隧道富水砂层施工中改良超前支护技术的应用

摘 要：为消除富水砂层地质对高速公路隧道正常施工的不利影响，采用超前预支护技术对其进行改良。在施工过程中，对超前预注浆和大管棚支护的组合方式进行改良，同时施作泄水孔减小掌子面水压增加造成的突水突泥风险，达到了预期的施工目的，有效保证了隧道施工的正常进行。

关键词：超前支护技术；改良；组合方式；富水砂层

1 概述

某高速公路隧道工程，隧道全长786m。隧道洞身中部交替出现富水砂层，出水量最大约15.0m3/h，自DK203+752开始含水砂层逐渐发育延伸至隧道拱顶，掌子面出水量逐渐加大，超前地质预报结果在DK203+760～DK203+790段洞身下部为粉质粘土，拱顶下方约1.5m至拱顶上方3.9m范围内以细砂为主，局部夹杂圆砾石及少量粉质粘土，终孔后的地下水总量约30m3/h。针对上述地质状况，施工方在施工中采用改良的注浆止水加固、大管棚支护、施作泄水孔等“排堵结合”[1]的超前支护手段对隧道掌子面前面富水含砂地层进行预加固。

2 施工难点

根据某隧道设计图纸及前期施工及超前地质预报所揭示的工程地质、水文地质情况，富水含砂段超前支护施工的难点及风险：（1）隧道中部洞身地质为粉质粘土、砂岩，粉质粘土与富水砂层互层，不利于掌子面稳定。粉质粘土与砂岩接触带、粉质粘土与富水砂层接触带地段围岩自稳性极差，极易造成开挖工作发生涌砂、涌水、突泥等险情，而造成工作面失稳，给隧道开挖带来安全隐患。（2）地下水发育，地下水位位于拱顶上方，在粉质粘土与砂岩接触带、粉质粘土与富水砂层接触带均出现股状水，进出口日出水量约为35～60m3/h。预测涌水、涌砂量大，水对土体的稳定和地基承载力均产生不良影响，施工中如果措施不当则易造成拱脚部浸水变形而失稳，危及初支结构的稳定。（3）隧道通过段落地表村庄及耕地分部密集，隧道开挖导致地表水流失，危及隧顶上方村民生产、生活用水安全。

3 施工过程

根据类似工程实践经验结合现场地质情况，对隧道上断面涌水涌砂段采取前进式分段注浆和无工作室管棚注浆的组合方式进行改良，通过浆液在地层中挤压、劈裂有效降低地层含水率，并通过管棚进行超前支护，达到稳定地层，提高地层承载力作用，最后沿开挖轮廓线布置环向泄水孔，确保隧道开挖及结构安全，快速通过不良地质段。

3.1 超前预注浆止水加固施工

3.1.1 施作止浆墙

止浆墙施作在上断面（见图1），高4.0m，厚度1.5m，采用C25混凝土浇筑，浇筑前止浆墙周边采用2排环向间距1.5m，排距0.5m，长2m的Φ25mm砂浆锚杆与围岩相连，以保证止浆墙的稳定。止浆墙施作过程一定要保证质量，尤其是周边与开挖轮廓线的接触部，必须密实，防止漏浆。

3.1.2 注浆施工

上断面超前预注浆循环纵向长度20m，开挖15米，径向范围为开挖工作面及开挖轮廓线外4m（外圈终孔在开挖轮廓线外3.5m），纵向在10m处布设一个补孔断面以减少注浆盲区。注浆孔布置具体（见图2）。超前预注浆采取由外到内，由下到上间隔跳孔分二序孔施工。

（1）注浆参数。注浆范围纵向20m（不包括止浆墙）；径向开挖工作面及轮廓线外4m（终孔在开挖轮廓线外3.5m）；浆液扩散半径1.5m；终孔间距2.2m；注浆终压3～4MPa（试验过程根据地层情况调整）；注浆孔径φ90mm；注浆速度10～110L/min；注浆方前进式分段注浆（3～5m/段）；注浆孔数量49个；（2）注浆材料。根据地质情况及堵水加固要求，注浆材料以普通水泥-水玻璃双液浆为主，普通水泥单液浆和超细水泥浆为辅。浆液配比参数如下：使用普通水泥-水玻璃双液浆，水灰比为（0.8～1）：1，其体积比为1：1；使用普通水泥单液浆，其则水灰比为（0.8～1.0）：1；使用超细水泥单液浆，则需要注意其水灰比为（0.8～1.0）：1。配比需要注意若施工需要可以向液浆中适当加入外加剂，从而对液浆性能进行调整，改变浆液早期强度以及凝胶时间。（3）注浆施工。超前预注浆采用前进式分段注浆方式，施工流程如下（见图3）。

