煤矸石隧道塌方处理技术.docx

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煤矸石隧道塌方处理技术

1塌方情况介绍

　　吉林省某隧道在掘进到K8+023时，突然发生了大塌方，塌方纵向长度为22米，原来开挖完成的段落中已经架立的拱架也扭曲变形，坍塌碴体堆积在隧道全断面内，从外侧无法看出塌洞情形。

根据坍塌岩体明确看出该段为煤矸石地层，岩质为碳质页岩,碳质泥岩夹砂岩,岩体呈典型的石夹土状结构，岩石呈碎屑磷片状，有光泽，遇水软化，用手极易扳断。

该断层处地表等高线密集，高差变化较大，在纵向20米的塌方段，埋深从36米下降到24米。

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　　省专家组和业主共同对该段地质进行了物探，物探采用高密度电阻率法勘探进行。

该方法是以岩土体的电性差异为基础，通过向地下供电建立岩土体中稳定的电流场，通过探测和研究岩土体中传导电流的分布规律，从而探测出岩土体塌方区的位置及规模。

测线布置如图1：

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　　高密度电阻率勘探方法是一种阵列勘探方法，其现场采集的数据量大、信息丰富、而且对地电结构具有一定的成像功能。

因此，岩土体中的裂缝、洞穴、不均匀体、软弱层等在探测成果图上均有较明显的直观的反映。

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　　1-1测线电阻勘探剖面图及解译图：

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　　2-2测线电阻勘探剖面图及解译图：

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　　3-3测线电阻勘探剖面图及解译图：

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　　测线1－1剖面位于未开挖段，该段上部岩体中存在一断层破碎带，在其右侧有一断层面，且岩体中富含水，因此对开挖也将产生不利影响。

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　　测线2－2剖面位于隧道塌方段，该段隧道上部存在一塌落带，塌落带内下部为松散破碎的塌方体，上部为岩性稍好岩体，但受塌方影响，也已产生较多裂隙，两者之间没有明显分离、没有明显空区，因此一并将其称为塌落带。

在塌落带右侧存在一由塌方引发的张裂隙。

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　　测线3－3剖面位于隧道出口侧已开挖段，该段隧道上部岩体中存在一破碎带，该破碎带可能为原生破碎带也可能是受塌方影响产生的破碎带。

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　　勘测资料表明此处隧道塌方是由于在隧道进口侧未开挖段上部存在一断层带，在出口侧已开挖段上部存在一岩性变化接触面，由于开挖的影响，使这两个弱面之间的岩体下落，产生塌方。

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　　2塌方区处理基本原则YNZ中国建筑网

　　根据勘测资料，专家们分析后得出结论，必须从地表进行注浆，并在隧道内施工大管棚，并以小导管配合注浆，边开挖边进行观测，做到稳扎稳打，逐步处理的效果。

根据监控量测数据和现场情况，我们制定了三步走的处理方式，第一步是从洞外运土分层堆码砂袋进行反压坡脚，先对碴体表面喷射砼封闭保护。

在碴体以外的段落进行仰拱封闭及二次衬砌施工，尽量缩小塌体后方围岩影响区域，同时，对不能衬砌而初期支护已经开裂或变形的段落进行喷射砼和环向注浆补强支护；确定围岩基本稳定后，第二步以地表注浆和超前大管棚为主，地表注浆范围以稳定塌体区域为原则，大管棚长度为50米，并以超前小导管配合，处理坍塌碴体及空洞，及对四周围岩进行加固；第三步主要是坍塌碴体的重新开挖和重新支护。

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　　3塌方区处理实施方案YNZ中国建筑网

　　3.1后方围岩补强YNZ中国建筑网

　　在后方未稳定区域，确定了不能立即衬砌的段落，环向打入Φ42小导管作为注浆管，注浆管长度以5米为宜，间距为60㎝×60㎝，注浆用1：

1的水泥净浆，主要针对围岩裂隙及受塌方影响变形扰动的松散体。

注浆后，根据监控量测数据来看，后方围岩已趋于稳定，可以进行下一步施工方案的实施。

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　　3.2地表竖向锚杆注浆YNZ中国建筑网

　　先对地表和隧道内的土石质特性进行了试化验，基本了解了该种地质的特性，确定了基本的施工方法和工艺。

其施工工艺流程为：

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　　3.2.1钻孔及安装注浆管YNZ中国建筑网

　　1）钻孔过程中，如个别坍孔较严重，不能成孔，该处可以先不钻孔和安管，待其它位置孔位安装并注浆完毕后，在浆液初凝后，再补钻剩余的孔。

钻孔结束后，及时清孔，塞紧孔口，防止杂物堵孔,致使钢管无法正常安装。

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　　2）根据地表实测高度加工长度不等的Φ42*3.5mm无缝钢管，并在无缝钢管上打压浆孔。

