论文部分内容阅读
摘要：隧道属于典型的地下地质工程，地质条件存在不确定性。因此要采取合理有效的支护措施来保证隧道在开挖后的稳定，这是预防隧道塌方的有效途径。本文归纳了隧道塌方产生的原因，介绍了几种常用的隧道超前支护方法，并重点对超前小导管的施工工艺进行了说明。希望为隧道施工工作者提供借鉴。
关键词：隧道；超前支护；塌方；管棚支护
Abstract: the tunnel belongs to the typical underground geological engineering, geological conditions exist uncertainty. Therefore to take reasonable and effective support measures to ensure the stability of tunnel excavation in after, this is the effective way of prevention of tunnel collapse. This paper summarizes the cause of tunnel collapse, introduces several common tunnel forepole method, and focus on advanced small duct construction process were explained. Hope to provide reference for tunnel construction workers.
Keywords: tunnel; Forepole; Landslides, Pipe shed supporting
中图分类号： U455 文献标识码：A 文章编号：2095-2104（2012）
一、隧道塌方产生的原因及其防治
（一）隧道塌方产生的原因
1、特殊地质因素
由于地质条件的复杂多变，地下工程难免会通过褶皱构造、断层、节理裂隙发育地带，或由于围岩本身不稳定和已切割成碎块而强度低，结构松散，节理面有泥质物及岩屑充填，并且支护的不及时而暴露时间过长，导致围岩风化严重，或因通过断层，突然遇到较高水压富水洞段，地下水向洞室内漏出，淘空了断层构造带中破碎岩体和充填物时，以及由于岩层产状不利或因岩爆等诸多地质原因而产生不同程度的塌方。
设计因素
隧道在设计时，由于业主担心勘察费用过高或勘察设备方法的简陋，对隧道所在区的地质情况了解不清，地质资料不详细，对可能遭遇断层、富水、岩爆、瓦斯情况估计不足，对可能遭遇塌方以及产生塌方后的处理缺乏思想准备和相应的技术措施，以及工期安排不合理，盲目追求进度，对不稳定围岩没有进行有效合理的支护；另可能为减少工程投入，安全支护参数过小，未能取到支护稳定围岩的作用，而最终导致较大塌方的发生。
施工因素
在施工过程中由于施工人员对地下工程所通过的地质情况不了解，忽视围岩细微变形，对围岩自稳能力作过高的估计，造成思想上的麻痹大意。抱着盲目乐观和侥幸心理，对不良地质洞段没有采取合理的开挖方法。支护不及时，在开挖时，爆破对围岩的扰动过大，开挖后围岩暴露时间过长，风化程度加剧，或由于设计不当，中途进行二次扩挖和更换支撑，造成应力再次重分布，使得原来不应塌方洞段，因岩体的失稳而产生较大塌方。
（二）隧道塌方的防治措施
1、进行精准的地质勘查是前提
隧道是典型的地质工程，大量的理论研究和实践表明，地质条件是制约地下工程安全、质量、工程投资的关键因素，塌方的产生与地质条件的好坏有着密不可分的关系，不良的地质条件，如断层、涌水、岩爆等都会直接导致塌方，地质勘察的科学性、准确性对预防隧道的塌方起着至关重要的作用。在国内许多工程中，特别是埋深大的特大隧道，由于业主担心勘察费用过高，或因勘察设备、方法简陋，地质勘察都相当粗糙，不能提供较为详尽的地质资料，给隧道施工带来很大的盲目性，造成不同程度的塌方。因此在施工前，进行详尽合理的地质勘察是非常有必要的，首先使设计时能够采取最优的选线，在施工时能引起施工单位的重视，对通过不良地质洞段，有很好的思想、技术方案和物资准备，从而选择合理开挖方法，及时采取有效的支护，预防塌方的产生。
