CN107165652A - 一种隧洞整体式塌陷后的施工方法 - Google Patents

Abstract

一种隧洞整体式塌陷后的施工方法，塌方隧洞沿掘进方向分两段，第一段为冲击区，第二段为塌方区；冲击区内一次支护完整，只对掌子面坍体进行处理，隧洞围岩不作处理；塌方区部分一次支护已经破坏，隧道围岩与掌子面坍体都进行处理。和现有技术相比，本发明的有益效果为：（一）隧道顶部超前小导管与工字钢拱架巧妙结合，使超前小导管形成类似“管棚式”结构，增强支撑能力。（二）在掌子面密集打坍体小导管并注浆，使掌子面坍体固结，坍体小导管与周围岩土体形成结石体，增强抵抗隧道顶部塌陷荷载及冲击荷载的能力。

Description

一种隧洞整体式塌陷后的施工方法

技术领域

本发明涉及隧道工程的施工方法。

背景技术

发电厂的热电机组引水隧洞洞长一般会超过数千米，洞身结构设计为2.5m×3m城门洞形，进口段与出口段同时掘进施工。涵洞地下水活动总体微弱，但由于断裂，可能存在断层水，局部洞段有突水的可能。且由于围岩渗透系数大，渗透能力强，雨季节有可能发生短时渗水、涌水现象。

如果围岩为第四系冲洪积、冲积形成的粘性土夹碎石等松散堆积物，下覆基岩中发育有断裂带，与洞线呈大角度相交。洞段围岩为Ⅴ类，围岩松散，极不稳定，块石多，施工困难。隧道出口段可能出现塌方涌泥现象，坍体淤泥中夹杂着大量碎石块，并伴有渗水现象。

此时，如果装载机清理淤泥，该过程中会多次出现塌方涌泥现象，隧道塌方处正上方地表出现塌坑，局部塌方演变成为整体式塌陷。

如图1所示，隧洞位于地表面11的下方，隧洞的上下底面分别设有混凝土衬砌21、混凝土底板24，混凝土衬砌21上方为一次支护23，塌腔13下方的一次支护22被破坏，成为一次支护损坏部23，塌腔13下部周围为原状土骚动区12。

塌方区长度约为6米，此时，混凝土衬砌已施工至桩号，塌方处隧道顶拱至地表距离约70米，地表塌坑直径约12米，深约10米。塌坑体积约为πr²h=3.14×6²×10=1130m³，清理淤泥约2566m³,洞顶塌方坍体内有约1436m³的松土空腔。

发明内容

本方法要解决的技术问题：软岩隧道塌陷式塌方处理过程中危险性极大，稍有不慎，极易引起二次塌方，给掌子面工作人员的生命安全造成巨大威胁。常规方案为：管棚配合坍体小导管注浆作为超前预支护，然后开挖。但原方案存在以下问题： 塌方段围岩土质粘性较大易裹挟钻杆、洞内操作空间有限潜孔钻机臂伸展不开等原因必然造成管棚孔成孔困难。管棚工作室所需空间较大，而安设区域处于危险区域，不宜重新开挖较大空间。管棚造价较高等。

本发明的技术方案具体为：

1.一种隧洞整体式塌陷后的施工方法，塌方隧洞沿掘进方向分两段，第一段为冲击区，第二段为塌方区；冲击区内一次支护完整，只对掌子面坍体进行处理，隧洞围岩不作处理；塌方区部分一次支护已经破坏，隧道围岩与掌子面坍体都进行处理，其特征在于：

冲击区的施工步骤包括：

A.封闭掌子面，

B． 打坍体小导管，

C. 设置止浆墙，

D. 坍体小导管注浆，

E．开挖掌子面，

F.当开挖到2m，停止开挖；再进行下一循环,重复步骤A-E，直到剩下1米，预留1m作为下一循环施做空间，

G. 混凝土衬砌；

塌方区的施工步骤包括：

A. 封闭掌子面，

B. 打小导管，小导管分为超前小导管与坍体小导管，

C． 设置止浆墙，

D． 坍体小导管注浆，

E． 开挖掌子面，

F. 打锚杆，立工字钢拱架，挂钢筋网，进行隧道围岩加固，具体为：在隧道底板上固定两组工字钢拱架，使超前小导管的中部位于前方工字钢拱架的上方，其后端部位于后方的工字钢拱架的下方，

G. 喷混凝土，

H 混凝土衬砌。

冲击区封闭掌子面的方法为：对坍体喷射混凝土，厚度20cm，形成掌子面3，以封闭坍体；

塌方区封闭掌子面的方法为：对坍体喷射混凝土，厚度40cm，形成掌子面3，以封闭坍体。

冲击区打坍体小导管的方法为：

a.坍体小导管制作，坍体小导管采用Ф42热轧无缝钢花管，壁厚3.5mm，长度6m，坍体小导管包括前端、尖端、中间部，尖端的长度为15cm，前端长度为1m，中间部钻成直径1cm过浆孔，过浆孔沿坍体小导管轴向设有四行，过浆孔成梅花型布置每行相邻两个过浆孔之间的距离为15cm，

