小斷面軟巖隧道突水涌泥綜合處治技術(shù)

方 良，劉同山，高 巍

(黃河建工集團(tuán)有限公司，河南 鄭州 450000)

1 工程概況

隧洞工程施工越來(lái)越多，難免會(huì)遇到一些不良地質(zhì)，如巖溶、斷層、軟弱帶，一旦施工不當(dāng)，極易出現(xiàn)大規(guī)模塌方冒頂事故[1]，直接影響到工程施工質(zhì)量、進(jìn)度及造價(jià)。注漿加固是目前較為常見(jiàn)的塌方治理方法之一[2-5]。

目前，隧洞塌方處理常見(jiàn)有設(shè)置管棚、小導(dǎo)管注漿、旋噴技術(shù)、冰凍等處理方法，以管棚最為常見(jiàn)[6-10]。本文以大唐林州2×300 MW級(jí)熱電機(jī)組引水隧道突水涌泥施工實(shí)踐為例，在管棚法、小導(dǎo)管注漿法的基礎(chǔ)上，通過(guò)實(shí)踐，引入部分礦用設(shè)備，摸索出一種新的隧道突水涌泥綜合處治技術(shù)。

大唐林州2×300 MW級(jí)熱電機(jī)組引水隧道長(zhǎng)3 786.5m(進(jìn)口樁號(hào)K0+000，出口樁號(hào)K3+786.5)，洞身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為2.5 m(寬)×3 m(高)城門(mén)洞形。出口段圍巖為第四系沖洪積(al+plQ4)、沖積(alQ4)形成的黏性土夾碎石等松散堆積物。下覆基巖中發(fā)育有林州斷裂帶，與洞線(xiàn)呈大角度相交。該洞段圍巖為Ⅴ類(lèi)，圍巖松散，極不穩(wěn)定，塊石多，施工極其困難。隧道出口段施工至K3+402處，洞頂首次突水涌泥，涌出45 m3左右，坍體淤泥中夾雜著大量碎石塊。裝載機(jī)清理淤泥過(guò)程中又多次出現(xiàn)涌泥現(xiàn)象，最多一次涌出60 m3，當(dāng)清理至樁號(hào)K3+416處地表出現(xiàn)沉陷，至此累計(jì)清理淤泥夾石約2 566 m3。

如圖1所示，首次涌水突泥出現(xiàn)在樁號(hào)K3+408至K3+402之間。此時(shí)，混凝土襯砌已施工至樁號(hào)K3+418，混凝土底板已澆筑至樁號(hào)K3+408，一次支護(hù)已達(dá)樁號(hào)K3+402(其中樁號(hào)K3+408至K3+402一次支護(hù)已破壞)。涌泥處隧道頂拱至地表距離約70 m，地表塌坑直徑約12 m，深約10 m。塌坑體積約為πr2h=3.14×62×10=1 130 m3，清理淤泥約2 566 m3,則洞頂塌方坍體內(nèi)必有約1 436 m3的松土空腔。

圖1 塌方區(qū)縱向剖面圖

2 處理過(guò)程

2.1 方案選擇

方案1：凍結(jié)法，經(jīng)初步預(yù)算，造價(jià)太高，遂放棄。

方案2：高壓旋噴施做超前預(yù)支，然后開(kāi)挖，初次支護(hù)、二次襯砌跟進(jìn)。由于洞徑較小，高壓旋噴設(shè)備進(jìn)不去，遂放棄。

方案3：小導(dǎo)管注漿配合管棚作為超前預(yù)支護(hù)，然后開(kāi)挖，初次支護(hù)及二次襯砌跟進(jìn)。經(jīng)過(guò)實(shí)踐，此方案存在以下問(wèn)題：①管棚工作室所需空間較大，而安設(shè)區(qū)域處于危險(xiǎn)區(qū)域，不能開(kāi)挖較大空間，潛孔鉆機(jī)機(jī)械臂擺不開(kāi)造成成孔困難；②塌方段泥夾石黏性較大且裹挾鉆桿造成成孔困難。遂被迫放棄管棚施工方案。

