隧洞塌方段拱架侵占衬砌断面施工技术

2016-04-01靳念柱

东北水利水电 2016年9期

关键词：拱架塌方隧洞

靳念柱

（辽宁省水利厅，辽宁沈阳110003）

隧洞塌方段拱架侵占衬砌断面施工技术

靳念柱

（辽宁省水利厅，辽宁沈阳110003）

文章结合某输水隧洞工程塌方的初步原因及临时加固措施，这造成严重侵占二次衬砌断面的原因，重点研究塌方段拱架侵占衬砌断面的施工工艺及施工方法，取得了良好的工程效果，顺利地完成塌方段衬砌施工。希望能为类似工程提供借鉴。

隧洞；塌方；侵占衬砌断面；拆除拱架；塌方回填

1 工程概况

某输水隧洞工程主洞为马蹄形断面，纵坡i= 3.115%，成洞净空高H=7.28 m。隧洞在长白山余脉及其支脉龙岗山底部通过，山体走向NE，地势呈东北高西南低。地貌类型为侵蚀构造地形和侵蚀堆积地形，以尖顶状低山和中低山、锯齿状中低山和树枝状窄谷地为主，多为侵蚀隆起与断褶中低山丘陵地形。地面高程一般在460～600 m左右，最大高程720 m。洞室埋深一般为200～340 m，最大埋深470 m，最小埋深160 m。

2 塌方段发生及临时加固处理后果

方段为主洞沿线8号支洞控制段，塌方范围桩号51+434-51+387.464，该段为凝灰岩Ⅲb类围岩，于2013年5月30日至2013年6月10日进行开挖施工，2013年5月31日至2013年6月14日进行初期支护施工。

2.1 塌方情况

2014年6月15日，施工人员对8号洞上游已开挖洞段局部喷射混凝土剥落、裂缝情况进行日常排查，排查过程中发现桩号51+400拱顶处开始有岩块掉落的迹象，立即安排人员、机械进行排险处理，在排险过程中发生大量石块掉落。塌方后立即在塌方洞段设置了警示范围，专人指挥防护进行塌方排险，塌方范围为：桩号51+434-51+387.464，排险后塌方量为506.588 m3。

2.2 塌方原因分析及临时加固处理

2.2.1 塌方原因分析

1）该洞段洞室围岩主要岩性为果松组凝灰质粉砂岩、凝灰岩及安山岩、角砾熔岩，以微风化为主，为较～中硬岩。节理较发育，节理面多平直光滑，局部起伏粗糙。岩体一般完整性差，地下水一般呈渗～滴水状态。

2）该洞段施工期间预防围岩变形措施不够，锚喷支护体系不配套或施作不到位，变形监测不规范或不及时，开挖后长时间未进行二次混凝土衬砌。

综上所述，围岩节理较发育，完整性差是隧洞塌方的内因，初期支护力度不足及施工方法不当等因素是外因，二者共同作用最终造成隧洞大面积塌方。

2.2.2 塌方段临时加固处理

为了尽快恢复前方洞室开挖，减少对开挖工期影响，按照应急修复原则对塌方段进行初期处理，处理措施如下：①进行彻底围岩排险，保证围岩暂时趋于稳定进行支护施工，喷混厚度5 cm，形成封闭稳定面；②塌方段支立HW150型钢支撑，在钢支撑上方焊接I12型钢副拱，副拱与围岩紧贴；③处理范围从起拱线以上挂φ8@200 mm×200 mm钢筋网，未塌方部位布设φ22，L=3000 mm@ 1 500 mm锚杆，梅花形布置，与型钢支撑焊接牢固；④拱架支立完成后复喷厚度12 cm混凝土，在塌腔位置埋设回填管，直径φ100 mm；⑤在该段增加两个监控量测断面，定期观测围岩沉降情况，直至稳定。

塌方支护处理于2014年6月24日-2014年7月7日进行施工，共支立主拱HW150型钢支撑45榀、I12工字钢4榀，塌方回填未施作。

2.3 临时加固处理对后期衬砌的影响

由于开挖施工工期紧迫，为了最大程度保证安全施工，确保施工人员安全，临时加固处理时未对该洞段进行扩挖，直接在原IIIb类围岩开挖及支护的基础上增加HW150型钢支撑进行支护处理，并且复噴混凝土12 cm，拱架上存有3～5 cm混凝土，造成该段临时加固支护严重侵占二次模注混凝土衬砌净空，无法保证设计衬砌厚度，因此不得不将临时加固支护全部拆除，从而达到设计要求。

