隧洞塌方段拱架侵占襯砌斷面施工技術(shù)

靳念柱

（遼寧省水利廳，遼寧沈陽110003）

隧洞塌方段拱架侵占襯砌斷面施工技術(shù)

靳念柱

（遼寧省水利廳，遼寧沈陽110003）

文章結(jié)合某輸水隧洞工程塌方的初步原因及臨時(shí)加固措施，這造成嚴(yán)重侵占二次襯砌斷面的原因，重點(diǎn)研究塌方段拱架侵占襯砌斷面的施工工藝及施工方法，取得了良好的工程效果，順利地完成塌方段襯砌施工。希望能為類似工程提供借鑒。

隧洞；塌方；侵占襯砌斷面；拆除拱架；塌方回填

1 工程概況

某輸水隧洞工程主洞為馬蹄形斷面，縱坡i= 3.115%，成洞凈空高H=7.28 m。隧洞在長白山余脈及其支脈龍崗山底部通過，山體走向NE，地勢呈東北高西南低。地貌類型為侵蝕構(gòu)造地形和侵蝕堆積地形，以尖頂狀低山和中低山、鋸齒狀中低山和樹枝狀窄谷地為主，多為侵蝕隆起與斷褶中低山丘陵地形。地面高程一般在460～600 m左右，最大高程720 m。洞室埋深一般為200～340 m，最大埋深470 m，最小埋深160 m。

2 塌方段發(fā)生及臨時(shí)加固處理后果

方段為主洞沿線8號(hào)支洞控制段，塌方范圍樁號(hào)51+434-51+387.464，該段為凝灰?guī)rⅢb類圍巖，于2013年5月30日至2013年6月10日進(jìn)行開挖施工，2013年5月31日至2013年6月14日進(jìn)行初期支護(hù)施工。

2.1 塌方情況

2014年6月15日，施工人員對(duì)8號(hào)洞上游已開挖洞段局部噴射混凝土剝落、裂縫情況進(jìn)行日常排查，排查過程中發(fā)現(xiàn)樁號(hào)51+400拱頂處開始有巖塊掉落的跡象，立即安排人員、機(jī)械進(jìn)行排險(xiǎn)處理，在排險(xiǎn)過程中發(fā)生大量石塊掉落。塌方后立即在塌方洞段設(shè)置了警示范圍，專人指揮防護(hù)進(jìn)行塌方排險(xiǎn)，塌方范圍為：樁號(hào)51+434-51+387.464，排險(xiǎn)后塌方量為506.588 m3。

2.2 塌方原因分析及臨時(shí)加固處理

2.2.1 塌方原因分析

1）該洞段洞室圍巖主要巖性為果松組凝灰質(zhì)粉砂巖、凝灰?guī)r及安山巖、角礫熔巖，以微風(fēng)化為主，為較～中硬巖。節(jié)理較發(fā)育，節(jié)理面多平直光滑，局部起伏粗糙。巖體一般完整性差，地下水一般呈滲～滴水狀態(tài)。

2）該洞段施工期間預(yù)防圍巖變形措施不夠，錨噴支護(hù)體系不配套或施作不到位，變形監(jiān)測不規(guī)范或不及時(shí)，開挖后長時(shí)間未進(jìn)行二次混凝土襯砌。

綜上所述，圍巖節(jié)理較發(fā)育，完整性差是隧洞塌方的內(nèi)因，初期支護(hù)力度不足及施工方法不當(dāng)?shù)纫蛩厥峭庖?，二者共同作用最終造成隧洞大面積塌方。

2.2.2 塌方段臨時(shí)加固處理

為了盡快恢復(fù)前方洞室開挖，減少對(duì)開挖工期影響，按照應(yīng)急修復(fù)原則對(duì)塌方段進(jìn)行初期處理，處理措施如下：①進(jìn)行徹底圍巖排險(xiǎn)，保證圍巖暫時(shí)趨于穩(wěn)定進(jìn)行支護(hù)施工，噴混厚度5 cm，形成封閉穩(wěn)定面；②塌方段支立HW150型鋼支撐，在鋼支撐上方焊接I12型鋼副拱，副拱與圍巖緊貼；③處理范圍從起拱線以上掛φ8@200 mm×200 mm鋼筋網(wǎng)，未塌方部位布設(shè)φ22，L=3000 mm@ 1 500 mm錨桿，梅花形布置，與型鋼支撐焊接牢固；④拱架支立完成后復(fù)噴厚度12 cm混凝土，在塌腔位置埋設(shè)回填管，直徑φ100 mm；⑤在該段增加兩個(gè)監(jiān)控量測斷面，定期觀測圍巖沉降情況，直至穩(wěn)定。

