浅谈超前小导管钢拱架支护工艺在破碎围岩地层的应用

浅谈超前小导管钢拱架支护工艺在破碎围岩地层的应用

赵显涛 张晨阳

中冶沈勘工程技术有限公司  辽宁省沈阳市  110015

摘要：软弱破碎围岩地层的地下工程施工过程中，要做好掘进过程的初期支护问题，本文以黑龙江省鹤岗市某尾矿库工程排洪隧洞为例，分析介绍了超前小导管钢拱架支护工艺在破碎围岩地层中的应用，制订了超前小导管钢拱架支护方案支护方案，使前方围岩的强度提高，安全系数增高，有效消除了本尾矿库排洪隧洞的冒落情况。

关键词：超前小导管；钢拱架支护；破碎围岩地层

1 工程概况

尾矿库是指筑坝拦截谷口或围地构成的，用以堆存金属或非金属矿山排出尾矿或其他工业废渣的场所，是保证矿山正常持续生产的重要设施。其中尾矿库排洪系统通常由进水构筑物和排水构筑物组成。进水构筑物有排水井和排水斜槽等，排水构筑物有排水管、隧洞、溢洪道等形式。此尾矿库排洪隧洞布置在尾矿库右岸，断面尺寸B×H=2.0×2.2m，主洞长933.14m，1#支洞长562.12m，主洞延伸段长50m，排洪系统采用框架式排水井+排洪隧洞形式，排洪隧洞出口布置在初期坝坝脚下游约105m处，出口接明渠及消力池。

2 地质情况

2.1地质构造

区域断裂较发育，可见南北向、东西向、北西向、北东向四组断裂。区域以近东西、近南北向水系为主，少数水系为近北西及北东向，可见区域压应力为近南北向。在近南北向压应力作用下产生近东西向舒缓波状压性断裂带，近南北向拆线状（锯齿状）张性断裂带，北东和北西向共轭剪切断裂带。早期断裂大部分被早期脉岩充填，晚期断裂则体现为各种构造岩、片理化带、构造角砾破碎带，局部被晚期脉岩充填。

尾矿库库区地层较为简单，分布不均匀，地质构造复杂，场地基本稳定，无活动性构造断裂通过。

2.2地层岩性

根据场地地层时代，成因类型、岩性特征及物理力学性质及现场工程地质测绘和现场钻探揭露，区域出露的地层较为发育，库区出露地层主要为：新生界的全新统现代河床冲积坡积层（Qh2-3）、更新统别拉洪河组(Qp3 b)，为砂质粘土、砂砾石、砾石、中-新元古界的石英岩、石英片岩、石墨片岩、混合花岗岩等地层。尾矿坝坝址区的地层分布情况及地层岩性与库区相同，岩性为石英片岩、混合花岗岩、石墨片岩等，第四系坡洪积堆积松散层主要由耕土、含碎石（角砾）粉质粘土、充填粘性土碎石（角砾）等地层组成。

2.3排洪隧洞区域地质情况

排洪隧洞穿越区域断裂、褶皱构造发育，节理裂隙发育，节理破碎带密集，岩石结构多为中风化、强风化石英片岩，围岩等级Ⅳ-Ⅴ类，地表水及基岩裂隙水丰富。现场开挖过程中，围岩极其破碎，自稳能力极差。

3 施工技术难点

现场对于隧洞沿线软弱破碎带等不良工程地质条件采取固结注浆措施。固结灌浆采用全孔一次注浆法，单孔扩散半径为2.0m，使单孔浆扩散圈有效重叠。根据岩石性质每循环注浆长度为10m，每循环预留1m作为下循环止浆岩盘。为控制隧洞沉降、变形，预防涌水，保证施工安全。在开挖完成后，同时实施径向注浆补强措施，采取径向固结注浆。在施工现场进行的多次固结灌浆试验中，完成注浆循环所需的注浆量，均已超过设计方量。完成试验并尝试对掌子面进行下一步掘进开挖时，仍存在冒落和大面积片帮。固结灌浆法对隧洞的支护效果较差，无法达到设计要求，且不满足安全施工原则。

