超前小导管注浆支护在地铁车站中应用_新闻_

隧道注浆小导管成型机超前支护冲孔

[摘要]为控制围岩裂隙水、提高围岩完整性，本文以青岛地铁3号线某地铁车站超前小导管注浆施工为背景，分析了超前小导管注浆作用机理，通过理论分析与现场实践，确定了超前小导管注浆参数，取得了显著经济技术效果。

[关键词]超前小导管注浆支护地铁车站

中图分类号：T8.3 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）23-0359-01

超前小导管注浆支护是沿掌子面外轮廓线，以一定角度（5°～15°）打入管壁带孔小导管（管径为30mm～50mm，长度小于6m），并以一定压力向管内压注水泥或化学浆液的方法[1-2]。超前小导管注浆进入围岩中的浆液，将小导管、小导管注浆加密区和围岩粘结紧密，使之形成一个共同变形体，提高围岩力学性能和防水性能，进而提高隧道稳定性，进一步控制隧道开挖引起的地表变形。该法作为一种超前预支护技术，在隧道穿越浅埋软弱破碎地层等不良地段的施工过程中发挥了重要作用[3]。本文以青岛地铁3号线某地铁车站北站厅的超前小导管注浆施工为背景，对小导管参数、注浆参数等技术参数作了详细介绍。

1、作用机理

小导管超前支护的作用主要体现为两方面，即利用自身刚度分散和传递荷载的“棚架”作用和加固土体。其作用机理分析如下[4-5]：（1）小导管在超前支护中主要起到荷载传递的作用。超前小导管的存在，改变了掌子面和衬砌的荷载和应力的分布，将隧道开挖释放的荷载向前传递给掌子面前方的围岩，向后传递给初支，使得掌子面所承受的荷载减少，而衬砌所承受的荷载增加;（2）超前小导管的存在，不仅使掌子面上承受的开挖释放荷载减小，竖向位移减小，而且在纵向对掌子面起到了一定的约束作用，使掌子面纵向位移减小，稳定性增强，防止塌方事故的发生，有利于隧道的安全施工。小导管注浆的目的是改良土和风化岩体的现有性质，从根本上改变岩土的物理化学性，在注浆范围内产生一定强度的胶结体。其优点主要有：比超前锚杆支护能力强大;比管棚灵活经济，简单易行，无须大型机械;比水平旋喷注浆法易控制，对地层扰动较小;没有冻结法的冻胀和融沉现象。

2、工程背景

地铁车站服务年限通常不低于100年，对支护和防水的要求极高，因此，要求围岩完整性较好。青岛地铁3号线某车站北站厅拱顶围岩为中风化花岗岩，距离强风化花岗岩带约3m，围岩整体性较差，裂隙较发育，且含有裂隙水，围岩等级Ⅳ级;中部为中风化花岗岩，围岩等级Ⅲ级。因此，必须对拱顶部分围岩裂隙进行充填加固，以期充填拱顶围岩裂隙，提高围岩完整性，控制裂隙水，减少地表沉降。工程施工中，大量采用超前小管道注浆施工工艺，取得了显著经济技术效果。本文以北站厅进洞处超前小导管施工为例介绍主要工艺。

3、小导管参数研究

3.1 小导管直径

小导管的直径受断面形状及尺寸、地下水、隧道地质条件、地形和注浆浆液等决定。现有施工经验表明，一般情况下小导管是由钢管制成，直径在32mm-60mm 范围。若直径大于60mm，则缺乏灵活简易，不利于其钻孔和打入，同时费用提高幅度大;若直径小于32mm，则无法起支撑梁作用，同时浆液通道变小，注浆压力变大，不利于注浆。考虑到本工程拱顶围岩等级基本为Ⅳ级，本工程选用直径32mm的钢管为小导管，壁厚3.25mm。

3.2 小导管长度

小导管的长度与隧道掌子面土体的坍落高度和坍落角度有关。小导管长度可按下式计算：

（1）

式中：为小导管长度，m;为围岩的坍落高度，m;为围岩的坍落角度

值主要提现掌子面的稳定性，值越小说明隧道自稳能力越弱。当值确定时，越大隧道坍塌可能性越大，一般情况下掌子面土体坍落角度。由上式计算，小导管的长度一般取3m-6m，隧道围岩稳定性较差时取大值，反之取小值。经计算，=2.0m，考虑安全富余系数及爆破循环进尺，本工程取值为3.5m。

3.3 小导管上注浆孔间距及直径

同大管棚注浆孔布置类似，本工程注浆孔的直径为l0mm，孔间距150mm，呈梅花形布置，钢管尾部不钻孔的止浆段100cm，端头预留Φ8加劲箍。

3.4 小导管外插角

小导管注浆半径决定的其注浆加固厚度。小导管的注浆半径则是根据理论计算和现场试验确定，小导管外插角度则是由注浆半径和小导管长度确定。根据公式（2）可知：

（2）

式中：为小导管外插角;为注浆半径，m;为小导管长度m

一般工程中小导管的注浆半径为0.3m-1.0m，小导管长度为3m-6m，则由上式计算外插角一般在5°～10°。本工程中小导管长度3.5m，注浆半径0.5～ 1.0m，故小导管外插角为8°～16°，为方便现场施工，外插角设置为10°～15°。

3.5 小导管间距

工程条件决定小导管的径向间距。当隧道围岩稳定性差时，采用密排布置，一般间距取小导管直径2倍;当隧道围岩稳定性好时，小导管间距取0.3m（具体数值根据实际情况选取），纵向搭接长度不小于1m。考虑到本工程的围岩等级基本为Ⅳ级，故小导管径向间距设置为0.4m，个别区域围岩等级为Ⅴ级时，径向间距缩短为0.3m。

3.6 小导管环向布置范围

小导管的环向圆心角参考公式（3）选取：

（3）

式中：S为环向间距;d为注浆加固厚度;D为隧道直径。

现有研究表明，隧道收敛和地表沉降与加固范围并非线性关系，当小导管加固范围在达到一定值后，隧道收敛和地表沉降控制效果不在明显减小。因此，小导管注浆加固范围存在一个最优值，此值由小导管注浆加固效果和经济效益综合决定。通过工程经验及研究表明加固范围120°时为最佳加固范围。本工程以此为依据布置。

3.7 浆液参数

浆液参数主要包括浆液类型、注浆压力、单孔注浆量等。目前实际工程中水泥浆液和水玻璃浆液应用最为广泛。本工程选用水泥浆液注浆。注浆压力上限为不破坏隧道围岩、不引起地表变形、邻近构筑物受到影响，下限为达到注浆设计范围，且不影响施工速度。本工程注浆压力为0.5-1MP。单孔注浆量依据公式（4）选取：

（4）

式中：Q为单孔注浆量;R为注浆扩散半径（m）;L为小导管长度（m）;n为围岩孔隙率（%）;为浆液填充系数;注浆材料损耗系数，一般取0.1左右。

根据上式计算可知，Q=0.01～0.03m3。具体单孔注浆量结合工程实际调整。

4、结论

本文依据理论技术与现场试验，确定了超前小导管注浆参数。借助地质雷达扫描成像，对注浆范围内的围岩裂隙进行检测，结果表明，在拱顶形成密实的注浆区，基本无裂隙，基本满足该车站支护要求。