m炭质千枚岩大断面隧道塌方处理施工方法.docx
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m炭质千枚岩大断面隧道塌方处理施工方法
m炭质千枚岩大断面隧道塌方处理施工方法
炭质千枚岩大断面隧道塌方处理施工方法
1.前言：
随着我国铁路建设特别是高速铁路的快速发展，受到山区地形、城市建筑条件的限制，超大断面车站隧道的修建也必将越来越多。
由我单位施工的兰渝高速铁路（双线）鲁坝隧道岩软弱破碎，开挖断面大，本文结合工程实例，对炭质千枚岩及位于软岩带、基岩裂隙水较丰富条件下的深埋大断面隧道洞身初支完成段较大面积塌方处理主要施工技术进行分析，介绍了施工中出现的问题及处理措施，并对类似工程施工提出了建议，对同类工程具有一定的借鉴作用。
2.工法特点
2.1在塌方堆积体坡脚砌筑黄土挡墙止滑带，防止岩体继续坍塌、塌方空腔进一步扩大。
2.2整理塌方堆积体，喷射混凝土将堆积体封闭。
目的是防止堆积体漫过止滑带向前移动发展，也是为注浆作准备。
2.3针对洞身岩体松散破碎、自稳性差的特点，采用大管棚超前支护贯穿整个塌方段，预支护前方塌方部位。
2.4在塌方形成的掌子面施作超前小导管，超前注浆预固结。
2.5向塌方影响段小导管注浆固结，防止进一步塌方发生更大面积连带变形。
2.6塌方堆积体掌子面二次注浆。
2.7三台阶七步开挖法掘进换拱。
2.8沉降观测。
2.9施作仰拱封闭成环，及时跟进拱墙衬砌。
3.适用范围
本工法适用于围岩软弱破碎地带的大断面铁路、公路、水电隧道（隧洞）支护后塌方及具有同类特点的塌方处理。
4.工艺原理及关键技术
4.1工艺原理：
根据施工中掌握的围岩及水文资料，此段围岩极其破碎疏软，粒径在3～20cm范围内，且松散堆积，一旦下部充当挡护体的被破环或撤除，这些堆积体将以流态向外溢出。
破坏堆积体形成流态的条件是处理塌方的第一步，也是关键。
石渣流形成条件就是其组成个体粒径小、相互间黏结差、岩质软。
这种情况下就需采用一些辅助施工措施，辅助工程措施一般有大管棚、超前小导管、超前钻孔注浆、超前锚杆、地表砂浆锚杆、地表注浆加固、护拱、井点降水、深井排水等。
处理前应根据设计提供的工程及水文地质资料，结合现场实际情况，制定超前支护方案，进行塌方处理。
施工中根据情况选择一种或几种措施进行超前支护组合进行预加固处理。
表1辅助工程措施及其适用条件
辅助工程措施
适用条件
地层稳定措施
管棚法
Ⅴ级和Ⅵ围岩，无自稳能力，或浅埋隧道及其地面有荷载
超前导管法
Ⅴ级围岩，自稳能力低，板状薄层水平相叠粘结性差。
超前钻孔注浆法
Ⅴ级和Ⅵ软弱围岩地段、断层破碎带地段、水下隧道或富水围岩地段、塌方或涌水事故处理地段以及其它不良地质地段
超前锚杆法
Ⅳ～Ⅴ级围岩，开挖数小时内可能剥落或局部坍塌
地表锚杆与注浆加固法
Ⅴ级围岩浅埋地段和埋深≦50m的隧道
井点降水法
渗透系数为0.6～80m/d的匀质砂土及亚粘土地段
本段塌方处理时采用超前钻孔注浆，固结前方松散体，使其内部相互粘结，形成一个整体或若干个较大体积的个体，利用其相互间的摩擦保持相对稳定，保证在掘进换拱时，没有松散坍塌体从塌方破环的豁口流出或挤压出来，导致大面积汇流形成二次滑塌。