4 超前小导管钢拱架支护工艺

4.1 超前小导管钢拱架方案的提出

由于固结灌浆方案支护效果较差，为确保安全、质量以及施工进度。根据《水工隧洞设计规范》[1]（SL279）9.2.4条第5款与《公路隧道设计规范》[2]（JTG-D70）6.2.3条的围岩压力公式及围岩岩体物理力学参数为基础，分别对隧洞七种断面（DM1~DM7）的围岩情况进行了围岩压力计算，计算结果见表1。由表2计算结果可知，设计选用规范的围岩压力计算值偏低。为更好地解决掘进过程的初期支护问题，制定了如图1所示的钢拱架+钢筋网+锚杆+喷射混凝土的支护措施。根据不同围岩情况对调整支护形式的参数共设计和应用了7种不同的支护形式见表2，其中，超前小导管采用42，L=3000mm，钢筋网采用6，200200mm。使用Plaxis岩土有限元计算软件，对于不同断面和不同支护形式分别进行建模，对各类模型进行有限元分析计算，计算结果见表3和表4。由此可知，支护方案的安全系数及稳定性分析结果符合相关规范及现场实际情况要求，断面的选取及支护选型是合理可行的。

表1 隧洞断面（DM1~DM7）的围岩压力计算结果（单位：kN/m2）

图1 支护方案设计图

表2 支护方案

表3 有限元计算参数

表4 安全系数计算结果

注：最大轴力位于拱顶，最大弯矩也位于拱顶，最大剪力位于边墙中部。

4.2 工艺流程及关键技术参数

爆破出渣→钢拱架施工→超前小导管→安设钢筋网片→喷射混凝土→进入下一循环

4.2.1 爆破出渣

（1）爆破器材与钻孔设备：选用2#岩石乳化炸药，规格φ32mm×200g/根，导爆索规格50m/卷；雷管选用半秒延期导爆索雷管。钻孔设备采用YT-28型气腿式凿岩机，22m3电动空压机，爆破孔直径D=42mm。Ⅲ～Ⅳ类围岩每循环进尺2.5m、断层地带每循环进尺1.2m～1.5m[3]。

（2）爆破孔数量与炮眼装药量：炮眼数目影响凿岩工作量、爆破效果等。炮眼数目N可参考公式：N=q×s/(rη)，其中q为炸药单耗量，S为开挖面积，r为每米长度炸药重量，η为炮眼装药系数，取η=0.67。炮眼装药量计算公式：Q=η×L×r，其中η、L、r分别为炮眼装药系数、眼深、每米长度炸药量。掏槽眼取η=0.8，L=3.0m；辅助眼取η=0.5～0.7，L=2.8m。计算得掏槽眼装药量约为1.8kg，辅助眼约为1.3kg。

（3）光面爆破参数初拟如下：周边孔间距a=(15～10)d=(15～10)×43mm=645～430mm，本设计周边孔间距为500mm；密集系数m=a/W=0.65～1.0；最小抵抗线W=600～400mm。实际施工中应根据爆破效果、半孔率和轮廓不平整度调整光爆参数。

表5 光面爆破参数统计表

（4）装药方式：主眼采用连续装药，延期导爆管雷管起爆，乳化炸药（Φ32mm×200g/根），装填系数0.5～0.85。周边眼使用小药卷装药，炮眼间距45～55cm，间隔装药，导爆索起爆，孔口炮泥堵塞。保证爆破孔痕迹均匀分布，保存率80%以上，开挖面与设计轮廓线基本一致，径向超挖值和起伏差小于200mm，平均小于100mm。围岩中无明显裂隙，无欠挖。钻孔完成后，先用高压风清孔，检查钻孔是否堵塞或坍孔，然后按划定区域装药连线。装药顺序：“先上后下，先两侧后中间”[2]。导爆管连线采用“簇联”法，配两发起爆雷管，装药结束经安全检查后起爆。

导爆管连线采用“簇联”法，配两发起爆雷管，装药结束经安全检查后起爆，各步骤按《塑料导爆管非电起爆操作原则》进行。

4.2.2 钢拱架施工

（1）钢拱架制作

型钢拱架通过弯曲机成型，焊接接头钢板后试拼。焊接质量佳，无假焊、裂纹、焊瘤等缺陷。接头焊接密实，接头处贴10×10cm钢板并焊接。每榀钢架加工后试拼，控制周边误差±3cm，平面翘曲小于2cm。

