隧洞洞內(nèi)長大管棚處理復雜地質突發(fā)大塌方體施工技術

楊井國 王 鑫

(中國水利水電第十一工程局有限公司,河南 鄭州 450000)

地下隧洞工程施工具有地質條件復雜多變的特點,在施工過程中不可避免地會穿過巖石破碎地段,甚至會遭遇地震斷裂帶形成的堆積體不良地質段,形成不可預見的塌方情況。 處理難點主要有:?塌方體量大、形成堆積體,將頂拱全部掩埋,致使塌方體前方及上方的具體塌方尺寸不明確,若盲目挖除,可能會造成更大的二次塌方;?超前小導管已不能達到處理效果,需進行長大管棚作業(yè)。 但不同于洞口露天作業(yè),在隧洞洞內(nèi)管棚鉆機作業(yè)受到空間限制,需對塌方體部位頂拱部位擴挖,形成管棚施工工作室,擴挖工作比較危險。

在隧洞開挖過程中,如遭遇不可預見的堆積體巖石結構形成的塌方,在對塌方深度、空腔位置及尺寸均不明確的情況下,采取隧洞洞內(nèi)長大管棚套管跟進施工技術,輔以超前地質預報、管棚工作室擴挖、管棚內(nèi)增加錨筋樁、輕質混凝土回填空腔、分臺階左右半幅短進尺開挖、監(jiān)控量測等技術手段,能夠安全平穩(wěn)地渡過塌方段。

1 工程概況

新疆阿勒泰輸水隧洞工程隧洞斷面為馬蹄形,隧洞開挖半徑8.9m,埋深80 ~115m,巖石巖性為黑云母斜長片麻巖,巖石強度為35 ~100MPa,石英含量為25% ~35%。 隧洞開挖采用全斷面一次開挖爆破的施工方法,循環(huán)進尺根據(jù)圍巖類別設為1 ~3m。

2 隧洞洞內(nèi)塌方處理主要施工方法

目前,對于隧洞塌方處理,主要有以下三種方法:?注漿加錨固,該方法主要是在塌方區(qū)域布置30m 以上的超長錨桿結合高壓注漿的方法,缺點是超長錨桿施工難度比較大;?大管棚注漿,該方法是在塌方區(qū)鉆孔布置管棚結合灌漿的方法,缺點是管棚一般在洞口區(qū)域露天作業(yè),洞內(nèi)作業(yè)難度較大;?在地表向下鉆設長孔進行注漿,該方法的缺點是施工難度大、周期長、造價高。

3 塌方過程及塌方處理技術原理

在保證施工安全、質量的前提下,本文將塌方區(qū)分為后方已支護區(qū)域和塌方區(qū)域,對兩個區(qū)域分別采取以下施工步驟:

a. 為避免產(chǎn)生“二次塌方關門事件”,對已支護區(qū)域采取以下措施:變形量測監(jiān)測→超前地質預報→止?jié){墻施工→頂拱以下塌方渣體固結灌漿加固→已支護區(qū)域小導管灌漿加固。

b. 對塌方區(qū)域采取以下措施:頂拱以上渣體4 ~6m 深超前小導管固結灌漿加固處理→長2.5m、深0.6m 的管棚工作室擴挖施工→頂拱120°長20 ~30m、間距0.3m 的?108 管棚套管跟進施工→管棚灌漿→對頂部空腔采用鉆機鉆設回填孔,對頂部空腔回填輕質混凝土(泡沫混凝土、陶?；炷?→分上下臺階、左右半幅度短進尺施工,以順利通過不良地質段。

