隧道超前小导管施工工艺工法

超前小导管施工工艺工法

QB/ZTYJGYGF-SD-0301-2011 第五工程有限公司 秦晓玲

1 前言

1.1 工艺工法概况

超前小导管施工是伴随新奥法施工发展起来的一种超前预支护的施工方法，是隧道及地下工程主要的超前支护手段之一。沿隧道开挖轮廓线外一定距离，以一定的外插角向开挖工作面前方打设直径38～50mm的带注浆孔的钢管，长度一般为3.5～5.0m，并进行注浆，填充和固结岩体及土石的空隙，形成一定厚度的固结体。 1.2 工艺原理

在隧道开挖前，将小导管沿开挖轮廓线打入掘进前方稳定的岩层内，末端支承在隧道

拱部的钢架上，并对小导管进行注浆，增加小导管的刚度和固结前方松散围岩，使其起到支护掘进进尺范围内拱部上方的围岩，有效地约束围岩在（爆破）开挖后的一定时间内不发生松驰坍塌。超前小导管的作用主要为：

1.2.1 改良工作面前方的围岩结构，在开挖面以外形成厚度为0.5～1.0m的加固圈。 1.2.2 超前小导管与钢架、固结的地层共同作用形成超前支护结构，从而保证开挖工作面的稳定，防止开挖工作面松弛、坍塌。 2 工艺工法特点

2.1超前小导管配合型钢钢架使用，可应用于隧道Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ级围岩拱部超前注浆预支护，小导管长度一般为3.5～5.0m，按照隧道的开挖进尺，隧道每开挖循环施工一次或两个开挖循环施工一次。

2.2超前小导管应沿隧道拱部轮廓线按照设计间距均匀布设，可以有效的改善开挖工作面前方的地质条件和自稳能力，但其整体稳定性没有管棚支护好，但施工机具设备简单，施工操作方便。

2.3小导管的外插角根据小导管的长度和钢架的间距调整，定位较准确，一次施工长

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度短，孔的角度偏差小，孔底外插值小，开挖后小导管起棚架作业，下部超挖部分较少，有利于隧道施工。

2.4根据隧道围岩变化情况，不用扩大隧道断面就可随时施工，采用人工风动凿岩机施工，不需要专用设备，钻孔和安装施做灵活方便。 3 适用范围

3.1超前小导管适用于自稳时间短的软弱破碎围岩、浅埋段、洞口偏压段、砂层段、砂卵石段、断层破碎带等地段的超前预支护，主要应用于隧道Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ级围岩拱部超前注浆预支护。一般和隧道钢架支护配合使用。 4主要引用标准

4.1《铁路隧道工程施工技术指南》（TZ204）、《铁路隧道施工规范》（TB10204）、《铁路隧道工程施工质量验收标准》（TB10417）、《高速铁路隧道工程施工质量验收标准》（TB10753）。

4.2相关设计图纸、合同文件。 5 施工方法

超前小导管施工时，人工采用风动凿岩机沿隧道开挖线在隧道拱部钻小导管孔，小导管孔的孔径、孔深、外插角必须符合设计要求。把加工好的小导管送入孔内，采用CS（水泥水玻璃）胶泥把小导管和岩石孔之间空隙封堵起来。在小导管端头连接孔口阀及管路，和注浆机相连，对小导管进行注浆。注浆材料采用水泥浆或水泥-水玻璃双液浆。注浆结束后把小导管和钢架焊接连接在一起，然后进行下道隧道施工工序。 6 工艺流程及操作要点 6.1 工艺流程

6.1.1 超前小导管施工工艺流程图见图1，小导管构造见图2。

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施工准备 测量定位 钻孔作业

小 导 管 制 备 清孔 不合格 原材料进场检验 浆液配比设计 注浆试验 浆液制备钻孔验收 合格 下管、封堵孔口连接、调试注浆管路 注浆作业 注浆效果分析 满足要求调整注浆参数 不能满足要求 管尾与钢架焊接 结束

图1 超前小导管施工工艺流程图

１００ｃｍ

图2 注浆小导管结构图

6.2 操作要点

6.2.1 超前小导管的操作要点 1 小导管的制作

1）小导管一般采用直径φ38～50mm的钢管制作。

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2）小导管前端做成尖锥形，尾部焊接φ8mm钢筋加劲箍，管壁上每隔20～30cm梅花型钻眼作为溢浆孔，眼孔直径为φ6～8mm，尾部长度100cm不钻孔。小导管构造见图2。

