隧洞洞内长大管棚处理复杂地质突发大塌方体施工技术

杨井国 王 鑫

(中国水利水电第十一工程局有限公司,河南 郑州 450000)

地下隧洞工程施工具有地质条件复杂多变的特点,在施工过程中不可避免地会穿过岩石破碎地段,甚至会遭遇地震断裂带形成的堆积体不良地质段,形成不可预见的塌方情况。 处理难点主要有:ⓐ塌方体量大、形成堆积体,将顶拱全部掩埋,致使塌方体前方及上方的具体塌方尺寸不明确,若盲目挖除,可能会造成更大的二次塌方;ⓑ超前小导管已不能达到处理效果,需进行长大管棚作业。 但不同于洞口露天作业,在隧洞洞内管棚钻机作业受到空间限制,需对塌方体部位顶拱部位扩挖,形成管棚施工工作室,扩挖工作比较危险。

在隧洞开挖过程中,如遭遇不可预见的堆积体岩石结构形成的塌方,在对塌方深度、空腔位置及尺寸均不明确的情况下,采取隧洞洞内长大管棚套管跟进施工技术,辅以超前地质预报、管棚工作室扩挖、管棚内增加锚筋桩、轻质混凝土回填空腔、分台阶左右半幅短进尺开挖、监控量测等技术手段,能够安全平稳地渡过塌方段。

1 工程概况

新疆阿勒泰输水隧洞工程隧洞断面为马蹄形,隧洞开挖半径8.9m,埋深80 ~115m,岩石岩性为黑云母斜长片麻岩,岩石强度为35 ~100MPa,石英含量为25% ~35%。 隧洞开挖采用全断面一次开挖爆破的施工方法,循环进尺根据围岩类别设为1 ~3m。

2 隧洞洞内塌方处理主要施工方法

目前,对于隧洞塌方处理,主要有以下三种方法:ⓐ注浆加锚固,该方法主要是在塌方区域布置30m 以上的超长锚杆结合高压注浆的方法,缺点是超长锚杆施工难度比较大;ⓑ大管棚注浆,该方法是在塌方区钻孔布置管棚结合灌浆的方法,缺点是管棚一般在洞口区域露天作业,洞内作业难度较大;ⓒ在地表向下钻设长孔进行注浆,该方法的缺点是施工难度大、周期长、造价高。

3 塌方过程及塌方处理技术原理

在保证施工安全、质量的前提下,本文将塌方区分为后方已支护区域和塌方区域,对两个区域分别采取以下施工步骤:

a. 为避免产生“二次塌方关门事件”,对已支护区域采取以下措施:变形量测监测→超前地质预报→止浆墙施工→顶拱以下塌方渣体固结灌浆加固→已支护区域小导管灌浆加固。

b. 对塌方区域采取以下措施:顶拱以上渣体4 ~6m 深超前小导管固结灌浆加固处理→长2.5m、深0.6m 的管棚工作室扩挖施工→顶拱120°长20 ~30m、间距0.3m 的ϕ108 管棚套管跟进施工→管棚灌浆→对顶部空腔采用钻机钻设回填孔,对顶部空腔回填轻质混凝土(泡沫混凝土、陶粒混凝土)→分上下台阶、左右半幅度短进尺施工,以顺利通过不良地质段。

4 塌方处理主要施工过程及施工工艺

4.1 塌方过程及地质描述

在隧洞出口掌子面施工过程中出现突发大塌方体,掌子面完全被破碎渣体覆盖。 经地质勘察,综合分析塌方地质情况为:该段岩体岩性为黑云母片麻岩,有发黄的变质花岗岩夹杂,局部片状或泥状,岩石整体偏软。 开挖岩体表面比较清晰地揭露出两条断层,其中一条断层走向基本与洞轴线垂直,倾角80°左右;另一条断层从左侧发育,造成左侧1.5 ~2m 深度的小塌腔,产状与洞轴线斜交40°。 两条断层在顶拱相交以及花岗岩侵入的挤压破碎带在顶拱发育,是造成本次塌方的主要原因。

4.2 超前地质预报

为探明塌方区域的岩体破碎及构造情况,采用隧道地震波的探测方法,进行了超前预报工作。 地震成像见图1,结合探测区域的地震波反射成像和地质分析,推断如下:该塌方区域前方约30m 范围内,正负反射较为明显,因此推断该段岩石情况较差,容易产生塌方情况。

图1 超前地质预报地震波成像

4.3 主要施工步骤

a. 对塌落形成的碎石体,进行挂网封闭,采用C30W10F50 喷射混凝土,厚度20cm,作用为止浆;在桩号79 +193、79 +198、79 +203 处设置三个监测断面,每个断面在顶拱和左右边墙共埋设三个沉降观测点,每隔6h 监测一次顶拱沉降情况,见图2。

b. 对浅层渣堆采用YT28 手风钻造孔,埋设ϕ50、长4.5m 花钢管进行固结灌浆,排距2 ~3m,间距1 ~2m,梅花形布置,浆液配比0.5 ∶1,使渣堆固结成整体,为后续工作平台搭设提供稳定的基础;对79 +220 ~79+200 已支护格栅拱架左右边墙拱脚、拱腰部位各布

