CN110617067A - 一种极软弱围岩隧道全断面边界超前管棚低风险施工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种极软弱围岩隧道全断面边界超前管棚低风险施工方法，涉及隧道施工技术领域，采用快硬微膨胀硫铝酸盐水泥注浆，彻底解决了炭质、泥质页岩不吃浆、效果差的难题。采用隧道开挖轮廓线拱部中管棚、全环小导管超前加固注浆，解决了开挖时拱部掉块、两墙片邦、初支背后塌空的难题。初支全环采用径向注浆，对初支背后松散破碎岩层进行加固，形成自稳能力，有效控制收敛和下沉，没有出现初支侵限问题，及时施作二衬，将高风险降到低风险，能保证隧道施工安全和结构安全。
Description
技术领域
本发明涉及隧道施工技术领域，特别是涉及一种极软弱围岩隧道全断面边界超前管棚低风险施工方法。
背景技术
某高铁双线隧道长约8000m，最浅埋深19.5m，最大埋深440m，隧道中部设一双车道无轨运输平洞，长度250m，全隧按进口、平洞、出口共计三个工区四个作业面组织施工，其中平洞工区承担正洞3800m。
受区域向斜、断层和地震等地质构造影响，隧道范围内岩体破碎，节理裂隙发育，岩层挤压严重，隧道硐室围岩自稳差。岩层有第四系孔隙潜水、基岩裂隙水。
该隧道开挖揭示地质条件较差，开挖过程中多次出现掌子面失稳、拱顶坍塌、洞壁岩层剥离、初支错断、开裂、侵限变形等现象，总结其引起上述工程现象的主要地质因素有：
①断层挤压破碎岩为炭质、泥质或沙质页岩，呈薄层状，产状紊乱，夹大量白色方解石，局部呈泥化现象，极其松软，可直接人工开挖。该岩层无水时自稳能力差，层间无胶结力，可沿临空面形成碎屑岩流，形成塌方；稍有水时，破碎软化严重，无自稳能力，遇地下水发育时容易垮塌，初支严重变形，造成初支背后形成溜坍空腔等，引起初支变形侵限。
②软弱夹层较多，夹层顺线路或与线路呈小角度相交，倾角大于45°，厚度2～8m；岩性与断层挤压破碎岩比较类似，多呈薄层状，夹含大量白色方解石，局部泥化，夹层发育地段一般有地下水，呈滴状或线状，导致软弱夹层软化严重，基本无自稳能力。该隧道岩层倾角较大，常引起软弱夹层在拱顶部位产生溜坍、垮塌、超挖现象，拱腰部位造成初支变形、垮塌，引起拱顶已施做完成的初支拱架错断变形，造成初支变形侵限。
③地下水。炭质页岩本为隔水层，但受三次地震影响，该隧道开挖揭示岩体破碎，透水能力较强，基岩裂隙水发育，地表水沿裂隙向下渗漏，出现线性流状或聚涌状出水，最大涌水达到800m3/d，地下水引起断层压碎岩及软弱夹层软化，降低自稳能力，造成围岩失稳，初支变形。
④冲沟浅埋较多。该隧道地形复杂，沟壑交错，山峦纵横起伏较大。施工开挖揭示洞身浅埋地段岩体较破碎，地下水较发育，围岩地质条件较差，自稳能力差。
现有方案
①开挖预留变形量80～100cm，工法采用三台阶法，上台阶预留核心土一次开挖1榀，中、下台阶左右错开一次开挖2榀，仰拱一次开挖3榀，并及时初支封闭。
②掌子面超前支护采用拱部150范围Φ76mm中管棚+Φ42mm小导管，中管棚间距为纵向6.0m，环向0.4m，每环50根，每根长9.0m，外插角1°～5°，小导管间距纵向2.4m，环向0.4m，每环50根，每根4.0m，外插角10°～15°，并与中管棚交错布置，见图1。
③初支钢拱架采用H175型钢，间距0.6m/榀，用Φ22mm作连接钢筋，环向间距1.0m，与钢拱架焊接牢固；钢拱架内侧用Φ8mm钢筋网片，网格间距200×200mm。采用强度C25喷射混凝土，喷射厚度300mm。
④超前中管棚、小导管注浆采用PO42.5R早强型普通硅酸盐水泥，水灰比(重量)＝0.4：1.0，注浆压力0.5～1.0MPa。
现有技术缺点：