3）小导管长度一般为3.5～5.0m。 2 小导管的钻孔、安装

1）测量放样，在设计孔位上做好标记，用凿岩机钻孔，孔径较设计导管管径大10mm以上，孔深、外插角必须符合设计要求。

外插角：取值应考虑小导管的长度和钢架的间距、钢架的截面高度，一般外插角10°～15°，可根据实际情况调整。

2）超前小导管沿隧道拱部开挖线均匀布设，间距应根据开挖工作面前方的地质条件和自稳能力确定，一般间距为30～50cm。

3）成孔后，将小导管按设计要求插入孔中，或用凿岩机直接将小导管从型钢钢架上部、中部打入，小导管外露20cm，在注浆结束后和钢架焊接连接，支撑于开挖面后方的钢架上或与钢架共同组成预支护体系。

4）采用CS(水泥水玻璃)胶泥封堵小导管和岩石孔之间空隙。 5）安装注浆阀门和管路。

6）超前小导管施工其纵向搭接长度不小于1m。

7）当隧道围岩比较破碎时，为了有效的超前加固前方围岩，有时采用双层超前小导管的加固方式，内层小导管按照一般的小导管参数布设，外层小导管和内层小导管间隔交替布孔，一般外插角应大于内层小导管的外插角度，可以加大的围岩加固圈的范围，确保围岩稳定，设计有双层超前小导管的，严格按照设计施工。

3 注浆

1）注浆采用注浆泵压注水泥浆或水泥水玻璃双液浆。

2）小导管安装完成后，应进行压水试验，压力一般不大于1.0MPa，并根据设计和试验结果确定注浆参数。注浆压力：一般为0.5～1.0MPa。浆液浓度按照设计配制。浆液必须充满钢管及其周围的空隙。

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3）注浆材料按表1参照选用。

表1 常用注浆材料的选择

浆液名称 单液水泥浆 水泥水玻璃 水玻璃类 细砂砂浆 胶凝时间 抗压强度MPa 10-25 扩散半径mm 200-300 主要成分 水泥、其它附加剂 水泥、水玻璃 水玻璃、其它附加剂 适用范围 围岩裂隙、工作面注浆、壁后充填注浆 围岩裂隙、工作面注浆、壁后充填注浆、堵特大涌水 细砂、砂粘土、冲积层注浆、 6-15h 十几秒-几十分 几秒-几十分 6-15h 5-20 200-300 ＜3 300-400 10-25 水泥、细砂 壁后充填注浆、空洞充填注浆 4）水泥浆液采用拌和桶配制，配制水泥浆液或稀释水玻璃浆液时，应防止杂物混入，配制好的浆液必须过滤后使用。

5）注浆采用专用注浆泵注浆。

6）配制好的浆液应在规定时间内注完，随配随用。

7）注浆顺序为由下至上，浆液先稀后浓、注浆量先大后小，注浆压力由小到大。 8）当发生串孔时，应采用分浆器多孔注浆或堵塞串浆孔隔孔注浆。当注浆压力突然升高时应停机查明原因；当水泥浆进浆压力很大、压力不变时，则应调整浆液浓度及配合比，缩短凝胶时间，采用小流量低压力注浆或间歇式注浆。

9）注浆结束标准：当压力达到设计注浆终压并稳定10-15min，注浆量达到设计注浆量80%以上时，可结束该孔注浆。

10）当采用单液水泥浆注浆时，开挖时间为注浆后8h，采用水泥-水玻璃双液浆时为4h。

6.2.3 超前小导管的验收标准

1 超前小导管所采用的钢材的品种、级别、规格和数量必须符合设计要求，超前超前小导管与支撑结构的连接应符合设计要求，超前超前小导管的纵向搭接长度应符合设计要求。

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2 超前小导管施工允许偏差和检验方法如下表：

表2 超前小导管施工允许偏差（mm）和检验方法

项目 小导管 外插角 2° 孔间距 +50、-50 孔深 +50、0 检验数量 每环抽查3根 检验方法 仪器测量、尺量 3 超前小导管注浆浆液强度和配合比应符合设计要求，且浆液必须充满钢管及周围的空隙。 7 劳动力组织

小导管注浆施工为三道工序，一般在一个班次可以完成。

表3 注浆作业劳动组织表（以单线隧道为例）

序号 1 小导管加工 电工 测工 2 小导管安设 开挖工 电焊工 水泥搅拌 普工 3 小导管注浆 试验工 技工 技术员 1 2 1 机械修理工 1 3 5 2 1 2 1 工作项目 气焊工 作业内容 人数 1 8 主要机具设备

表4 主要机械、设备、仪器配置表（以单线隧道为例）

规格型号 序号 1 2 3 4

设备名称 （参考） 气焊枪 电焊机 风动凿岩机 注浆泵 YT28 KBY-50/70 数量 1支 加工小导管 用 途 2台 焊接阀门和连接管路、小导管和钢架焊接 3台 钻孔 1台 注浆用 6

规格型号 序号 5 6 7 8 设备名称 （参考） 水泥浆搅拌机 全站仪 水准仪 波美比重计 1台 配制水泥浆 1台 小导管定位 1台 小导管定位 10支 配制水玻璃浆液 数量 用 途 9 质量控制