图2 变形量测监控、渣体止浆墙示意图

置4 根固结灌浆管,规格与渣体灌浆管一致,见图3。

图3 已支护段固结灌浆、渣体固结示意图

c. 在塌方体部位布设工作平台,采用ϕ108 钢管作为主要支撑材料,纵向间距2m,横向间距0.9 ~1.5m,水平方向间距1.5m,支架作业平台采用钢筋网片,纵横向分别采用ϕ25 钢筋及ϕ16 钢筋,间距均为0.1m;顶拱布置双层超前小导管,底层小导管外插角为10°,上层小导管外插角为40°,采用ϕ50 花钢管,长度6m,间距0.4m,浆液配比0.5 ∶1,见图4。

图4 顶部渣体钻孔埋设小导管、注浆加固示意图

d. 为减少大型机械对渣体造成扰动影响,对浅层塌方体采用人工风镐进行凿除,采用液压反铲进行装渣,自卸汽车运送至渣场。 揭露渣堆面挂钢筋网施工,钢筋网规格ϕ8@200mm×200mm,采用C30F50W10 喷射混凝土喷射密实,厚度20cm。 对深层渣堆采用YT28 手风钻造孔,埋设ϕ50、长4.5m 花钢管进行固结灌浆,排距2 ~3m,间距1 ~2m,梅花形布置,浆液配比0.5 ∶1;对已支护格栅拱架左右边墙拱脚、拱腰部位各布置4 根固结灌浆管,规格与渣体灌浆管一致,见图5。

图5 渣体挖除、掌子面小导管注浆加固示意图

e. 塌方断面扩挖主要施工项目为扩挖及扩挖段支护,见图6。

图6 管棚工作室机械扩挖及型钢支护示意图

扩挖施工:人工配合锚杆钻机对围岩进行扩挖,扩挖范围为120°,扩挖半径为5.6m,支护完成后内轮廓半径为5.4m,扩挖长度为2.5m。

扩挖段支护施工:扩挖段支护主要采用钢拱架、锚杆、混凝土,具体施工如下:

扩挖完成后,人工安装钢拱架,钢拱架采用HW150 型钢,钢拱架全环采用10 号槽钢连接,槽钢环向间距为50cm。 上、下部分钢拱架需位于同一断面,采用HW150 型钢连接。 拱顶120°安装ϕ8@200mm ×200mm 钢筋网片。 锁脚锚杆为ϕ25 砂浆锚杆,分别布设于上部拱架拱脚位置,每环拱架共计8 根,锚杆与钢拱架呈“L”形连接,锚杆长度为6m。

支护完成的钢拱架采用C30 喷射混凝土封闭,拱顶120°范围喷射20cm 厚混凝土。

f. 将洞外渣场渣料运送至洞内填筑作业平台,作业平台高度约为4m,顶部预留约3m 的操作空间。 填筑完成后安设管棚钻机,同时采用YT-28 钻机钻进1m,通过钻头反复冲击岩体形成孔洞,安装ϕ127 导向管,导向管长度为1m,外倾角10°,环向间距为30cm,安装完成后采用模具复核,无误后采用锚固剂对孔壁与岩体周围的间隙进行充填。 导向管与岩壁间充填物终凝后采用ZSY-90 管棚钻机进行安设管棚施工,管棚布置范围为顶拱120°,管棚为108mm 跟管管棚(钻头直径108mm),管棚材料为外径108mm 的热处理调质管,单根长度为20m,顶拱环向间距为30cm,钻孔过程中如发现卡钻应降低推力提高转速。 管棚内设置ϕ20小钢管+3 ×ϕ25 钢筋束进行补强。 采用锚固剂封堵ϕ108 管棚与导向管(岩壁)间的空隙,封堵长度不得小于50cm。 待封堵的锚固剂达到终凝后,连接注浆设备对施工完成的管棚进行注浆,安设管棚采用隔孔施作。管棚注浆时管棚内设置排气管(兼做洗孔管、射浆管),外径为20mm,深入管棚内19.5m,距孔底50cm。管棚注浆浆液为水泥浆液,孔口注浆压力为0 ~2MPa,终压2MPa,注浆时遵循先稀后浓的原则。 当注浆终压达到2MPa,并稳压10min,吸浆量小于3L/min 时方可停止注浆,见图7。

图7 管棚平台回填、管棚施工、顶部空腔回填轻质混凝土示意图

g. 后续施工按照Ⅴ类围岩断面进行施工,分上下台阶、左右半幅开挖,先开挖上半洞,循环进尺0.5m,开挖后架立HW150 型钢拱架,上半洞支护完成后开始下半洞开挖,下半洞型钢拱架与上半洞型钢拱架采用M20 ×5cm 螺栓连接。 直至不良地质段结束再经四方确认调整开挖支护相关参数,见图8。

5 结 语

管棚施工因受到管棚钻机的机械尺寸限制,一般在隧洞洞口处实施。 在突发性的隧洞塌方且顶部塌方腔体深度不明的情况下,首先根据超前地质预报,对后部已支护段进行灌浆加固,对塌方体进行小导管固结灌浆加固,再对洞内扩挖且加强支护双层钢拱架结构首先形成管棚工作室,在保证施工人员安全的条件下,施作超前大管棚套管跟进灌浆加固,在大管棚内增加锚筋桩以增加刚性,最后对顶部空腔回填轻质混凝土,分台阶分步留核心土开挖,确保安全渡过塌方段。

图8 分上下半洞、左右半幅、留核心土、短进尺施工示意图