帽檐式鋼架在隧道拱頂塌方處理中的應(yīng)用

劉周禮，寧德好，牛瑞強(qiáng)

（中交一航局第三工程有限公司，遼寧 大連 116001）

1 工程概況

新建合福鐵路客運(yùn)專線閩贛Ⅱ標(biāo)段棋盤山隧道全長(zhǎng)1 758.13 m，隧道進(jìn)口里程為DK440+700，隧道出口里程為DK442+48.13，為單洞雙線隧道，左右線間距為5 m，隧道沿線路坡度為2%。該隧道地處江西省上饒境內(nèi)，洞身地層巖性多變、地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，圍巖軟弱，Ⅴ級(jí)圍巖1 128.13 m，占隧道長(zhǎng)度的64%，Ⅳ級(jí)圍巖465 m，占隧道長(zhǎng)度26%，Ⅲ級(jí)圍巖165 m，占隧道長(zhǎng)度26%，設(shè)計(jì)施工風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)高，施工難度大，在巖性接觸帶處極易出現(xiàn)塌方及涌水事故。

2 坍塌情況

2012年3月13日隧道進(jìn)口掌子面DK441+055里程處爆破后發(fā)生拱頂坍塌，現(xiàn)場(chǎng)人員及時(shí)撤離未出現(xiàn)傷亡事故，經(jīng)過勘察坍塌處為巖性接觸帶，圍巖為寒武系下統(tǒng)荷塘組碳質(zhì)頁(yè)巖夾煤干石，中間夾層為強(qiáng)風(fēng)化頁(yè)巖，局部風(fēng)化成土狀，坍塌后伴有大量的裂隙水涌出，平均每天流水量約1 500 m3，拱頂坍塌成一個(gè)倒V字型，塌方體沿線路方向長(zhǎng)度約3 m，垂直線路方向?qū)挾燃s為10 m，塌方體高度約6 m。

3 處理方案選擇

事發(fā)后項(xiàng)目部與設(shè)計(jì)、業(yè)主、監(jiān)理單位對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了勘察，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)計(jì)給出塌腔內(nèi)預(yù)埋泵管，采用洞身長(zhǎng)管棚越過坍塌區(qū)后利用泵送混凝土對(duì)塌腔回填的方案。考慮到管棚鉆機(jī)租賃調(diào)運(yùn)耗時(shí)且洞身管棚施工復(fù)雜，將貽誤坍塌段處理的最佳時(shí)機(jī)，圍巖應(yīng)力釋放后極易引起二次坍塌，存在較大的安全隱患，并且嚴(yán)重制約工程施工進(jìn)度。

為充分利用現(xiàn)場(chǎng)現(xiàn)有的設(shè)備及材料，研究確定經(jīng)濟(jì)、安全、快速的處理方案，項(xiàng)目部施工人員集思廣益，根據(jù)洞身長(zhǎng)管棚超前支護(hù)的作用原理，研究提出超前小導(dǎo)管加帽檐式鋼架組合的超前支護(hù)方式進(jìn)行塌方段施工處理，即對(duì)坍塌區(qū)裸露圍巖進(jìn)行噴射混凝土封閉后，打設(shè)超前小導(dǎo)管注漿加固前方圍巖，制作安裝帽檐式鋼架，鋪設(shè)鋼筋網(wǎng)片，預(yù)埋泵管，噴射混凝土封閉如此循環(huán)施工穿越坍塌區(qū)，該方案獲得批準(zhǔn)，如圖1所示。

圖1 超前小導(dǎo)管加帽檐式鋼架組合超前支護(hù)方式施工示意圖

4 施工方法

4.1 施工工序

施工工序?yàn)椋菏┕で皽?zhǔn)備→坍塌區(qū)初噴→超前小導(dǎo)管施工→帽檐式鋼架制作→帽檐式鋼架安裝→鋼筋網(wǎng)片安裝→預(yù)埋泵管埋設(shè)→噴射混凝土施工→下一循環(huán)施工→坍塌區(qū)混凝土回填。

4.2 坍塌區(qū)裸露圍巖初噴

初噴的厚度控制在5～10 cm，由于部分坍塌面有滲流水，噴射混凝土拌合之前通知試驗(yàn)室調(diào)整施工配合比，將原配合比（水泥∶砂∶細(xì)骨料∶水 ∶減水劑 ∶速凝劑為 442∶862∶850∶190∶4.42∶13.26）中水泥和速凝劑用量適當(dāng)調(diào)整，調(diào)整后的配合比為 485∶835∶830∶190∶4.78∶18.4。

考慮到施工人員的施工安全，將噴漿頭進(jìn)行加長(zhǎng)改進(jìn)，施工人員站在開挖臺(tái)架上對(duì)坍塌裸露面進(jìn)行噴射混凝土施工。