钢管加工长度根据实测洞顶覆盖层厚度确定,下端至隧道开挖轮廓线外50㎝，地表出露钢管20cm。

现场拼接时要防止断管并保持安装顺直。

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　　3）施工止浆盘：

将下好的钢筋网片进行现场拼接，并与钢管焊接在一起，保证钢筋网的整体性。

然后进行喷射砼15㎝,封闭山体表层，并基本保持与原始地形一致（见图2）。

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　　图2地表竖向注浆锚管布置图YNZ中国建筑网

　　3.2.2配制浆液YNZ中国建筑网

　　注浆以劈裂注浆为主，渗透注浆为辅。

渗透注浆主要通过浆液与地下水形成具有一定强度的聚合反应物，加强岩体颗料间胶结，阴塞渗水通过，防止颗料流失造成岩体结构破坏并止水，劈裂注浆则通过高压劈裂挤密软弱岩体，利用强度较好的浆液凝固体在软弱层面形成骨架，约束岩体变形，提高岩体的整体稳定性，同时用浆液置换岩体中的饱水空间，整体上提高岩体抗水软化能力。

从现场情况来看，地表岩层属于软弱松散体，注浆效果要求主要对隧道拱顶以上进行填充，来作为永久性的加固体，应以满注和高强度为前提，依据上述原因，设计注浆参数如下：

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　　注浆浆液采用水泥单液浆，水灰比为1：

1。

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　　单孔注浆量：

0.8H（m3）；YNZ中国建筑网

　　注浆速度：

90L／min；YNZ中国建筑网

　　注浆初压：

0.5～1MPa；YNZ中国建筑网

　　注浆终压：

2～2.5Mpa,在补注时调整到3.5～4MPa；YNZ中国建筑网

　　3.2.3注浆YNZ中国建筑网

　　1）建立注浆站：

在施工区域附近建立三区一带，分别为材料供应区，浆液拌合区，系统压浆区，运输供应带。

（见图3）YNZ中国建筑网

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图3地表注浆平面布置示意图YNZ中国建筑网

　　2）确定注浆量：

对有代表性的孔位进行注水试验，确定岩土的孔隙率为0.8,填充率为90%，由此来调整注浆参数，确定注浆量的大小、速度和注浆压力。

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　　3）注浆：

注浆时，遵从从低处向高处注浆，从外向内注浆的原则，尽量减少相邻注浆管串浆现象发生，并设专人盯注压力表的变化，防止堵管和注浆管的脱管。

在注内排孔时，适当提高注浆压力。

在达到预计注浆量后，即可换管另注。

在未达到设计注浆量时而压力达到预定值时，进行原因分析，确定已饱和时，才能换管另注。

有时发生窜管，浆液从其它管中冒出时，马上停止注浆，尽早补注出浆管，否则要补充钻孔。

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　　施工机具如表1所示YNZ中国建筑网

　　表1地表注浆施工机具表YNZ中国建筑网

序号

设备名称

型号

单位

数量

备注

钻机

KQJ90支架式

台

风动凿岩机

YT28

台

水泥砂浆搅拌机

JQ350立式搅拌机

台

斗车

个

压浆泵

2TGZ-200/150型

台

90L/min

储浆筒

自制

个

分流器

自制

个

三个分嘴

　　3.2.4效果检测YNZ中国建筑网

　　1）第一轮注浆结束后，会同业主、监理及设计方进行现场取芯抽检。

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　　2）高压补注：

在检测到遗漏区域后，要及时进行第二轮高压补注，并在补注完毕后，进行第二次检测，可采取灌注高压水法。

经测定检查孔的吸水量（漏水量）均小于0.5L/min·m。

全部符合设计要求。

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　　3.3大管棚施工YNZ中国建筑网

　　3.3.1工作室及导向管的修建与安装YNZ中国建筑网

　　掌子面向前掘进时，在开挖线向外扩挖80㎝,设置长度为3.5米,宽度为13米的钻孔工作室。

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　　导向管是控制成孔方向使之不偏斜的主要手段，导向管长度不小于2.0m，采用ф150mm钢管加工，经精确测量后一端焊接在钢拱架上,另一端打入掌子面内3米,并喷混凝土固定。