超前预注浆采用前进式分段注浆方式，施工流程如下：

标定孔位，确定钻进外插角为13°，而后采用Φ130mm钻头低速钻进至2.0m，安设孔口管；孔口管采用Φ108mm，δ=5mm无缝钢管加工，管长1.5m，孔口管外壁缠绕50～80cm长的麻丝成纺锤型，采用钻机冲击到设计深度，并用锚固剂锚固，以保证孔口管安设牢固、不漏浆；钻孔注浆施工过程，每次钻深3～5m后，退钻进行注浆施工，注浆达到设计结束标准后，再钻进3～5m，并进行注浆，如此循环直到钻注到设计深度。为保证开挖工作面底部注浆效果，采用下入Φ32mmPVC进行孔底注浆。

3.1.3 如何判定注浆结束

（1）单孔注浆完成标准。单孔注浆多结合定量标准以及定压标准判定注浆结束。定压标准，即注浆终压力确定在3.0～4.0MPa，且维持10min，则表示单孔注浆完成。而注浆终压力主要依照地层可注性以及地层涌水压力予以确定。定量标准，即在试验阶段对地层吸浆量以及空隙率进行确定。试验初期，若地层空隙率为20%，那么对单孔注浆的设计注浆量应为1.35m3/m，若施工过程中实际注浆量超过设计注浆量，且压力无明显增加，那么可以通过对浆液进行调整，或间歇注浆，以此保证注浆压力，完成单孔注浆。（2）全段注浆完成标准。全段所有注浆孔结束注浆，无漏注，且均达到标准，符合设计要求。另外对全段进行抽查，按总浆孔的10%进行检查，全部满足设计标准，全段注浆完成达到标准。

3.1.4 检验注浆效果

（1）P-Q-t曲线法。通过对注浆施工中所记录的注浆压力P、注浆速度Q进行P-t，Q-t曲线绘制，根据地质特征、注浆设备性能、注浆参数等对P-Q-t曲线进行分析，从而对注浆效果进行评判。当注浆施工中P-t曲线呈上升趋势，Q-t曲线呈下降趋势，注浆结束时，注浆压力达到设计终压，注浆量达到设计注浆量80%，则满足效果检查要求。（2）检查孔法。选择可能出现的薄弱环节进行钻孔检查，检查孔数量按注浆孔总数的10%控制。检查孔不塌孔，不涌砂，检查孔出水量小于0.2L/min・m。

3.2 超前大管棚施工

注浆结束后，在开挖轮廓线外布置超前管棚支护，管棚支护纵向长与注浆段一致，长20m。大管棚支护施工采取无工作室管棚施工技术，沿开挖轮廓线向内50cm开孔，环向间距40cm，外插角6°（与水平面夹角），共布设24根。

大管棚采用外径Φ76mm，壁厚6mm热匝无缝钢管加工，每节长2～3m，沿管壁布设4排Φ6mm对称溢浆孔，梅花形布设，孔间距50cm，每根管棚末端一节不布设溢浆孔，前端加工成椎形尖端并封闭。管棚安设完成后进行全孔一次性管棚注浆，注浆参数同超前注浆。

施工流程：（1）依照设计进行测量放线，并标定开孔位置。（2）对钻孔角度进行确定，并调整钻机钻入角度。成孔后推进管棚。（3）为保证管棚接头相互错开，处于不同断面，管棚采用2、3m、4m节段进行连接，相邻管棚接口错开。（4）完成管棚的布设后，进行一次性注浆。（5）为避免管棚侵限，施工过程将管棚推进至开挖线外。（6）开挖过程中应采用超前小导管注浆对大管棚之间的薄弱部位进行补强。

3.3 泄水孔施工

为避免因注浆加固造成出水封闭，水压上升，给开挖带开风险，上断面超前预注浆和长管棚支护施工完成后，沿开挖轮廓线布置环向泄水孔，释能泄压。

（1）上断面沿着初支护纵向钻设泄水孔，共布设5个。（2）泄水孔采用125mm开孔，安设孔口管并固结牢固，通过孔口管钻设直径90mm的泄水孔。（3）泄水孔纵向长度25m，终孔在开挖轮廓线5m（加固体外）。

4 结束语

经过改良超前预注浆、大管棚支护这两种超前支护技术的组合方式，止水加固效果良好，使该隧道洞身部分的富水含砂地层得到有效改良，再加上施作泄水孔，有效减小掌子面水压增大产生的突水突泥风险，保障了隧道施工的正常进行，达到了超前支护施工的目的。

参考文献

[1]关宝树.隧道施工要点集[M].北京：人民交通出版社，2003：94-182.

[2]GBT_50448-2008.水泥基灌浆材料应用技术规范[S].

[3]DLT 5148-2001.水工建筑物水泥灌浆施工技术规范[S].