（2）钢拱架安装

钢拱架安装前彻底清除底脚下的虚碴及杂物。底脚标高不足时，不得用洞碴回填，必要时可用混凝土加固基底，确保钢架底脚置于牢固的基础上。

人工配合机械在台架上对型钢拱架逐榀进行安装。各节钢架联结牢固.位置正确，螺栓连接螺母方向交错开布置，使型钢拱架与隧洞中心线垂直，最后焊接连接筋，使钢架成为一个整体。必须严格按照设计间距一榀进行架设。

钢架与锚杆焊接牢固，相邻钢架之间纵向采用φ16mm钢筋连接，呈折线形布置于钢架腹板中央，与水平保持30°的夹角，焊接采用周边焊，同钢架焊接牢固。

（3）内锚段灌注、药卷锚杆安装及自由段注浆

完成钻孔作业后，在作业平台上使用锚固剂风枪将锚固剂打入内锚段，风枪的风管输入端安装压力表需进行风压控制。锚固剂药卷经锚固剂风枪打入输送管，再经输送管打入内锚段孔底（锚固剂输送管插入孔内距孔底50cm左右），每打入一卷锚固剂，输送管向孔外拉出5cm左右，直至打入内锚段长度结束。

锚杆采用YT28风动凿岩机顶入内锚段，顶入后,立即采用木楔（长度6～10cm）进行锚杆孔口封口,防止锚杆从孔内滑出。

在内锚段锚固剂灌浆完毕24小时后开始进行锚杆锁定。锁定采用tg2000型扭力扳手。锁定前将钢垫板套入锚杆，调整垫板与锚杆垂直后紧锁螺帽。

张拉结束，确认排气管畅通后，开始对锚杆自由段回填灌浆施工，灌浆采用纯水泥浆，UB3C型灌浆泵注浆，自由段注浆必须饱满，当排气孔不再排气，并有浆液溢出时，可结束自由段注浆。

4.2.3 超前小导管

（1）导向钢架制作及安装

导向钢架参照支护措施中钢架制作和安装，设置ϕ42超前小导管，钻头通过钢架上外沿进行钻孔，超前小导管与钢架紧密焊接。Ⅴ级围岩单层超前小导管导向钢架每隔3榀布设一榀。双层超前小导管导向钢架续单层之后第2榀开始布设，每隔3榀布设一榀。超前注浆小导管均每2.4m施工一环。Ⅳ级围岩单层超前小导管导向钢架每隔3榀布设一榀。

人工配合机械在台架上对型钢拱架逐榀进行安装。各节钢架联结牢固，位置正确，螺栓连接螺母方向交错开布置，使型钢拱架与隧洞中心线垂直，最后焊接连接筋。相邻钢架之间纵向采用φ16mm钢筋连接，呈折线形布置于钢架腹板中央，与水平保持30°的夹角，焊接采用周边焊，同钢架焊接牢固。

（2）钻孔

钻孔由人工在作业台车上使用YT28风动凿岩机，钻杆穿过钢架导向孔套上50mm钻头自上而下朝隧洞前进方向进行施钻，拱部钻孔仰角为12°，随着孔位的降低，仰角逐渐变小。低孔位的钻进方向逐渐平行于隧洞开挖外轮廓线，钻进深度大于设计深度。钻后用高压风管伸入孔底吹孔，清除孔内残余钻渣。

（3）小导管制作及安装

超前小导管为φ42壁厚4mm热轧无缝钢花管，加工厂统一加工。小导管长4m或4.5m，管口段50cm范围内钢管不开孔，前端10cm做成锥形，并在管体上按15*15cm间距呈梅花形布置10mm注浆孔。小导管安设采用打入法，即小导管穿过钢架导向孔用锤击或钻机顶入，顶入长度不小于钢管长度的90%，并用高压风将钢管内的砂石吹出。其尾部可以焊于钢架上，但不能影响注浆。

小导管安设后，用塑胶泥封堵孔口及周围缝隙，必要时在小导管附近及工作面上喷射砼，防止工作面坍塌。隧洞开挖长度小于导管的注浆长度，预留部分作为下一次的止浆墙，前后环小导管搭接长度不小于1m。

（4）注浆

小导管注浆前检查机械设备是否正常，管路连接是否正确，为发挥设备效率加快施工速度，可采用群管注浆，每次3～5根。采用42.5 级水泥，浆液水灰比1:1，JB500双层搅拌机拌制，KBY50/70注浆机注浆。注浆压力控制在0.5~ 1MP，注浆过程中注浆压力应逐级缓慢提升，有一定的注入量。

