高 巍，方 良，劉同山

(黃河建工集團(tuán)有限公司，河南 鄭州 450000)

小斷面軟巖隧道塌陷式塌方處理

高 巍，方 良，劉同山

(黃河建工集團(tuán)有限公司，河南 鄭州 450000)

軟巖隧道塌陷式塌方處理過程中危險性極大，稍有不慎，極易引起二次塌方，給掌子面工作人員的生命安全造成巨大威脅。以大唐林州2×300 MW級熱電機(jī)組引水隧洞出口段洞內(nèi)塌方處理施工實踐為例，通過優(yōu)化小導(dǎo)管注漿布局，巧妙配合工字鋼拱架的施工方法，遵循短開挖強(qiáng)支護(hù)的原則，得出了塌方處理施工經(jīng)驗，為此類工程提供技術(shù)參考。

小導(dǎo)管注漿；工字鋼拱架；短開挖強(qiáng)支護(hù)

隧道開挖過程中極易塌方，塌方按部位主要以洞口塌方和洞內(nèi)塌方兩種類型為主。通常情況下，隧道洞口段巖體風(fēng)化和破碎現(xiàn)象較為嚴(yán)重，這也使其整體穩(wěn)定性較差，再加之埋置深度較淺，極易在重力作用下出現(xiàn)開裂或是下沉，從而導(dǎo)致塌方事故發(fā)生。洞內(nèi)塌方主要是在開挖過程中，在應(yīng)力作用下洞內(nèi)周圍巖石出現(xiàn)變形或是下沉，而且沒有采取有效的支護(hù)措施，從而造成塌方事故。一旦塌方事故發(fā)生，不僅嚴(yán)重威脅施工人員的人身安全，還會對施工單位的聲譽(yù)帶來較大的影響，導(dǎo)致施工工期延長、增加成本。因此對塌方原因及處理方法進(jìn)行研究很有必要。目前隧洞塌方處理常見有設(shè)置管棚、小導(dǎo)管注漿、旋噴技術(shù)、冰凍等處理方法，以管棚最為常見[1-5]。

1 工程概況

大唐林州2×300 MW級熱電機(jī)組引水隧洞洞長3786.5 m,進(jìn)口樁號K0+000，出口樁號K3+786.5，洞身結(jié)構(gòu)設(shè)計為2.5 m×3 m城門洞形，進(jìn)口段與出口段同時掘進(jìn)施工。涵洞地下水活動總體微弱，但由于發(fā)育有林州斷裂，可能存在斷層水，局部洞段有突水的可能。且由于圍巖滲透系數(shù)大、滲透能力強(qiáng)，雨季有可能發(fā)生短時滲水、涌水現(xiàn)象。

出口段圍巖為第四系沖洪積(al+plQ4)、沖積(alQ4)形成的黏性土夾碎石等松散堆積物。下覆基巖中發(fā)育有林州斷裂帶，與洞線呈大角度相交。該洞段圍巖為Ⅴ類，圍巖松散，極不穩(wěn)定，塊石多，施工困難。隧道出口段施工至K3+402處，首次出現(xiàn)塌方涌泥現(xiàn)象，坍塌體淤泥中夾雜著大量碎石塊，并伴有滲水現(xiàn)象。裝載機(jī)清理淤泥過程中又多次出現(xiàn)塌方涌泥現(xiàn)象，當(dāng)清理至樁號K3+416處，累計清理淤泥約2566 m3，隧道塌方處正上方地表出現(xiàn)塌坑，此時局部塌方演變成為整體式塌陷。

如圖1所示，塌方出現(xiàn)在樁號K3+408～K3+402之間(約為6 m)。

圖1 隧道塌方剖面圖

此時，混凝土襯砌已施工至樁號K3+418，混凝土底板已澆筑至樁號K3+408，一次支護(hù)已達(dá)樁號K3+402,其中樁號K3+408～K3+402一次支護(hù)已破壞。塌方處隧道頂拱至地表距離約70 m，地表塌坑直徑約12 m，深約10 m。塌坑體積約為πr2h=3.14×62×10=1130 m3，清理淤泥約2566 m3,則洞頂塌方坍體內(nèi)必有約1436 m3的松土空腔。

