前进式分段注浆

前进式分段注浆是指经超前探测确定隧道前方涌水量较大或发育较大规模不良地质时，采取钻、注交替作业的一种注浆方式，即在施工中，实施钻一段、注一段，再钻一段、再注一段的钻、注交替方式进行钻孔注浆施工。每次钻孔注浆分段长度3～5m。前进式分段注浆可采用水囊式止浆塞或孔口管法兰盘进行止浆。前进式分段注浆钻孔注浆施工模式图如图6-35。前进式分段注浆施工工艺流程如图6-36。

前进式分段注浆一般采取孔口管进行孔口连接和止浆，以下重点介绍孔口管的安设。

图6-35 前进式分段钻孔注浆施工模式图

图6-36 前进式分段注浆施工工艺流程图

6.1.3.1 孔口管安装方案

在高压富水区施作注浆堵水措施，成功快速牢固地安设好孔口管是注浆能否正常、安全进行的前提。参照以往的施工经验，作者选择了三种孔口管固定方案。方案一是利用钻孔，直接采用麻丝＋速凝高强水泥系材料固定孔口管，如图6-37；方案二是利用钻孔，采用麻丝＋锚杆固定孔口管，如图6-38；方案三采取模筑混凝土直接将孔口管固定。对三种孔口管固定方案进行比较分析，如表6-9。

表6-9 孔口管固定方案比较表

图6-37 方案一

（单位：cm）

图6-38 方案二

（单位：cm）

①需占用较多的时间；②一旦施作后方案较难变更；③孔口管固定后，钻机施钻时对孔有影响。

经对三种方案比较，从锚固力、可靠性、工期性等综合考虑，以方案二作为首选方案进行试验。

6.1.3.2 现场试验

2001年8月8日～9日在圆梁山隧道PDK353＋252～＋282段，2001年8月13日在圆梁山隧道PDK353＋276.6～＋306.6段超前探水孔施工时，对方案二进行了试验。现场试验施工工艺流程如图6-39。

按照施工工艺流程进行孔口管安设，之后根据开孔槽位置钻设锚杆孔。在施工中发现，施工中采用YT-28风钻成孔，钻孔精度较难控制。钻孔时钻设了5个钻孔，但只有一个孔能满足要求，其余均无法准确固定孔口管。对较差的固孔方式进行破坏试验，由于基面不平整，拉力器支撑条件不能稳固支撑，加上锚杆拉力器可移动距离较小，因而试验过程中未能获得拉拔力测试结果。

根据试验中存在的问题，对方案二固孔方式进行了优化：①扩大孔口管固定件开孔槽；②施工中顶进孔口管后，直接从孔口管固定件开孔槽中钻孔并安设锚杆固定；③采用钻机进行拉拔试验。随后2001年8月18日在PDK353＋300.6～＋330.6段探水施工中，对孔口管按优化方案进行试验。试验中仍然存在锚杆孔钻设困难的问题。孔口管安设后，利用钻机，采用钢丝绳，用9MPa拉力无法将孔口管拉出。根据现场钻机的性能指标，拉力为21 kN。

经对孔口管方案二（采用锚杆安装）进行试验，该方案具有以下缺点：①钻设2 根锚杆耗时过长，约需2～3个小时；②锚杆钻设时，钻机需停止工作，使钻注总时间受到影响；③由于钻机移位比较困难，在钻机不移动情况下，影响锚杆孔的钻设；倘若移动钻机则需耗时，且钻机归位后完全调整到原来的位置存在较大难度。

鉴于以上原因，认为方案二不适于快速施工，因而拟采用方案一进行试验，并将固定方式优化为采用锚固剂进行孔口管锚固。

图6-39 现场试验施工工艺流程图

6.1.3.3 孔口管安设方案设计计算及检算

对方案一进行孔口管安设方案进行设计计算及检算。

（1）注浆孔密封及止浆系统设计

根据经验公式P终＝P水＋2～4MPa，在注浆施工中考虑到岩溶水的最大压力为4.6MPa，因此注浆系统所承受的最大压力应为8.6MPa，据此可对注浆孔的封孔和止浆系统进行设计。孔口管和围岩固结模式如图6-40。

图6-40 孔口管与围岩的固结模式图

（2）锚固能力计算

注浆系统所用的孔口管与钻孔围岩的固结关系类似于锚杆的粘固作用。锚杆的支护能力是锚杆对围岩的最大锚固力。

1）拉拔试验时锚杆的载荷分布。假设丝扣的抗挤压力、托板的承压力都足够，锚杆的抗拔能力主要取决于锚固剂的粘结力。孔口管与钻孔围岩之间的间隙宽为定值，则粘结剪应力同孔口管与孔壁之间的相对位移成正比，如图6-41。则有

地下工程注浆技术

图6-41 拉拔力试验时锚杆受力图

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式中：s（x）为x点处孔口管与钻孔壁之间的相对位移（m）；τ（x）为x点处锚固剂作用于孔口管表面的粘结力（MPa）；K1为锚固剂的剪切刚度（MPa）；K2为围岩体的剪切刚度（MPa）；ε（x）为x点处杆体的拉应变；B为孔口管与钻孔之间的间隙宽（m）。

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式中：F（x）为x点处孔口管的轴力（N）。

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联立以上各式，可得

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式中：c为积分常数。可见，孔口管上的剪应力分布为负指数曲线。

a.当x＝0时，τ（0）＝c≤［τ］，［τ］为粘结强度。

b.当x＝1时， 。

在中硬岩条件下，锚杆长度达到锚杆直径的15倍时，再增加锚固长度对提高锚杆的抗拔力已无作用；而在软岩条件下，剪应力衰减较慢，增加锚固长度仍然可提高锚杆的抗拔力。

由于τ（0）≤［τ］，随着拉拔力F（0）的增大，τ（0）也逐渐增大；当τ（0）＝［τ］时，锚固剂开始破坏。锚固剂从孔口开始逐渐向深部破坏，最大粘结剪应力点也逐渐向深部转移，当τ（x）与x 轴的积分面积最大时，拉拔力达到最大，拉拔试验可以结束。

