不良地質(zhì)段礦山井巷大塌方“薄殼法”施工工法研究

劉 剛，申 會

（1.浙江省隧道工程公司，浙江杭州310030；2.浙江省第七地質(zhì)大隊(duì)，浙江麗水323000）

不良地質(zhì)段礦山井巷大塌方“薄殼法”施工工法研究

劉 剛*1,2，申 會1,2

（1.浙江省隧道工程公司，浙江杭州310030；2.浙江省第七地質(zhì)大隊(duì)，浙江麗水323000）

礦山巷道掘進(jìn)過程中，常常會遇到大斷層等不良地質(zhì)或破碎帶，大塌方不可避免時，就需要研究處理對策?！氨しā惫しㄊ俏夜径嗄甑V山井巷、隧道施工的技術(shù)總結(jié)，對隧道與地下工程施工大塌方處理具有效率高、工期省、投資少的特點(diǎn)。

薄殼法；預(yù)注漿；長管棚；小導(dǎo)管；圍巖量測

1 概述

某鐵礦運(yùn)輸平巷掘進(jìn)過程中，由于部分不良地質(zhì)影響，掘進(jìn)過程中出現(xiàn)多處軟弱圍巖，巷道開挖至K0+ 419m處時，圍巖右邊拱部發(fā)育有一條厚度大于6m的泥質(zhì)破碎帶，浸水后圍巖變形嚴(yán)重，在巷道出碴過程中，K0+395～K0+419m段圍巖應(yīng)力變化大，拱架整體往巷道凈空發(fā)生位移，隨后形成大規(guī)模塌方，形成拱頂至塌空最高部位19m，兩側(cè)寬度達(dá)13～18m的大塌方，坍塌方量為5700m3，已經(jīng)開挖支護(hù)好的K0+395～K0+ 419m段鋼拱架、錨噴網(wǎng)、超前小導(dǎo)管等初期支護(hù)措施全部損毀，給施工帶來極大難度。我公司針對該巷道塌方處理施工進(jìn)行了科技攻關(guān)，采用了塌方體注漿固結(jié)、塌腔體及時回填、長管棚與小導(dǎo)管預(yù)注漿超前支護(hù)、鋼拱架與錨噴網(wǎng)復(fù)合支護(hù)、等技術(shù)進(jìn)行綜合處理，成功地穿越了軟弱地層大塌方段，取得了滿意效果，并形成了軟弱地層巷道大塌方“薄殼法”施工工法。

2 工法工藝原理

“薄殼法”是充分利用塌方體注漿固結(jié)成薄殼體、塌腔體及時回填、長管棚與小導(dǎo)管預(yù)注漿超前支護(hù)形成的管護(hù)，通過拱架與錨噴網(wǎng)復(fù)合支護(hù)形成結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性；微臺階開挖施工減少了對圍巖的擾動，并通過監(jiān)控量測監(jiān)測結(jié)構(gòu)變形情況。通過以上幾個方面施工技術(shù)的綜合運(yùn)用，確保結(jié)構(gòu)穩(wěn)定和施工安全（圖1）。

3 工法特點(diǎn)

（1）利用注漿加固塌方松散體，使塌方體具有一定的支承和自穩(wěn)能力。

（2）超前支護(hù)與回填混凝土形成殼體，提高了結(jié)構(gòu)抵御塌腔頂部墜落的塌渣形成的沖擊荷載的能力，確保了施工作業(yè)的安全。

（3）塌方體開挖微臺階施工在很大程度上減少了對圍巖的擾動，確保開挖面的穩(wěn)定，施工機(jī)具簡單，施工周期短。

4 工法適用范圍

主要適用于軟弱圍巖巷道塌方處理。

5 施工工藝流程及操作要點(diǎn)

5.1 加固塌方影響段

塌方影響段架設(shè)鋼拱架加固，鋼架采用I18工字鋼，間距50cm/榀；縱向采用?22mm螺紋鋼筋連接，鋼筋環(huán)向間距1.0m，每榀底腳每側(cè)施作4根?32L=4.0m自進(jìn)式錨桿作為鎖腳錨桿。巷道兩側(cè)起拱線以上的半圓拱部位設(shè)L=5.0m@2m×2m的?42mm×4mm小導(dǎo)管和1∶1水泥漿液進(jìn)行固結(jié)灌漿，以加強(qiáng)該段拱頂松馳圈密實(shí)及以上圍巖加固，控制了塌體向后發(fā)展。