围岩参数按Ⅴ级考虑，以新奥法的基本原理为依据，每一分部均支护成环并进行充分的背后注浆，支护后形成整体的受力体系，结构稳定可靠。
施工时，先施工拱部长管棚，然后封闭塌方堆积体，对堆积体附近拱部注浆固结。
，然后对塌方影响段全环注浆固结，此时受影响段与未受影响初期支护体系结合成整体。
再往回对堆积体附近围岩二次注浆固结，增强围岩自稳能力，最后机械配合人工开挖换拱，作用机理明确简洁，结构合理，施工简便。
4.2关键技术
本工法的关键技术为：
4.2.1长管棚施工
4.2.2小导管注浆固结
4.2.3开挖换拱
4.2.4监控量测及变形控制技术
5.施工工艺流程及操作要点
5.1施工技术参数
表2换拱参数表
围岩级别
预留变形量
cm
喷射混凝土
锚杆
φ42小导管
I20b钢架
施作
部位
厚度
cm
设置
部位
锚杆参数
设置
部位
环向间距m
设置
部位
间距
m
间距m
长度m
Ⅴ+
26
全环
拱、墙27
仰拱23
拱、墙
1.0*0.8
4.0
拱部
0.4
全环
0.6
超前支护措施为：
整个塌方段拱部150°范围采用Φ108大管棚,全环配合φ42小导管注浆。
5.2施工工艺流程
工艺流程为：
设置挡墙止滑带→封闭塌方堆积体→长管棚施工→塌方体附近拱部环向岩体注浆→塌方影响段注浆→塌方体附近拱部环向岩体二次注浆→上台阶开挖换拱，预留核心土→施作锁脚锚管，拱脚注浆固结拱脚→中台阶换拱，左右纵向错开拉槽施工→施作锁脚锚管，拱脚注浆固结拱脚→下台阶换拱，左右纵向错开拉槽施工→施作锁脚锚管，拱脚注浆固结拱脚→施作仰拱，短进尺，及时封闭→施作拱墙二次衬砌。
5.3软弱围岩初支完成段塌方超前支护施工工艺及操作要点
为保证拆换拱施工时的洞身结构稳定、安全，采用了长管棚配合小导管注浆组合的方法进行预支护。
5.3.1长管棚施工关键技术：
5.3.1.1试钻孔：
长管棚的施工质量直接决定着拆除变形钢架重新支护的顺利进行，为此，长管棚批量施工前，先进行钻孔试验，取得长管棚的施工技术参数；
5.3.1.2钻孔：
钻孔有两个困难。
一是由于围岩岩体破碎松散，颗粒极小，钻孔时，岩体受钻进时振动的影响，易塌坑卡钻，成孔困难；水钻施工时，水会软化围岩。
经试验，采用跟管施工。
二是塌方在初期支护完成后发生，钻孔时容易碰到塌方体内钢架，该孔就只能作废，已施作的部分跟管很难拔出，影响下一根管棚施工。
而施工仰角或偏角太大，管棚就失去了其作用。
为了避免这种情况就需要扩大钻孔设备工作空间，在塌方体后方施作工作室。
工作室长度根据选用设备决定，高度根据试钻时探测到的掩埋钢架位置计算决定。
5.3.1.3注浆：
注水泥浆。
注浆的作用主要有两个：
一个是加固管棚周边的破碎岩体，形成受力整体，为拆换钢架提供安全工作空间；一个就是使破碎岩块粘结并增加其硬度，使锁脚锚管和系统锚管能牢固嵌入岩体，起到防止钢架下沉的作用。
实际施工试验中，发现注浆效果较差，原因为堆积体组成颗粒粒径极小，接近粉状，进浆量少，浆液阔撒范围小，达到一定压力后向外返浆。
经多次试验，最终采用少量多次的方法效果较好。
浆液先浓后逐渐变稀。
管棚是利用导向架，沿着开挖外轮廓线，以较小的外插角，向开挖面前方打入钢管，形成对开挖面前方围岩的预支护。
管棚长度根据地质、机械设备及施工条件确定，长度一般为10～40m如需设置管棚段较长，应分段设置。
