本发明涉及隧道防护技术领域，具体涉及一种采用超前小导管预注浆工艺处理隧道塌方冒顶的方法。
背景技术：
随着我国经济的发展，高速公路建设项目越来越多。在山区高速公路建设穿越地层覆盖较薄的浅埋段时，经常会发生塌方和冒顶的事故。严重的时候，大的塌方不但会堵塞洞口，影响工程的进展，而且对施工人员的生命有严重的威胁。如何有效的处理公路隧道浅埋段塌方冒顶是现在重点关注的问题。
注浆材料是在地层裂隙和孔隙中起充填和固结作用的主要物质，它是实现堵水或加固作用的关键。注浆材料可分为颗粒浆液、化学浆液和精细矿物浆液。目前应用的颗粒性注浆材料主要有单液水泥浆、粘土水泥浆、水泥-水玻璃浆。水泥-水玻璃浆液也称c-s浆液，是目前应用最多的水玻璃悬浊型双液注浆材料,是以水泥和水玻璃为主剂,两者按一定的比例,必要时加入速凝剂或缓凝剂,采用双液注入方式组成的注浆材料。c-s浆液在处理公路铁路、水利水电、岩土工程透水事故及封堵井壁漏水应用效果较好,近年来在各领域的加固应用也较多。优点是凝胶时间可从几秒至几分钟根据需要灵活调整，材料来源广泛，价格便宜，无毒性。然而长期的工程实践表明,c-s浆液结石体耐久性较差,目前公认c-s浆液存在结石体后期强度下降的问题,其使用已受到了限制,在有些行业仅作为临时性材料,鲜有用于永久性加固。
申请号为cn201811083630.4的发明专利公开了一种改性双液注浆材料，采用沸石粉、矿渣与水泥组成改性水泥浆液，然后与水玻璃混合，得到注浆材料，一定程度上改善了传统c-s浆液耐久性差的缺陷，但是在处理隧道塌方冒顶情况，尤其是强风化砂岩隧道的情形时，仍然存在着凝胶过快、结构稳定性差的问题。
另外，采用注浆材料实施注浆时，需首先探明掌子面前方地质条件，一般情况下，地质调查法、物探等手段较为常用。掌子面前方地质条件探明后，即可根据地质条件实施有针对性的超前预注浆灌浆，超前预注浆灌浆一般采用钻孔及灌浆平行作业的方式。超前预注浆钻孔过程中如揭露大流量地下水，需撤换钻孔设备、安装灌浆设备，工序复杂、耗时耗力，不能快速堵水，且增加了抽排水的费用。
技术实现要素：
本发明的发明目的是，针对上述问题，提供采用超前小导管预注浆工艺处理隧道塌方冒顶的方法，可在一定程度上解决传统水泥-水玻璃浆液凝胶过快的问题，提高结构稳定性和持久性，且降低了施工成本。
为达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：
一种采用超前小导管预注浆工艺处理隧道塌方冒顶的方法,包括以下步骤：
s1.前期准备：对地表塌陷坑灌浆回填，然后完成地表冲沟的硬化封闭处理，做好冲沟排水工作，确保冲沟内水流不直接下渗。
s2.超前小导管预注浆：采用超前小导管预注浆工艺利用超前小导管预注浆工艺进行施工。
所述双液注浆材料，包括甲液和乙液,所述乙液为水玻璃；所述甲液按照重量份包括以下组分：水泥500～700份、粉煤灰200～300份、膨润土100～200份、磷酸氢二钠5～30份、氧化铝0～20份、氢氧化钠5～10份、水800～1000份；将甲液和乙液按1︰0.2～1的体积比均匀混合，即得到所述的双液注浆材料。
s3.效果监测：在注浆结束14d后进行吸水率或渗透系数试验，判定是否合格；开挖过程中遇渗漏水点加强注浆封堵，确保侧壁无明水。
优选的,所述水玻璃波美度为25～38be’。
优选的,所述水泥为强度为42.5的普通硅酸盐水泥。
优选的,所述粉煤灰的含水率小于0.2％，粒径为5μm-25μm。
优选的,将甲液和乙液按1︰0.5的体积比均匀混合，即得到所述的双液注浆材料。