2 塌方處理過程

2.1 方案選擇

隧道塌方處理常用的方法為管棚配合小導(dǎo)管注漿作為超前預(yù)支護(hù)，然后開挖。因此初期編制的專項施工方案為采用設(shè)置管棚的施工方案。但經(jīng)過多次組織專家對該施工方案進(jìn)行研究，并結(jié)合現(xiàn)場的實際情況，認(rèn)為原方案存在以下問題：(1)塌方段圍巖土質(zhì)黏性較大易裹挾鉆桿，洞內(nèi)操作空間有限潛孔鉆機(jī)臂伸展不開等原因必然造成管棚孔成孔困難。(2)管棚工作室所需空間較大，而安設(shè)區(qū)域處于危險區(qū)域，不宜重新開挖較大空間。(3)管棚造價較高。經(jīng)討論，放棄管棚施工方案，改為洞內(nèi)加密小導(dǎo)管注漿并配合工字鋼拱架的施工方法。

2.2 塌方處理

隧道頂部荷載可分為塌陷荷載和沖擊荷載。塌陷荷載由頂部土體自重引起，沖擊荷載由塌腔內(nèi)部巖土體掉落成倍增加的沖擊力引起。

(1)塌方段分兩段分別來處理，第一段為樁號K3+416～K3+410，如圖2所示，共6 m，此部分一次支護(hù)完整，只對掌子面坍體進(jìn)行處理，隧洞圍巖不作處理。第一步，將掌子面打入小導(dǎo)管并注漿，進(jìn)行固結(jié)，形成“塞”狀固結(jié)體，來抵抗塌陷荷載形成的推力，防止掌子面坍體再次被推出。第二步，開挖部分“塞”狀固結(jié)體，留足剩余固結(jié)體繼續(xù)抵抗塌陷荷載。第三步，進(jìn)行下一循環(huán)，直至施工至樁號K3+410。

圖2 掌子面坍體小導(dǎo)管布置圖

(2)第二段為樁號K3+410～K3+400。共10 m，此段正處于塌方正下方，為塌方處理的關(guān)鍵部位。此部分一次支護(hù)已經(jīng)破壞，隧道圍巖與掌子面坍體都必須進(jìn)行處理。

隧道圍巖加固采用超前小導(dǎo)管注漿配合工字鋼拱架的方法，頂拱小導(dǎo)管與鋼拱架具體位置如圖3所示，小導(dǎo)管夾在兩榀剛拱架之間。以工字鋼拱架2作為支點，小導(dǎo)管注漿后，形成的“棚”狀固結(jié)體分別受到隧道頂部向下土壓力F1和工字鋼拱架1提供的向上支撐力F2的作用，達(dá)到力矩平衡。工字鋼拱架將受到的力傳遞給周圍巖土體進(jìn)行消散。

圖3 小導(dǎo)管與剛拱架相互作用示意圖

掌子面坍體小導(dǎo)管注漿后(如圖4所示)，形成整體性結(jié)石體。隧道頂部向下土壓力經(jīng)過超前小導(dǎo)管形成的“棚”狀固結(jié)體抵消部分后剩余土壓力F被坍體小導(dǎo)管注漿后的固結(jié)體承受，然后再傳遞給隧道底板進(jìn)行消散。

圖4 坍體小導(dǎo)管作用示意圖

施工工序為：第一步，打頂拱和側(cè)壁小導(dǎo)管并注漿，作為超前預(yù)支，形成類似管棚式結(jié)構(gòu)。第二步，打掌子面小導(dǎo)管并注漿，形成固結(jié)體，與頂拱及側(cè)壁小導(dǎo)管共同支撐頂部塌方荷載。第三步，開挖部分掌子面固結(jié)體，留足夠的固結(jié)體繼續(xù)支撐頂部荷載。第四步，開挖過部分立拱架，打錨桿，掛鋼筋網(wǎng)等進(jìn)行錨噴支護(hù)。第五步，進(jìn)行下一循環(huán)，當(dāng)開挖長度達(dá)到4 m，施做3 m襯砌，留1 m作為下一循環(huán)施做空間。

2.3 施工試驗段

由于此塌方段地質(zhì)復(fù)雜，很多參數(shù)不能確定，從理論上很難得出符合實際的解析解和數(shù)值解進(jìn)行承載力驗算，可以通過施做試驗段，驗證施工方案的承載力是否達(dá)到要求。樁號K3+410～K3+400位于塌方正下方，是最危險的部位，因此在此段上選取最具有代表性。由于二次襯砌最短需要施做3 m，正常澆筑為12 m，經(jīng)設(shè)計院監(jiān)理單位施工單位及部分專家共同研究決定，以3 m施做一循環(huán)，且需要留出1 m作為下一循環(huán)的施做空間，因此至少需要開挖4 m，才能滿足施做二次襯砌的要求。如果開挖4 m后，施做過的超前預(yù)支護(hù)配合工字鋼拱架形成的一次支護(hù)能夠滿足承載力要求，不發(fā)生較大變形，滿足澆筑二次襯砌的條件，則視施工方案能夠滿足承載力要求。以樁號K3+410～K3+406共計4 m作為試驗段。