根据塌方地段实际情况，设置贯穿整个塌方段的长管棚，可一次施作，也可分段施作。
5.3.2洞内支护完成后塌方段长管棚超前支护施工工艺
大管棚施工各项作业应参照以下要求进行：
5.3.2.1施作管棚施工工作室及导向架，安装导向管，导向管长度为2～2.5m，管径直径140mm。
5.3.2.2标出隧道中心线及拱顶标高，整理工作面，用20*20cm枕木搭设成稳定台架，作为施工套拱和管棚施钻的工作平台。
高度宜为2.0m，纵向长度4m。
先施做上部管棚，逐渐降低平台向两侧施作。
5.3.2.3管棚施工时，钻孔至预先拟定深度，根据钻机钻进速度估计长管棚是否贯穿塌方段。
采用套管跟进方式顶入。
5.3.2.4钻机立轴方向必须准确控制，以保证钻孔的方向准确。
钻进中应经常采用测斜仪量测钢管钻进的偏斜度，发现偏斜较大及时纠正。
5.3.2.5注浆。
注浆压力初压宜控制在0.5～1.0MPa为宜，终压宜控制在2.0MPa为宜。
其施工流程见图。
洞内大管棚施工流程图
5.3.2.6注意事项
a.为改善管棚受力条件，接头应错开，隧道纵向同一截面内接头数不大于50%，相邻钢管的接头至少错开1m。
钢管接头宜采用丝扣连接，丝扣一般长15cm。
b.钢管应采用热轧无缝钢管，壁厚不宜小于6mm，直径选用108mm管。
c.钢管环向间距宜为40～50cm。
d．管棚方向应与线路中线平行，外插角应考虑钻具下垂的影响，一般为1°～3°。
e.钢管开口间距误差应不大于5cm。
f.管棚如能一次施作完成，则一次施作30m长，若无法一次施作，则分段施作，且纵向两组管棚的搭接长度应不小于3.0m。
g.施做工作室，工作室应比设计断面大30～50cm，工作室长度应满足钻机作业要求。
h.施钻工作平台必须牢固可靠，并能承受钻机的活载能力。
i.管棚在注浆以前要充分做好各项准备工作，特别是机具设备应进行试运转。
如发现问题，及时排除、予以修复，使其处于良好状态，注浆结束后要尽快卸开孔口接头，冲洗管路，以免造成管路中的剩余浆液凝结、堵塞管路。
j.管棚注浆作业要前后配合、统一指挥，保证注浆计划的实现，以达到预期的目的和效果。
操作过程中必须配备专业电工，以防电路、电器设备发生故障。
k.洞内大管棚施工应选择体积小、效率高、带有自动纠偏功能的钻机，以减少工作室开挖量，提高施工效率和管棚施工精度。
5.3.3小导管施工关键技术：
5.3.3.1小导管施做的目的应明确，其主要作用是导浆，注浆孔的加工很重要。
5.3.3.2注浆顺序应先固结塌方体附近的围岩，使其稳定后，再对塌方影响段固结，防止前方再次坍塌塌方辐射段注浆效果，从而事倍功半。
5.3.4洞内支护完成后塌方段小导管超前支护预固结施工工艺
这种较大面积塌方其影响范围及坍塌体体积都较大，塌腔内松散体自身重量已经成为负面荷载，且整体极其破碎疏软，近似流态。
鉴于此，超前支护分两步走。
5.3.4.1超前小导管注浆预支护：
注浆时分初期支护上部松散体固结和初支下部松散体固结。
5.3.4.2固结初期支护上部围岩，保证清除下部起到支撑作用的砟体时上部松散体不会流动，防止继续塌方。
在塌方掌子面纵向施作小导管，小导管长4m～5m，仰角5～10°，注浆。
然后逐环加大仰角直至90°，根据注浆效果每环仰角增大10～30°，逐环注浆。
