摘要：基于内蒙古青春塔煤矿铁路专用线工程沙咀子隧道为背景，针对黄土隧道存在遇水塌陷危害的问题，本文提出了一种基于大管棚加超前小导管注浆加固技术，对其支撑效应、加固机理、设计参数、工艺步骤进行了分析，并对施工流程的可行性及控制要点进行了验证。该技术成功应用于实际工程，取得了良好的技术、经济和社会效益，可为今后类似工程施工提供重要参考。
关键词：隧道；湿陷性黄土；干钻；超前小导管；注浆
1 引言
沙咀子隧道位于鄂尔多斯黄土高原东部，隧道所经地区主要为湿陷性黄土，围岩稳定性差，施工安全风险高。通过改善隧道支护注浆施工工艺，积累了黄土隧道围岩加固的施工经验。
2 工程概况
内蒙古青春塔煤矿铁路专用线沙咀子隧道，全长550m。隧道所经地区主要为湿陷性黄土，拱顶以上最大埋深为43m。隧道围岩主要为Ⅴ、Ⅵ级围岩，围岩稳定性差，施工安全风险高。隧道均采用曲墙带仰拱复合式衬砌，初期支护采用喷锚支护，二次衬砌采用钢筋混凝土。隧道进出口各设一环Φ89大管棚进行超前支护，大管棚一环30根，进口大管棚每根长35m，出口大管棚每根长40m。全隧支护加固方式主要为超前小导管与系统锚杆。超前小导管环向间距为30cm，纵向间距Ⅵ级围岩及Ⅴa级围岩为3.0米，Ⅴb级围岩为3.2米，系统锚杆梅花型布置，Ⅴa级围岩及Ⅴb级围岩锚杆长度为3.0米，Ⅵ级围岩锚杆长度为3.5米。
3 大管棚施工
3.1 施工工艺
测量定位后用混凝土浇注导向墙并在按设计位置和角度预埋导向管。混凝土达一定强度后，在洞口搭设脚手架，钻机就位对中后固定，然后开始钻孔，钻孔过程中由专人测定钻孔精度。钻孔采用干钻。利用管棚钻机作为钻孔机械。钻机就位后，由测量工按设计图准确画出钻孔位置。施钻深孔时，钻机大臂顶紧在掌子面上，当第一节钻杆钻入，尾部剩余20～30cm时停止钻进，接长第二根钻杆，用联接套把两根钻杆连接牢固，又重新钻孔，直至钻孔达到要求深度（比管棚长0.5m以上）后，按同样方法拆卸钻杆，钻机退回原位。钻孔时要确保孔径比管棚外径大15～20mm。根据设计向钢花管内采用压注水泥砂浆进行围岩加固。
3.2 保证施工工艺的技术措施
1）施工前根据设计洞门的里程和标高刷好洞门仰坡，边仰坡根据地质用锚杆框架梁、骨架护坡和M10浆砌片石铺砌等加固，保证其稳定。
2）设置两榀临时钢支撑工字梁拱架，焊好纵向连接，并注意预留保护层。
3）在两榀钢拱架上，按管棚设计位置（间距和水平标高、仰角），准确的焊上套管，套管外端焊一个法兰盘，用来平衡钻孔和压浆的后座力，里面一端用胶纸封口，以防砂浆流入。导管的导向直接影响管棚的质量，必须严格按设计安装、焊牢。
4）导管全部焊好后即可灌注套拱混凝土，边墙部分不影响管棚施工，可以在洞身开挖后一并施作。
5）钻孔进尺应随时检查孔眼的方向与仰角，以免超过误差限度。
6）压浆时注意将压浆管伸入孔底，保证压浆饱满。
4 超前小导管施工
4.1 超前小导管梁支撑效应及加固机理
小导管的梁支撑效应：用作小导管的无缝钢管，前端以一定的角度插入开挖断面外部围岩，后端支撑在钢拱架上，并与钢拱架焊接在一起。根据导管的长度一般开挖作业几个循环后进行下一次的导管施工，导管总有部分露出悬空的长度，因此导管钢管可以看作是一端为铰接，一端为滚轴支座的简支梁，对到开挖后可有效承受卸荷长城的部分松动压力，使二次应力场的重分布，向着有利于围岩稳定的方向发展。
小导管的注浆加固效应：无缝钢管上钻取注浆孔，通过导管向周边围岩注浆，在压力作用下化学浆液渗透到黄土间的空隙中，挤出其中的空气和水分并胶结凝固，使隧道开挖轮廓线以外一定范围的松散图层形成整体，提高施工周围地层的整体稳定性，减小了隧道周边塑性区的范围。小导管注浆进行超前预加固，理论上以注浆管为中心形成一个稳定的圆形加固体。