4.3 超前雙層小導(dǎo)管施工

1） 小導(dǎo)管加工

小導(dǎo)管采用φ50壁厚4 mm的熱軋無(wú)縫鋼管，導(dǎo)管單根長(zhǎng)4.5 m，小導(dǎo)管的間距為30 cm，由于小導(dǎo)管穿越坍塌空腔區(qū)，因此懸空段不留注漿孔，嵌入圍巖段設(shè)孔徑為10 mm，孔間距15 cm的注漿孔，呈梅花形布置。

2） 鉆孔施工

小導(dǎo)管在打孔前，按設(shè)計(jì)要求劃出小導(dǎo)管的位置，并標(biāo)明清楚。采用鑿巖風(fēng)鉆打孔，成孔直徑φ60，孔口鉆眼偏差小于50 mm。每間隔一榀鋼架打設(shè)一循環(huán)超前小導(dǎo)管，小導(dǎo)管在坍塌區(qū)形成一個(gè)棚式的緩沖結(jié)構(gòu)。

3）小導(dǎo)管安裝及孔口密封處理

“沉魚落雁”是形容女子容貌非常美麗的意思，是一種夸張的修辭方法，魚兒見到美女就為之沉到水底，大雁見到美女就為之降落到沙洲。可見這個(gè)成語(yǔ)不是說(shuō)“要把魚兒沉到水里去，要把大雁打到地上來(lái)”，而是說(shuō)美人長(zhǎng)得太美了，容貌美得“使得魚兒沉到水里去，使得大雁從天上落到地上來(lái)”。可以看出這個(gè)成語(yǔ)中“沉”和“落”這兩個(gè)動(dòng)作行為的發(fā)出者是“魚”和“雁”。

小導(dǎo)管用鉆機(jī)頂進(jìn)，打入后用高壓風(fēng)將小導(dǎo)管內(nèi)砂石等吹出，小導(dǎo)管尾部置于鋼架腹部，增加共同支護(hù)能力，導(dǎo)管穿越坍塌區(qū)后深入掌子面巖中深度不小于1.5 m，在小導(dǎo)管嵌入掌子面末端處焊上φ6加勁箍再用膠泥麻筋纏箍成楔形，使小導(dǎo)管外壁與孔巖壁間隙堵塞嚴(yán)密，靠近鋼架端小導(dǎo)管尾部設(shè)止?jié){塞，超前小導(dǎo)管安裝如圖2所示。

圖2 超前小導(dǎo)管安裝示意圖

4） 小導(dǎo)管注漿

注漿采用水泥漿液水灰比為1∶1（重量比），注漿材料滿足下列要求：漿液的流動(dòng)性好，易注入地層；固結(jié)后收縮小，具有良好的黏結(jié)力和較高的早期強(qiáng)度；結(jié)石體透水性低，抗?jié)B性能好等。

注漿前應(yīng)進(jìn)行壓水試驗(yàn)，檢測(cè)機(jī)械設(shè)備是否正常，管路連接是否正常，為加快注漿速度和發(fā)揮設(shè)備效率，可采用群管注漿（每次3～5根）。導(dǎo)管孔口應(yīng)達(dá)到密閉標(biāo)準(zhǔn)，以防漏漿，然后采用注漿機(jī)注漿，注漿壓力為0.5～1.0 MPa，注漿量達(dá)到設(shè)計(jì)注漿量或當(dāng)注漿壓力達(dá)至設(shè)計(jì)終壓不少于20 min，進(jìn)漿量仍達(dá)不到注漿終量時(shí)，便可結(jié)束注漿。注漿結(jié)束后，將管口封堵，以防漿液倒流管外。

4.4 帽檐式鋼架制作及安裝

1）帽檐式鋼架制作

為了確保隧道結(jié)構(gòu)整體安全，增強(qiáng)支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)采用I22a工字鋼作為初期支護(hù)鋼架，鋼架間距為0.4 m，支護(hù)鋼架加工應(yīng)考慮預(yù)留變形量及帽檐鋼架安裝空間，故將鋼架半徑調(diào)整為7.4 m，增大了40 cm。上臺(tái)階的鋼架按照3節(jié)進(jìn)行加工，鋼架之間采用連接板及螺栓進(jìn)行連接，連接板的厚度為16 mm，尺寸為280 mm×280 mm，各單元采用M27、6.8級(jí)高強(qiáng)度螺栓連接；帽檐鋼架采用與主體鋼架同等材料I22a工字鋼制作，長(zhǎng)度為1 m；垂直焊接在支護(hù)鋼架上，焊接長(zhǎng)度為110 mm，采用雙面滿焊，帽檐鋼架間采用φ22鋼筋網(wǎng)片進(jìn)行鋪設(shè)，鋼筋網(wǎng)片的間距為5 cm×5 cm，鋼筋網(wǎng)片和帽檐鋼架之間采用焊接的方式進(jìn)行連接，如圖3所示。