①普通硅酸盐水泥浆液对破碎炭质、泥质页岩注不进去，注浆效果差，超前支护没有发挥应有作用。
②在中、下台阶开挖时，上一个台阶拱脚悬空极不稳定，初支背后松散破碎不成岩的岩石塌落，开挖时超挖多，即使立拱架初支后，背后脱空多，极易发生塌坍。
基于以上两个因素，该施工近两年，正洞大、小里程进度仅520m，平均每个掌子面施工速度10.8m/月，经常出现初支下沉、收敛，最大下沉1.3m，出现5次塌方，安全风险很大，塌方处理时间长，业主又不允许增加设计变更费用，经济亏损严重，直接成本达到2200万元。
发明内容
为解决以上技术问题，本发明提供一种极软弱围岩隧道全断面边界超前管棚低风险施工方法，选择合适的注浆材料，使超前管棚小导管注浆支护真正发挥加固作用，并在下一个台阶开挖时不明显超挖，特别是上一个台阶初支背后不能塌空，有效控制初支下沉和收敛，形成自稳结构。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
本发明提供一种极软弱围岩隧道全断面边界超前管棚低风险施工方法，设置超前支护；在拱部顶部一定范围内，设置中管棚和小导管超前注浆支护；
采用三台阶法进行开挖；其中，上台阶和中台阶的长度小于10米，下台阶的长度小于15米，隧道平洞的大里程和小里程的开挖变形量从60-80厘米逐步降低至30-40厘米，并采用人工配合挖掘机开挖，上台阶掌子面每循环开挖一榀，中台阶和下台阶每循环开挖两榀，隧道底部每循环开挖三榀；
初期支护；采用多榀钢架进行支撑，在钢架的拱脚处设置垫板，以增加拱脚与地面的接触面积，同时将拱脚锚固与地面上；
径向注浆；在所述多榀钢架的径向方向设置注浆小导管，并向所述注浆小导管中压注快硬微膨胀硫铝酸盐水泥，并同时施作仰拱、仰拱填充和二衬；
应力应变监测；在围岩、衬支和衬砌内部设置砼应变计，对初支和衬砌结构的接触压力和混凝土内力进行监测，并分析相关数据作为原始数据，为后续设计及施工调整提供基础数据；
超前地质预报和监控量测；对施工前方的围岩地质和水文特性进行预报，并将分析结果及时反馈给相关施工人员，为施工提供参考；
注浆效果验证；对超前中管棚和小导管超前注浆加固效果进行探孔验证，判断注浆效果，并检测径向注浆效果。
可选的，设置超前支护时，在拱部顶部150度范围内，采用直径76毫米的中管棚和直径42毫米的小导管超前注浆支护，中台阶和下台阶全环采用直径42毫米的小导管超前注浆支护。
可选的，所述中管棚的纵向间距为6米，环向间距为4米，每根所述中管棚的长度为9米。
可选的，所述小导管超前注浆支护中的小导管的纵向间距为2.4米，环向间距为0.4米，每根所述小导管超前注浆支护中的小导管长度为4米。
可选的，所述中台阶和所述下台阶部分的小导管的纵向间距为3米，环向间距为0.6米，每根所述中台阶和所述下台阶部分的小导管长度为4米。
可选的，初期支护中，相邻所述拱架之间的间距为0.6米，拱脚采用四根直径为42毫米的锚杆固定，每根所述锚杆长度为4.5米，并压注快硬微膨胀硫铝酸盐水泥，先注拱脚，后注初支背后。
可选的，径向注浆中，注浆小导管长度为4米，纵向间距为1.2米，环向间距为1.2米，压注快硬微膨胀硫铝酸盐水泥；上台阶、中台阶和下台阶同时推进，初支成环不大于35米，仰拱和仰拱填充每6米浇筑一板，浇筑两板仰拱和仰拱填充后施作二衬，衬砌步距不大于70米。
可选的，采用瞬变电磁、超前水平钻、加深炮孔、TS和地质雷达对围岩地质和水文特性进行预报。
本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：