塌方支護(hù)處理于2014年6月24日-2014年7月7日進(jìn)行施工，共支立主拱HW150型鋼支撐45榀、I12工字鋼4榀，塌方回填未施作。

2.3 臨時(shí)加固處理對(duì)后期襯砌的影響

由于開挖施工工期緊迫，為了最大程度保證安全施工，確保施工人員安全，臨時(shí)加固處理時(shí)未對(duì)該洞段進(jìn)行擴(kuò)挖，直接在原IIIb類圍巖開挖及支護(hù)的基礎(chǔ)上增加HW150型鋼支撐進(jìn)行支護(hù)處理，并且復(fù)噴混凝土12 cm，拱架上存有3～5 cm混凝土，造成該段臨時(shí)加固支護(hù)嚴(yán)重侵占二次模注混凝土襯砌凈空，無法保證設(shè)計(jì)襯砌厚度，因此不得不將臨時(shí)加固支護(hù)全部拆除，從而達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

3 塌方段拱架拆除施工方案

為了保證拱架不侵占襯砌斷面，對(duì)拱架進(jìn)行拆除，拆除前對(duì)塌腔進(jìn)行回填襯砌同標(biāo)號(hào)混凝土及砂漿施工，回填混凝土施工完畢待混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后進(jìn)行塌方處小導(dǎo)管注漿，注漿結(jié)束后安設(shè)超前小鋼管加強(qiáng)支護(hù)，然后對(duì)拱架進(jìn)行逐榀拆換，拆除后按Ⅳ類開挖斷面進(jìn)行擴(kuò)挖，并按照Ⅳ類圍巖支護(hù)、襯砌參數(shù)進(jìn)行施工，重新支立HW150鋼拱架，安設(shè)系統(tǒng)錨桿、網(wǎng)片，保證不侵占襯砌斷面，然后進(jìn)行鋼筋綁扎、襯砌施工，最后進(jìn)行回填灌漿。塌方段襯砌整體施工工藝如圖1所示。

3.1 塌腔回填混凝土

利用預(yù)埋設(shè)直徑為φ125 mm的鋼管進(jìn)行分層分段、層段之間預(yù)留一段間隔時(shí)間進(jìn)行泵送回填混凝土，為減少拱架承受力，混凝土回填1 m，然后回填砂漿，形成密實(shí)整體。回填混凝土性能指標(biāo)為C35W12F200，強(qiáng)度等級(jí)與襯砌混凝土相同，砂漿性能指標(biāo)為M10。

1）預(yù)埋回填孔設(shè)置要求

采用直徑為φ125 mm鋼管做為泵送混凝土預(yù)埋管，根據(jù)塌方段長度，按照縱向間距3.0 m設(shè)置斷面，鋼管長度根據(jù)塌腔位置距巖面20 cm，保證回填混凝土及砂漿的施工質(zhì)量。

2）回填混凝土、砂漿施工

圖1 塌方段襯砌整體施工工藝圖

混凝土運(yùn)輸至澆筑點(diǎn)后，應(yīng)保持其勻質(zhì)性，保證混凝土的流動(dòng)性?；炷良吧皾{采用輸送泵泵送回填，將φ125 mm混凝土輸送導(dǎo)管標(biāo)準(zhǔn)接頭與預(yù)埋管進(jìn)行焊接，泵送時(shí)采用軟質(zhì)膠管與導(dǎo)管標(biāo)準(zhǔn)接頭相連接。為保證兩側(cè)混凝土均勻鋪筑，同一斷面上的泵送順序應(yīng)從兩側(cè)到頂拱分層回填。在上一斷面澆筑適量混凝土后，將泵管移至下一斷面進(jìn)行澆筑，保證混凝土可以均勻等高上升。并應(yīng)在回填時(shí)嚴(yán)格控制澆筑混凝土的回填量及間隔時(shí)間進(jìn)行，每次回填厚度為50 cm，間隔時(shí)間不超過混凝土的初凝時(shí)間，使混凝土有一定的自密沉降時(shí)間，保證澆筑密實(shí)?；炷粱靥顑纱魏筮M(jìn)行砂漿回填，砂漿運(yùn)至澆筑地點(diǎn)時(shí)要保證砂漿的流動(dòng)性、保水性、和易性。