5.2 塌方體注漿加固

塌方體注漿加固范圍：巷道底板至頂高程2m，注漿之前對塌方體設(shè)一堵厚20cmC20噴射混凝土墻。

注漿小導(dǎo)管：L=14.0m@2m×2m的?42mm×6mm；

灌漿壓力為0.4～0.6MPa，分級升壓的方法，灌漿漿液采用0.5∶1～1∶1由稀到濃逐級變換。使塌方體提高自穩(wěn)能力以便后期開挖施工。

5.3 塌腔體回填混凝土施工

塌腔體內(nèi)埋設(shè)1根L=10m?120mm混凝土導(dǎo)管和1根L=15m?68mm排氣管，采用HB60混凝土輸送泵對塌腔體進(jìn)行C15混凝土分層回填。

圖1 “薄殼法”塌方處理措施示意圖

5.4 套拱施工

在塌方影響段前方設(shè)套拱，套拱采用C30混凝土，長度為1.0m，厚度70cm，內(nèi)置I18型鋼拱架，間距50cm。

工字鋼拱架由彎曲機(jī)分段冷彎加工，拼裝時控制好拱架的變形和軸線情況。鋼架安裝時與套拱內(nèi)預(yù)留孔口管焊接。

5.5 管棚施工

套拱混凝土強(qiáng)度達(dá)70%設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，進(jìn)行鉆孔施工，管棚參數(shù)如下：

（1）管棚采用熱軋無縫鋼管?89mm，壁厚5mm，管棚長度25m，在拱部范圍內(nèi)30cm間距均勻布孔。

（2）管棚傾角與巷道縱坡成5°～10°夾角，以防管棚鉆孔時由于自重下沉而侵入巷道開挖斷面內(nèi)，從而妨礙巷道的開挖施工。

（3）管棚采用電動液壓潛孔鉆機(jī)鉆孔，在鉆進(jìn)過程中操作平臺必須牢固安全，架立鉆機(jī)時應(yīng)精確定孔位，確保鉆機(jī)鉆桿線與管棚設(shè)計(jì)軸線吻合，在鉆進(jìn)過程中不發(fā)生偏移和傾斜，鉆孔交替進(jìn)行，每鉆完一孔立即頂進(jìn)鋼管，管內(nèi)全長設(shè)排氣管，并伸出管口，鋼管與孔口處間隙封堵密實(shí)，保證注漿時漿液不溢處。

（4）每節(jié)鋼管絲扣連接，絲扣長15cm，同一斷面內(nèi)接頭數(shù)量不超過50%，相鄰鋼管的接頭錯開長度不小于1m，施工時把孔按序編號。

（5）鉆孔采用順序編號(1#～52#)，注將分三序孔注入，注入順序集資為C-S漿、水泥漿。注漿應(yīng)在鉆孔下管完成后立即進(jìn)行，以便在鉆相鄰孔時可作為當(dāng)前注漿孔的檢查孔。所有管棚鋼管均以30號水泥砂漿充填，以加強(qiáng)鋼管的剛度。

5.6 超前注漿小導(dǎo)管施作

管棚注漿加固范圍有限，難于達(dá)到4.0m的加固圈，為此在開挖過程中，需施作小導(dǎo)注漿補(bǔ)強(qiáng)。小導(dǎo)管采用?42mm焊縫鋼管，壁厚4mm，L=5.5m深入塌方體4.0m，在拱部范圍內(nèi)130°均勻布置，間距40cm，外插角41°，搭接長度1.5m。

小導(dǎo)管注漿進(jìn)一步提高塌方體自穩(wěn)能力和超前支護(hù)作用。

5.7 塌方體開挖

開挖與小導(dǎo)管注漿穿插進(jìn)行，即每注一個循環(huán)開挖1.5m(即支護(hù)三榀鋼拱架)。初期支護(hù)與開挖緊跟，即每開挖一個循環(huán)立即立拱掛網(wǎng)噴砼施作初期支護(hù)。

開挖分上、下半斷面短臺階分部施工，臺階長度不超過5m，開挖進(jìn)尺0.5m。因坍方體高度不明，開挖后洞室變形及結(jié)構(gòu)承載力不能較為準(zhǔn)確的計(jì)算，為防止變形過大造成初支結(jié)構(gòu)侵入襯砌凈空，在開挖中預(yù)留20cm的沉降量。