优选的,步骤s2中，所述超前小导管预注浆工艺包括：定位、钻孔、安装和注浆。
优选的,钻孔过程中，长导管角度在8～12°、短导管角度在15～25°。
优选的,注浆过程中，初压为0.3mpa，终压为1.0mpa，从初压快速上升到终压保持到注浆结束；注浆压力达到终压1.0mpa，双液注浆材料注入量达到计算值的80％以上时，即可停止注浆。
优选的,步骤s3中，检查孔涌水量应小于0.4l/min.m,在1.0mpa压力下检查孔进水量应小于2l/min.m，否则应加密钻孔注浆。
水泥-水玻璃浆液凝结硬化机理：
水泥的成分是硅酸三钙(c2s)、硅酸二钙(c2s)、铝酸三钙(c3a)和铁铝酸四钙(c4af)。前两者为水泥的主要成分，占水泥总质量的70％～80％。硅酸三钙和硅酸二钙的水化反应产物基本相同，都是水化硅酸钙(c-s-h)和氢氧化钙(ca(oh)2),只是水化反应速度和水化热高低有所差异而已。水化反应可用下式表达:
c3s(c2s)→c-s-h+nca(oh)2(1)
水泥的水化产物水化硅酸钙呈胶质状态,几乎不溶于水，而生成的氢氧化钙很快与水玻璃反应,反应过程如下:
nca(oh)2+na2·sio2+mnh20→n(cao·sio2·mh20)↓+2naoh(2)
反应连续进行生成具有一定强度的胶质体,与被灌岩体胶结在-一起，其强度不断增加转化为稳定的凝固体,从而达到灌浆加固的目的。
粉煤灰、水泥-水玻璃浆液碱激发聚合机理：
研究表明,naoh与粉煤灰、膨润土可以发生反应生成类沸石物质形成碱激发胶凝材料,na+以化学结合形式存在于水化产物中。利用naoh与粉煤灰反应制得的聚合物,具有很好的na+固化能力，可以改善结石体的孔结构，使结石体总的孔隙率降低，平均孔径降低，孔结构细化，从而提高结石体的后期抗压强度。
由于采用上述技术方案，本发明具有以下有益效果：
1.本发明的采用超前小导管预注浆工艺处理隧道塌方冒顶的方法，采用的双液注浆材料，在传统水泥-水玻璃浆液的基础上，添加粉煤灰、膨润土、磷酸氢二钠、氧化铝、氢氧化钠，一方面延迟双液浆的凝胶时间，另一方面改善结石体的孔结构，从而提高结石体的强度和耐久性。
添加粉煤灰与膨润土能够在碱性提交下发生反应生成类沸石物质形成碱激发胶凝材料，改善结石体的孔结构，使结石体总的孔隙率降低，平均孔径降低，孔结构细化，从而提高结石体的后期抗压强度。目前42.5水泥单价较粉煤灰高一半的价格，掺入粉煤灰代替部分水泥，在达到堵水的同时一定程度结省了施工成本。添加膨润土还可以提高浆液结石体的抗渗能力，减少注浆过程中的跑浆现象和无效扩散现象，节约注浆材料，提高注浆效率。
添加磷酸氢二钠能够显著延迟双液浆的凝胶时间，既不使其迅速凝结而产生堵管现象，又不会因为缓凝过久而失去早强性能，从而提高结石体抗压强度。添加naoh与粉煤灰可以发生反应生成类沸石物质形成碱激发胶凝材料，从而改善结石体的孔结构，提高结石体的后期抗压强度。
2.本发明采用超前小导管预注浆工艺处理隧道塌方冒顶的方法，采用超前小导管预注浆方式，在小导管和洞身开挖过程中,成孔情况都较好,导管顶入很顺利,没有塌孔等情况出现,预注浆完成后,不需要等待很长时间即可进行下一道工序,说明工作面预注浆的饱满度和凝结时间都满足实际需要，减少了工期的损失。小导管径向打设，有效加固周边围岩，使围岩参与受力,弥补了没有大管棚支护的围岩稳定。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
一种采用超前小导管预注浆工艺处理隧道塌方冒顶的方法,包括以下步骤：