3 塌方段拱架拆除施工方案

为了保证拱架不侵占衬砌断面，对拱架进行拆除，拆除前对塌腔进行回填衬砌同标号混凝土及砂浆施工，回填混凝土施工完毕待混凝土达到设计强度后进行塌方处小导管注浆，注浆结束后安设超前小钢管加强支护，然后对拱架进行逐榀拆换，拆除后按Ⅳ类开挖断面进行扩挖，并按照Ⅳ类围岩支护、衬砌参数进行施工，重新支立HW150钢拱架，安设系统锚杆、网片，保证不侵占衬砌断面，然后进行钢筋绑扎、衬砌施工，最后进行回填灌浆。塌方段衬砌整体施工工艺如图1所示。

3.1 塌腔回填混凝土

利用预埋设直径为φ125 mm的钢管进行分层分段、层段之间预留一段间隔时间进行泵送回填混凝土，为减少拱架承受力，混凝土回填1 m，然后回填砂浆，形成密实整体。回填混凝土性能指标为C35W12F200，强度等级与衬砌混凝土相同，砂浆性能指标为M10。

1）预埋回填孔设置要求

采用直径为φ125 mm钢管做为泵送混凝土预埋管，根据塌方段长度，按照纵向间距3.0 m设置断面，钢管长度根据塌腔位置距岩面20 cm，保证回填混凝土及砂浆的施工质量。

2）回填混凝土、砂浆施工

图1 塌方段衬砌整体施工工艺图

混凝土运输至浇筑点后，应保持其匀质性，保证混凝土的流动性。混凝土及砂浆采用输送泵泵送回填，将φ125 mm混凝土输送导管标准接头与预埋管进行焊接，泵送时采用软质胶管与导管标准接头相连接。为保证两侧混凝土均匀铺筑，同一断面上的泵送顺序应从两侧到顶拱分层回填。在上一断面浇筑适量混凝土后，将泵管移至下一断面进行浇筑，保证混凝土可以均匀等高上升。并应在回填时严格控制浇筑混凝土的回填量及间隔时间进行，每次回填厚度为50 cm，间隔时间不超过混凝土的初凝时间，使混凝土有一定的自密沉降时间，保证浇筑密实。混凝土回填两次后进行砂浆回填，砂浆运至浇筑地点时要保证砂浆的流动性、保水性、和易性。

为保证将塌腔处空气排出，1-2，1-3号管首先为浇筑管，1-1号为排气管，待浇筑到拱顶时，1-1号为浇筑管，其它断面预留管变为排气管，预埋回填孔位置如图2所示。最后一个断面施工时，临近设置一个排气管，以最大限度保证回填饱满，减少空腔。

回填混凝土及砂浆施工完毕后，用干硬性水泥砂浆将预留管封堵密实并抹平。

3.2 小导管注浆

为了确保施工安全，回填混凝土施工完毕待混凝土达到设计强度后进行全断面小导管注浆加固处理，通过小导管注浆，使小导管周围回填混凝土、围岩固结加固稳定，保证施工安全。

图2 预埋回填孔示意图

1）小导管布设及钻孔

小导管采用φ42热轧钢管，长度为5 m，垂直于岩面每榀拱架呈环形布置，环向塌方位置延长1 m布设，环向间距为1 m，纵向间距为1 m，梅花形布置。测量放点后，采用YT-28型气腿式凿岩机钻孔，钻孔直径为42 mm。钻孔时注意不要碰到拱架。管壁每隔10～20 cm交错钻溢浆孔，梅花形布置，以防止出现死角，孔眼直径为φ8 mm，尾部1 m范围内不钻孔以防止漏浆。

2）小导管注浆施工

注浆前检查喷混面是否进行封闭，以防漏浆，并用高压风将小导管内的积物进行清理，由下至上顺序进行。灌浆采用普通水泥进行灌注，水灰比为1∶1（重量比），灌浆压力为0.5～1.0 MPa，具体灌浆压力由现场施工而定，在规定压力下，灌浆段的吸浆量不大于0.4 L/min，持续注浆10 min，灌浆方可结束。