b. 坍体小导管布置，多个坍体小导管呈梅花型布置，间距60cm，长度6m，方向沿隧洞轴向布置，

c. 打坍体小导管，成孔设备采用TY-28型气腿式凿岩机，Φ50mm钻头，在掌子面3成孔后，埋入坍体小导管，坍体小导管外漏20cm，在短钻头上安装套管，将坍体小导管打入；

塌方区打小导管的方法为：

此段小导管分为超前小导管和坍体小导管，顶拱和侧壁超前小导管采用Φ42小导管注浆，环向间距30cm，长度6m，外插角5⁰-7⁰，坍体小导管采用Φ42小导管注浆，梅花型布置，间距60cm，长度6m；坍体小导管使用上述冲击区的坍体小导管。

冲击区、塌方区设置止浆墙的方法为：向掌子面喷厚度10cm的混凝土作为止浆墙，设置止浆墙前先将各个小导管端部用胶带封死。

冲击区、塌方区坍体小导管注浆的方法为：

a.确定浆液的选用材料和配比：浆液材料采用水泥水玻璃双液浆，水泥采用标号42.5的普通硅酸盐水泥，水玻璃采用波美度Be'=40的水玻璃，水泥浆的水灰比＝1:1；水泥浆浆液:水玻璃浆液=1:1，注浆压力为0.5Mpa，注浆过程中采用注浆压力和注浆量进行双控

b.单孔注浆量计算：单孔注浆量按照下式计算

Q=3.14r²Hnβ

式中：Q为单孔注浆量，m³;r为浆液扩散半径，取0.3m；H为注浆孔深度，取6m；n为围岩体积裂隙率，取8%；β为浆液在裂隙内的有效充填系数，取0.8；

c.注浆施工：在30分钟内，向注浆孔内注入浆液，注浆顺序采用自下而上，从无水少水的地段向有水多水处进行；注浆时，将两个进浆管分别插入水泥浆和水玻璃浆容器内，打开阀门启动注浆泵注浆，通过终压浆液吸入量、终压力实行双控。

冲击区开挖掌子面的方法为：注浆完毕1小时后再进行开挖，开挖时，先以微爆破开挖30cm厚掌子面混凝土，再利用钩机开挖坍体；

塌方区开挖掌子面的方法为：注浆完毕1小时后再进行开挖，先以微爆破开挖50cm厚掌子面混凝土，再以人工利用大风镐对注浆塌方坍体沿轮廓开挖环向槽，中间预留核心土。和现有技术相比，本发明的有益效果为：

（一）隧道顶部超前小导管与工字钢拱架巧妙结合，使超前小导管形成类似“管棚式”结构，增强支撑能力。

（二）在掌子面密集打坍体小导管并注浆，使掌子面坍体固结，坍体小导管与周围岩土体形成结石体，增强抵抗隧道顶部塌陷荷载及冲击荷载的能力。

（三）塌方处理由管棚配合坍体小导管注浆的施工方法作为预支护改为坍体小导管注浆的施工方法，具有以下显著特点：使用的设备小巧灵活，能够在施工空间有限的情况下运用，避开了大型设备无法操作的弊端；技术难点小，工艺简单，施工精度及施工控制较低；短开挖，强支护，二次衬砌能够及时跟进，显著降低施工安全风险，确保工程顺利进行；设备投入少，降低各种材料用量，节约大量施工成本，经济效益显著；缩短了工期，保证项目按计划投入使用。

附图说明

图1为塌方区纵向剖面示意图。

图2为掌子面坍体小导管布置示意图。

图3为坍体小导管与刚拱架相互作用示意图。

图4为坍体小导管作用示意图。

图5为冲击区施工流程图。

图6为坍体小导管示意图。

图7为塌方区施工流程图。

具体实施方式

如图1-7，一种隧洞整体式塌陷后的施工方法，塌方隧洞沿掘进方向分两段，第一段为冲击区，第二段为塌方区。隧洞底面为混凝土底面24，上表面为混凝土衬砌21。图1中最上方为地表面11，塌腔为13，塌腔的下方为原动土扰动区12，