為保證將塌腔處空氣排出，1-2，1-3號(hào)管首先為澆筑管，1-1號(hào)為排氣管，待澆筑到拱頂時(shí)，1-1號(hào)為澆筑管，其它斷面預(yù)留管變?yōu)榕艢夤?，預(yù)埋回填孔位置如圖2所示。最后一個(gè)斷面施工時(shí)，臨近設(shè)置一個(gè)排氣管，以最大限度保證回填飽滿，減少空腔。

回填混凝土及砂漿施工完畢后，用干硬性水泥砂漿將預(yù)留管封堵密實(shí)并抹平。

3.2 小導(dǎo)管注漿

為了確保施工安全，回填混凝土施工完畢待混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后進(jìn)行全斷面小導(dǎo)管注漿加固處理，通過小導(dǎo)管注漿，使小導(dǎo)管周圍回填混凝土、圍巖固結(jié)加固穩(wěn)定，保證施工安全。

圖2 預(yù)埋回填孔示意圖

1）小導(dǎo)管布設(shè)及鉆孔

小導(dǎo)管采用φ42熱軋鋼管，長度為5 m，垂直于巖面每榀拱架呈環(huán)形布置，環(huán)向塌方位置延長1 m布設(shè)，環(huán)向間距為1 m，縱向間距為1 m，梅花形布置。測量放點(diǎn)后，采用YT-28型氣腿式鑿巖機(jī)鉆孔，鉆孔直徑為42 mm。鉆孔時(shí)注意不要碰到拱架。管壁每隔10～20 cm交錯(cuò)鉆溢漿孔，梅花形布置，以防止出現(xiàn)死角，孔眼直徑為φ8 mm，尾部1 m范圍內(nèi)不鉆孔以防止漏漿。

2）小導(dǎo)管注漿施工

注漿前檢查噴混面是否進(jìn)行封閉，以防漏漿，并用高壓風(fēng)將小導(dǎo)管內(nèi)的積物進(jìn)行清理，由下至上順序進(jìn)行。灌漿采用普通水泥進(jìn)行灌注，水灰比為1∶1（重量比），灌漿壓力為0.5～1.0 MPa，具體灌漿壓力由現(xiàn)場施工而定，在規(guī)定壓力下，灌漿段的吸漿量不大于0.4 L/min，持續(xù)注漿10 min，灌漿方可結(jié)束。

3.3 超前小鋼管施工

為保障拱架拆除時(shí)拱頂圍巖及回填混凝土的穩(wěn)定性，防止圍巖和回填混凝土的二次塌落，起到一定的棚閉作用，在小導(dǎo)管注漿完成后，進(jìn)行超前小鋼管施工。超前小鋼管采用φ32鋼管，施工長度為4.5 m，按照拱頂180°前后排錯(cuò)開梅花形布設(shè)，沿隧洞縱向向外以10°外插角鉆孔打入圍巖，環(huán)向間距為300 mm，縱向兩排錨桿水平搭接長度為1.5 m。測量放點(diǎn)后，采用YT-28型氣腿式鑿巖機(jī)鉆孔，孔徑為42 mm，錨固劑填充飽滿，鋼管尾部外露長度10 cm～15 cm，設(shè)于鋼支撐頂部，與鋼架焊接牢固，不僅可以保證混凝土的整體連接性，也可保證拱架和超前小鋼管對(duì)混凝土的支撐作用。

3.4 拱架拆除

1）監(jiān)控量測

為保證拆拱施工安全，施工時(shí)在拆除拱架部位每隔5 m處圍巖斷面上布置監(jiān)控量測點(diǎn)，每一斷面共計(jì)布置監(jiān)測點(diǎn)3個(gè)，分別位于拱頂及兩側(cè)拱腰。根據(jù)現(xiàn)場量測數(shù)據(jù)計(jì)算測點(diǎn)位移變化速率，判斷圍巖穩(wěn)定狀況，當(dāng)隧洞周邊變形趨勢有明顯減緩趨勢，則說明隧洞變形基本處于穩(wěn)定狀態(tài)，當(dāng)變化速率過快，說明位移出現(xiàn)反常的急劇增加現(xiàn)象，表面圍巖及支護(hù)已呈不穩(wěn)狀態(tài)，應(yīng)及時(shí)加強(qiáng)支護(hù)并停止作業(yè)，并根據(jù)現(xiàn)場及施工情況進(jìn)行分析。

及時(shí)檢測拱架拆除時(shí)圍巖的收斂變形，通過對(duì)監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析處理掌握圍巖穩(wěn)定變化情況，預(yù)見事故和險(xiǎn)情，及時(shí)調(diào)整施工方法，采用應(yīng)急措施從而保證施工安全。

