CN108708743A - 一种采用灌浆处理隧洞塌方的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种采用灌浆处理隧洞塌方的方法,该方法包括：（1）直接将两根灌浆管从塌方段的洞口送入塌渣体内，控制注浆点高出洞顶5‑6m，将浆液注入松散体内，灌浆过程中，浆液由注浆点先下降包裹、固结下部松散体，随着浆液在下部的固结，塌渣体内的浆液液面逐步上升至出浆点，完成出浆点以下松散体的包裹和固结；（2）将利用传统的拱效应原理，将塌方段顶拱的松散体进行固结，即在洞顶以上5‑6m范围的松散体进行固结后，将塌方段隧洞顶部开挖成拱形，利用其成拱效应承受上部松动体的荷载；（3）在完成洞顶5‑6m的松动圈加固后，按Ⅴ类围岩的支护方式，每次进尺0.5m就布置一榀工字钢制作的钢支撑与顶拱开挖作业面撑顶牢固，共同承担顶拱的荷载。本发明的目的在于克服现有三种传统注浆法存在的不足而提供一种快速高效且安全性高的采用灌浆处理隧洞塌方的方法。
Description
技术领域
本发明涉及隧道工程领域，尤其涉及一种采用灌浆处理隧洞塌方的方法。
背景技术
现有隧洞塌方体在作业的掌子面形成松散体堆集后，大多采取注浆的方式进行松散体加固，并采取锚固的方式，如注浆锚固法、大管棚注浆超前支护法以及塌坑注浆法。
注浆锚固法大都采取中空自进式锚杆来完成，利用中空自进式锚杆自带的钻头钻孔，并将其作为下一步的灌浆管埋入塌方体中，钻孔的外插角度控制在15-30度之间，然后采用喷射混凝土封闭掌子面后，采用中高压注浆方式进行注浆；将中空锚杆钻入塌方体过程中，如钻孔穿过的塌方体中存在大块体，则钻孔进尺速度较慢，如遇碎块或活动的石块，则出现卡钻事故，造成钻孔不能到达预定的位置，需重新布置钻孔，如塌方体中有覆盖层土体，则钻头上的注浆孔被堵塞。
大管棚注浆支护超前支护法，采用管棚钻机先将直径Φ108～Φ189的钢花管沿隧洞顶部打入塌方体内，钻孔外插角控制在5-10度，然后通过管棚上的孔进行灌浆，必要时辅以小导管采取较大的外插角进一步加大管棚灌浆上部的灌浆范围；采取大管棚注浆超前支护时，要在塌方段前进行锁口，防止塌方段扩大，管棚间距一般为20cm，沿隧道顶拱120-180度布置，不仅工程量较大，而且管棚钻机将管棚钢管插打进入塌方体时，还需将塌方段锁口前的隧道顶部扩大，以便布置管棚钻机进行施工，但是紧临塌方段扩挖洞室，还存在造成塌方洞段扩大的危险。
以上两种，无论是注浆锚固还是大管棚注浆的方式，将锚杆或管棚打入松散体，均存在可能多次发生卡管或不能正常施工的现象。
塌坑注浆法直接在地表塌坑处向塌方体注浆，注浆范围扩大、代价高，如地表塌坑与隧洞顶部距离大，灌浆浆液下渗至洞顶的难度大，如浆液不能到达洞顶部位，则其不能在洞顶附近形成固结圈，清理塌渣时，大量的松动石渣将会滑落，不仅出渣量大，而且隧洞顶部因塌渣清除后产生空腔，增加处理难度，且穿越塌方的可控性不能得到保证。
发明内容
本发明的目的在于克服上述三种传统注浆法存在的不足而提供一种快速高效且安全性高的采用灌浆处理隧洞塌方的方法。
