隧道工程：超前小导管创新进展

1．构造组成

超前小导管是在开挖前，沿坑道周边向前方围岩内打入带孔小导管，并通过小导管向围岩压注起胶结作用的浆液，待浆液硬化后，坑道周围岩体就形成了有一定厚度的加固圈的加固措施。超前小导管尾端与初期支护钢架焊接，共同组成棚架支护，也称“小管棚”。在此保护下即可安全地进行开挖等作业（图8-1-3）。若小导管前端焊一个简易钻头，则可钻孔、插管一次完成，这称为自进式注浆锚杆或迈进锚杆（图8-1-4），是将超前锚杆与超前小导管注浆相结合的一种先进的超前支护措施，增强了加固效果。

图8-1-3　超前小导管注浆加固围岩（铁路隧道）

图8-1-4　自进式中空注浆锚杆

2．性能特点及适用条件

超前小导管的作用和布置方式与超前锚杆相同，区别是小导管采用钢管，每根钢管管壁带有小孔，通过钢管以一定的压力向围岩体内注浆。它既能起到对未开挖段围岩的预支护作用，又能起到对围岩的预加固作用，而且填塞了裂隙，阻隔了地下水向坑道渗流的通道，起到了堵水作用。因此超前小导管较超前锚杆能适应更多的地层，对砂土地层、堆积地层、断层破碎带和坍方地段更容易施作成形，支护范围更大，在隧道开挖后掌子面不能自稳地段、拱部易出现剥落或局部坍塌的地段以及坍方段、浅埋段、地质较差的洞口段均可采用。但超前小导管注浆对围岩加固的范围和加固处理的程度是有限的，注浆压力较低。因此，超前小导管注浆主要适用于渗透系数较大的无地下水或水量和压力较小的一般软弱破碎岩体的地层条件。若用于渗透性差的地层，则容易形成“跑浆”，即浆液沿管外与孔壁之间形成回流。

3．小导管布置和安装

小导管一般采用φ42～50 mm无缝钢管制作，长度宜为3～5 m，前端做成尖锥形，前段管壁上每隔15～30 cm交错钻眼，眼孔直径宜为6～8 mm，后面0.5～1.5 m不钻孔，其余设计参数与超前锚杆相同。在隧道围岩破碎、岩体层间结合较差的地段，可采用小导管径向注浆，此时小导管长度不宜小于3.5 m，间距宜为1.0～2.5 m。

超前小导管注浆施工工艺流程如图8-1-5所示。

图8-1-5　超前小导管工艺流程

小导管钻孔安装前，应对开挖面及5 m范围内的坑道喷射5～10 cm厚的混凝土封闭。钻孔直径应较管径大20 mm以上，环向间距应按地层条件而定。极破碎围岩或处理坍方时可采用双排管；地下水丰富的松软层，可采用双排以上的多排管；大断面或注浆效果差时，可采用双排管。小导管插入后应外露一定长度，以便连接注浆管，并用塑胶泥将导管周围孔隙封堵密实，管口应设置止浆阀。超前小导管管内应注满砂浆。超前小导管施工完成8 h后方可进行开挖。

4．注浆材料

（1）注浆材料种类及适用条件。

注浆材料有水泥浆液和化学浆液两大类。注浆材料按浆液组成可分为单液和双液，分别适用于不同的地层条件。注浆材料的选择主要应考虑被加固地层渗透条件，应先对被加固围岩进行土力学试验，包括渗透系数、土颗粒组成、孔隙率、饱和度、密度、pH值、剪切和抗压强度等。必要时应做现场抽水试验和注浆试验，采用适用的注浆材料，并确定更为合理的注浆压力、单孔注浆扩散半径等参数。

① 在断层破碎带及砂卵石地层（裂隙宽度或颗粒粒径大于1 mm，渗透系数k≥5×10－4m/s）等强渗透性地层中，应采用料源广且价格便宜的注浆材料。一般对于无水的松散地层，宜优先选用单液水泥浆；对于有水的强渗透地层，则宜选用水泥-水玻璃双浆液，以控制注浆范围。(www.xing528.com)

② 断层带，当裂隙宽度（或粒径）小于1 mm，或渗透系数k≥10－5m/s时，注浆材料宜优先选用水玻璃类和木胺类浆液。

③ 细砂层、粉砂层、细小裂隙岩层及断层地段等弱渗透地层中，宜选用渗透性好、低毒及遇水膨胀的化学浆液，如水玻璃（主剂）-氯化钙、水玻璃（主剂）-水泥、水玻璃（主剂）-铝酸钠、聚氨酯类，或超细水泥浆等。

受沥青、油脂、石油化合物等浸透的土以及地下水pH值大于9的土不宜采用硅化法加固。

④ 对于不透水的黏土层，则宜选用水玻璃或聚氨酯类化学浆液采用高压劈裂注浆。

（2）注浆材料的配比。

注浆材料的配比应根据地层情况和胶凝时间要求，并经过试验而定：

① 采用水泥浆液时，水灰比可采用0.5∶1～2∶1，需缩短凝结时间时，可加入氯盐、三乙醇胺速凝剂。

② 采用水泥-水玻璃浆液时，水泥浆的水灰比可用0.5∶1～1.5∶1；水玻璃浓度为25～40 °Bé，水泥浆与水玻璃的体积比宜为1∶1～1∶0.3。

5．注浆

（1）注浆设备应性能良好，工作压力应满足注浆压力要求，并应进行现场试验运转。

（2）小导管注浆的孔口最高压力应严格控制在允许范围内，以防压裂开挖面，注浆压力一般为0.5～1.0 MPa，止浆塞应能经受注浆压力。注浆压力与地层条件及注浆范围要求有关，一般要求单管注浆能扩散到管周0.5～1.0 m的半径范围内。单孔注浆浆液扩散半径R=(0.6～0.7)b，其中b为导管中至中间距（m）。

（3）要控制注浆量，即每根导管内已达到规定注入量时就可结束；若孔口压力已达到规定压力值，但注入量仍不足时，亦应停止注浆。单根导管注浆量计算式为

式中　n——围岩的孔隙率（%）；

L——导管长度（m）。

（4）注浆结束后，应做一定数量的钻孔检查或用声波探测仪检查注浆效果，如未达到要求，应进行补注浆。

（5）注浆后应视浆液种类，等待4（水泥-水玻璃浆）～8 h（水泥浆）方可开挖。开挖长度不宜太长，以保留一定长度的止浆墙（亦即超前注浆的最短超前量）。