破碎巖層帶超大斷面巷道施工工藝研究

張新社， 趙洪顯， 張大乾， 史永安

(金川集團股份有限公司, 甘肅 金昌 737100)

1 前言

金川龍首礦1 340m中段卸礦車場工程是金川集團公司重點技術(shù)改造項目之一。該工程部分掘進斷面分別為10.17m×6.075m、12m×7.6m、13.25m×8.1m，共計掘進長度為110m，支護型式均為雙層噴錨網(wǎng)+雙筋砼。其中噴錨網(wǎng)支護，錨桿采用φ18mm螺紋鋼制作，長度L=2.25m，排間距L=1 000mm×1 000mm，梅花形布置，采用水泥∶砂=1∶1的砂漿全長錨固，錨桿緊固端采用滾壓直螺紋，并配套相應(yīng)的螺帽，墊板為δ=10mm普通鋼板制作的墊板，墊板尺寸為200mm×200mm，金屬網(wǎng)用φ6.5mm鋼筋在地面根據(jù)施工需要焊制，網(wǎng)度150mm×150mm，雙層鋼筋混凝土支護參數(shù)為主筋采用φ25mm的螺紋鋼，間距250mm；副筋采用φ18mm的螺紋鋼，間距250mm；箍筋采用φ8mm的圓鋼，間距750mm；澆筑混凝土強度等級為C40，支護厚度500mm，鋼筋的混凝土保護層厚40mm，鋼筋綁扎連接搭接長度為鋼筋直徑的40倍。這種較大斷面巷道的施工在金川礦山也是極少，在首次方案論證后施工該大斷面時采用上下行分層施工，同時在施工過程中揭露的圍巖情況來看，該地段圍巖為極其破碎的混合巖和片麻巖，并伴有淋水。在巷道掘進時雖然采取了U型鋼拱架+超前管棚+超前預(yù)注漿+短掘短支的掘進工藝，但是巷道斷面跨度較大，在掘進過程中還是發(fā)生了冒落，冒落長度約為9m，預(yù)計總冒落量為1 200m3，處理冒頂時間長達六個月之久。故原有的施工工藝已不能滿足掘進此類大斷面工程的需要，需對原有的施工工藝進行改進。

2 施工總體思路

在破碎巖層條件下大硐室施工，根據(jù)現(xiàn)場作業(yè)條件，工程現(xiàn)場決定采用2m3鏟運機出渣，經(jīng)臨時轉(zhuǎn)載硐室后裝入6m3梭車運至斜坡道翻卸硐室，再經(jīng)汽車通過井下斜坡道運至地表。結(jié)合現(xiàn)場巖層情況和超大斷面施工特點，在確定施工工藝和技術(shù)方案時要重點考慮以下問題。

(1)巷道斷面較大，一次開挖成形或小斷面導(dǎo)硐法施工后再擴刷成形均存在支護不能及時跟進，對施工安全造成較大隱患，這兩種方案均不適用，必須考慮分層施工。

(2)影響巷道穩(wěn)定性的因素：考慮到巖石性質(zhì)和巖體性質(zhì)、巷道布置和開挖順序、巷道規(guī)格尺寸、支護材料和參數(shù)、支護結(jié)構(gòu)形式、施工工藝和施工質(zhì)量等[1]，因此，需要對巖石進行必要的分析和了解，合理確定支護各種參數(shù)顯得尤為重要。

(3)巷道位于破碎巖體中，進行開挖爆破對圍巖震動破壞比較嚴(yán)重，容易出現(xiàn)垮落和巷道過大變形，控制圍巖穩(wěn)定性和提高圍巖自身的強度和承載力是施工的關(guān)鍵[2]。因此，必須采取各種聯(lián)合支護手段，達到先抗后讓、強支弱護、避免松動。

(4)為了保證施工安全順利進行，需要做好材料檢驗、措施到位、人員培訓(xùn)、制度健全等事前控制工作，做好施工機械、施工工序、施工作業(yè)監(jiān)督檢查等事中控制工作，做好隱蔽工程驗收、竣工驗收等事后控制工作，并嚴(yán)格控制爆破，及時進行加固圍巖和支護，嚴(yán)格控制工程質(zhì)量。