4 塌方處理主要施工過程及施工工藝

4.1 塌方過程及地質描述

在隧洞出口掌子面施工過程中出現(xiàn)突發(fā)大塌方體,掌子面完全被破碎渣體覆蓋。 經(jīng)地質勘察,綜合分析塌方地質情況為:該段巖體巖性為黑云母片麻巖,有發(fā)黃的變質花崗巖夾雜,局部片狀或泥狀,巖石整體偏軟。 開挖巖體表面比較清晰地揭露出兩條斷層,其中一條斷層走向基本與洞軸線垂直,傾角80°左右;另一條斷層從左側發(fā)育,造成左側1.5 ~2m 深度的小塌腔,產(chǎn)狀與洞軸線斜交40°。 兩條斷層在頂拱相交以及花崗巖侵入的擠壓破碎帶在頂拱發(fā)育,是造成本次塌方的主要原因。

4.2 超前地質預報

為探明塌方區(qū)域的巖體破碎及構造情況,采用隧道地震波的探測方法,進行了超前預報工作。 地震成像見圖1,結合探測區(qū)域的地震波反射成像和地質分析,推斷如下:該塌方區(qū)域前方約30m 范圍內(nèi),正負反射較為明顯,因此推斷該段巖石情況較差,容易產(chǎn)生塌方情況。

圖1 超前地質預報地震波成像

4.3 主要施工步驟

a. 對塌落形成的碎石體,進行掛網(wǎng)封閉,采用C30W10F50 噴射混凝土,厚度20cm,作用為止?jié){;在樁號79 +193、79 +198、79 +203 處設置三個監(jiān)測斷面,每個斷面在頂拱和左右邊墻共埋設三個沉降觀測點,每隔6h 監(jiān)測一次頂拱沉降情況,見圖2。

b. 對淺層渣堆采用YT28 手風鉆造孔,埋設?50、長4.5m 花鋼管進行固結灌漿,排距2 ~3m,間距1 ~2m,梅花形布置,漿液配比0.5 ∶1,使渣堆固結成整體,為后續(xù)工作平臺搭設提供穩(wěn)定的基礎;對79 +220 ~79+200 已支護格柵拱架左右邊墻拱腳、拱腰部位各布

圖2 變形量測監(jiān)控、渣體止?jié){墻示意圖

置4 根固結灌漿管,規(guī)格與渣體灌漿管一致,見圖3。

圖3 已支護段固結灌漿、渣體固結示意圖

c. 在塌方體部位布設工作平臺,采用?108 鋼管作為主要支撐材料,縱向間距2m,橫向間距0.9 ~1.5m,水平方向間距1.5m,支架作業(yè)平臺采用鋼筋網(wǎng)片,縱橫向分別采用?25 鋼筋及?16 鋼筋,間距均為0.1m;頂拱布置雙層超前小導管,底層小導管外插角為10°,上層小導管外插角為40°,采用?50 花鋼管,長度6m,間距0.4m,漿液配比0.5 ∶1,見圖4。

圖4 頂部渣體鉆孔埋設小導管、注漿加固示意圖

d. 為減少大型機械對渣體造成擾動影響,對淺層塌方體采用人工風鎬進行鑿除,采用液壓反鏟進行裝渣,自卸汽車運送至渣場。 揭露渣堆面掛鋼筋網(wǎng)施工,鋼筋網(wǎng)規(guī)格?8@200mm×200mm,采用C30F50W10 噴射混凝土噴射密實,厚度20cm。 對深層渣堆采用YT28 手風鉆造孔,埋設?50、長4.5m 花鋼管進行固結灌漿,排距2 ~3m,間距1 ~2m,梅花形布置,漿液配比0.5 ∶1;對已支護格柵拱架左右邊墻拱腳、拱腰部位各布置4 根固結灌漿管,規(guī)格與渣體灌漿管一致,見圖5。

圖5 渣體挖除、掌子面小導管注漿加固示意圖

e. 塌方斷面擴挖主要施工項目為擴挖及擴挖段支護,見圖6。

圖6 管棚工作室機械擴挖及型鋼支護示意圖

擴挖施工:人工配合錨桿鉆機對圍巖進行擴挖,擴挖范圍為120°,擴挖半徑為5.6m,支護完成后內(nèi)輪廓半徑為5.4m,擴挖長度為2.5m。

擴挖段支護施工:擴挖段支護主要采用鋼拱架、錨桿、混凝土,具體施工如下:

擴挖完成后,人工安裝鋼拱架,鋼拱架采用HW150 型鋼,鋼拱架全環(huán)采用10 號槽鋼連接,槽鋼環(huán)向間距為50cm。 上、下部分鋼拱架需位于同一斷面,采用HW150 型鋼連接。 拱頂120°安裝?8@200mm ×200mm 鋼筋網(wǎng)片。 鎖腳錨桿為?25 砂漿錨桿,分別布設于上部拱架拱腳位置,每環(huán)拱架共計8 根,錨桿與鋼拱架呈“L”形連接,錨桿長度為6m。

支護完成的鋼拱架采用C30 噴射混凝土封閉,拱頂120°范圍噴射20cm 厚混凝土。

f. 將洞外渣場渣料運送至洞內(nèi)填筑作業(yè)平臺,作業(yè)平臺高度約為4m,頂部預留約3m 的操作空間。 填筑完成后安設管棚鉆機,同時采用YT-28 鉆機鉆進1m,通過鉆頭反復沖擊巖體形成孔洞,安裝?127 導向管,導向管長度為1m,外傾角10°,環(huán)向間距為30cm,安裝完成后采用模具復核,無誤后采用錨固劑對孔壁與巖體周圍的間隙進行充填。 導向管與巖壁間充填物終凝后采用ZSY-90 管棚鉆機進行安設管棚施工,管棚布置范圍為頂拱120°,管棚為108mm 跟管管棚(鉆頭直徑108mm),管棚材料為外徑108mm 的熱處理調質管,單根長度為20m,頂拱環(huán)向間距為30cm,鉆孔過程中如發(fā)現(xiàn)卡鉆應降低推力提高轉速。 管棚內(nèi)設置?20小鋼管+3 ×?25 鋼筋束進行補強。 采用錨固劑封堵?108 管棚與導向管(巖壁)間的空隙,封堵長度不得小于50cm。 待封堵的錨固劑達到終凝后,連接注漿設備對施工完成的管棚進行注漿,安設管棚采用隔孔施作。管棚注漿時管棚內(nèi)設置排氣管(兼做洗孔管、射漿管),外徑為20mm,深入管棚內(nèi)19.5m,距孔底50cm。管棚注漿漿液為水泥漿液,孔口注漿壓力為0 ~2MPa,終壓2MPa,注漿時遵循先稀后濃的原則。 當注漿終壓達到2MPa,并穩(wěn)壓10min,吸漿量小于3L/min 時方可停止注漿,見圖7。

圖7 管棚平臺回填、管棚施工、頂部空腔回填輕質混凝土示意圖

g. 后續(xù)施工按照Ⅴ類圍巖斷面進行施工,分上下臺階、左右半幅開挖,先開挖上半洞,循環(huán)進尺0.5m,開挖后架立HW150 型鋼拱架,上半洞支護完成后開始下半洞開挖,下半洞型鋼拱架與上半洞型鋼拱架采用M20 ×5cm 螺栓連接。 直至不良地質段結束再經(jīng)四方確認調整開挖支護相關參數(shù),見圖8。

5 結 語

管棚施工因受到管棚鉆機的機械尺寸限制,一般在隧洞洞口處實施。 在突發(fā)性的隧洞塌方且頂部塌方腔體深度不明的情況下,首先根據(jù)超前地質預報,對后部已支護段進行灌漿加固,對塌方體進行小導管固結灌漿加固,再對洞內(nèi)擴挖且加強支護雙層鋼拱架結構首先形成管棚工作室,在保證施工人員安全的條件下,施作超前大管棚套管跟進灌漿加固,在大管棚內(nèi)增加錨筋樁以增加剛性,最后對頂部空腔回填輕質混凝土,分臺階分步留核心土開挖,確保安全渡過塌方段。

圖8 分上下半洞、左右半幅、留核心土、短進尺施工示意圖