冲击区内一次支护22完整，只对掌子面坍体进行处理，隧洞围岩不作处理；塌方区部分一次支护（参见附图1的标记23）已经破坏，隧道围岩与掌子面坍体都进行处理。

冲击区的施工步骤包括：

A.封闭掌子面3

对坍体喷射混凝土（标号C20），厚度20cm，形成掌子面3，以封闭坍体，确保掌子面工作人员生命安全；

B.打坍体小导管32

a.坍体小导管制作

如图7，坍体小导管采用Ф42热轧无缝钢花管，壁厚3.5mm，长度6m，坍体小导管包括前端、尖端、中间部，尖端的长度为15cm（参阅图7的d3），前端长度为1m（参阅图7的d1），中间部钻成直径1cm过浆孔，过浆孔沿坍体小导管轴向设有四行，过浆孔成梅花型布置。每行相邻两个过浆孔之间的距离为15cm（参阅图7的d2）。

b. 坍体小导管布置

多个坍体小导管呈梅花型布置，间距60cm，长度6m，方向沿隧洞轴向布置。

c. 打坍体小导管

成孔设备采用TY-28型气腿式凿岩机，Φ50mm钻头，在掌子面3成孔后，埋入坍体小导管，外漏20cm，便于喷浆后与注浆管路连接。此段软岩易塌孔段，可以直接在短钻头上安装套管，直接将坍体小导管打入。

C. 设置止浆墙

向掌子面喷标号C20、厚度10cm的混凝土作为止浆墙。设置止浆墙前先将各个坍体小导管端部用胶带封死，以防止喷混凝土过程中堵住坍体小导管端部而影响注浆效果。

D. 坍体小导管注浆

a.浆液的选用材料和配比

浆液材料采用水泥水玻璃双液浆，水泥采用标号42.5的普通硅酸盐水泥，水玻璃采用波美度Be'=40的水玻璃。水泥浆的水灰比＝1:1；水泥浆浆液:水玻璃浆液=1:1。注浆压力为0.5Mpa，注浆过程中采用注浆压力和注浆量进行双控，以确保注浆效果。

b.单孔注浆量计算

单孔注浆量按照下式计算

Q=3.14r²Hnβ

式中：Q为单孔注浆量，m³;r为浆液扩散半径，取0.3m；H为注浆孔深度，取6m；n为围岩体积裂隙率，取8%；β为浆液在裂隙内的有效充填系数，取0.8。

则Q=3.14r²Hnβ=0.1086m³,即108.6L。

c.注浆施工

根据参考文献《水泥－水玻璃基本性能研究》（吴德宝，2013）中试验数据如表1所示

由此表可知，水泥浆水灰比＝1:1、水泥浆:水玻璃浆液=1:1的水泥水玻璃浆液初凝时间约为30min。即在30分钟内，向注浆孔内注入108升浆液，根据实际地质情况，完全可行。

注浆顺序采用自下而上，从无水少水的地段向有水多水处进行。注浆时，将两个进浆管分别插入水泥浆和水玻璃浆容器内，打开阀门启动注浆泵注浆，通过终压浆液吸入量、终压力实行双控，确保注浆效果。

E．开挖掌子面

浆液终凝时间为47分钟，终凝后浆液强度迅速上升，形成“塞”状固结体32，来抵抗塌陷荷载形成的推力，防止掌子面坍体再次被推出。注浆完毕1小时后再进行开挖（每个掌子面所有坍体小导管注浆完毕需要约24小时，则每个坍体小导管内的浆液有1-25个小时不等的时间上升强度，一个小时后能满足开挖要求）。开挖时，先以微爆破开挖30cm厚掌子面混凝土，再利用钩机开挖坍体，用装载机出渣。

F.当开挖到2m，停止开挖。再进行下一循环,重复步骤A-E，再进行下一循环（封闭掌子面-打坍体小导管-设置止浆墙-注浆-开挖），直到剩下1米，预留1m作为下一循环施做空间。

G. 混凝土衬砌

由于塌方段可能地下水丰富，周边围岩受到地下水浸泡变软，为确保二次衬砌施作后的稳定性，满足施工要求，软弱底板基础采用厚度50cm强度C25砼片石混凝土进行换填处理。

塌方段衬砌遵循短开挖强支护原则，原则上每12m进行一个循环衬砌，特殊地段衬砌长度也可3m、6m（衬砌与衬砌之间施工缝用预埋Φ25连接筋连接，环向间距30cm），以保证塌方段施工安全。