或者对需注浆的段落保持5～10°仰角逐排钻孔注浆完成第一次固结，然后沿径向逐排第二次钻孔注浆，排距1.5m左右。
5.3.4.3固结初期支护下部堆积体
将坍塌堆积体以C25混凝土喷护封闭，防止下部注浆时浆液反流溢出。
然后在堆积体上钻孔。
钻孔顺序:
从初期支护轮廓缩小70~100cm钻一环孔，水平钻孔，略微向上翘起5~8°仰角，安装小导管注浆。
逐环缩小布孔轮廓半径，在堆积体上钻2～3环小导管注浆，保证初支面以内2～3m厚松散体被固结，为掘进拆换被损坏的钢架提供安全施工环境。
小导管布设示意图
5.3.4.4注浆固结塌方影响段。
受影响段可直接径向注浆，排距控制在1.5～2m。
使其与未受影响段围岩结合成一个整体。
5.3.4.5往回至塌方掌子面对塌方体附近围岩进行二次注浆，进一步固结松散体。
5.3.4.6掌子面每拆换拱2.5～3m施作一次小导管注浆。
5.3.4.7小导管注浆施工要求
a.小导管制作规格
小导管长度加工成4m长左右，管体加工的溢浆孔宜大不宜小，孔径为2cm左右，因为施作此类小导管目的主要是导浆；
b.施工工艺
开挖过程中记录围岩极其破碎，岩质极软，且该段有基岩裂隙水渗出，使围岩进一步软化，内部缝隙小，注浆扩散范围小，故小导管安装间距应小，间排距控制在1m~1.5m，梅花形布置，使浆液注满松散体，固结为一个整体。
超前小导管施工工艺，其施工流程图见图3。
钻孔：
先将小导管的孔位用红油漆标出，调好钻孔的方向。
采用风钻成孔。
钻孔钻进避免钻杆摆动，保证孔位顺直。
钻至预设孔深后停钻。
顶管：
在钻孔内插入φ42mm钢花管，在管尾后段30cm处，将麻丝缠绕在管壁上成纺锥状，并用胶带缠紧。
开动钻机，利用钻机的的冲击力将钢花管顶入围岩中，钢管顶进钻孔长度≥90%管长。
固定：
顶管至设计孔深后，将孔口用水泥-水玻璃胶泥将钢花管与孔壁之间的缝隙封堵。
孔口应露出喷射混凝土面15cm。
压水：
管路连接完成后应进行压水试验，以检查管路及工作面有无渗漏现象。
水量应尽量控制，不宜大量试压水。
注浆：
注浆可采用KBY-50/70注浆机，自制水泥浆搅拌桶。
注浆结束标准为，注浆压力达到1.0MPa时且不能继续进浆，即可停止注浆。
超前小导管施工流程图
c.注意事项：
浆液水灰比总体为1：
1，随着注浆的进行不断调整水灰比，有稠到稀，注浆压力刚开始控制在0.6MPa左右，之后逐渐提高压力，达到0.8MPa～1.0MPa，直至不能继续进浆。
注浆过程中可能有些孔在低压状态下没有注满的迹象，根据现场实际可停止对该孔注浆。
因为堆积体另一面没有喷护封闭，浆液可能从对面流出堆积体，造成注浆失效而且浪费材料。
5.4.开挖换拱
待注浆到达设计强度后开始拆除被破坏初支。
开挖采用三台阶七步开挖法施工。
5.4.1开挖上导，开挖高度3.5～4m。
将被破坏的塌方前初支钢构件割除，采用破碎锤开挖拆除旧初支，辅以人工用风镐开挖，短进尺，循环进尺50～60cm，及时安装型钢钢架，选用I20b型钢钢架、网喷支护，施作系统锚管及锁脚锚管。
在钢架每处连接板施作2根4m锁脚锚管，并与钢架牢固焊接。
钢架预留36cm变形量，后期根据围岩量测调整预留变形量。
挂设直径8mm、网格20*20cm钢筋网，焊接牢固，然后喷射C25混凝土支护。
布设监控量侧点观察围岩变化情况，分析处理后的数据作为下步施工依据。