为了实现上述目的，本发明采用如下的技术方案：一种采用灌浆处理隧洞塌方的方法，其特征在于：该方法包括：（1）改变传统钻孔固结灌浆理念为浆液包裹松散体后自由流动、重力充填松散体孔隙理念，从而不需钻孔或其它机械，用人工直接将两根灌浆管从塌方段的洞口送入塌渣体内，克服了因钻孔造成施工质量问题。控制注浆点高出洞顶5-6m，由此处通过灌浆管将浆液注入松散体内，灌浆过程中，浆液由注浆点先下降包裹、固结下部松散体，随着浆液在下部的固结，塌渣体内的浆液液面逐步上升至出浆点，完成出浆点以下松散体的包裹和固结；（2）将利用传统的拱效应原理，将塌方段顶拱的松散体进行固结，即在洞顶以上5-6m范围的松散体进行固结后，将塌方段隧洞顶部开挖成拱形，利用其成拱效应承受上部松动体的荷载；（3）在完成洞顶5-6m的松动圈加固后，按Ⅴ类围岩的支护方式，每次进尺0.5m就布置一榀工字钢制作的钢支撑与顶拱开挖作业面撑顶牢固，共同承担顶拱的荷载。
更进一步地，注浆之前采用出渣设备对塌方段洞口的渣体进行修整，以便将塌方松散体堆集而掩埋的洞口通过开挖而出露。
更进一步地，采用装土的编织袋顺塌渣在洞口的斜坡上封堵至洞顶，灌浆管在洞口外露长度不小于100cm。
采用喷护混凝土将洞口堆渣（土）形成的作业面封闭，喷护混凝土控制厚度5cm以内，等强度24小时。
其中一根灌浆管为钢管，并与一台灌浆泵连接，形成灌浆回路，通过连接灌浆泵的灌浆管进行灌浆；灌浆过程中，观察灌浆泵输送浆液压力的变化，灌浆泵运行过程中表压力自动上升或未连接灌浆泵的灌浆管(观察管)出浆，说明浆液已经上升至灌浆管出浆点以上高程，灌浆作业即可完成。
采用水灰比1:1的水泥浆液进行灌浆。
灌浆结束48小时后，按Ⅴ类围岩的支护方式采取短进尺加钢支撑的方式对塌方固结体进行正常爆破开挖，每次进尺控制在0.5m；因浆液渗透至塌方形成的松散渣体内并完成固结，隧洞顶部5-6m范围的塌方松散固结体强度较高，塌方的可控性得到保证。
本发明的技术方案产生的积极效果如下：因塌方松散体存在孔隙率大，部分塌渣块体还有架空的现象，采用流动性及渗透性较好的浆液，在松散体上方注入浆液，让浆液随重力下降自由进入松散体的空间，对塌方松散体完成水泥浆包裹、并对孔隙和空洞填充，乃至逐步自下而上自然固结。隧洞塌方后渣体由洞口向内呈由低至高的特点，在洞口随塌渣形成的坡面将注浆钢管送入塌方体内十分便利，不需进行钻孔作业。
隧洞一般在顶部设计为拱形，故可以按照设计开挖线开挖成拱，利用塌方松散体灌浆固结后开挖成的拱效应加钢支撑共同承担固结体上部的松动体，安全性得到保证的同时，灌浆固结的效果更好。
利用本发明的灌浆方法处理的三个塌方的效果如下：
（1）在由不利组合的断层带或裂隙密集引发的塌方处理施工时，直接预埋两根灌浆管至塌方体后进行灌浆，灌注水泥量与洞室设计开挖方量体积的比例为500kg/m3左右。灌浆完成后，开挖揭露岩石与水泥胶结十分完整，爆破开挖时，最大循环进尺达到1.5m，采用该注浆方式处理长约10m的塌方洞段一次顺利通过。
（2）在处理由滑坡体造成的塌方施工中，同样采取本发明的灌浆方式灌浆，灌注水泥量与洞室设计开挖方量体积的比例为300kg/m3左右，爆破开挖揭示隧道开挖线范围内的土体、坡积物、漂石与水泥结合至密，按Ⅴ类围岩控制循环进尺0.5m进行爆破作业，并采取及时跟进钢支撑支护方式一次通过了塌方段。在塌方处理隧洞贯通后进行混凝土浇筑前，因河水突涨，隧洞内进水将模板或钢筋全部冲毁，洪水过后发现经过该注浆工艺处理的隧洞固结体保存完好，仅在临近岸坡部位一侧出现了一个顺坡向的孔洞，后续处理过程中仅对孔洞封堵高约6m，塌方处理通过后，隧洞安全导流运行，保证了大坝施工期的正常施工。
（3）在处理因千枚岩松散体造成的塌方施工中，采取本发明的灌浆方式灌浆，灌注水泥量与洞室设计开挖方量体积的比例为300kg/m3左右，爆破开挖揭示隧道开挖线范围内的松散体与水泥结合至密，按类围岩控制循环进尺0.5m进行爆破作业，采取及时跟进钢支撑的方式一次顺利通过塌方处理段。