①采用快硬微膨胀硫铝酸盐水泥注浆，彻底解决了炭质、泥质页岩不吃浆、效果差的难题。②采用隧道开挖轮廓线拱部中管棚、全环小导管超前加固注浆，解决了开挖时拱部掉块、两墙片邦、初支背后塌空的难题。③初支全环采用径向注浆，对初支背后松散破碎岩层进行加固，形成自稳能力，初支下沉量在每天3～6mm，收敛每天8～13mm，有效控制收敛和下沉，没有出现初支侵限问题，及时施作二衬，将高风险降到低风险，能保证隧道施工安全和结构安全。④按专项方案将各工序施工到位，验收合格，每月大、小里程施工进度能达到40～60m，效果良好。⑤经过业主同意，该隧道平洞段长度60％左右，将原设计Ⅳ级围岩变为Ⅴ级围岩，费用增加约6000万元，减少了施工单位的亏损。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明极软弱围岩隧道全断面边界超前管棚低风险施工方法的中管棚和小导管超前注浆支护示意图；
图2为本发明极软弱围岩隧道全断面边界超前管棚低风险施工方法的隧道初支径向注浆示意图。
附图标记说明：1、中管棚；2、小导管；3、注浆。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例一：
如图1所示，本实施例提供一种极软弱围岩隧道全断面边界超前管棚低风险施工方法，设置超前支护；在拱部顶部150度范围内，设置中管棚和小导管超前注浆支护；采用直径76毫米的中管棚和直径42毫米的小导管超前注浆支护，中台阶和下台阶全环采用直径42毫米的小导管超前注浆支护。
所述中管棚的纵向间距为6米，环向间距为4米，每根所述中管棚的长度为9米，每环50根，外插角20-25度。
所述小导管超前注浆支护中的小导管的纵向间距为2.4米，环向间距为0.4米，每根所述小导管超前注浆支护中的小导管长度为4米，每环50根，外插角10-15度。
所述中台阶和所述下台阶部分的小导管的纵向间距为3米，环向间距为0.6米，每根所述中台阶和所述下台阶部分的小导管长度为4米。
采用三台阶法进行开挖；其中，上台阶和中台阶的长度小于10米，下台阶的长度小于15米，隧道平洞的大里程和小里程的开挖变形量从60-80厘米逐步降低至30-40厘米，并采用人工配合挖掘机开挖，上台阶掌子面每循环开挖一榀，中台阶和下台阶每循环开挖两榀，隧道底部每循环开挖三榀。
初期支护；采用多榀I25型钢钢架进行支撑，在钢架的拱脚处设置垫板，以增加拱脚与地面的接触面积，同时将拱脚锚固与地面上，相邻所述拱架之间的间距为0.6米，拱脚采用四根直径为42毫米的锚杆固定，每根所述锚杆长度为4.5米，并压注快硬微膨胀硫铝酸盐水泥，先注拱脚，后注初支背后，注浆饱满快速凝固，以控制拱脚的沉降和收敛；径向注浆小导管代替原设计锚杆。
径向注浆；在所述多榀钢架的径向方向设置注浆小导管，并向所述注浆小导管中压注快硬微膨胀硫铝酸盐水泥，快速实现初支背后松散层的加固，提升围岩自身承载力，减轻对初支的结构的影响；并同时施作仰拱、仰拱填充和二衬；注浆小导管长度为4米，纵向间距为1.2米，环向间距为1.2米，压注快硬微膨胀硫铝酸盐水泥；上台阶、中台阶和下台阶同时推进，初支成环不大于35米，仰拱和仰拱填充每6米浇筑一板，浇筑两板仰拱和仰拱填充后施作二衬，衬砌步距不大于70米；注浆采用耿立XGL90-125型注浆机，压力范围0.5-16兆帕，水灰比为0.5-0.7:1(重量比)，注浆压力0.5-2兆帕。
应力应变监测；在围岩、衬支和衬砌内部设置砼应变计，对初支和衬砌结构的接触压力和混凝土内力进行监测，并分析相关数据作为原始数据，为后续设计及施工调整提供基础数据。
超前地质预报和监控量测；采用瞬变电磁、超前水平钻、加深炮孔、TS和地质雷达对施工前方的围岩地质和水文特性进行预报，并将分析结果及时反馈给相关施工人员，为施工提供参考。