3 方案實施

3.1 原方案實施情況

原方案將硐室分為兩層，上分層層高3m，下分層層高3.075m。按照上下分層前后相距2m的要求進行掘進。利用毛石做平臺，施工上分層時先打設(shè)超前管棚，再進行爆破作業(yè)。爆破后，及時進行素噴，噴層厚度為50mm。然后架設(shè)拱頂部分U鋼拱架和噴錨網(wǎng)支護。上分層在前掘3m后，再開始進行下分層的掘進。掘進時，采用短掘短支的掘進方式，每炮進尺保證在1m左右。在下分層掘進結(jié)束后，對施工完的3m巷道進行雙筋混凝土套砼。由于受方案工序的影響，強度較高的雙筋混凝土支護未能及時跟進作業(yè)面，導(dǎo)致發(fā)生冒頂。

3.2 調(diào)整后方案

針對大斷面施工工藝中存在的問題提出了以下的調(diào)整方案：(1)將原方案上下分層更加細(xì)化。把原來的上分層分為1、2開挖區(qū)，下分層分為3、4、5開挖區(qū)。(2)及時跟進強度較大的雙筋混凝土支護。在區(qū)域1、2開挖3m后及時將上分層進行雙筋砼支護，待區(qū)域1、2區(qū)套砼后，再對區(qū)域3開挖并套砼，區(qū)域4開挖并套砼,最后開挖區(qū)域5。(3)繼續(xù)采用原方案中的短掘短支、超前管棚、U鋼拱架等預(yù)防片幫、冒頂措施之外，增加對區(qū)域1、2開挖前的超前預(yù)注漿。(4)每個區(qū)域開挖1m后，并完成一次噴錨網(wǎng)支護，對開挖的每個區(qū)域緊跟壁后注漿穩(wěn)固圍巖。(5)雙筋混凝土襯砌結(jié)束后，再一次對混凝土壁后注漿加固。具體施工工序如圖1所示，圖中區(qū)域1、2、3、4、5為開挖區(qū)。

施工過程中為了保證注漿質(zhì)量和效果，嚴(yán)格按照方案執(zhí)行，采取全過程監(jiān)控，保證每班都有專人在現(xiàn)場監(jiān)控，并如實填寫注漿施工記錄。

圖1 施工工序圖

3.3 施工工藝過程

開挖施工順序：預(yù)注漿→超前管棚→區(qū)域1開挖→左拱支護及邊墻臨時支護→壁后注漿→工字鋼支撐→區(qū)域2開挖→右拱支護→壁后注漿→拱部二次錨網(wǎng)噴支護→區(qū)域3開挖→左邊墻錨網(wǎng)噴支護→壁后注漿→區(qū)域4開挖→右邊墻錨網(wǎng)噴支護→壁后注漿→全斷面雙筋混凝土支護→混凝土壁后注漿撤除支撐立柱→開挖區(qū)域5。以上為一個“掘進—支護”循環(huán)，套砼支護完畢后，進入下一個循環(huán)。每一循環(huán)實施超前預(yù)注漿，支護后實施壁后注漿，注漿前對工作面需施工噴砼止?jié){墊，以防止跑漿。

上分層先掘進區(qū)域1，進尺控制在1m，具備施工空間即可。開挖后，先對工作面及邊墻進行50mm厚的素噴，然后對左拱部施工鋼拱架、錨網(wǎng)噴支護，右邊墻施工臨時單層噴錨網(wǎng)支護，并使用I20a的工字鋼作為立柱支撐拱架。

區(qū)域1施工完畢后，施工區(qū)域2。由于區(qū)域2是冒落區(qū)，故盡量使用風(fēng)鎬開挖，減少爆破，以防止圍巖松動，再次冒落。若風(fēng)鎬無法施工，再進行爆破作業(yè)，但必須控制裝藥量，放小炮，松動巖石后再使用風(fēng)鎬開挖，保證安全。控制進尺在1m，原則上為具備施工空間，能立拱架即可。掘進完畢后，立即進行鋼拱架、錨網(wǎng)噴支護。區(qū)域2支護完畢后，對整個拱部施工二次錨網(wǎng)噴支護。

區(qū)域3和區(qū)域4施工可以爆破掘進，但必須放小炮，開挖后及時支護邊墻。區(qū)域5作為預(yù)留支撐臺，可以不做臨時支護。待全斷面套砼完畢后開挖，區(qū)域3和區(qū)域4的渣石可以作為下一循環(huán)施工平臺。

套砼施工順序：預(yù)注漿→超前管棚→區(qū)域1開挖→左拱支護及邊墻零時支護→壁后注漿→工字鋼支撐→區(qū)域2開挖→右拱支護→壁后注漿→拱部二次錨網(wǎng)噴支護→區(qū)域1、2永久襯砌→區(qū)域3開挖→左邊墻錨網(wǎng)噴支護→壁后注漿→區(qū)域3襯砌→區(qū)域4開挖→右邊墻錨網(wǎng)噴支護→壁后注漿→區(qū)域4永久襯砌邊墻注漿→開挖區(qū)域5→混凝土壁后注漿。