s1.前期准备：对地表塌陷坑灌浆回填，然后完成地表冲沟的硬化封闭处理，做好冲沟排水工作，确保冲沟内水流不直接下渗。
s2.超前小导管预注浆：采用超前小导管预注浆工艺利用超前小导管预注浆工艺进行施工。
所述双液注浆材料，包括甲液和乙液,所述乙液为水玻璃；所述甲液按照重量份包括以下组分：水泥700份、粉煤灰200份、膨润土100份、磷酸氢二钠20份、氧化铝10份、氢氧化钠10份、水1000份；将甲液和乙液按1︰0.5的体积比均匀混合，即得到所述的双液注浆材料。
所述水玻璃波美度为35be’。所述水泥为强度为42.5的普通硅酸盐水泥。
所述粉煤灰的含水率小于0.2％，粒径为15μm。
所述超前小导管预注浆工艺包括：定位、钻孔、安装和注浆。钻孔过程中，长导管角度在8～12°、短导管角度在15～25°。注浆过程中，初压为0.3mpa，终压为1.0mpa，从初压快速上升到终压保持到注浆结束；注浆压力达到终压1.0mpa，双液注浆材料注入量达到计算值的80％以上时，即可停止注浆。
s3.效果监测：在注浆结束14d后进行吸水率或渗透系数试验，判定是否合格；开挖过程中遇渗漏水点加强注浆封堵，确保侧壁无明水。
检查孔涌水量应小于0.4l/min.m,在1.0mpa压力下检查孔进水量应小于2l/min.m，否则应加密钻孔注浆。
实施例2
一种采用超前小导管预注浆工艺处理隧道塌方冒顶的方法,与实施例1相比，步骤s2中的双液注浆材料配方不同，其他步骤相同。
所述双液注浆材料，包括甲液和乙液,所述乙液为水玻璃；所述甲液按照重量份包括以下组分：水泥600份、粉煤灰300份、膨润土100份、磷酸氢二钠20份、氧化铝10份、氢氧化钠10份、水1000份；将甲液和乙液按1︰0.5的体积比均匀混合，即得到所述的双液注浆材料。
所述水玻璃波美度为35be’。所述水泥为强度为42.5的普通硅酸盐水泥。
所述粉煤灰的含水率小于0.2％，粒径为15μm。
实施例3
一种采用超前小导管预注浆工艺处理隧道塌方冒顶的方法,与实施例1相比，步骤s2中的双液注浆材料配方不同，其他步骤相同。
双液注浆材料，包括甲液和乙液,所述乙液为水玻璃；所述甲液按照重量份包括以下组分：水泥500份、粉煤灰300份、膨润土200份、磷酸氢二钠20份、氧化铝10份、氢氧化钠10份、水1000份；将甲液和乙液按1︰0.5的体积比均匀混合，即得到所述的双液注浆材料。
所述水玻璃波美度为35be’。所述水泥为强度为42.5的普通硅酸盐水泥。
所述粉煤灰的含水率小于0.2％，粒径为15μm。
实施例4
一种采用超前小导管预注浆工艺处理隧道塌方冒顶的方法,与实施例1相比，步骤s2中的双液注浆材料配方不同，其他步骤相同。
双液注浆材料，包括甲液和乙液,所述乙液为水玻璃；所述甲液按照重量份包括以下组分：水泥450份、粉煤灰350份、膨润土200份、磷酸氢二钠20份、氧化铝10份、氢氧化钠10份、水1000份；将甲液和乙液按1︰0.5的体积比均匀混合，即得到所述的双液注浆材料。
所述水玻璃波美度为35be’。所述水泥为强度为42.5的普通硅酸盐水泥。
所述粉煤灰的含水率小于0.2％，粒径为15μm。
实施例5
一种采用超前小导管预注浆工艺处理隧道塌方冒顶的方法,与实施例1相比，步骤s2中的双液注浆材料配方不同，其他步骤相同。
双液注浆材料，包括甲液和乙液,所述乙液为水玻璃；所述甲液按照重量份包括以下组分：水泥500份、粉煤灰300份、膨润土200份、磷酸氢二钠20份、氧化铝10份、氢氧化钠10份、水1000份；将甲液和乙液按1︰0.2的体积比均匀混合，即得到所述的双液注浆材料。