方案4：掌子面及洞壁四周?chē)鷰r加密小導(dǎo)管注漿做超前預(yù)支護(hù)，開(kāi)挖后立即對(duì)掌子面噴漿防止掌子面出水坍塌，然后對(duì)洞壁打錨桿掛網(wǎng)立工字鋼拱架?chē)姖{，二次襯砌跟進(jìn)。經(jīng)實(shí)踐，此方法存在以下問(wèn)題：掌子面開(kāi)挖后，形成臨空面，臨空面多處出水，噴漿根本噴不上去，而且會(huì)隨機(jī)形成流水通道，在水的沖刷下會(huì)越?jīng)_越大，形成更大臨空面，在很短的時(shí)間內(nèi)惡性循環(huán)，沖下來(lái)的淤泥將開(kāi)挖過(guò)后準(zhǔn)備立拱架的位置掩埋，根本無(wú)法立拱架。隨著不斷沖刷，內(nèi)部形成的流水通道隨時(shí)可能被掉落下來(lái)的淤泥堵塞，積水迅速在原流水通道內(nèi)集結(jié)，隨時(shí)可能產(chǎn)生新一輪更大規(guī)模涌泥，產(chǎn)生新的通道。此方法經(jīng)實(shí)踐后行不通。

方案5：在方案4的基礎(chǔ)上，當(dāng)開(kāi)挖過(guò)后，迅速將荊條布滿(mǎn)整個(gè)掌子面及洞壁四周，部分已形成的流水通道，必須立即用荊條塞滿(mǎn)通道，過(guò)水不過(guò)砂石，形成反濾層，這樣就不會(huì)越?jīng)_越大，使流水通道相對(duì)固定。布滿(mǎn)荊條的掌子面及洞壁四周用鋼筋網(wǎng)片緊貼，鋼筋網(wǎng)片用幾根單體液壓柱頂死，保持掌子面及洞壁四周穩(wěn)定，然后對(duì)開(kāi)挖后的洞壁施做錨桿立拱架?chē)姖{。為確保已施做的初次支護(hù)有足夠的強(qiáng)度剛度，使用25U型鋼作為初次支護(hù)的勁性骨架。預(yù)留排水孔，然后二次襯砌跟進(jìn)，遵循短開(kāi)挖強(qiáng)支護(hù)的原則，步步為營(yíng)，最終通過(guò)塌方涌泥段。

2.2 突水涌泥處理段整體思路

突水涌泥段分兩段分別處理：

第一段為樁號(hào)K3+416至樁號(hào)K3+408(如圖2所示)，此段由于初次支護(hù)沒(méi)有被破壞，出水量小，出水通道穩(wěn)定，相對(duì)容易處理。第一步，在掌子面打入小導(dǎo)管并注漿，進(jìn)行固結(jié)，形成“塞”狀固結(jié)體，抵抗塌陷荷載形成的推力，防止掌子面坍體再次被推出；第二步，開(kāi)挖部分“塞”狀固結(jié)體，留足剩余固結(jié)體繼續(xù)抵抗塌陷荷載；第三步，進(jìn)行下一循環(huán)，開(kāi)挖初次支護(hù)達(dá)到3 m，施做混凝土二次襯砌，直至施工至樁號(hào)K3+408。

圖2掌子面坍體小導(dǎo)管布置剖面圖圖3掌子面坍體小導(dǎo)管及頂拱超前小導(dǎo)管布置剖面圖

第二段為樁號(hào)K3+408至樁號(hào)K3+374(如圖3所示)，此段出水量大，出水通道不定，極難處理。第一步將掌子面及洞頂打入小導(dǎo)管并注漿，形成超前支護(hù)；第二步，開(kāi)挖掌子面，進(jìn)尺要求很短，兩榀U型鋼拱架的距離即可，留足夠的固結(jié)體繼續(xù)支撐頂部荷載；第三步，將掌子面及開(kāi)挖過(guò)的洞壁四周立即用荊條緊貼，已形成流水通道的立即用荊條塞滿(mǎn)流水通道，然后布滿(mǎn)荊條的掌子面及洞壁四周用鋼筋網(wǎng)片緊貼，鋼筋網(wǎng)片用幾根單體液壓柱頂死，保持掌子面及洞壁四周穩(wěn)定；第四步，將洞壁四周的液壓柱移開(kāi)，迅速立上U型鋼拱架，然后用單體液壓柱頂死U型鋼拱架，然后打錨桿掛網(wǎng)噴漿，形成初次支護(hù)；第五步，進(jìn)行下一循環(huán)開(kāi)挖與初次支護(hù) ，直至進(jìn)尺達(dá)到3 m，施做二次襯砌，然后進(jìn)行下一循環(huán)，一步一步通過(guò)突水涌泥段。