在平洞工区内由两人专职负责，两人的间距为5米，每天两次进行监控量测，测量数据及时反馈给相关施工人员，为支护体系评价、采取对策提供参考。
二次衬砌施作在变形基本稳定后进行，应符合下列要求：变形速率明显下降并趋于缓和，变形速率的7天平均值小于2mm/d。
注浆效果验证；对超前中管棚和小导管超前注浆加固效果进行探孔验证，判断注浆效果，并检测径向注浆效果。
本说明书中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (8)
1.一种极软弱围岩隧道全断面边界超前管棚低风险施工方法，其特征在于，
设置超前支护；在拱部顶部一定范围内，设置中管棚和小导管超前注浆支护；
采用三台阶法进行开挖；其中，上台阶和中台阶的长度小于10米，下台阶的长度小于15米，隧道平洞的大里程和小里程的开挖变形量从60-80厘米逐步降低至30-40厘米，并采用人工配合挖掘机开挖，上台阶掌子面每循环开挖一榀，中台阶和下台阶每循环开挖两榀，隧道底部每循环开挖三榀；
初期支护；采用多榀钢架进行支撑，在钢架的拱脚处设置垫板，以增加拱脚与地面的接触面积，同时将拱脚锚固与地面上；
径向注浆；在所述多榀钢架的径向方向设置注浆小导管，并向所述注浆小导管中压注快硬微膨胀硫铝酸盐水泥，并同时施作仰拱、仰拱填充和二衬；
应力应变监测；在围岩、衬支和衬砌内部设置砼应变计，对初支和衬砌结构的接触压力和混凝土内力进行监测，并分析相关数据作为原始数据，为后续设计及施工调整提供基础数据；
超前地质预报和监控量测；对施工前方的围岩地质和水文特性进行预报，并将分析结果及时反馈给相关施工人员，为施工提供参考；
注浆效果验证；对超前中管棚和小导管超前注浆加固效果进行探孔验证，判断注浆效果，并检测径向注浆效果。
2.根据权利要求1所述的极软弱围岩隧道全断面边界超前管棚低风险施工方法，其特征在于，设置超前支护时，在拱部顶部150度范围内，采用直径76毫米的中管棚和直径42毫米的小导管超前注浆支护，中台阶和下台阶全环采用直径42毫米的小导管超前注浆支护。
3.根据权利要求2所述的极软弱围岩隧道全断面边界超前管棚低风险施工方法，其特征在于，所述中管棚的纵向间距为6米，环向间距为4米，每根所述中管棚的长度为9米。
4.根据权利要求2所述的极软弱围岩隧道全断面边界超前管棚低风险施工方法，其特征在于，所述小导管超前注浆支护中的小导管的纵向间距为2.4米，环向间距为0.4米，每根所述小导管超前注浆支护中的小导管长度为4米。
5.根据权利要求2所述的极软弱围岩隧道全断面边界超前管棚低风险施工方法，其特征在于，所述中台阶和所述下台阶部分的小导管的纵向间距为3米，环向间距为0.6米，每根所述中台阶和所述下台阶部分的小导管长度为4米。
6.根据权利要求1所述的极软弱围岩隧道全断面边界超前管棚低风险施工方法，其特征在于，初期支护中，相邻所述拱架之间的间距为0.6米，拱脚采用四根直径为42毫米的锚杆固定，每根所述锚杆长度为4.5米，并压注快硬微膨胀硫铝酸盐水泥，先注拱脚，后注初支背后。
7.根据权利要求1所述的极软弱围岩隧道全断面边界超前管棚低风险施工方法，其特征在于，径向注浆中，注浆小导管长度为4米，纵向间距为1.2米，环向间距为1.2米，压注快硬微膨胀硫铝酸盐水泥；上台阶、中台阶和下台阶同时推进，初支成环不大于35米，仰拱和仰拱填充每6米浇筑一板，浇筑两板仰拱和仰拱填充后施作二衬，衬砌步距不大于70米。
8.根据权利要求1所述的极软弱围岩隧道全断面边界超前管棚低风险施工方法，其特征在于，采用瞬变电磁、超前水平钻、加深炮孔、TS和地质雷达对围岩地质和水文特性进行预报。
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