試驗工序為：頂拱及兩側(cè)打6 m小導(dǎo)管并注漿—掌子面打6 m小導(dǎo)管并注漿—開挖50 cm掌子面—立工字鋼拱架、掛鋼筋網(wǎng)—工字鋼拱架下面立礦用液壓柱作為臨時支撐—進(jìn)行下一循環(huán)，當(dāng)達(dá)到4 m進(jìn)行噴漿支護(hù)—去掉所有液壓柱—查看初次支護(hù)是否有較大變形，能否滿足施做二次襯砌的要求，如果能，說明施工方案可行，如果不能，及時將掌子面用砂袋封堵，另編制其他施工方案。臨時支撐如圖5所示。

經(jīng)試驗，能夠滿足承載力要求，故施工方案可行。

圖5 臨時支撐

3 施工工藝流程

3.1 樁號K3+416～K3+410施工工藝

施工流程圖如圖6所示。

圖6 施工流程圖

(1)封閉掌子面。對坍體噴射標(biāo)號C20的混凝土，厚度20 cm，以封閉坍體，確保掌子面工作人員生命安全。

(2)打坍體小導(dǎo)管。小導(dǎo)管制作：小導(dǎo)管采用Ф42熱軋無縫鋼花管，壁厚3.5 mm，長度6 m，小導(dǎo)管一端做成15 cm的尖頭，另一端留1 m不做任何處理，其余全部鉆成直徑1 cm過漿孔，成梅花型布置，環(huán)向設(shè)置四個孔。如圖7所示。

圖7 小導(dǎo)管加工大樣圖

小導(dǎo)管布置：小導(dǎo)管采用Φ42小導(dǎo)管注漿，梅花型布置，間距60 cm，長度6 m。

打小導(dǎo)管：成孔設(shè)備采用TY-28型氣腿式鑿巖機(jī)，Φ50 mm鉆頭，成孔后埋入小導(dǎo)管，外漏20 cm，便于噴漿后與注漿管路連接。此段軟巖易塌孔段，可以直接在短鉆頭上安裝套管，直接將小導(dǎo)管打入。

(3)設(shè)置止?jié){墻。向掌子面噴標(biāo)號C20、厚度10 cm的混凝土作為止?jié){墻。設(shè)置止?jié){墻前先將各個小導(dǎo)管端部用膠帶封死，以防止噴混凝土過程中堵住小導(dǎo)管端部而影響注漿效果。

(4)小導(dǎo)管注漿。漿液的選用材料和配比：漿液材料采用水泥水玻璃雙液漿，水泥采用標(biāo)號42.5的普通硅酸鹽水泥，水玻璃采用波美度Be'=40的水玻璃。水泥漿水灰比=1∶1；水泥漿∶水玻璃漿液=1∶1。注漿壓力為0.5 MPa，注漿過程中采用注漿壓力和注漿量進(jìn)行雙控，以確保注漿效果。

單孔注漿量計算：單孔注漿量按式(1)計算。

Q=3.14r2Hnβ

(1)

式中：Q為單孔注漿量，m3;r為漿液擴(kuò)散半徑，取0.3 m；H為注漿孔深度，取6 m；n為圍巖體積裂隙率，取8%；β為漿液在裂隙內(nèi)的有效充填系數(shù)，取0.8。

則Q=3.14r2Hnβ=0.1086 m3,即108.6 L。

注漿施工：根據(jù)文獻(xiàn)[6]中試驗數(shù)據(jù)見表1。

表1 水泥水玻璃漿液初凝終凝時間

由表1可知，水泥漿水灰比=1∶1、水泥漿∶水玻璃漿液=1∶1的水泥水玻璃漿液初凝時間約為30 min。即在30 min內(nèi)，向注漿孔內(nèi)注入108 L漿液，根據(jù)實際地質(zhì)情況，完全可行。

注漿順序采用自下而上，從無水少水的地段向有水多水處進(jìn)行。注漿時，將兩個進(jìn)漿管分別插入水泥漿和水玻璃漿容器內(nèi)，打開閥門啟動注漿泵注漿，通過終壓漿液吸入量、終壓力實行雙控，確保注漿效果。

(5)開挖掌子面。漿液終凝時間約為47 min，終凝后漿液強(qiáng)度迅速上升。注漿完畢1 h后再進(jìn)行開挖，每個掌子面所有小導(dǎo)管注漿完畢需要約24 h，則每個小導(dǎo)管內(nèi)的漿液有1～25 h不等的時間上升強(qiáng)度，一個小時后能滿足開挖要求。開挖時，先以微爆破開挖30 cm厚掌子面混凝土，再利用鉤機(jī)開挖坍體，用裝載機(jī)出渣，當(dāng)開挖到2 m，停止開挖。再進(jìn)行下一循環(huán)。