上述三个塌方洞段的塌方处理长度均在10m左右，采用预埋两根1寸钢管进行灌浆固结松散体的方式，工艺简单，效果良好，避免了传统塌方注浆方式给施工造成的困难，同时，在塌方洞段上部形成5-6m的固结圈，不仅可以承受松散体的重量，而且洞顶5-6m范围塌方体的固结，可使其上方的松散体依靠自身的内聚力和摩擦角保持稳定，且能作为洞顶再次塌方时产生冲击的缓冲层，因此更具有比传统注浆方式处理塌方的安全性。
采用1寸钢管灌浆不需要对钢管进行打眼作花管，仅需保证钢管与供浆管道能衔接好即可，还可避免因袋装水泥致水泥浆内存在的纤维丝在花管口及中空锚杆钻头处产生淤积，从而造成堵塞而影响灌浆顺利进行。
具体实施方式
下面结合三个具体实施例对本发明的技术方案做进一步阐述。
实施例一：云南大盈江导流洞出口0+107.5～0+118塌方处理案例
一、工程概括：
大盈江导流洞洞室开挖标准断面为10m*11.5m，近坡向洞室埋深较浅，坡面覆盖层为坡积层、冲积层和崩塌堆积体分布，出口洞段洞顶高程EL 673m以上无基岩出露，洞室围岩由砾石、砂质粘土和漂石组成，结构整体松散，地质条件复杂。导流洞采取分层开挖方式成型，上坑道开挖高约4.5m，中、下坑道开挖高度约3.5m。上坑道贯通，下坑道先锋槽掘进至桩号0+107.5m时，近坡向地下水出漏，随即保留岩体直立边墙坍塌，上部支护钢支撑变形，随之洞顶出现塌方，塌方体在隧洞内堆积，堆积高度不详。
二、塌方处理存在的问题：
导流洞塌方发生后，为保证塌方处理作业安全，防止塌方向洞内扩大，紧邻塌方段安装两榀全断面钢支撑，间距1.0m，钢支撑采用连接筋（Φ25@100）加固，沿隧洞底部布置横向地脚梁，并布置锁脚锚杆与钢支撑焊接牢固，长度3.0m，排距1.0m，完成塌方段锁口工作。
塌方处理时，先采取中空自进式锚杆沿锁口钢支撑顶部打入塌方体内，锚杆间距按1.0m控制。实施过程中，发现中空自进式锚杆最大单孔注入水泥量100kg左右，局部孔存在不吃浆现象，后改用小导管进行灌浆，效果仍然较差，采用上述方法注浆后，开挖发现，中空注浆锚杆钻头与小导管花眼处存在编织袋纤维或粘土堵塞现象，塌方处理进占2m后，钢支撑顶部围岩压力过大，钢支撑变形严重，塌方处理无法向前推进。同时，塌方处理过程中发现，洞顶以上约20m高处的施工便道处发现洞坑，且便道以上约50m处发现一道裂缝与洞室走向平行，表面开裂宽度大1.0m。因此，分析判断塌方处理过程中围岩压力过大现象与洞顶以上堆渣高度关系非常密切，必须对塌方体进行固结，才能确保塌方处理顺利进行。
三、采用本发明的灌浆方式完成对塌方体的包裹、充填：
根据对塌方现场情况的分析发现，塌方堆积体空隙较大，砾石、漂石坍塌后，块石之间存在架空现象，其空隙率较中粗砂孔隙还要偏大，灌浆处理中粗砂时，尚且能对中粗砂进行固结，按照这一填充理论，对塌方松散体进行固结应该更容易，结合石拱桥理论，块石之间进行胶结后，能承担很大的上部静荷载和动荷载作用，因此，决定进行第一次使用控制塌方体内浆液液面，让浆液自由包裹、充填塌方体间隙、空洞施工。处理步骤如下：
1.采用反铲对塌方段洞口的渣体进行部分清除，使塌方松散体堆集而掩埋的洞口出露；
2.将2根灌浆管由洞口送入塌渣体内，控制出浆点端的高程超过洞顶5-6m；
3.采用编织袋装土封堵洞口，灌浆管在洞口外露控制不小于100cm；
4.采用喷护混凝土将洞口处封闭，喷护混凝土控制厚度5cm，等强度24小时；
5.采用水灰比1:1的水泥浆液进行灌浆；
