制中心线及高程，并按设计标出小导管的位置，误差±15mm；用线绳定出构造物中心面，随时用钢尺检查钻孔或推进小导管的方向，以控制外插角到达设计的标准；注浆前喷5～10cm厚混凝土封闭掌子面作为止浆墙。
2.3超前注浆锚杆
2.3.1分类
超前锚杆可分为悬吊式超前锚杆及格栅拱支撑超前锚杆。
工程上一般采用格栅拱支撑超前锚杆。
悬吊式超前锚杆是在爆破前，将超前锚杆打入掘进前方稳定岩层内，末端与径向悬吊锚杆外露端焊接的一种形式，如不相交无法焊接时可用短钢筋焊接连接。
格栅拱支撑超前锚杆是超前锚杆末端从格栅钢架腹部空间穿过，尾部与钢架焊接连成一体，与格栅钢架一起，有效地约束围岩在爆破后的一定时间内不发生松弛坍塌，为大断面开挖与喷锚支护创造条件的一种锚杆形式。
2.3.2参数选择
锚杆一般设置在隧道拱部，少数也设置在边墙上；其直径一般为φ20～25mm，也有局部直径为φ32mm。
锚杆长度一般为3～5m，与钻孔机具的钻眼能力和开挖工序的循环进尺相配合；拱部超前锚杆纵向两排之间应重叠1m以上的水平搭接段。
锚杆环向间距常规控制在30～50cm；锚杆外插角一般为5°～10°。
2.3.3测量布孔
同超前小导管工序。
2.3.4 钻孔
同超前小导管工序。
2.3.5 插入杆体
钻孔完毕后，通常利用气水联合法对锚孔进展冲洗。
经检查钻孔孔深、孔径和倾斜度符合设计要求后，可以进展锚杆的安装。
安装前，要除去锚杆的油污、铁锈和杂质。
插入杆体,当采用人工手持插入有困难时,可用锤击或风动凿岩机送入，杆体插入孔内长度不应小于设计规定的95%，锚杆安装后不得随意敲击。
2.3.6 注浆
超前锚杆注浆一般采用普通硅酸盐水泥加水玻璃浆液。
采用标号32.5R以上水泥，水玻璃浓度为40Be，水玻璃用量为水泥重量的3％～5％，浆液水灰比宜为07:
1～1:
1。
如遇到隧道涌水量比拟大时，可参加3%～4%的氯化钙作为速凝剂。
注浆压力一般为1.0～1.5Mp；注浆量以锚杆末端未发现不必要的浆液溢出为依据；注浆时采用自下而上的顺序进展；为保证注浆效果，在孔口处设置止浆塞和排气管。
注浆完毕后，应根据观测的结果，确定是否进展补注浆。
2.4超前小导管〔含超前锚杆〕的质量验收
⑴小导管或锚杆入孔前，检查孔深、孔径、孔的倾斜度及孔位至初期支护开挖轮廓线的距离是否符合设计要求和标准要求。
⑵注浆完成后，随机用抽芯机进展固结岩体的抽芯，检查注浆效果。
⑶开挖后，观察开挖面的注浆效果。
3施工中常见问题的处理
⑴在钻孔时，如因围岩松散破碎成孔困难，先要沿开挖轮廓线外围灌浆，然后再钻孔。
⑵钻孔常因孔内坍塌致使导管或锚杆插不到位，影响注浆效果，所以在成孔后应及早打入导管或锚杆。
⑶注浆前，应对开挖掌子面用5～10cm喷射混凝土封闭作为止浆层，待止浆层有一定的强度后再注浆，以防止浆液从岩面裂隙中渗漏出。
⑷注浆时，应先注无渗水孔，后注有渗水孔。
⑸注浆时,如发生浆液从其他管流出的现象,那么应在串浆管口处用木楔堵塞管口,待该管注浆时再拔下木楔,并以高压风和高压水清洗管内杂物,然后再注浆,直至全部注浆完毕。
⑹要观察压浆过程并控制压力，一旦注浆受阻，压力上升超限应立即停顿，以免损坏表件或造成事故。
⑺注浆泵的控制：
根据注浆变化的情况，及时开、停注浆泵，并时刻观察注浆泵的注浆压力，以免发生堵塞爆管现象。
⑻孔口管路连接控制：
应注意前方的注浆情况，及时发现漏浆、堵管等事故，并掌握好注浆量及注浆压力，及时撤除和清洗注浆阀门。
4劳动力组织及进度指标
4.1超前锚杆:
单线隧道约8人,其中钻孔、安装4人,制浆、注浆3人，记录1人；双线隧道约12人,其中钻孔、安装8人,制浆、注浆3人，记录1人。
约3小时可施作一环。
4.2超前小导管：
单线隧道：
10～12人,其中:
钻孔、安装5～6人,注浆2～3人,焊工2人,记录1人。
4～5小时可完成一环。
双线隧道：
14～15人，其中：
钻孔、安装6～8人，注浆2～3人,焊工2人,记录1人。
6～7小时可完成一环。
5机具设备配置
序
号
机具名称
规 格
单
位
用途
数
量
备 注
1
风枪
台
钻孔打管
1
2
游锤
自制
把
打管
1
无孔强行打管进用悬吊重锤打管
3
吹风管
Ф20钢管
根
吹孔
1
4
注浆泵
单液浆用UB-3
双液浆用2TZG-60/50
台
注浆用
2
5
拌合机
台
拌水泥浆