监控量测点布设间距不大于5m。
5.4.2中、下台阶左右纵向错开3～4拉槽施工，逐榀换拱、加密拱架，施作锁脚锚管。
5.4.3开挖支护时观察注浆效果，根据实际情况采用多次注浆固结。
尤其钢架拱（底）脚应提前注浆，保证密实。
否则锁脚锚管嵌入松散岩体不能将钢架与围岩连接为一个整体。
5.4.4下导开挖支护3～4m后，仰拱紧跟支护钢架。
仰拱整幅开挖，一次开挖长度不超过2m，并应及时封闭成环。
仰拱衬砌、填充及拱墙衬砌也应及时跟进。
5.5.变形控制技术
变形控制的核心内容为：
施工监测——数据反馈——数据分析——设计、施工参数调整——优化工法，确保安全。
5.5.1施工监测
进行常规必测项目。
5.5.2监测方法及要求
5.5.2.1水平相对净空变化值和拱顶下沉量测
水平相对净空变化值和拱顶下沉量测断面的间距应根据围岩级别、隧道断面尺寸、埋置深度及工程重要性等确定，量测断面布置间距及测量频率详见表
表3拱顶下沉及周边收敛量测间距表
表4拱顶下沉及周边收敛量测频率表
由于是塌方段施工，观测点布设间距缩小，不宜大于5m。
a.拱顶下沉量测方法
在量测断面的拱顶埋设测点，将钢尺或收敛计挂在拱顶测点作为标尺，后视点设在稳定稳定的仰拱填充面上，妥善保护。
用精密水准仪进行观测，通过计算求出连续两次量测的高程差，得拱顶下沉值。
也可用高精度全站仪量测。
在挂钩外漏处固定一片反光贴，妥善保护观测点，每次观测反光贴中心，通过相同的计算方法得到拱顶下沉量，根据坐标还可得到拱顶水平位移量。
b.水平相对净空收敛监测方法
用收敛仪检测。
测量时将收敛仪一端连接挂钩与测挂点相连，展开钢尺使挂钩与另一测点的挂点相连。
张力粗调可把收敛仪测力装置上的插销定位于钢尺上的卡孔来完成。
张力细调则通过测力装置微调至恒定拉力为止。
在弹簧拉力作用下钢尺固紧，高精度的百分表可测出细调值。
记下钢尺读数加上（减去）测微读数，取三组数据的平均值即得到测点位移值。
c.数据分析及其对施工的指导意义
将测得数据制成位移-时间曲线图，分析其变化趋势，结合现场经验判断不产生有害松动的围岩变形最大量-容许位移量，并可看出围岩位移速率，从而根据这些分析结果来决定预留变形量及支护措施是否需要加强，避免预留变形量过小、支护薄弱导致侵线，变形量预留过大、支护措施过于保守造成初支和后期二次衬砌施工材料浪费。
但实际施工中，确定容许位移量非常困难。
具体工程条件各异，显现出十分复杂的情况。
因此，需要根据工程具体情况通过相对保守实验并参考行业相关经验探索改进。
6.材料与设备
表5主要机具设备一览表
序号
设备名称
规格型号
数量
性能及用途
1
挖掘机
VOLVO210E
1
开挖、仰拱装砟，整理工作面
2
空压机
20m3
3
风钻风镐,喷砼用高压风
3
搅拌机
JS750
1
混凝土生产
4
搅拌机
JS1000
1
混凝土生产
5
东风自卸车
北奔
3
出碴
6
隧道轴流风机
110kw
1
隧道施工通风
7
装载机
ZL50G
1
装碴
8
砼输送泵
HBT60A
1
浇筑混凝土
9
混凝土湿喷机
耿力7m3/h
2
喷射混凝土
10
砼输送车
8m3
2
混凝土运输
11
注浆机
5m3/h
2
塌方后岩体注浆
12
整体式液压衬砌台车
液压自行
1
衬砌施工
13
风动凿岩机
YT-28