6.采用1寸钢管作为灌浆管，其中一根灌浆管上连接灌浆泵，形成灌浆回路；通过连接灌浆泵的灌浆管进行灌浆，观察灌浆过程灌浆泵泵压变化，灌浆泵运行过程中表压力自动上升或者未连接灌浆泵的灌浆管出浆，说明浆液已经上升至灌浆管出浆点以上高程，灌浆完成；
本项目塌方洞段长10.5m，共注入水泥300T，按隧洞设计开挖断面计算正常洞的体积为1000余方，平均耗水泥300kg/m3左右（不同塌方松散体注入量有一定差别，灌浆施工组织时，保证水泥量的供应，一旦灌浆开始，需要连续不间断的完成，防止灌浆管的堵塞或渗漏通道的堵塞而造成返工或增加处理难度），爆破开挖揭示隧道开挖线范围内的土体、坡积物、漂石与水泥结合至密。
7. 灌浆结束48小时后，按Ⅴ类围岩的支护方式采取短进尺加钢支撑的方式对塌方固结体进行正常爆破开挖，每次进尺0.5m，同时，及时跟进钢支撑，整个处理过程一次通过。
后隧洞塌方处理贯通进行混凝土浇筑时河水突涨，隧洞内进水将模板或钢筋全部冲毁，但经过该本发明的注浆工艺处理的隧洞固结体保存完好，仅在临近岸坡部位一侧出现了一个顺坡向的孔洞，后续处理过程中仅对出现的孔洞封堵了高约6m，隧洞衬砌完成后，导流洞顺利实现导流，保证了大坝施工期的正常施工。
本次塌方堆渣影响洞段长度达50m，从塌方前期探索处理方案、洪水过流影响以及恢复塌方处理，完成塌方影响洞段全部衬砌历时约2 个月，为后续同类因塌方体堵塞洞段的塌方处理提供了借鉴方案。
实施例二：锦屏一级水电站左岸交通洞案例。
一、工程简况：
锦屏一级水电站左岸交通洞断面为城门洞型，衬砌后尺寸为10m×8.5m(宽×高)。隧洞在开挖至S8支洞所辖段时，因千枚岩地层松散，已经贯通的隧洞产生塌方，塌方体为松散的呈煤碳状散体，车辆通行多次碾压即成为泥状结构。前期对塌方采取强行出渣方案进行处理，出运塌方渣料约3000m³，但强行通过塌方后仅1天，再次产生大面积塌方，塌方洞长约12m，塌渣将隧洞全部堵塞，塌渣松散体堆积至洞顶高5m以上。
二、采用本发明的灌浆方式进行塌方处理：
本次处理塌方洞段仅埋设两根1寸钢管进行灌浆，控制出浆点高出洞顶5m，灌浆采用水灰比为1:1的浆液灌注，其灌注水泥450T，洞室设计开挖体积为1500 m³，平均300kg/m³左右，爆破开挖揭示隧道开挖线范围内的松散体与水泥结合至密，按Ⅴ类围岩控制循环进尺0.5m进行爆破作业，并采取及时跟进钢支撑进行支护，对完成固结的洞段全断面一次开挖成型，并顺利通过塌方处理段。整个塌方处理仅用不到一个月完成，为锦屏水电站左岸边坡按期开工提供了条件，业主对塌方处理顺利通过给予专项奖金30万元。
实施例三：锦屏一级水电站左岸导流洞案例
一、工程简况:
锦屏一级水电站左岸导流洞断面为城门洞型，衬砌后尺寸为15×19m(宽×高)。洞身长度1214.359m，进、出口底板高程分别为1638.50m和1634.00m。整个导流洞按双弯道布置，由进口引渠段、闸室段、渐变段、洞身段、堵头段、洞身段和出口引渠段组成。洞身开挖分三层进行钻爆开挖，每层开挖过程中根据围岩情况及时进行锚喷支护，其中喷混凝土为10～15cm厚的钢纤维混凝土，然后采用60～120cm厚钢筋混凝土全断面衬砌，其中边拱为C30混凝土，底板为C40聚丙烯纤维混凝土。
左岸导流洞K0+430m---K0+550m洞段岩层走向近平行洞轴线，裂隙相对较发育，特别是中陡倾角的层面裂隙和反倾向裂隙较发育，形成围岩不利组合。由于导流洞规模较大，边墙高达20m，两组裂隙切割形成的三角体、楔形体存在向洞内滑移的潜在因素，尤其是层面结合较差的绿片岩、煌斑岩脉等软弱面的存在及小断层分布，加上地下水和高应力的作用，导致边墙失稳，进而引起顶拱塌方。左岸导流洞K0+430m---K0+550m洞段50天内，先后发生9次大规模塌方，累计塌方段长度达120m，最大塌穴高度达42m，塌方体总量约50000