以上施工工藝采用混凝土輸送泵加料，上下接茬處提前預(yù)留鋼筋接頭，并使上下接茬縫成楔形，能夠滿足上下層混凝土緊密接觸，并用混凝土振動棒進行振搗使混凝土密實，同時，最后一?；炷良尤?%的微膨脹劑，減少拱部支護體不均勻沉降和混凝土凝固徐變收縮的問題。

4 采取的主要支護措施

(1)超前預(yù)注漿。上部開挖前，在拱頂和側(cè)幫布置注漿鉆孔，并安裝注漿管進行預(yù)注漿，以起到補強加固圍巖的作用。注漿管采用壁厚6mm的φ32mm無縫鋼管制作，長度3m，一頭加工絲扣，與注漿閥門或快速接頭連接，間距2m，排距2m。注漿材料采用普通水泥漿液，在注漿的初始階段,水泥漿一般采用高濃度比例,水灰比為1∶1, 這是為了便于在巷道輪廓線區(qū)迅速凝固, 后期一般采用低濃度比例,水灰比為3∶1，這一階段的注漿是要起補注、加固、擴大注漿范圍的作用。另外在注漿過程中通過注漿所呈現(xiàn)的壓力及時調(diào)整水泥漿的濃度。

(2)超前管棚。超前管棚支護主要是針對頂部巖石，可有效控制開挖過程中引起頂板巖石松動和進一步垮落，達到護頂?shù)淖饔?，保證施工安全，同時必須保證每次掘進均在超前支護的范圍內(nèi)。超前管棚采用壁厚4mm的φ25mm焊管，長度3m，布置在巷道輪廓線以外，角度呈5°～10°，間距100mm。

(3)素噴混凝土和錨網(wǎng)噴射混凝土。素噴混凝土能夠快速地提供連續(xù)的支撐力，短時間內(nèi)改變圍巖的受力狀態(tài)，阻止變形的發(fā)展，避免圍巖的松散、脫落和風(fēng)化；錨網(wǎng)噴噴射混凝土中錨桿起到懸吊作用、組合梁作用、擠壓加固作用、減跨作用、圍巖補加固作用；噴射混凝土起到進一步封閉圍巖防治風(fēng)化作用、密填巖體整體補強作用、共同承載作用；金屬網(wǎng)提高噴射混凝土的抗剪、抗拉強度。

(4)鋼拱架支護。大大提高了支護的承載能力，同時剛度加強、抗屈服能力也得到提高。鋼拱架采用U25型鋼制作，間距0.5～1m。拱架之間采用φ18mm螺紋鋼制作的拉桿相互連接固定，每架拱架施工雙抱腿彎鉤錨桿固定，水泥藥卷錨固，間距1m。

(5)壁后注漿。在上部錨網(wǎng)噴支護完成后及時進行壁后注漿達到補強支護的目的。雙筋混凝土施工完成后再進行一次壁后注漿，確保支護的穩(wěn)定性。

5 取得的成效

(1)將大斷面分為上下兩層，上分層分為1、2開挖區(qū)，下分層分為3、4、5開挖區(qū)，同時采用預(yù)注漿、超前管棚、鋼拱架等超前措施，開挖后分區(qū)及時跟進強度更高的雙筋混凝土支護，從而保證了施工安全，確保了大斷面施工順利進行。

(2)異性組合拱架的運用，對每個分區(qū)加工斷面規(guī)格所需鋼拱架，解決了大斷面拱架一次架設(shè)中因重量較大、難以一次架設(shè)成形的問題。

(3)運用新型設(shè)備加快巷道混凝土支護，巷道在施工鋼筋混凝土支護時，由于斷面大、人工能力有限，在施工中采用混凝土輸送泵，加快了施工進度，保障了施工質(zhì)量，同時也節(jié)省了人工。

(4)及時進行了永久支護，減少了冒落區(qū)柔性支護自由變形的時間,防止大硐室變形過大。按照改進后的施工工藝，未發(fā)生片幫、冒頂，巷道施工實體質(zhì)量達到了標(biāo)準(zhǔn)要求，同時也縮短了施工工期。

6 結(jié)論

(1)通過該施工工藝方案的運用，較好地解決了破碎巖體中大斷面工程安全、高效施工的問題。

(2)該方案的成功實施，為今后類似工程的施工提供了較為成熟的方案和途徑。