圖3 帽檐式鋼架示意圖

2）帽檐式鋼架安裝

第一榀帽檐式鋼架架立安裝時(shí)，利用原有初支面進(jìn)行鋼架支立，采用裝載機(jī)配合人工進(jìn)行，施工人員站在已經(jīng)支護(hù)完的初支面下，先將鋼架平移至開挖臺(tái)架上，人工將鋼架架設(shè)在設(shè)計(jì)的位置，然后采用鋼管進(jìn)行支撐，同時(shí)連接鋼架之間的連接螺栓，螺栓連接完畢后打設(shè)鎖腳鋼管，鎖腳鋼管長(zhǎng)度為5 m，鎖腳鋼管與鋼架采用φ22的U型鋼筋連接。

4.5 坍塌區(qū)空腔泵管的埋設(shè)

由于坍塌處在初期支護(hù)背后會(huì)形成空洞，對(duì)隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生嚴(yán)重的安全隱患，坍塌空腔必須采用混凝土或者其他輕型材料填充密實(shí)，鋼架支立時(shí)需在鋼架上事先預(yù)留泵送混凝土的泵管，泵管沿線路方向布置埋設(shè)3根，長(zhǎng)度分別為1 m、6 m、3 m；泵管與鋼架采用焊接連接，如圖4所示。

圖4 泵管埋設(shè)示意圖

4.6 坍塌區(qū)混凝土泵送回填

鋼架支立完畢后立即進(jìn)行噴射混凝土的施工。噴射混凝土的配合比仍然采用初噴時(shí)的配合比，加大噴射混凝土的粘結(jié)力和凝固速度。第一榀帽檐式鋼架施工時(shí)，施工人員站在已支護(hù)完的鋼架下進(jìn)行噴射混凝土施工，下榀帽檐式鋼架施工時(shí)，施工人員站在第一榀鋼架的帽檐下施工，以此循環(huán)施工將坍塌區(qū)安全穿越。待初支混凝土封閉后，對(duì)空腔區(qū)進(jìn)行混凝土泵送施工。

考慮到一次性填充完畢混凝土對(duì)鋼架的壓力太大，帶來(lái)次生安全隱患，施工中應(yīng)分3次填充坍塌空腔，第一層通過1 m的預(yù)埋泵管向空腔內(nèi)泵送1 m高的C20混凝土，待第一層混凝土泵送完成3 d后通過3 m的預(yù)埋泵管向空腔內(nèi)泵送第二層混凝土，待混凝土凝固后通過6 m的預(yù)埋泵向空腔內(nèi)泵送細(xì)沙，將整個(gè)坍塌空腔回填密實(shí)。

4.7 坍塌區(qū)處理施工要點(diǎn)

1）塌方區(qū)必須基本穩(wěn)定后方可對(duì)坍塌體進(jìn)行清理，并及時(shí)對(duì)裸露圍巖進(jìn)行初噴，減少圍巖的風(fēng)化程度，避免二次坍塌事故發(fā)生。

2） 由于坍塌體發(fā)生伴隨著大量裂隙水的涌出，因此進(jìn)行初噴時(shí)要加大噴射混凝土的水泥和速凝劑用量，加快噴射混凝土的凝固速度。

3）對(duì)坍塌區(qū)支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)加強(qiáng)并且加大預(yù)留沉降量。

4）初期支護(hù)施工完畢后及時(shí)對(duì)坍塌空腔進(jìn)行混凝土回填，使混凝土與坍塌腔壁圍巖有效結(jié)合，避免拱頂再次坍塌對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生被動(dòng)壓力。

5）塌腔內(nèi)混凝土必須分層泵送回填，禁止一次性泵送到位，減少混凝土對(duì)初期支護(hù)鋼架的壓力，產(chǎn)生次生安全隱患。

6）施工過程中必須加大掌子面區(qū)域內(nèi)的初期支護(hù)監(jiān)控頻率，如果發(fā)現(xiàn)沉降量較大時(shí)應(yīng)及時(shí)停止施工并采取相應(yīng)的措施。

7） 隧道施工過程中要加強(qiáng)隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，根據(jù)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工。

5 結(jié)語(yǔ)

棋盤山隧道進(jìn)口拱頂小范圍坍塌區(qū)成功的穿越，充分驗(yàn)證了超前小導(dǎo)管加帽檐式鋼架組合超前支護(hù)施工方法的可行，并且獲得了較好的工程效果，希望對(duì)類似工程起到一定借鑒作用。

[1] 張志恒.合肥至福州鐵路客運(yùn)專線（閩贛段）土建工程HFMG-2標(biāo)總體實(shí)施性施工組織設(shè)計(jì)[R].大連：中交一航局第三工程有限公司，2010.

[2]關(guān)書寶.隧道工程施工要點(diǎn)集[M].北京：人民交通出版社，2003：371-372.

[3] 俞文生，彭蓉蓉.九嶺山高地應(yīng)力板巖隧道坍塌處理技術(shù)[J].公路隧道，2008（3）：21-24.

[4] 孫立功.隧道工程[M].成都：西南交通大學(xué)出版社，2008：157-158.