采取手執(zhí)鐵鏟或風(fēng)鎬人工開挖，在有基巖或巨大巖塊露處可采用松支爆破后再人工開挖。上半斷面采用預(yù)留核心土環(huán)形開挖，以保證掌子面的穩(wěn)定與安全。

5.8 塌方體開挖與支護(hù)

下半斷面采用左右錯開馬口形式開挖，馬口錯開長度在3～5m。下半斷面開挖后應(yīng)及時清底施作仰拱，確保初期支護(hù)的及時封閉。

5.9 塌方體支護(hù)

初期支護(hù)采用鋼拱架+錨桿+鎖腳錨桿+鋼筋網(wǎng)+噴射C25砼的復(fù)合支護(hù)體系。

（1）鋼拱架為I18工字鋼，拱架間距按開挖進(jìn)度每0.5m/榀，封閉成環(huán)；縱向采用?22mm螺紋鋼連接，間距1.0m；

（2）鎖腳錨桿采用?22mm螺紋鋼的砂漿錨桿，間距@0.5m×0.5m，L=4.5m；系統(tǒng)錨桿采用?32mm自進(jìn)式錨桿，間距@0.5m×1.0m，L=4.0m；

（3）鋼筋網(wǎng)采用?8mm圓鋼，網(wǎng)間距20cm；

（4）噴射混凝土采用C20砼25cm。

初期支護(hù)應(yīng)在開挖完成后即時施作，要確保支護(hù)體系的及時封閉，即盡早噴砼封閉，減少開挖后圍巖的暴露時間，及時施作仰拱使支護(hù)結(jié)構(gòu)盡快封閉成環(huán)，改善洞室結(jié)構(gòu)的受力條件

施工監(jiān)控量測是新奧法施工的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。監(jiān)測的目的是掌握巷道結(jié)構(gòu)的動態(tài)變形情況，檢驗(yàn)初期支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)的合理性，為修正支護(hù)參數(shù)提供理論依據(jù)，并可指導(dǎo)二次襯砌時間。通過監(jiān)控量測可以掌握圍巖力學(xué)形態(tài)的變化和規(guī)律，掌握支護(hù)的工作狀態(tài)信息并及時反饋，做出工程預(yù)報(bào)，確定施工對策和措施，監(jiān)視險(xiǎn)情，指導(dǎo)施工作業(yè)和確保安全施工。

監(jiān)控量測項(xiàng)目包括初期支護(hù)狀況觀察、周邊位移量測、拱頂下沉量測、圍巖內(nèi)部位移量測、地表下沉觀測、錨桿拉拔試驗(yàn)。

當(dāng)巷道水平位移收斂速度小于0.2mm/d，拱頂下沉、仰拱隆起位移速度小于0.1mm/d時，可以認(rèn)為圍巖已基本穩(wěn)定。二次襯砌按承受部分圍巖壓力考慮，應(yīng)根據(jù)量測結(jié)果確定二襯施作時間。

6 材料與設(shè)備

“薄殼法”塌方處理主要用的材料為型鋼、錨桿、鋼管、水泥、砂、碎石等。主要機(jī)具設(shè)備有攪拌機(jī)、挖掘機(jī)、注漿機(jī)及鋼筋處理設(shè)備等。

7 質(zhì)量控制

7.1 鋼拱架施工

（1）鋼架必須具有足夠的強(qiáng)度和剛度，采用的鋼架內(nèi)型應(yīng)滿足設(shè)計(jì)要求。

（2）鋼架加工尺寸，應(yīng)符合設(shè)計(jì)要求，其形狀與開挖斷面相適應(yīng)。

（3）鋼架基礎(chǔ)必須放在牢固的基礎(chǔ)上，底腳下的虛渣及其他雜物須清理干凈，腳底超挖部分應(yīng)用鋼板支墊。

第三次熔頂發(fā)生在第一道氣環(huán)閉口間隙值較小的第二缸、第三缸，從表1看出，其二、三缸的閉口間隙值是偏小的，與第二次熔頂?shù)脑蝾愃?，其閉口間隙值偏小是造成拉缸、熔頂?shù)母驹颉?/p>

7.2 大管棚施工

（1）孔口管安裝定位要求外插角度正確，導(dǎo)向精確，以便于鉆孔時控制大管棚的前進(jìn)方向，不侵入巷道凈空。

（2）孔口管不得存在彎曲、變形、破損現(xiàn)象，在焊接孔口管前應(yīng)檢測孔口管內(nèi)徑是否符合圖紙要求，防止孔口管內(nèi)徑過大不能精確定向大管棚。