合理的设计是保证
（1）合理进行隧道线型选择
在掌握隧洞区的宏观地质背景、构造特征、地质地貌特点和较为详细的其它地质资料花圃，分析隧道区的断层、富水带、高应力分布情况，合理进行隧道的线型设计，尽量避免通过大断层、富水和高应力集中地段，既为保证了施工时的安全，又能避免因地质条件不好，过多的支护造成工程投入的增加，能很好预防塌方的发生。
（2）准确设计支护参数
岩石在开挖成洞后，由于受力结构平衡体系的破坏和应力的重分布，应及时采取支护，在隧道的设计过程中都要进行支护参数设计，如何选定既安全有效又节省的支护参数，对隧道塌方的预防起着不可忽视的作用。由于地质围岩的分类只是一个定性的概念，不是定量的，同一类围岩，其结构产状不尽相同，其自稳能力就不一致，此时支护参数的设计尤为重要，支护参数过大，增加工程的投入，支护参数过小，相同类别围岩自稳能力较差可能因支护强度不够，或要求更换支撑造成地应力再一次重分布，而引起塌方。特别是在临时支护方面，为减少工程投入，支护参数一般都较小，达不到国家标准要求。
（三）选择有效的支护方法是关键
随着隧道施工技术的全面发展，大断面隧道开挖已成为目前隧道开挖的主要方式，但隧道水文、地质特征千变万化，很大程度上决定着对到开挖方式和支護方式。因此，针对不同的地质条件，结合造价、工期、施工水平、设备情况，选择合理的施工方法，这是预防隧道塌方的关键。常用的隧道超前支护方法有：超前小导管注浆法、超前锚杆和超前管棚支护法。
其中超前小导管注浆法以其独特的优势成为经济又简便的隧道超前支护方法，下文将详细介绍，此处不再赘述。
二、隧道施工超前小导管注浆工法介绍
（一）几种支护方法的比较
超前支护一般有以下几种形式：超前大管棚、超前预注浆、超前锚杆和超前小导管。超前大管棚适用于岩体很破碎，开挖尺寸较大的洞室以及对沉降控制要求较高的地下工程及隧道施工；超前预注浆主要主要用于大面积特别松散岩体及地下水丰富的岩体；超前锚杆适用于岩体破碎程度较小，不需要采用注浆就可以进行施工的围岩；超前小导管特别适用于岩体较破碎的超前支护和处理塌方施工中的应用。
采用大管棚支护技术必须有专用钻机，施工空间要求高，一次花费较大；采用预注浆方法，涉及的施工范围大，施工程序繁杂，并且可靠性难以确定；而采用小导管比采用超前大管棚和注浆施工工艺相对简单地多，支护技术在很小的空间内利用简单的手持风钻即可进行钻眼和布管工作，遇到地层变化时可随时调整施工方案，经济效益显著。
（二）小导管注浆法施工流程
小导管注浆法施工流程如图所示。
1、测量放样
准确的将设计的小导管位置布置在施工断面上，作好标记。并设置必要的控制点，以便在钻孔时用来控制小导管的外插角度和方向。
2、浆液制作
（1）浆液配比
配置水泥浆液就是选择合适的水灰比。注入水泥浆时，水灰比不能太大，否则，对保证加固强度、抗渗系数和耐久性不利。但也不能大小，只要能够满足浆液达到注入范围即可。通常水灰比可选择在1－2.5的范围内，当基岩裂缝较小(小于0.76mm)时，可使水灰比增大到3；当裂缝在1.25－2.5mm时，可把水灰比选择为1，甚至更小。在现场施工中，根据围岩的实际情况，依据经验把水灰比选择在1-3的范围内，可以分成2－3个等级，浆液由稀到浓逐级变换。为了减小凝固时间，可以掺入早强剂或采用早强水泥。
（2）浆液搅拌
浆液采用砂浆拌合机拌合。拌合浆液时，浆液的搅拌时间与浆液粘度，结石强度有较大关系。搅拌时间增长，粘度略有增加；而结石强度却因搅拌时间的增长而迅速下降。搅拌3h比搅拌1h的浆体结石强度下降30%，搅拌4h比搅拌1h的浆体结石强度下降50%。这是搅拌时间过长对水泥水化形成的凝胶结晶结构产生破坏的原因，所以注浆过程中必须严格控制水泥浆液的搅拌时间。通常在60min左右。
注浆
注浆前，先喷射混凝土封闭掌子面，如果止浆墙厚度较大时，采用模筑混凝土。一般情况下，导管打设完毕后进行注浆施工，注浆顺序由下到上，浆液用拌合机拌合，专用储浆桶储存浆液。
（1）小导管注浆采用注浆泵提供压力，浆液在注浆泵压力作用下以小导管上的小孔为通道直接将浆液压入岩体中，所以在注浆施工中起决定性的因素有注浆压力、注入速度、注浆量、岩体的性质。除岩体性质不能改变外，其它因素是可控因素。在注浆过程中，一定要把握注浆过程中的注入压力和注入速度，保证注入量。