m³，塌方的规模在国内外均属罕见。
二、塌方处理措施及控制注浆液面高程加固隧洞塌方体的应用：
本次塌方处理主要从“安全、快速、高效”通过塌方段的思路出发，从围岩裂隙及结构面的稳定分析入手，结合塌方形成后的工程现状，主要采取了在塌方体上部的空腔内浇筑钢构混凝土拱，对两侧墙进行撑顶加固，在导流洞进口端采取了控制注浆液面高程加固隧洞塌方体施工，在塌方段上层开挖贯通后，采用锚杆和锚筋桩锁定钢构混凝土结构或固结灌浆形成的拱圈，然后自上而下逆作法浇筑衬砌混凝土。
本项目采取注浆处理导流洞进口段塌方洞段长25m，共注入水泥750余T，按隧洞设计上半洞开挖断面计算体积为1500余方，平均耗水泥500kg/m³左右，灌浆完成后，开挖揭露岩石与水泥胶结十分完整，爆破开挖时，最大循环进尺可达到1.5m，为保证施工安全，后执行循环进尺1.0 m的要求，采用该注浆方式处理长约25m的塌方洞段仅用一个月，即保证了上半洞开挖一次顺利通过。
Claims (7)
1.一种采用灌浆处理隧洞塌方的方法，其特征在于：该方法包括：（1）人工将两根灌浆管从塌方段的洞口送入塌渣体内，控制注浆点高出洞顶5-6m，由此处通过灌浆管将浆液注入松散体内，灌浆过程中，浆液由注浆点先下降包裹、固结下部松散体，随着浆液在下部的固结，塌渣体内的浆液液面逐步上升至出浆点，完成出浆点以下松散体的包裹和固结；（2）将利用传统的拱效应原理，将塌方段顶拱的松散体进行固结，即在洞顶以上5-6m范围的松散体进行固结后，将塌方段隧洞顶部开挖成拱形，利用其成拱效应承受上部松动体的荷载；（3）在完成洞顶5-6m的松动圈加固后，按Ⅴ类围岩的支护方式，每次进尺0.5m就布置一榀工字钢制作的钢支撑与顶拱开挖作业面撑顶牢固，共同承担顶拱的荷载。
2.根据权利要求1所述的一种采用灌浆处理隧洞塌方的方法，其特征在于：注浆之前采用出渣设备对塌方段洞口的渣体进行修整，以便将塌方松散体堆集而掩埋的洞口通过开挖而出露。
3.根据权利要求1所述的一种采用灌浆处理隧洞塌方的方法，其特征在于：采用装土的编织袋顺塌渣在洞口的斜坡上封堵至洞顶，灌浆管在洞口外露长度不小于100cm。
4.根据权利要求1所述的一种采用灌浆处理隧洞塌方的方法，其特征在于：采用喷护混凝土将洞口堆渣形成的作业面封闭，喷护混凝土控制厚度5cm以内，等强度24小时。
5.根据权利要求1所述的一种采用灌浆处理隧洞塌方的方法，其特征在于：其中一根灌浆管为钢管，并与一台灌浆泵连接，形成灌浆回路，通过连接灌浆泵的灌浆管进行灌浆；灌浆过程中，观察灌浆泵输送浆液压力的变化，灌浆泵运行过程中表压力自动上升或未连接灌浆泵的灌浆管出浆，说明浆液已经上升至灌浆管出浆点以上高程，灌浆作业完成。
6.根据权利要求1所述的一种采用灌浆处理隧洞塌方的方法，其特征在于：采用水灰比1:1的水泥浆液进行灌浆。
7.根据权利要求1所述的一种采用灌浆处理隧洞塌方的方法，其特征在于：灌浆结束48小时后，按Ⅴ类围岩的支护方式采取短进尺加钢支撑的方式对塌方固结体进行正常爆破开挖，每次进尺控制在0.5m，因浆液渗透至塌方的松散渣体内并形成固结，隧洞顶部5-6m范围的塌方松散固结体强度较高，塌方的可控性得到保证。
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