在注浆过程中，需密切监测泵排浆量变化，分析注浆状况，以防堵管、跑浆、漏浆。若发现浆液从其他孔流出，需堵住串浆孔，进行隔孔注浆。若压力突升，可能堵管，需停机检查。若注浆量大，压力久不升，需调整浆液浓度、配合比，缩短凝胶时间，进行小量低压力或间歇式注浆，使浆液在裂隙中有相对停留时间，但不能超过凝胶时间。注浆量或压力达设计值可停止。要做好记录，以便分析效果，不合格者需补钻孔注浆。检查方法：①分析压力、注浆量变化是否合理，是否达设计要求；②对比注浆前后地层声速，判断浆液填充密实度。也可从隧洞挖掘情况检查注浆质量，修正注浆参数。

4.2.4 钢筋网安装

钢筋网采用ϕ6圆钢，使用钢筋网焊接机加工成1m×2.0m的网片，钢筋网网格间距为20*20cm，在施做现场绑扎成整体，搭接长度不小于20cm（一个网格），允许偏差为±50mm，并与被支护岩面留出2cm保护层。钢筋网与钢筋网连接处、钢筋网与钢拱架锚杆连接处均采用绑扎连接，使钢筋网连成一个受力整体。

4.2.5 喷射混凝土

喷射混凝土采用喷浆机进行湿喷作业，喷头处加入速凝剂，初凝时间不小于5min，终凝时间不大于10min。分两次喷射，第一层喷射厚度为10cm，第2层喷射厚度为10-20cm。混凝土喷射之前检查喷射坡面，是否有松动、开裂、下坠、滑移等现场，如有及时清除后进行喷射混凝土施工，喷浆头垂直喷射坡面，且离喷浆面0.6~1.0m的距离，喷射混凝土顺序自下而上，岩面不平整时，先喷凹处找平，从左到右或从右到左，并注意呈旋转轨迹运动，一圈压半圈，纵向按顺序进行，旋转半径一般为12cm，每次蛇型长度3~4m

[2]。

5 结语

本尾矿库施工单位现场技术人员在根据设计要求对此尾矿库工程排洪隧洞不良工程地质条件采取固结注浆措施仍存在冒落和大面积片帮的情况后，针对性地制订了超前小导管钢拱架支护方案，使前方围岩的强度提高，安全系数增高，有效消除了本尾矿库排洪隧洞的冒落情况。此方案既保证了排洪隧洞施工的质量，也保证了作业的安全条件。超前小导管技术与钢拱架支护工艺的施工方法，在破碎围岩地层中的应用，为地下工程施工提供了重要的指导意义：

（1）提高了施工的安全性

超前小导管技术通过预先加固围岩，降低了施工过程中的安全风险，减少了因地质条件不稳定造成的事故发生概率。钢拱架为即时支护提供物理支撑，可以迅速响应围岩变化，确保施工过程中的安全性。

（2）提升施工效率

利用超前小导管进行地质预报和预加固，可以有效控制地质不确定性带来的施工中断，确保施工顺利进行。通过合理布置超前小导管和钢拱架，可以在保障安全的前提下，加快施工进度，缩短工期。

（3）减少施工成本

通过预加固和即时支护减少了施工过程中的塌方等事故，从而减少了修复这些事故所需的时间和成本。合理的施工方法可以减少材料浪费，提高材料使用效率，从而降低总体施工成本。

（4）促进技术创新和应用

结合两种技术的应用促进了施工技术的创新，为解决类似的工程问题提供了新的思路和方法。该技术的成功应用可以推广到其它领域，如城市地铁建设、山区隧道开通等，具有广泛的应用前景。

结合超前小导管技术与钢拱架支护工艺的应用，不仅为破碎围岩地层中的地下工程施工提供了有效的解决方案，也推动了工程施工技术的进步和创新，具有重要的实践和理论意义。

参考文献：

[1]成都勘测设计研究院. 水工隧洞设计规范 [Z]. 2004: 148P.;A5

[2]重庆交通科研设计院. 公路隧道设计规范 [Z]. 2004: 260P.;A4

[3]黄乐. 超前支护施工技术在高速公路隧道工程中的应用 [J]. 中国高新科技, 2020, (20): 61-2.

作者介绍：赵显涛，1985.11.10，男，硕士研究生，高级工程师，东北大学岩土工程，主要研究方向为岩土工程、矿山地质环境修复、尾矿库建设等。