3 施工工藝

3.1 樁號(hào)K3+416至樁號(hào)K3+408施工工藝

施工流程圖如圖4所示。

圖4 施工流程圖

3.1.1打坍體小導(dǎo)管

(1)小導(dǎo)管制作

小導(dǎo)管采用Ф42熱軋無(wú)縫鋼花管，壁厚3.5 mm，長(zhǎng)度6 m，小導(dǎo)管一端做成20 cm的封閉尖頭，另一端留1 m不做任何處理(防止?jié){液從掌子面溢出)，其余全部鉆直徑1 cm過(guò)漿孔，成梅花型布置，環(huán)向設(shè)置四個(gè)孔，如圖5所示。

圖5 小導(dǎo)管加工大樣圖

(2)小導(dǎo)管布置

小導(dǎo)管采用Φ42小導(dǎo)管注漿，梅花型布置，間距60 cm，長(zhǎng)度6 m。

(3)打小導(dǎo)管

成孔設(shè)備采用TY-28型氣腿式鑿巖機(jī)，Φ50 mm鉆頭，成孔后埋入小導(dǎo)管，外露20 cm，便于噴漿后與注漿管路連接。此段軟巖易塌孔段，可以直接在短鉆頭上安裝套管，直接將小導(dǎo)管打入。

3.1.2 小導(dǎo)管注漿

(1)漿液的選用材料和配比

漿液材料采用水泥水玻璃雙液漿，水泥采用42.5級(jí)的普通硅酸鹽水泥，水玻璃采用波美度Be'=40的水玻璃。水泥漿水灰比=1 ∶1；水泥漿:水玻璃漿液=1 ∶1。注漿壓力為0.5 MPa，注漿過(guò)程中采用注漿壓力和注漿量進(jìn)行雙控，以確保注漿效果。

(2)單孔注漿量計(jì)算

單孔注漿量按照式(1)計(jì)算：

Q=3.14r2Hnβ

(1)

式中：Q為單孔注漿量，m3；r為漿液擴(kuò)散半徑，取0.3 m；H為注漿孔深度，取6m；n為圍巖體積裂隙率，取8%；β為漿液在裂隙內(nèi)的有效充填系數(shù)，取0.8。

計(jì)算得Q=3.14r2Hnβ=0.108 6 m3,即108.6 L。

(3)注漿施工

根據(jù)水泥-水玻璃試驗(yàn)數(shù)據(jù)，如表1所示。

表1 水泥水玻璃漿液初凝終凝時(shí)間

由表1可知：水泥漿水灰比=1 ∶1、水泥漿:水玻璃漿液=1 ∶1的水泥水玻璃漿液初凝時(shí)間約為30 min。即在30 min內(nèi)，向注漿孔內(nèi)注入108 L漿液，根據(jù)實(shí)際地質(zhì)情況，完全可行。

注漿順序采用自下而上，從無(wú)水少水的地段向有水多水處進(jìn)行。注漿時(shí)，將兩個(gè)進(jìn)漿管分別插入水泥漿和水玻璃漿容器內(nèi)，打開(kāi)閥門(mén)啟動(dòng)注漿泵注漿，通過(guò)終壓漿液吸入量、終壓力實(shí)行雙控，確保注漿效果。

3.1.3 開(kāi)挖掌子面

利用挖掘機(jī)開(kāi)挖坍體，用裝載機(jī)出渣，開(kāi)挖到2 m，停止開(kāi)挖。再進(jìn)行下一循環(huán)(打小導(dǎo)管-注漿-開(kāi)挖)，當(dāng)開(kāi)挖達(dá)到3 m，施做混凝土二次襯砌。

3.1.4 混凝土襯砌

由于塌方段地下水豐富，周邊圍巖受到地下水浸泡變軟，為確保二次襯砌施作后的穩(wěn)定性，滿(mǎn)足施工要求，軟弱底板基礎(chǔ)采用厚度50 cm強(qiáng)度C25砼片石混凝土進(jìn)行換填處理。混凝土襯砌結(jié)構(gòu)按照原施工圖紙進(jìn)行。

塌方段襯砌遵循短開(kāi)挖強(qiáng)支護(hù)原則，原則上每12 m一循環(huán)襯砌，經(jīng)專(zhuān)家論證特殊地段襯砌長(zhǎng)度也可3 m、6 m(襯砌與襯砌之間施工縫用預(yù)埋Φ25連接筋連接，環(huán)向間距30 cm)，以保證塌方段施工安全。