2）锚杆最大抗拔力计算。假设锚固剂破坏到锚固长度中点，抗拔力F1max达到最大，则：

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式中：α为残余粘结剪应力系数，通常取1.5；l为锚固段长（m）。

锚杆的抗拔力随锚固长度的增加而增大，若取l＝150m，则对于软岩，最大抗拔力为：

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对于中硬岩，最大抗拔力F1max为：

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3）锚杆实际承载分析。为便于计算锚杆粘锚能力，假设围岩塑性区已超过锚杆锚固长度，锚杆全长受到粘结剪应力，中性点位于锚固段中间，以锚杆的最大轴力Fmax，即中性点处的轴力来表示锚杆的粘锚能力，则有：

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4）锚杆粘锚能力计算结果

a.软岩

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b.中硬岩

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在中硬岩情况下，粘锚能力是抗拔力的1.04～1.67倍，软岩情况下，粘锚能力是抗拔力的0.47～0.64倍。由此即可根据抗拔力来估算粘锚能力。根据对树脂锚杆抗拔力的测定结果，在中硬岩条件下，其抗拔力为160kN，可见钻孔与孔口管的粘锚力应在160 kN以上。

（3）可靠性检算

鉴于圆梁山隧道高水位岩溶地段隧道围岩的性质主要为灰岩，为中硬以上的岩层，因此作为止浆系统的注浆孔口管装置在高水压条件下可能的破坏形式主要有以下两种情况：

1）钻孔内的孔口管被拉断。由于孔口管选用碳素钢，其极限抗拉强度假设为［σt］＝200MPa，则孔口管被拉断所需的力为

F拉＝［σt］·S套筒＝ π（0.0542-0.0482）·200×103＝ 384.5 kN

2）粘结破坏。这种破坏主要有三种情况：孔口管-锚固剂接触面破坏；围岩-锚固剂接触面破坏；破坏面深入到围岩内数毫米，常发生在软弱围岩，一般软岩的抗剪强度小于7MPa，锚固剂与围岩的粘结强度为5～16MPa，锚固剂与孔口管的粘结强度为6.73～16.7MPa。

当孔口管管受力达到最大值8.6MPa时，孔口管受到沿钻孔孔壁向外的力为

F推＝ p·S注浆管＝ 8.6×103×π×0.0482＝ 62.25 kN

根据拉拔试验结果，孔口管的拉拔力可达160kN，由于是在中硬岩条件下，其锚固力应在160 kN以上，远大于62.25 kN的孔口管推力。因此孔口管与钻孔的锚固力足够。

由于孔口管所受的最大推力仅为62.25kN，远小于孔口管所能承受的最大抗拉力384.5kN，因此不可能发生孔口管的拉断破坏。

综上可见，在采用树脂锚固的条件下，孔口管与钻孔围岩的粘固是足够可靠的，而且尚有较大的富裕系数。

尽管在中硬岩条件下，锚固长度达到锚杆直径（孔口管）的15倍时，再增加锚固长度对提高锚杆的抗拔力已无作用，但锚杆的粘锚能力却总与锚杆直径、锚固长度成正比。因此，增加孔口管及锚固长度是孔口管装置的可靠性是有利的。但是，孔口管过长不仅浪费大量的树脂，而且也给施工造成诸多不便，因此确定本工程中的孔口管锚固长度为1.5 m。根据试验结果可对其进行调整。

（4）锚固及钻孔止浆系统设计

根据上述分析和计算结果，锚固系统的有关参数确定为：①钻孔直径为130mm；②孔口管外径为108mm，孔口管内径为96mm，宜选用碳素钢；③孔口管与钻孔孔壁之间的间隙由树脂充填；④孔内孔口管长度及锚固长度为1500mm。

6.1.3.4 现场试验及方案确定

2001年10月29日，在圆梁山隧道PDK353＋704.6～＋734.6探水孔施工中，采用计算结果进行试验。安设工艺试验取得了较满意的效果，但由于工作面不具备抗拔力测试条件，因而未进行拉拔力测试。于是现场采取注浆试验，当采用8.6MPa注浆压力时，持续30min未发现孔口管有破坏现象，据此，确定了孔口管安设方案，安装设计如图6-42。

图6-42 孔口管安装设计图

（单位：mm）

（1）机具材料

孔口管安设机具材料如表6-10。

表6-10 孔口管安设机具材料

（2）施工工艺流程

施工工艺流程如图6-43。

1）孔口管加工：采用ϕ108mm无缝钢管加工制作，长度1.5 m，一端焊接法兰盘。

2）封堵：采用水泥∶砂＝1∶3的水泥砂浆封堵孔口管前端，封堵长度15cm，封堵时要捣固密实。

3）钻孔：采用MKD-5S钻机和ϕ130mm钻头进行钻孔，钻孔深度1.4 m。

4）装锚固剂：将30节不饱和聚酯树脂锚固剂（或普通水泥落包锚固剂）放入孔口内。

图6-43 孔口管施工工艺流程图

5）顶管：采用钻机将孔口管顶入钻孔中。

6.1.3.5 现场应用

在工程随后的注浆施工中，作者采取研究的孔口管安装方案。现场采用6～9MPa注浆终压进行压力控制，未出现孔口管破坏现象，可见，所研究的孔口管安装方案达到了快速、安全的目的，值得在今后类似工程中推广应用。