塌方区的处理方法如下：

A.封闭掌子面

对坍体喷射混凝土（标号C20），厚度40cm，形成掌子面3，以封闭坍体，以保证掌子面安全。

B. 打小导管

此段小导管分为超前小导管和坍体小导管。顶拱和侧壁超前小导管采用Φ42小导管注浆，环向间距30cm，长度6m，外插角5⁰-7⁰。坍体小导管采用Φ42小导管注浆，梅花型布置，间距60cm，长度6m。

坍体小导管使用上述冲击区的坍体小导管。

C.设置止浆墙

向掌子面喷标号C20、厚度10cm的混凝土作为止浆墙。

D.坍体小导管注浆

与使用上述冲击区的坍体小导管注浆方法相同。

E.开挖掌子面

注浆完毕1小时后再进行开挖，先以微爆破开挖50cm厚掌子面混凝土，再以人工利用大风镐对注浆塌方坍体沿轮廓开挖环向槽，中间预留核心土，保证坍体的稳定。

F. 打锚杆，立工字钢拱架，挂钢筋网，进行隧道围岩加固

架设16#工字钢钢架，间距每榀50cm，Ф25螺纹钢焊接连接（环向间距50cm），安设2m长锚杆（Ф22螺纹钢,环向间距1m,排距0.5m）、钢筋网（间距15cm×15cm），并在拱脚上1m处斜向下打设锁脚锚管（Ф42热轧无缝钢管，长度2m,壁厚3.5mm），并注入砂浆。

隧道围岩加固采用超前小导管注浆配合工字钢拱架的方法，顶拱坍体小导管与钢拱架具体位置如图3所示，在隧道底板上固定两组工字钢拱架，使超前小导管4的部位于前方工字钢拱架41的上方，其后端部位于后方工字钢拱架42方，坍体小导管夹在两榀刚拱架之间。以工字钢拱架2作为支点，坍体小导管注浆后，形成的“棚”状固结体分别受到隧道顶部向下土压力F₁和工字钢拱架1提供的向上支撑力F₂的作用，达到力矩平衡。工字钢拱架将受到的力传递给周围岩土体进行消散。

掌子面坍体小导管注浆后（如图4所示），形成整体性结石体。隧道顶部向下土压力经过超前小导管形成的“棚”状固结体抵消部分后剩余土压力F被坍体小导管注浆后的固结体承受，然后再传递给隧道底板进行消散。

G. 喷混凝土

采用标号C20的混凝土喷至设计厚度23cm。

H 混凝土衬砌

与冲击区G步骤的混凝土衬砌相同。

地表塌坑处理

塌坑的回填在坍体通过后采用外购三合土（三合土采用生石灰粉、粘土、砂为原料，按体积比为1:2:3的比例）夯实回填以防地表水的渗入。回填前，洞内停止作业，回填结束查验安全后方可继续作业。

处理情况

在处理塌方过程（过程保密）中，未出现过任何安全质量事故，顺利通过塌方危险段，完满完成任务。

主要创新点

（一）隧道顶部超前小导管与工字钢拱架巧妙结合，使超前小导管形成类似“管棚式”结构，增强支撑能力。

（二）在掌子面密集打小导管并注浆，使掌子面坍体固结，小导管与周围岩土体形成结石体，增强抵抗隧道顶部塌陷荷载及冲击荷载的能力。

（三）塌方处理由管棚配合小导管注浆的施工方法作为预支护改为小导管注浆的施工方法，具有以下显著特点：使用的设备小巧灵活，能够在施工空间有限的情况下运用，避开了大型设备无法操作的弊端；技术难点小，工艺简单，施工精度及施工控制较低；短开挖，强支护，二次衬砌能够及时跟进，显著降低施工安全风险，确保工程顺利进行；设备投入少，降低各种材料用量，节约大量施工成本，经济效益显著；缩短了工期，保证项目按计划投入使用。

取得的效益

由下两种方案实施效果对比表可以看出，管棚施工改为坍体小导管注浆施工后，不仅很好的解决了工程中遇到的实际难题，确保了工程质量和安全，而且明显降低了工程成本，缩短了工期，增加工程施工效益。其中，节约费用约23万元，节约率达到了23%；工期缩短12天。

Claims (6)

1.一种隧洞整体式塌陷后的施工方法，塌方隧洞沿掘进方向分两段，第一段为冲击区，第二段为塌方区；冲击区内一次支护完整，只对掌子面坍体进行处理，隧洞围岩不作处理；塌方区部分一次支护已经破坏，隧道围岩与掌子面坍体都进行处理，其特征在于：