9.1易出现的质量问题

9.1.1钻孔角度不准，小导管施做出现偏差，不能形成拱形棚架。 9.1.2钻孔坍孔掉碴，小导管送不到位。 9.1.3孔口出现漏浆。 9.1.4注浆出现穿孔。

9.1.5注浆效果不好，小导管之间的岩体没有固结好。 9.2 保证措施

9.2.1严格按照布设的孔位打孔，在钻孔过程中，采用经纬仪、角度尺、测斜尺随时检查孔位和钻孔角度，出现偏差及时修正。为了准确定位，也可以按照设计的小导管（超前锚杆）间距和角度的孔位加工定型模具，施工前先安装好模具，通过模具预留空控制小导管（超前锚杆）的间距和方向、外插角。

9.2.2采用吹管法洗孔，对掉碴、坍孔严重的，采用风钻二次清空。利用风钻的冲击力推动送小导管（超前锚杆）到底。对于坍孔严重不能成孔的，也可以采用自进式锚杆代替超前小导管。

9.2.3 孔口封堵不严，采用CS胶泥重新封堵。

9.2.4 当发生串孔时，应采用分浆器多孔注浆或堵塞串浆孔隔孔注浆。 9.2.5 每个孔注浆应达到注浆结束标准。即当压力达到设计注浆终压并稳定10-15min，注浆量达到设计注浆量80%以上时，可结束该孔注浆。 10 安全措施

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10.1 主要安全风险分析

10.1.1水泥浆液和水玻璃对人皮肤都具有腐蚀作用，防止浆液射出伤及眼睛。 10.1.2注浆泵工作时，注浆管路及卡口、连接口容易在高压状态下爆开，伤及操作人员。

10.1.3围岩较差地段，围岩支护及掌子面围岩易在高压注浆下变形、爆裂，伤及工作人员。 10.2 保证措施

10.2.1 严格执行安全交底制度和安全学习制度，提高施工人员安全意识。 10.2.2 注浆人员必须佩带防护眼罩，防止水泥浆射出伤及眼睛，浆液接触人员要带胶皮手套，防止浆液腐蚀双手。

10.2.3 注浆机操作严格按照操作规程操作，严禁违反操作规程。管路连接要牢固，注浆施工时，其他施工人员禁止靠近作业面。

10.2.4 施工期间，尤其在注浆时，应对支护的工作状态及掌子面的状态进行检查。当发现支护变形或损坏时，应立即停止注浆，采取措施。 11 环保措施

11.1工序完后要作到工完料清。

11.2 隧道注浆作业面在隧道地较低处挖一集水坑，汇集废浆液和废水，沉淀后，废水流到洞外三级沉淀池。集水坑严禁设在隧道边墙及墙脚部位，防止废水浸泡边墙或墙脚。

11.3 沉淀的水泥-水玻璃不得随意堆放，应运到指定地点深埋。 11.4加强掌子面的通风，稀释电焊产生的有毒有害气体。 12 应用实例 12.1 工程简介

图山寺隧道位于兰渝铁路南充东至高兴单线上，隧道全长3216m，为高瓦斯单线隧道，南充东至高兴单线设计160km/h。隧道岩性主要为以泥岩为主，间夹薄层砂岩，局部地段含少量的石膏，颜色为紫红、暗紫红色夹灰绿色条带、斑点。泥岩为泥质结构、泥-钙质

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胶结，厚层-块状构造，节理不发育，表层岩体抗风化能力较差，易风化剥落，遇水易软化。砂岩为灰-褐灰色，中-细粒结构，硅-钙质胶结，薄层状，节理较发育。隧道通过区地质构造简单，岩层产状稳定，岩层近水平状，岩层倾角2-7°。隧道Ⅴ级加强段采用全环格栅钢架及拱部φ42超前小导管加强支护，钢架间距0.8m，超前小导管2.4m一环，环向间距0.4m。隧道Ⅴ级围岩段设置拱墙格栅钢架及拱部φ22超前锚杆加强支护，钢架间距1.0m，超前锚杆2.0m一环，环向间距0.4m。Ⅲ、Ⅳ级围岩局部破碎地段设置拱部三肢格栅钢架及拱部φ22超前锚杆加强支护，钢架间距1.2m，超前锚杆2.4m一环，环向间距0.4m。 12.2 施工情况

该隧道超前小导管和(拱部)超前锚杆于2009年10月30日开始施工，施工的主要工序有移动平台、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，达到设计要求，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，确保了施工安全。 12.3 工程结果评价

12.3.1 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，可固结围岩，提高围岩类别，预防坍方的发生、进行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。

12.3.2 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。

12.3.3 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，保证开挖时安全即可。 12.4 建设效果及施工图片

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图3 拱架背后的小导管 图4 小导管施工后的效果图

图5 小导管施工后的效果图

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