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4.2 施工设计参数
小导管采用Φ42无缝热轧钢管（壁厚3.5mm）制作，管长4.5m，每3m一环，环向间距0.4m，每3m一环布置。小导管以纵向沿隧道轮廓线外一定范围向前上方倾斜，小外插角а为1°～3°。超前小导管支护参数包括纵向间距及环向间距等参数可根据围岩状况的监控量测结果和施工水平进行调整，但总体原则纵向搭接长度不应小于1.0m；注浆压力取决于土层的疏密程度，一般围岩为0.5～1.0 MPa；在较为密实的土层注浆压力可以调整3～4.0Mpa，水灰比为1：0.8～1：1，在浆液中掺入2%的早强剂可有效的加强支护效果，。
4.3 施工工艺
工艺流程：施工准备→小导管制作→布孔→钻孔→清孔→钻孔检验→导入小导管→配置浆液→注浆→检验验收→隧道开挖。
施工工艺：
1）超前小导管加工：导管加工在现场专业车间进行，小导管为直径为42mm，壁厚为3.5mm无缝钢管，小导管长度为4.5米，其前端为尖锥形，尾端焊接直径为8mm的钢筋加劲箍，于管壁每隔10-20cm处做直径为6-8mm的梅花形钻眼作为注浆孔，尾端留至少30cm不钻孔作为至浆段。小导管加工完毕后，经质检人员检验合格方可交付使用。
2）小导管钻孔：移动多功能作业台架久违，采用潜孔钻及进行干钻成孔，钻孔前调整钻杆角度控制小导管外插角，小导管钻外插角允许误差为2°，空间距误差为±50mm，钻孔深度大于小导管长度。钻孔完毕后采用高压风进行清孔。
3）小导管的安设：钢管由专用顶头顶进，顶进钻孔长度≮90%管长，小导管外露30cm，以便连接孔口阀门和管路。钢管尾端除焊上挡圈外，再用胶泥麻筋缠箍成楔形，以便钢管顶进孔内后其外壁与岩壁间隙堵塞严密。钢管尾端外露足够长度，并与钢支撑焊接在一起。钢管顶进时，注意保护管口不受损变形，以便与注浆管路连接。注浆前导管孔口先检查是否达到密封标准，以防漏浆。
4）喷射混凝土封闭掌子面：小导管安设后对开挖工作面进行喷射混凝土封闭，喷射混凝土厚度10-15cm，封闭掌子面时对小导管外露部分用胶带防护，防止喷射混凝土施工时将小导管注浆口封堵。
5）小导管注浆：注浆前认真做好机具设备的检修工作，并用清水进行试运转。对注浆管路系统包括接头、阀门等进行认真检查，如有破损予以更换，防止注浆时在较高压力下发生脱扣。
浆液采用拌合桶配置，水泥砂浆水灰比为1：0.8～1：1，选用普通水泥，并加入2%的早强剂。
注浆采用4.0MPa以上的高压注浆泵，注浆顺序为由下而上，浆液先稀后浓、注浆量先大后小，注浆压力由小到大。在注浆时发生串浆时，应采用分浆器多孔注浆。当注浆压力突然升高时应停机查明原因。当水泥浆进浆量很大且压力不变时，应调整浆液浓度及配合比。
当压力达到设计注浆量终压并稳定10-15min，注浆量达到设计注浆量的80%以上时，可结束该孔注浆。
5 结论
在本隧道的施工过程中充分考虑了黄土隧道遇水塌陷的危害，通过采用干钻成孔和在水泥浆中加入2%的早强剂的技术，有效的控制了实现性黄土遇水塌陷现象。通过应用上述技术，优质、高效、快速、安全的完成了本项目实现性黄土隧道的施工任务。施工过程中无塌方事故发生，取得了良好的社会效益和经济效益。
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论文作者:陈海
论文发表刊物:《基层建设》2019年第9期
论文发表时间:2019/6/18
标签：导管论文; 围岩论文; 隧道论文; 注浆论文; 钻孔论文; 超前论文; 黄土论文; 《基层建设》2019年第9期论文;