所述水玻璃波美度为35be’。所述水泥为强度为42.5的普通硅酸盐水泥。
所述粉煤灰的含水率小于0.2％，粒径为15μm。
实施例6
一种采用超前小导管预注浆工艺处理隧道塌方冒顶的方法,与实施例1相比，步骤s2中的双液注浆材料配方不同，其他步骤相同。
双液注浆材料，包括甲液和乙液,所述乙液为水玻璃；所述甲液按照重量份包括以下组分：水泥500份、粉煤灰300份、膨润土200份、磷酸氢二钠20份、氧化铝10份、氢氧化钠10份、水1000份；将甲液和乙液按1︰0.3的体积比均匀混合，即得到所述的双液注浆材料。
所述水玻璃波美度为35be’。所述水泥为强度为42.5的普通硅酸盐水泥。
所述粉煤灰的含水率小于0.2％，粒径为5μm-25μm。
实施例7
一种采用超前小导管预注浆工艺处理隧道塌方冒顶的方法,与实施例1相比，步骤s2中的双液注浆材料配方不同，其他步骤相同。
双液注浆材料，包括甲液和乙液,所述乙液为水玻璃；所述甲液按照重量份包括以下组分：水泥500份、粉煤灰300份、膨润土200份、磷酸氢二钠20份、氧化铝10份、氢氧化钠10份、水1000份；将甲液和乙液按1︰0.5的体积比均匀混合，即得到所述的双液注浆材料。
所述水玻璃波美度为35be’。所述水泥为强度为42.5的普通硅酸盐水泥。
所述粉煤灰的含水率小于0.2％，粒径为15μm。
实施例8
一种采用超前小导管预注浆工艺处理隧道塌方冒顶的方法,与实施例1相比，步骤s2中的双液注浆材料配方不同，其他步骤相同。
双液注浆材料，包括甲液和乙液,所述乙液为水玻璃；所述甲液按照重量份包括以下组分：水泥500份、粉煤灰300份、膨润土200份、磷酸氢二钠20份、氧化铝10份、氢氧化钠10份、水1000份；将甲液和乙液按1︰1的体积比均匀混合，即得到所述的双液注浆材料。
所述水玻璃波美度为35be’。所述水泥为强度为42.5的普通硅酸盐水泥。
所述粉煤灰的含水率小于0.2％，粒径为15μm。
对实施例1～8制备使用的双液注浆材料性能进行测定，测定结果见表1。
表1结果测试对比
从实施例1-8结合表1的数据可以看出，本发明的双液注浆材料可以延迟双液浆的凝胶时间，并改善结石体的孔结构，从而提高结石体的强度和耐久性。
从实施例1-4结合表1的数据可以看出，随着粉煤灰掺量的增加，浆液的凝胶时间逐渐增大，而且粉煤灰掺量越大，且结石体的抗压强度升高，但是随着掺杂量增大，抗压强度会有所下降，因此，应严格控制用量。
从实施例5-8结合表1的数据可以看出，随着水泥-水玻璃比例的减少，水玻璃掺量的增加，浆液的凝胶时间延长，但是结石体的抗压强度降低，在1︰0.5时，比较合理。
实施例9
具体施工情况
石磨岭隧道进口位于贺州市昭平县城郊，出口位于昭平县文竹镇，长度为4067m分离式越岭特长隧道；隧道最大埋深约559.5m，最小覆土层处跨越冲沟，厚度11.5m。根据勘察，石磨岭隧道区地层主要由第四系残坡积层、泥盆系下统和寒武系水口群下亚群地层组成，从上至下分别为：漂石粉质粘土、强风化泥质粉砂岩、中风化层泥质粉砂岩。隧道围岩节理裂隙较发育，岩体破碎。
塌方冒顶事件概述
隧道昭平端左洞距洞口220m处下穿一处集水冲沟，冲沟最低处距洞顶11.5m,左右线岩层河床区域以漂石层为主，下伏强风化泥质粉砂岩。该岩层极破碎，遇水易软化，丧失自稳能力，2018年8月12日6点左线掘进至zk57+680河床区域发生溜塌，溜塌土体为松软粉砂砾石土，为拱顶偏左2米至拱腰，环向宽度约8米，往大桩号方向塌方长度约6米，塌方深度约为5米，塌方量约240m3。至13日10点塌至地表，地表形成半径约4m，深3.5m。