3.3 超前小钢管施工

为保障拱架拆除时拱顶围岩及回填混凝土的稳定性，防止围岩和回填混凝土的二次塌落，起到一定的棚闭作用，在小导管注浆完成后，进行超前小钢管施工。超前小钢管采用φ32钢管，施工长度为4.5 m，按照拱顶180°前后排错开梅花形布设，沿隧洞纵向向外以10°外插角钻孔打入围岩，环向间距为300 mm，纵向两排锚杆水平搭接长度为1.5 m。测量放点后，采用YT-28型气腿式凿岩机钻孔，孔径为42 mm，锚固剂填充饱满，钢管尾部外露长度10 cm～15 cm，设于钢支撑顶部，与钢架焊接牢固，不仅可以保证混凝土的整体连接性，也可保证拱架和超前小钢管对混凝土的支撑作用。

3.4 拱架拆除

1）监控量测

为保证拆拱施工安全，施工时在拆除拱架部位每隔5 m处围岩断面上布置监控量测点，每一断面共计布置监测点3个，分别位于拱顶及两侧拱腰。根据现场量测数据计算测点位移变化速率，判断围岩稳定状况，当隧洞周边变形趋势有明显减缓趋势，则说明隧洞变形基本处于稳定状态，当变化速率过快，说明位移出现反常的急剧增加现象，表面围岩及支护已呈不稳状态，应及时加强支护并停止作业，并根据现场及施工情况进行分析。

及时检测拱架拆除时围岩的收敛变形，通过对监测数据的分析处理掌握围岩稳定变化情况，预见事故和险情，及时调整施工方法，采用应急措施从而保证施工安全。

2）拱架拆除

根据拱架侵占情况需要对对该段范围内的所有拱架进行逐榀拆换，拆除过程中必须确保围岩及回填混凝土稳定，保证施工安全。

首先使用破碎锤先拱顶后边墙的顺序逐榀开槽破除混凝土，为防止开槽造成临空面过大，控制开槽宽度，不得大于50 cm，开槽以破碎锤为主，以人工风镐辅助方式清理拱架附着残余混凝土；然后割除影响施工的连接筋及锚杆，将衬砌钢筋台架做为换拱台车，按照先拱顶后边墙的顺序拆除拱架，每次凿割一榀拱架，气割分解已凿出的拱架，每榀拱架凿割长度控制在1.5 m左右，逐步拆除，拆除时设置临时支撑，以免拆除过程中整体失稳，拱架拆除的临时支撑如图3所示。

钢拱架拆除顺序：①→②→③→④→⑤

图3 拱架临时支撑图

3.5 断面扩大开挖

鉴于该塌方段围岩节理发育，完整性差，同时加大预留围岩变形量，对该段二次混凝土衬砌加强支护，由原IIIb类围岩变更为Ⅳ类围岩支护，确保衬砌质量。拱架拆除后，测量人员及时放样，标出Ⅳ类围岩的设计开挖轮廓线进行扩挖，采用破碎锤进行喷射混凝土凿除及围岩扩挖并通过人工采用风镐进行修整处理；处理时按照宁大勿小的原则，确保换拱后衬砌混凝土厚度能够满足Ⅳ类围衬砌设计要求。

3.6 重新支立拱架

拱架拆除后及时进行安装HW150型拱架。拱架安装前进行试拼，检查尺寸是否正确。拱架安装按照由边墙至拱顶的顺序施工，拱架安装时节与节之间螺栓必须连接牢固，必要时可进行焊接加固，拱架底脚必须坐落在坚硬岩石上；拱架支立后，安装φ22，L=3 000 mm@1 200 mm×1 000 mm系统锚杆加强支护，拱脚处采用2根φ22，L=3 000 mm锁脚锚杆锁死，锚杆端头做成“L”型与拱架焊接牢固，在拱顶220°范围内挂φ8@200 mm×200 mm钢筋网片，喷射厚度15 cm，标号C30W10混凝土。

拱架重新安装后加大监控量测频率，并及时按照Ⅳ类围岩进行钢筋绑扎及边顶拱衬砌施工。衬砌施工时采用φ40钢管作为预留回填灌浆孔，在衬砌混凝土达到70%强度后方可进行回填灌浆。

2）临时加固措施考虑不周到，只是一味地考虑加快开挖进度，未全面考虑对后期二次模注混凝土衬砌的影响，致使严重影响二次衬砌施工进度。

3）塌方段拱架侵占衬砌断面处理理念：先回填灌浆塌腔，再小导管加固周边围岩，然后超前小钢管支撑，逐品拆除拱架，扩挖断面，重新支立拱架，最后进行二次模注混凝土衬砌。

施工方法成功地解决了隧洞塌方段拱架侵占衬砌断面的问题，最大程度上降低了拱架拆除施工风险,减少对二次模注混凝土衬砌的影响，满足隧洞施工的技术要求和设计理念。建议在类似工程施工时参考借鉴。

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