（2）在注浆过程中，经常发生浆液从其它孔流出的现象，即串浆。发生串浆时，在有多台注浆机的条件下，应同时注浆，在单泵条件下应将注浆孔及时堵塞，轮到该管注浆时，再拔下堵塞物，用铁丝或细钢筋将管内杂物清除并用高压风或高压水冲洗(拔塞后外流浆的注浆管不必进行此工序)，然后再注浆。
（3）水泥浆单液或水泥水玻璃双液注浆进浆量很大，压力长时间不升高，则应调整浆液浓度和配比，缩短凝胶时间，进行小泵量低压力注浆或间歇式注浆，使浆液在裂隙中有相对停留时间，以便凝胶，但停留时间不能超过混合浆的凝胶时间。
（4）注浆效果检查在小导管搭接范围内进行，主要检查注浆量偏少或有怀疑的注浆孔，认真填写检查一记录。渗入性注浆通过钻孔检查注浆厚度，小于30cm时，应补管注浆：劈裂、压密注浆，采用小撬棍或小锤轻轻敲打钢管附近，判断固结情况，并配合风钻钻速测试，固结不良或厚度不够时补管注浆。
（三）质量控制要点
1、小导管在开挖轮廓线上按照设计位置及角度打入。渗入性注浆施工时，孔位误差不得大于5cm，角度误差不得大于20：劈裂压密注浆施工时，孔位误差不得大于lOcm，角度误差不得大于30。超过误差时，在偏大的空间补管、注浆。钢管实际打入长度不得短于平均实际打入长度30cm，否则，进行补打或开挖后补管注浆。
2、、一般结束标准是：注浆压力达到设计终压或注浆量达到设计值(一般单液注浆量为20-60L/min，雙液为50-100L/min)。稳定20分钟即可结束。
结语
综上，隧道塌方不是不可避免的，预防塌方的方法也有很多。要全面详尽了解隧道区的基本地质情况，对可能出现的塌方有充分的思想和相应的技术措施，在隧道开挖后采取合理的支护方法，便能在很大程度上预防塌方的发生。实践证明，超前小导管注浆法有足够的可靠性，支护能力强大，可以有效保证岩体稳定，减少地表下沉和防止围岩松弛、坍塌。
参考文献
[1]李付康.超前小导管注浆预支护施工工艺探讨[J].科技博览，2009.7
[2]郝建岗.隧道超前小导管注浆工艺及注浆量计算的探讨[J].山西交通科技，2004.12
[3]刘发,等.超前管棚在隧道工程中的应用[M].北京: 人民交通出版社, 2006.
关键词：隧道；超前支护；塌方；管棚支护
Abstract: the tunnel belongs to the typical underground geological engineering, geological conditions exist uncertainty. Therefore to take reasonable and effective support measures to ensure the stability of tunnel excavation in after, this is the effective way of prevention of tunnel collapse. This paper summarizes the cause of tunnel collapse, introduces several common tunnel forepole method, and focus on advanced small duct construction process were explained. Hope to provide reference for tunnel construction workers.
Keywords: tunnel; Forepole; Landslides, Pipe shed supporting
中图分类号： U455 文献标识码：A 文章编号：2095-2104（2012）
一、隧道塌方产生的原因及其防治
（一）隧道塌方产生的原因
1、特殊地质因素
由于地质条件的复杂多变，地下工程难免会通过褶皱构造、断层、节理裂隙发育地带，或由于围岩本身不稳定和已切割成碎块而强度低，结构松散，节理面有泥质物及岩屑充填，并且支护的不及时而暴露时间过长，导致围岩风化严重，或因通过断层，突然遇到较高水压富水洞段，地下水向洞室内漏出，淘空了断层构造带中破碎岩体和充填物时，以及由于岩层产状不利或因岩爆等诸多地质原因而产生不同程度的塌方。