使用原料：水泥：华润水泥p.042.5；水玻璃采购于株洲隆新材料股份有限公司，生产批号为xl-qesiv-zj-08；水为饮用水；经试验测得水玻璃密度为1320kg/m3，波美度为35.0be’。
具体处理方案：
一种采用超前小导管预注浆工艺处理隧道塌方冒顶的方法,包括以下步骤：
s1.前期准备：对地表塌陷坑灌浆回填，然后完成地表冲沟的硬化封闭处理，做好冲沟排水工作，确保冲沟内水流不直接下渗。
对洞内塌腔采用泵送c20砼充填，并采用地质雷达对围岩进行地质预探，探明是否仍存在空腔，如探明有空腔，采用泵送c20砼填充。
在洞内回填反压工作完成后，对地表塌陷区域采用接管等方式泵送c20砼回填，泵车及重车严禁开至塌陷坑边缘20m范围内。
在地表塌陷坑灌浆回填结束后，尽快完成山体地表冲沟的硬化封闭处理，做好冲沟排水工作，确保冲沟内水流不直接下渗进入山体。
s2.超前小导管预注浆：采用超前小导管预注浆工艺利用超前小导管预注浆工艺进行施工。
按照实施例3的配方，按比例称取水泥、粉煤灰、膨润土、磷酸氢二钠、氧化铝、氢氧化钠和水，充分搅拌均匀，制成均匀的浆体即甲液；按比例称取水玻璃即乙夜，混入所述甲液中，再次搅拌均匀即得所述双液注浆材料。
1.定位：按照设计的里程，在开挖面标出小导管的孔口位置，小导管环向间距1.2m，纵向间距为1.2m。
2.钻孔：正常无涌水区域小导管按隧道径向打设，有涌水区域按照小导管扩散半径0.5米计算布孔间距为1米长短交错布置，在钢格栅上用红油漆进行标记；将钢管前端中心对准标记，利用风高压风顶入地层中，顶入长度不小于钢管长度的90％。长导管角度在8～12°左右、短导管角度在15～25°左右。钢管安设完成后用速凝砂浆封堵孔口及周围裂缝，防止注浆时浆液外冒。
3.安装：将已经加工好的小导管，打进孔眼，导管周围用塑胶泥封堵，外留35cm左右长，连接注浆软管。
4.注浆：注浆从拱部顺序向下进行注浆的施工顺序为确定注浆参数—设立注浆站—试泵—压水试验—正式注浆—检查—记录。
根据涌水压力(开挖工作面静水压力、突水的动压力)、裂隙大小和粗糙程度、浆液的性质各浓度、要求的扩散半径决定注浆压力。根据凝结时间、结石体强度以及施工操作等因素决定浆液浓度。
注浆顺序原则上先施作短孔，再施作长孔，最后施作检查孔。按“由外到里，从上往下”原则进行施工，同时结合诵水水源点位置和水流方向，按由“有水孔到无水孔”顺序施作；检查孔施工顺序待注浆孔注浆结束后视现场情况而定。
压浆时，配合比一般是先稀后浓，逐级变换，并通过两注浆泵的流量系数，来控制胶凝时间。
当相邻未注浆孔中出现灰浆；注浆压力达到设计终压1.0mpa；浆液注入量达到计算值的80％以上时，即可停止注浆。当注浆完毕后，及时清洗管内浆液，并用塑胶泥封口，以增加小导管的刚度和强度。
s3.效果监测：在注浆结束14d后进行吸水率或渗透系数试验，判定是否合格；开挖过程中遇渗漏水点加强注浆封堵，确保侧壁无明水。
检查孔涌水量应小于0.4l/min.m，在1.0mpa压力下检查孔进水量应小于2l/min.m，否则应加密钻孔注浆。
石磨岭隧道于2018年8月13日按上述方法施工,2018年9月13日顺利通过该富水段,历时30d,开挖支护26m(包含下台阶和仰拱部分),表明采用该发明双液注浆材料利用超前预注浆技术结合小导管应用于塌方冒顶段的开挖是非常成功的,达到了设计与施工的目的。
上述说明是针对本发明较佳可行实施例的详细说明，但实施例并非用以限定本发明的专利申请范围，凡本发明所提示的技术精神下所完成的同等变化或修饰变更，均应属于本发明所涵盖专利范围。