3.2 樁號(hào)K3+408至樁號(hào)K3+374施工工藝

施工流程圖如圖6所示。

圖6 施工流程圖

3.2.1 打小導(dǎo)管

此段小導(dǎo)管分為超前小導(dǎo)管和坍體小導(dǎo)管。頂拱和側(cè)壁超前小導(dǎo)管采用Φ42小導(dǎo)管注漿，環(huán)向間距30 cm，長(zhǎng)度6 m，外插角5°～7°。坍體小導(dǎo)管采用Φ42小導(dǎo)管注漿，梅花型布置，間距60 cm，長(zhǎng)度6 m。

3.2.2 小導(dǎo)管注漿

與樁號(hào)K3+416至樁號(hào)K3+408做法相同。

3.2.3 開(kāi)挖掌子面

人工利用大風(fēng)鎬對(duì)注漿坍體進(jìn)行開(kāi)挖60 cm。

3.2.4 “搶”做荊條反濾層

開(kāi)挖過(guò)后，立即用荊條貼封掌子面及洞壁四周，已形成流水通道的立即用荊條塞滿(mǎn)流水通道，然后將布滿(mǎn)荊條的掌子面及洞壁四周用鋼筋網(wǎng)片緊貼，鋼筋網(wǎng)片用單體液壓柱(數(shù)量根據(jù)實(shí)際情況而定)頂死，保持掌子面及洞壁四周穩(wěn)定。

3.2.5 立U型鋼，打錨桿掛網(wǎng)

移開(kāi)洞壁四周液壓柱，立即架設(shè)25U型鋼間距50 cm，然后用礦用液壓柱頂死(如圖7所示)，防止U型鋼在土壓力下移位。接著安設(shè)2 m長(zhǎng)錨桿(Ф22螺紋鋼,環(huán)向間距1 m,排距0.5 m)、鋼筋網(wǎng)(間距15 cm×15 cm)，并在拱腳上1m處斜向下打設(shè)鎖腳錨管(Ф42熱軋無(wú)縫鋼管，長(zhǎng)度2 m,壁厚3.5 mm)，并注入砂漿。

圖7 臨時(shí)支撐

3.2.6 噴混凝土

采用C20的混凝土將洞壁四周?chē)娭猎O(shè)計(jì)厚度23 cm，U型鋼作為勁性骨架。

3.2.7 混凝土襯砌

與樁號(hào)K3+416至樁號(hào)K3+408做法相同。做完混凝土襯砌然后下一循環(huán)，直到通過(guò)塌方段。

3.3 地表塌坑處理

塌坑的回填在坍體通過(guò)后采用外購(gòu)三合土(三合土采用生石灰粉、黏土、砂為原料，體積比為1 ∶2 ∶3)夯實(shí)回填以防地表水的滲入?；靥钋?，洞內(nèi)停止作業(yè)，回填結(jié)束查檢驗(yàn)安全后方可繼續(xù)作業(yè)。

4 結(jié)語(yǔ)

該突水涌泥處理從樁號(hào)K3+416正式動(dòng)工，至樁號(hào)K3+374結(jié)束，工期31 d，完成突水涌泥區(qū)掘進(jìn)42 m。在處理塌方過(guò)程中，未出現(xiàn)過(guò)任何安全質(zhì)量事故，順利通過(guò)塌方危險(xiǎn)段，圓滿(mǎn)完成任務(wù)。在處理過(guò)程中，有以下創(chuàng)新點(diǎn)：

(1)荊條配合鋼筋網(wǎng)片與礦用單體液壓柱封堵淤泥，過(guò)水不過(guò)砂石，形成反濾層，防止流水通道越?jīng)_越大，惡性循環(huán)，確保流水通道相對(duì)固定，給下一道工序提供足夠時(shí)間保障。

(2)引入礦用設(shè)備單體液壓柱。礦用單體液壓柱強(qiáng)度剛度足夠大，更主要的是其能升能降，任意調(diào)節(jié)，小巧靈活，操作簡(jiǎn)單，在“搶”時(shí)間的過(guò)程中發(fā)揮主要作用。特別是在開(kāi)挖過(guò)后U型鋼施做之前，起到了抵抗荷載的主要作用。如若發(fā)現(xiàn)某部位淤泥有涌出征兆，立即用荊條配合鋼筋網(wǎng)片用單體液壓柱頂死，搶險(xiǎn)效果較好。

(3)引入礦用設(shè)備U型鋼。25U型鋼強(qiáng)度剛度大，作為初次支護(hù)的勁性骨架，能夠承受足夠大的荷載。

(4)小導(dǎo)管注漿、荊條、單體液壓柱、U型鋼，使用的設(shè)備材料小巧靈活，能夠在施工空間有限的情況下運(yùn)用，避開(kāi)了大型設(shè)備無(wú)法操作的弊端。

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