设计因素
隧道在设计时，由于业主担心勘察费用过高或勘察设备方法的简陋，对隧道所在区的地质情况了解不清，地质资料不详细，对可能遭遇断层、富水、岩爆、瓦斯情况估计不足，对可能遭遇塌方以及产生塌方后的处理缺乏思想准备和相应的技术措施，以及工期安排不合理，盲目追求进度，对不稳定围岩没有进行有效合理的支护；另可能为减少工程投入，安全支护参数过小，未能取到支护稳定围岩的作用，而最终导致较大塌方的发生。
施工因素
在施工过程中由于施工人员对地下工程所通过的地质情况不了解，忽视围岩细微变形，对围岩自稳能力作过高的估计，造成思想上的麻痹大意。抱着盲目乐观和侥幸心理，对不良地质洞段没有采取合理的开挖方法。支护不及时，在开挖时，爆破对围岩的扰动过大，开挖后围岩暴露时间过长，风化程度加剧，或由于设计不当，中途进行二次扩挖和更换支撑，造成应力再次重分布，使得原来不应塌方洞段，因岩体的失稳而产生较大塌方。
（二）隧道塌方的防治措施
1、进行精准的地质勘查是前提
隧道是典型的地质工程，大量的理论研究和实践表明，地质条件是制约地下工程安全、质量、工程投资的关键因素，塌方的产生与地质条件的好坏有着密不可分的关系，不良的地质条件，如断层、涌水、岩爆等都会直接导致塌方，地质勘察的科学性、准确性对预防隧道的塌方起着至关重要的作用。在国内许多工程中，特别是埋深大的特大隧道，由于业主担心勘察费用过高，或因勘察设备、方法简陋，地质勘察都相当粗糙，不能提供较为详尽的地质资料，给隧道施工带来很大的盲目性，造成不同程度的塌方。因此在施工前，进行详尽合理的地质勘察是非常有必要的，首先使设计时能够采取最优的选线，在施工时能引起施工单位的重视，对通过不良地质洞段，有很好的思想、技术方案和物资准备，从而选择合理开挖方法，及时采取有效的支护，预防塌方的产生。
合理的设计是保证
（1）合理进行隧道线型选择
在掌握隧洞区的宏观地质背景、构造特征、地质地貌特点和较为详细的其它地质资料花圃，分析隧道区的断层、富水带、高应力分布情况，合理进行隧道的线型设计，尽量避免通过大断层、富水和高应力集中地段，既为保证了施工时的安全，又能避免因地质条件不好，过多的支护造成工程投入的增加，能很好预防塌方的发生。
（2）准确设计支护参数
岩石在开挖成洞后，由于受力结构平衡体系的破坏和应力的重分布，应及时采取支护，在隧道的设计过程中都要进行支护参数设计，如何选定既安全有效又节省的支护参数，对隧道塌方的预防起着不可忽视的作用。由于地质围岩的分类只是一个定性的概念，不是定量的，同一类围岩，其结构产状不尽相同，其自稳能力就不一致，此时支护参数的设计尤为重要，支护参数过大，增加工程的投入，支护参数过小，相同类别围岩自稳能力较差可能因支护强度不够，或要求更换支撑造成地应力再一次重分布，而引起塌方。特别是在临时支护方面，为减少工程投入，支护参数一般都较小，达不到国家标准要求。
（三）选择有效的支护方法是关键
随着隧道施工技术的全面发展，大断面隧道开挖已成为目前隧道开挖的主要方式，但隧道水文、地质特征千变万化，很大程度上决定着对到开挖方式和支護方式。因此，针对不同的地质条件，结合造价、工期、施工水平、设备情况，选择合理的施工方法，这是预防隧道塌方的关键。常用的隧道超前支护方法有：超前小导管注浆法、超前锚杆和超前管棚支护法。
其中超前小导管注浆法以其独特的优势成为经济又简便的隧道超前支护方法，下文将详细介绍，此处不再赘述。
二、隧道施工超前小导管注浆工法介绍
（一）几种支护方法的比较
超前支护一般有以下几种形式：超前大管棚、超前预注浆、超前锚杆和超前小导管。超前大管棚适用于岩体很破碎，开挖尺寸较大的洞室以及对沉降控制要求较高的地下工程及隧道施工；超前预注浆主要主要用于大面积特别松散岩体及地下水丰富的岩体；超前锚杆适用于岩体破碎程度较小，不需要采用注浆就可以进行施工的围岩；超前小导管特别适用于岩体较破碎的超前支护和处理塌方施工中的应用。