(6)混凝土襯砌。由于塌方段地下水豐富，周邊圍巖受到地下水浸泡變軟，為確保二次襯砌施做后的穩(wěn)定性，滿足施工要求，軟弱底板基礎(chǔ)采用厚度50 cm強(qiáng)度C25片石混凝土進(jìn)行換填處理。混凝土襯砌結(jié)構(gòu)按照原施工圖紙進(jìn)行。

塌方段襯砌遵循短開挖強(qiáng)支護(hù)原則，原則上每12 m一循環(huán)襯砌，特殊地段襯砌長度也可3 m、6 m，襯砌與襯砌之間施工縫用預(yù)埋Φ25連接筋連接，環(huán)向間距30 cm，以保證塌方段施工安全。

3.2 樁號K3+410～K3+400施工工藝

施工流程框圖如圖8所示。

(1)封閉掌子面。噴射標(biāo)號C20的混凝土，厚度40 cm，以保證掌子面安全。

(2)打小導(dǎo)管。此段小導(dǎo)管分為超前小導(dǎo)管和坍體小導(dǎo)管。頂拱和側(cè)壁超前小導(dǎo)管采用Φ42小導(dǎo)管注漿，環(huán)向間距30 cm，長度6 m，外插角5°～7°。坍體小導(dǎo)管采用Φ42小導(dǎo)管注漿，梅花型布置，間距60 cm，長度6 m。

(3)設(shè)置止?jié){墻。向掌子面噴標(biāo)號C20、厚度10 cm的混凝土作為止?jié){墻。

(4)小導(dǎo)管注漿。與樁號K3+416～K3+410做法相同。

(5)開挖掌子面。先以微爆破開挖50 cm厚掌子面混凝土，再以人工利用大風(fēng)鎬對注漿塌方坍體沿輪廓開挖環(huán)向槽，中間預(yù)留核心土，保證坍體的穩(wěn)定。

(6)打錨桿，立工字鋼拱架，掛鋼筋網(wǎng)。于樁號K3+408～K3+400，架設(shè)16#工字鋼鋼架，間距每榀50 cm，Ф25螺紋鋼焊接連接(環(huán)向間距50 cm)，安設(shè)2 m長錨桿(Ф22螺紋鋼,環(huán)向間距1 m,排距0.5 m)、鋼筋網(wǎng)(間距15 cm×15 cm)，并在拱腳上1 m處斜向下打設(shè)鎖腳錨管，Ф42熱軋無縫鋼管，長度2 m,壁厚3.5 mm，并注入砂漿。

圖8 施工流程圖

(7)噴混凝土。采用標(biāo)號C20的混凝土噴至設(shè)計厚度23 cm。

(8)混凝土襯砌。與樁號K3+416～K3+410做法相同。做完混凝土襯砌然后下一循環(huán)，直到通過塌方段。

3.3 地表塌坑處理

塌坑的回填在坍體通過后采用外購三合土，三合土采用生石灰粉、黏土、砂為原料，按體積比為1∶2∶3的比例，夯實回填以防地表水的滲入。回填前，洞內(nèi)停止作業(yè)，回填結(jié)束查驗安全后方可繼續(xù)作業(yè)。

4 結(jié) 論

(1)隧道頂部超前小導(dǎo)管與工字鋼拱架巧妙結(jié)合，使超前小導(dǎo)管形成類似“管棚式”結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)支撐能力。

(2)在掌子面密集打小導(dǎo)管并注漿，使掌子面坍體固結(jié)，小導(dǎo)管與周圍巖土體形成結(jié)石體，增強(qiáng)抵抗隧道頂部塌陷荷載及沖擊荷載的能力。

(3)塌方處理由管棚配合小導(dǎo)管注漿的施工方法作為預(yù)支護(hù)改為小導(dǎo)管注漿的施工方法，具有以下顯著特點：使用的設(shè)備小巧靈活，能夠在施工空間有限的情況下運用，避開了大型設(shè)備無法操作的弊端；技術(shù)難點小，工藝簡單，施工精度及施工控制較低；短開挖，強(qiáng)支護(hù)，二次襯砌能夠及時跟進(jìn)，顯著降低施工安全風(fēng)險，確保工程順利進(jìn)行；設(shè)備投入少，降低各種材料用量，節(jié)約大量施工成本，經(jīng)濟(jì)效益顯著；縮短了工期，保證項目按計劃投入使用。

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高 巍(1973-)，男，河南鄭州人，工程師，主要從事隧道一線施工工作。E-mail：582232831@qq.com。

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