4
施作小导管，锚管
14
管棚机
2
长管棚施工
15
风镐
2
处理欠挖
16
大型冷弯机
XGLW-22
1
I20b型钢加工
17
破碎锤
1
拆除变形初期支护
表6本工法主要材料一览表
序号
材料名称
规格型号
性能及用途
1
工字钢
I20b
初期支护
2
钢管
φ108
大管棚
3
钢管
φ42
注浆
4
水泥
P.O42.5
注浆
5
中空锚杆
φ22
拱部系统锚杆
6
喷射混凝土
C25
初期支护
7
钢筋混凝土
C35
二次衬砌
8
素混凝土
C20
仰拱填充
9
防水板
>1.5mm厚
防止二衬渗水
10
无纺布
>350g/m2
保护防水板
11
止水带
橡胶
施工缝防渗水
7.质量控制
7.1塌方段施工应严格执行《铁路隧道喷锚构筑法技术规范》，坚持"弱开挖、短进尺、强支护、早封闭、勤量测"的原则，避免对围岩产生较大扰动，及时支护和量测，适时衬砌，严格控制施工安全步距。
7.2施工中须按《铁路隧道设计规范》、《铁路隧道施工规范》、《铁路隧道喷锚构筑法技术规范》进行监控量测和反馈分析，并据其成果，确定灌筑二次衬砌的时机，判定支护参数的合理性并进行相应的调整。
7.3塌方段施工采用非爆破方式开挖，采用短台阶施工，确保施工及结构安全。
7.4施工中应尽量减少钢架接头数量，且接头不宜设在拱顶，拱墙钢架接头处施作锁脚锚管，设置双层连接钢筋，增强初期支护整体性。
7.5拆除变形钢架时上导每循环一个钢架间距长度，中下导不超过两个钢架间距长度，且左右侧错施工，避免上部钢架两侧同时悬空造成大幅沉降。
7.6洞内施工“三员”在岗，即安全员、技术员、领工员。
8.安全措施
施工中除遵守国家相关安全管理规定外，根据本工法的特点，采取以下安全措施：
8.1建立完善的安全管理体系和管理制度，建立专门的安全生产机构，严格三级安全教育，严格安全检查制度。
严格按照《铁路工程施工安全技术规程》组织施工。
8.2对参建人员进行各项安全生产作业的培训，进行应急处理和事故抢险演练，参建人员必须经考核通过方可上岗。
8.3施工时配备足够的应急物资、抢先设备、交通工具、通信设备等，加强安全防护，并在洞内划分施工区、安全区。
8.4监控量测过程控制，当变形异常时，应立即加强钢架和径向支护，及时衬砌并作必要加强，确保施工及结构安全。
8.5各种机械设备的操作人员未经考核不得上岗。
8.6施工时，严格操作规程，隧道内的作业，严禁超限和违规操作，确保施工安全。
8.7现场电器设备和电路应由专人负责并经常检查，与施工脚手架接触部位的电线必须有可靠的措施保证线路不漏电。
8.8注浆作业人员必须配戴防护眼镜、口罩和防护手套，避免腐蚀性物质对人员造成伤害。
9.应用实例
本工法应用于兰渝铁路鲁坝隧道。
鲁坝隧道全长3971.34m，是标段内的控制性工程之一。
本隧道主要通过炭质千枚岩，千枚岩层，为双线大断面隧道。
出口段（DK327+050～DK327+821）长771m，地质为卵石土、沙质黄土、炭质千枚岩，岩质软，节理裂隙极发育，土体松散，有流塌现象，且通过一处浅埋段，设计为IV级复合式曲墙衬砌，设计支护参数较薄弱。
2010年5月塌方后采用该施工工法取得了好的效果。
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