采用大管棚支护技术必须有专用钻机，施工空间要求高，一次花费较大；采用预注浆方法，涉及的施工范围大，施工程序繁杂，并且可靠性难以确定；而采用小导管比采用超前大管棚和注浆施工工艺相对简单地多，支护技术在很小的空间内利用简单的手持风钻即可进行钻眼和布管工作，遇到地层变化时可随时调整施工方案，经济效益显著。
（二）小导管注浆法施工流程
小导管注浆法施工流程如图所示。
1、测量放样
准确的将设计的小导管位置布置在施工断面上，作好标记。并设置必要的控制点，以便在钻孔时用来控制小导管的外插角度和方向。
2、浆液制作
（1）浆液配比
配置水泥浆液就是选择合适的水灰比。注入水泥浆时，水灰比不能太大，否则，对保证加固强度、抗渗系数和耐久性不利。但也不能大小，只要能够满足浆液达到注入范围即可。通常水灰比可选择在1－2.5的范围内，当基岩裂缝较小(小于0.76mm)时，可使水灰比增大到3；当裂缝在1.25－2.5mm时，可把水灰比选择为1，甚至更小。在现场施工中，根据围岩的实际情况，依据经验把水灰比选择在1-3的范围内，可以分成2－3个等级，浆液由稀到浓逐级变换。为了减小凝固时间，可以掺入早强剂或采用早强水泥。
（2）浆液搅拌
浆液采用砂浆拌合机拌合。拌合浆液时，浆液的搅拌时间与浆液粘度，结石强度有较大关系。搅拌时间增长，粘度略有增加；而结石强度却因搅拌时间的增长而迅速下降。搅拌3h比搅拌1h的浆体结石强度下降30%，搅拌4h比搅拌1h的浆体结石强度下降50%。这是搅拌时间过长对水泥水化形成的凝胶结晶结构产生破坏的原因，所以注浆过程中必须严格控制水泥浆液的搅拌时间。通常在60min左右。
注浆
注浆前，先喷射混凝土封闭掌子面，如果止浆墙厚度较大时，采用模筑混凝土。一般情况下，导管打设完毕后进行注浆施工，注浆顺序由下到上，浆液用拌合机拌合，专用储浆桶储存浆液。
（1）小导管注浆采用注浆泵提供压力，浆液在注浆泵压力作用下以小导管上的小孔为通道直接将浆液压入岩体中，所以在注浆施工中起决定性的因素有注浆压力、注入速度、注浆量、岩体的性质。除岩体性质不能改变外，其它因素是可控因素。在注浆过程中，一定要把握注浆过程中的注入压力和注入速度，保证注入量。
（2）在注浆过程中，经常发生浆液从其它孔流出的现象，即串浆。发生串浆时，在有多台注浆机的条件下，应同时注浆，在单泵条件下应将注浆孔及时堵塞，轮到该管注浆时，再拔下堵塞物，用铁丝或细钢筋将管内杂物清除并用高压风或高压水冲洗(拔塞后外流浆的注浆管不必进行此工序)，然后再注浆。
（3）水泥浆单液或水泥水玻璃双液注浆进浆量很大，压力长时间不升高，则应调整浆液浓度和配比，缩短凝胶时间，进行小泵量低压力注浆或间歇式注浆，使浆液在裂隙中有相对停留时间，以便凝胶，但停留时间不能超过混合浆的凝胶时间。
（4）注浆效果检查在小导管搭接范围内进行，主要检查注浆量偏少或有怀疑的注浆孔，认真填写检查一记录。渗入性注浆通过钻孔检查注浆厚度，小于30cm时，应补管注浆：劈裂、压密注浆，采用小撬棍或小锤轻轻敲打钢管附近，判断固结情况，并配合风钻钻速测试，固结不良或厚度不够时补管注浆。
（三）质量控制要点
1、小导管在开挖轮廓线上按照设计位置及角度打入。渗入性注浆施工时，孔位误差不得大于5cm，角度误差不得大于20：劈裂压密注浆施工时，孔位误差不得大于lOcm，角度误差不得大于30。超过误差时，在偏大的空间补管、注浆。钢管实际打入长度不得短于平均实际打入长度30cm，否则，进行补打或开挖后补管注浆。
2、、一般结束标准是：注浆压力达到设计终压或注浆量达到设计值(一般单液注浆量为20-60L/min，雙液为50-100L/min)。稳定20分钟即可结束。
结语
综上，隧道塌方不是不可避免的，预防塌方的方法也有很多。要全面详尽了解隧道区的基本地质情况，对可能出现的塌方有充分的思想和相应的技术措施，在隧道开挖后采取合理的支护方法，便能在很大程度上预防塌方的发生。实践证明，超前小导管注浆法有足够的可靠性，支护能力强大，可以有效保证岩体稳定，减少地表下沉和防止围岩松弛、坍塌。
参考文献
[1]李付康.超前小导管注浆预支护施工工艺探讨[J].科技博览，2009.7
[2]郝建岗.隧道超前小导管注浆工艺及注浆量计算的探讨[J].山西交通科技，2004.12
[3]刘发,等.超前管棚在隧道工程中的应用[M].北京: 人民交通出版社, 2006.