（3）安裝好鋼拱架后應(yīng)重新檢測孔口管的導(dǎo)向是否正確，如果有偏移或角度偏差現(xiàn)象則需進(jìn)行調(diào)整。

（4）在打鉆孔時應(yīng)嚴(yán)格控制孔口管的外插角，按設(shè)計(jì)要求的外插角度打入圍巖。初鉆用低壓頂進(jìn)，以保持方向，防止孔位偏斜。

8 安全措施

（1）配備有力的領(lǐng)導(dǎo)班子，建立健全安全保證體系，使安全工作制度化、經(jīng)?；?，保證施工安全。

（2）認(rèn)真貫徹執(zhí)行國家安全生產(chǎn)的方針政策，對作業(yè)工人進(jìn)行安全教育，牢固樹立“安全第一”的思想，堅(jiān)持“安全生產(chǎn)，預(yù)防為主”的方針。

（3）根據(jù)施工情況，編制詳細(xì)的安全操作規(guī)程、細(xì)則，制定切實(shí)可行的安全措施。做好安全技術(shù)交底工作，主要針對拱架安裝、巷道開挖等方面的安全注意事項(xiàng)進(jìn)行交底。

（4）建立健全安全生產(chǎn)責(zé)任制，設(shè)置和配置專職、兼職安全檢查人員，負(fù)責(zé)日常安全生產(chǎn)巡查。

（5）特種作業(yè)人員做到經(jīng)過專門訓(xùn)練，并考試合格取得主管部門頒發(fā)的特殊工種操作證后方可獨(dú)立操作。

（6）搞好安全三級教育，加大日常安全生產(chǎn)宣傳力度，提高工人安全意識。

（7）易燃易爆物品要遠(yuǎn)離施工現(xiàn)場和居住區(qū)、炸藥庫、油庫等。施工區(qū)域內(nèi)按照有關(guān)防活要求布置臨時設(shè)施，配備足夠數(shù)量的消防器材，并設(shè)立明顯的防火標(biāo)志。

9 環(huán)保措施

（1）在洞口設(shè)污水處理站，采用隔油沉淀池、氣浮設(shè)備和二級生化處理設(shè)施對施工進(jìn)行處理。設(shè)專人值班管理，對沉淀池打撈浮油，以及對巷道污水進(jìn)行處理，直到符合國家規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)再排放。

（2）控制施工注漿使用的水泥、水玻璃的泄露，并對進(jìn)入巷道排放系統(tǒng)中的注漿廢液做凈化達(dá)標(biāo)處理，避免漿液污染洞外居民的生活生產(chǎn)用水。

（3）爆破采用多打孔少裝藥的弱爆破方式，減低爆破振動對周邊居民的影響，控制夜間爆破；洞內(nèi)采用水幕除煙降塵，降低巷道施工隊(duì)大氣的污染。

10 資源節(jié)約

（1）項(xiàng)目部建立健全成本核算制度，做到每月、每季度、每半年、每年成本核算、實(shí)施動態(tài)成本控制，減少不必要的開支。

（2）加強(qiáng)施工調(diào)度，安排好個工序銜接，加快工程進(jìn)度，提高工程效益。

（3）選用經(jīng)驗(yàn)豐富、技術(shù)水平高、專業(yè)化水平強(qiáng)的技術(shù)工人和施工隊(duì)伍，提高工程質(zhì)量，盡量避免由于返工造成的資源浪費(fèi)。

（4）嚴(yán)格材料采購，確保采購合格低廉的施工材料，從而節(jié)約成本。

11 小結(jié)

（1）“薄殼法”大塌方處理工藝是在傳統(tǒng)類似工藝上的改良與綜合，具有較大的適用范圍。經(jīng)使用過的項(xiàng)目施工成本核算，跟其他方法相比，該工法具有節(jié)約投資、處理時間短等特點(diǎn)。

（2）“薄殼法”大塌方處理工藝可靠性較高，降低了大塌方處理的安全系數(shù)，有良好的社會效益。該工法對類似工程有借鑒意義，同樣適用于公路、人防等大斷面隧道掘進(jìn)。

U458.3

A

1004-5716(2015)05-0175-04

2014-11-17

2014-11-19

劉剛（1973-），男（漢族），貴州織金人，高級工程師，現(xiàn)從事礦建施工技術(shù)、爆破、隧道與地下工程施工管理及技術(shù)研究工作。