冲击区的施工步骤包括：

封闭掌子面，

打坍体小导管，

C.设置止浆墙，

D.坍体小导管注浆，

E．开挖掌子面，

F.当开挖到2m，停止开挖；再进行下一循环,重复步骤A-E，直到剩下1米，预留1m作为下一循环施做空间，

G.混凝土衬砌；

塌方区的施工步骤包括：

A.封闭掌子面，

B.打小导管，小导管分为超前小导管与坍体小导管，

设置止浆墙，

坍体小导管注浆，

开挖掌子面，

F. 打锚杆，立工字钢拱架，挂钢筋网，进行隧道围岩加固，具体为：在隧道底板上固定两组工字钢拱架，使超前小导管的中部位于前方工字钢拱架的上方，其后端部位于后方的工字钢拱架的下方，

G. 喷混凝土，

H 混凝土衬砌。

2.如权利要求1所述的隧洞整体式塌陷后的施工方法，其特征在于：

冲击区封闭掌子面的方法为：对坍体喷射混凝土，厚度20cm，形成掌子面3，以封闭坍体；

塌方区封闭掌子面的方法为：对坍体喷射混凝土，厚度40cm，形成掌子面3，以封闭坍体。

3.如权利要求1所述的隧洞整体式塌陷后的施工方法，其特征在于：

冲击区打坍体小导管的方法为：

a.坍体小导管制作，坍体小导管采用Ф42热轧无缝钢花管，壁厚3.5mm，长度6m，坍体小导管包括前端、尖端、中间部，尖端的长度为15cm，前端长度为1m，中间部钻成直径1cm过浆孔，过浆孔沿坍体小导管轴向设有四行，过浆孔成梅花型布置每行相邻两个过浆孔之间的距离为15cm，

b. 坍体小导管布置，多个坍体小导管呈梅花型布置，间距60cm，长度6m，方向沿隧洞轴向布置，

c. 打坍体小导管，成孔设备采用TY-28型气腿式凿岩机，Φ50mm钻头，在掌子面3成孔后，埋入坍体小导管，坍体小导管外漏20cm，在短钻头上安装套管，将坍体小导管打入；

塌方区打小导管的方法为：

此段小导管分为超前小导管和坍体小导管，顶拱和侧壁超前小导管采用Φ42小导管注浆，环向间距30cm，长度6m，外插角5⁰-7⁰，坍体小导管采用Φ42小导管注浆，梅花型布置，间距60cm，长度6m；坍体小导管使用上述冲击区的坍体小导管。

4.如权利要求1所述的隧洞整体式塌陷后的施工方法，其特征在于：冲击区、塌方区设置止浆墙的方法为：向掌子面喷厚度10cm的混凝土作为止浆墙，设置止浆墙前先将各个小导管端部用胶带封死。

5.如权利要求1所述的隧洞整体式塌陷后的施工方法，其特征在于：冲击区、塌方区坍体小导管注浆的方法为：

a.确定浆液的选用材料和配比：浆液材料采用水泥水玻璃双液浆，水泥采用标号42.5的普通硅酸盐水泥，水玻璃采用波美度Be'=40的水玻璃，水泥浆的水灰比＝1:1；水泥浆浆液:水玻璃浆液=1:1，注浆压力为0.5Mpa，注浆过程中采用注浆压力和注浆量进行双控

b.单孔注浆量计算：单孔注浆量按照下式计算

Q=3.14r²Hnβ

式中：Q为单孔注浆量，m³;r为浆液扩散半径，取0.3m；H为注浆孔深度，取6m；n为围岩体积裂隙率，取8%；β为浆液在裂隙内的有效充填系数，取0.8；

c.注浆施工：在30分钟内，向注浆孔内注入浆液，注浆顺序采用自下而上，从无水少水的地段向有水多水处进行；注浆时，将两个进浆管分别插入水泥浆和水玻璃浆容器内，打开阀门启动注浆泵注浆，通过终压浆液吸入量、终压力实行双控。

6.如权利要求1所述的隧洞整体式塌陷后的施工方法，其特征在于：

冲击区开挖掌子面的方法为：注浆完毕1小时后再进行开挖，开挖时，先以微爆破开挖30cm厚掌子面混凝土，再利用钩机开挖坍体；

塌方区开挖掌子面的方法为：注浆完毕1小时后再进行开挖，先以微爆破开挖50cm厚掌子面混凝土，再以人工利用大风镐对注浆塌方坍体沿轮廓开挖环向槽，中间预留核心土。