2
6
混合器
个
1
双液时用，自制
7
注浆嘴
个
注浆用
1
8
浆液桶
个
盛放浆液
2
9
波美表
个
测浆液浓度
3
10
量杯
个
试验
2
11
水桶
个
3
12
胶管
高压管
M
注浆用
13
木尺
按浆液桶大小制
把
计测注浆量
6质量控制措施
6.1钻孔质量
⑴钻孔前，准确测定孔的平面位置、倾角、外插角；并对每个孔进展编号。
⑵严格控制钻孔平面位置，超前小导管和超前锚杆不得侵入隧道开挖线内，相邻的钢管不得相撞和立交。
⑶终孔后，要检查锚杆孔的位置、孔深、方向和外插角；然后用高压风将钻孔吹洗干净。
6.2注浆质量
⑴浆液配置必须按施工配合比进展，严格控制水泥、水玻璃、水以及其他外加剂〔如速凝剂等〕的质量；浆液拌制必须使用机械拌合，严格控制拌合的时间；试验室要加强对浆液质量的检查。
⑵注浆过程中随时检查孔口、邻孔、覆盖层较薄部位有无串浆现象，如发生串浆，应立即停顿注浆或采用间歇式注浆封堵串浆口，也可采用麻纱、木楔、快硬水泥砂浆或锚固剂封堵，直至不再串浆时再继续注浆。
⑶注浆时相邻孔眼需间隔开，不能连续注浆，以确保固结效果，同时到达控制注浆量的目的。
⑷注浆时，要根据注浆终压和注浆量来双控注浆质量；要经常检查注浆压力表的准确度；要根据单根钢管注浆量并结合岩体的松散程度，综合考虑注浆量。
假设个别孔浆液不畅通，被迫提前终止时，可在邻孔适当加压补偿。
⑸注浆完毕后，必须钻孔检查注浆效果，如未到达要求时需补孔注。
⑹配置的浆液应在规定的时间内用完。
7平安控制措施
7.1作业人员的劳动保护
⑴隧道内人员必须戴平安帽，钻机作业人员要代防尘口罩，必须持证上岗。
⑵洞内施工作业时应具有良好的照明设施，以便观察围岩变化。
7.2注浆的平安
⑴压注浆时,必须密切注意压力表,发现压力过高,需立即停泵,排除堵塞；注浆时施工人员要防止正对注浆管。
⑵经常检查注浆管接头是否损坏，如有应及时更换注浆管的接头。
⑶注浆管在未翻开风阀前,不准搬动,关闭密封盖,以防高压喷出物射击伤人。
⑷注浆机压力应与规定压力配套，不宜升压过快；注浆压力到达规定值时应予以稳定一定的时间，应持压3～5分钟，以利浆液进一步渗入缝隙。
8工程实例
8.1工程简介
蒋家湾隧道位于达成铁路新建双线段新大英～新积金区间，隧道全长325m，为客货共线的双线隧道，隧道净宽11.4m，净高8.83m；隧道地质为强风化砂质破碎泥岩，遇水软化，进出口洞顶覆盖层较薄，为确保开挖的平安，该隧道Ⅳ、Ⅴ级围岩拱部采用超前注浆锚杆进展加固，锚杆纵向间距2.0m，环向间距0.4m，每环35根，每根长3.5m；超前锚杆尾端与拱墙格栅钢架焊接在一起。
同时在该隧道进口DK249+070～+160段设置φ42超前小导管加强支护，超前小导管纵向间距1.6m，环向间距0.4m，每环35根，每根长3.0m；超前小导管尾端与全环格栅钢架焊接在一起。
8.2施工情况
该隧道超前小导管和（拱部）超前锚杆于2006年1月20日开场施工，12月10日施工完成，施工的主要工序有搭钻孔平台、安装钻机、钻孔、清孔、验孔、安装小导管和锚杆、注浆。
施工完成后经注浆效果检查，到达设计要求，顺利地通过了洞口破碎围岩和该隧道Ⅳ、Ⅴ级围岩地段，施工过程中没有发生坍方现象，确保了施工平安。
9施工体会
⑴超前小导管和超前锚杆预注浆技术在岩石破碎、裂隙发育、地下水丰富的软弱围岩及砂层中应用，可提高围岩类别，预防坍方的发生、进展坍方的处理及控制地表的沉降，施工效果显著。
由于该工法具有不需要大型机具设备、工艺简单、见效快、经济和社会效益高等优点，因此往往被施工人员优先选用。
⑵不良地质施工中，应侧重于超前支护和初期支护相结合，特别是超前支护在不良地质地段施工尤为重要。
⑶小导管超前预注浆加固地层，只能起到临时支护的作用，只能满足开挖时地层不发生坍塌、渗漏水，保证开挖时平安即可。
⑷浆液材料选择与配比：
根据地质情况，在设计或类比工法根底上，通过室内试验确定浆液品种及配比，经反复试用最后取得最正确方案。
⑸注浆检查：
分析每个孔注浆压力、注浆量是否到达设计要求，注浆过程中是否有漏浆、跑浆现象，以浆液注入量估计浆液扩散半径，分析是否与设计相符。
有条件时用声波检测仪监测岩体声速，判断注浆效果。
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