2）拱架拆除

根據(jù)拱架侵占情況需要對(duì)對(duì)該段范圍內(nèi)的所有拱架進(jìn)行逐榀拆換，拆除過程中必須確保圍巖及回填混凝土穩(wěn)定，保證施工安全。

首先使用破碎錘先拱頂后邊墻的順序逐榀開槽破除混凝土，為防止開槽造成臨空面過大，控制開槽寬度，不得大于50 cm，開槽以破碎錘為主，以人工風(fēng)鎬輔助方式清理拱架附著殘余混凝土；然后割除影響施工的連接筋及錨桿，將襯砌鋼筋臺(tái)架做為換拱臺(tái)車，按照先拱頂后邊墻的順序拆除拱架，每次鑿割一榀拱架，氣割分解已鑿出的拱架，每榀拱架鑿割長度控制在1.5 m左右，逐步拆除，拆除時(shí)設(shè)置臨時(shí)支撐，以免拆除過程中整體失穩(wěn)，拱架拆除的臨時(shí)支撐如圖3所示。

鋼拱架拆除順序：①→②→③→④→⑤

圖3 拱架臨時(shí)支撐圖

3.5 斷面擴(kuò)大開挖

鑒于該塌方段圍巖節(jié)理發(fā)育，完整性差，同時(shí)加大預(yù)留圍巖變形量，對(duì)該段二次混凝土襯砌加強(qiáng)支護(hù)，由原IIIb類圍巖變更為Ⅳ類圍巖支護(hù)，確保襯砌質(zhì)量。拱架拆除后，測量人員及時(shí)放樣，標(biāo)出Ⅳ類圍巖的設(shè)計(jì)開挖輪廓線進(jìn)行擴(kuò)挖，采用破碎錘進(jìn)行噴射混凝土鑿除及圍巖擴(kuò)挖并通過人工采用風(fēng)鎬進(jìn)行修整處理；處理時(shí)按照寧大勿小的原則，確保換拱后襯砌混凝土厚度能夠滿足Ⅳ類圍襯砌設(shè)計(jì)要求。

3.6 重新支立拱架

拱架拆除后及時(shí)進(jìn)行安裝HW150型拱架。拱架安裝前進(jìn)行試拼，檢查尺寸是否正確。拱架安裝按照由邊墻至拱頂?shù)捻樞蚴┕?，拱架安裝時(shí)節(jié)與節(jié)之間螺栓必須連接牢固，必要時(shí)可進(jìn)行焊接加固，拱架底腳必須坐落在堅(jiān)硬巖石上；拱架支立后，安裝φ22，L=3 000 mm@1 200 mm×1 000 mm系統(tǒng)錨桿加強(qiáng)支護(hù)，拱腳處采用2根φ22，L=3 000 mm鎖腳錨桿鎖死，錨桿端頭做成“L”型與拱架焊接牢固，在拱頂220°范圍內(nèi)掛φ8@200 mm×200 mm鋼筋網(wǎng)片，噴射厚度15 cm，標(biāo)號(hào)C30W10混凝土。

拱架重新安裝后加大監(jiān)控量測頻率，并及時(shí)按照Ⅳ類圍巖進(jìn)行鋼筋綁扎及邊頂拱襯砌施工。襯砌施工時(shí)采用φ40鋼管作為預(yù)留回填灌漿孔，在襯砌混凝土達(dá)到70%強(qiáng)度后方可進(jìn)行回填灌漿。

2）臨時(shí)加固措施考慮不周到，只是一味地考慮加快開挖進(jìn)度，未全面考慮對(duì)后期二次模注混凝土襯砌的影響，致使嚴(yán)重影響二次襯砌施工進(jìn)度。

3）塌方段拱架侵占襯砌斷面處理理念：先回填灌漿塌腔，再小導(dǎo)管加固周邊圍巖，然后超前小鋼管支撐，逐品拆除拱架，擴(kuò)挖斷面，重新支立拱架，最后進(jìn)行二次模注混凝土襯砌。

施工方法成功地解決了隧洞塌方段拱架侵占襯砌斷面的問題，最大程度上降低了拱架拆除施工風(fēng)險(xiǎn),減少對(duì)二次模注混凝土襯砌的影響，滿足隧洞施工的技術(shù)要求和設(shè)計(jì)理念。建議在類似工程施工時(shí)參考借鑒。

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4 結(jié)語

1）隧洞塌方原因：圍巖地質(zhì)條件差；初期支護(hù)力度不足及二次襯砌滯后較長的施工方法不當(dāng)。

1002－0624（2016）09－0016－03

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2016-06-03