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　　3.3.2止浆墙建立YNZ中国建筑网

　　由于一般设立止浆墙是做混凝土拱，圬工大，施工及拆除都比较困难，故在本隧道内，可因地置宜，在已开挖的上导坑掌子面上，铺设钢筋网，钢筋网垂直于隧道断面，周边与原设计的超前锚管焊接，网间距20㎝，喷射砼15㎝，这样施工后，既保证了掌子面的稳定，又施工了止浆盘，在随后的注浆过程中，掌子面较稳定，满足了施工需要。

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　　3.3.3钻机安设及定位YNZ中国建筑网

　　1）钻机平台采用枕木搭建，高度易调整。

根据管棚孔的位置，分层加高钻机平台。

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　　2）安装钻机。

进钻前，以极坐标法在掌子面标定管棚孔位。

钻机平台要稳固，预施压一定的重量,保证钻机安装牢固。

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　　3）钻机定位。

钻孔方位要求根据线路中线与管棚工作室的位置确定，必须精确核定钻机位置。

架立钻机时用经纬仪、挂线相结合的方法，确保钻机轴线与管棚设计轴线相吻合,在施工时不断调整,保证不偏移,不下沉。

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　　3.3.4管棚孔钻进YNZ中国建筑网

　　由于钻孔较长，而且是由软弱围岩向松散塌方体方向钻进,故钻孔时必须采用套管护壁和跟管钻进技术。

由于我们已预先埋入了3米长的φ150定向管,在第一段施钻时,先用φ120钻头钻进,φ127套管跟进,钻进深度为15米后,退出钻杆。

由于向前施钻时,进入塌体区,我们用用带钻头的钢管直接钻进,直至顶到设计位置。

然后取出套管,对管口焊接注浆阀门,对管壁与围岩之间的空洞进行堵塞。

先钻上部管,再钻下部管,高度上通过枕木调整，大管棚布置方式见图4，施工方式见图5。

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　　图4大管棚布设方式示意图YNZ中国建筑网

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　　图5大管棚施工示意图YNZ中国建筑网

　　3.3.5注浆：

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　　由于考虑到大管棚注浆的局限性，而坍塌碴体与原架立拱架之间不可避免出现较多较大的空洞，如何使大量浆液充填到有效空间内，是本次注浆的关键。

根据探测仪的检测，对塌方体之中的空洞大小进行了描绘，发现在隧道内已支护完的拱架内有大量空洞，而碴体内的注浆以后还要清除,大量注入双液浆可能代价较高，经过同等条件下测定，浆液在松散碴体中的扩散速度约在0.02m3/s,于是我们第一步采取价格相对便宜的水泥砂浆，用间歇式注浆法注入,使浆液尽量不流入空洞内，在注浆时发现压力长时间不上升时，则是有可能注入了空洞，则停下来,待到初凝后，再注，并反复换管注浆，则原先的泄浆通道逐渐变小并最终堵塞，浆液即在管棚周围均匀扩散，基本上控制了大量的砂浆在碴体内凝固，减少了浆液的流失。

等到注入压力达到预计压力时，进行第二步注浆，注入双液浆，控制凝结时间，使浆液流动距离不超过2米。

第三步（在随后开挖碴体时介绍）为超前小导管配合注浆，用超前小导管配合进行高压充填式压入粘稠的水泥净浆，对开挖线外未完全凝固的碴体进行补注。

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　　1）双液浆注浆参数的选择：

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　　注浆扩散半径：

0.3～0.4m；YNZ中国建筑网

　　注浆速度：

50L／min；YNZ中国建筑网

　　凝结时间：

30²～5²；YNZ中国建筑网

　　注浆终压：

0.7～1.5MPa；YNZ中国建筑网

　　W／C：

1：

1；YNZ中国建筑网

　　水玻璃：

波美度40，模数2.6YNZ中国建筑网

　　水泥浆：

水玻璃（体积比）：

1：

1YNZ中国建筑网

　　2）注浆管的设置。

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图6注浆管示意图YNZ中国建筑网

注浆采用分段后退式注浆，利用自制的注浆套管与管棚用套丝连接，注浆套管上准备由出气管与进浆管，由阀门来控制开关，如图6所示。

然后安装20mm塑料管作为排气管，连接注浆管等各种管路，利用锚固剂封闭掌子面与管棚间的孔隙，防止漏浆。

关闭孔口阀门，开启注浆泵进行管路压水试验，如有泄漏及时检修，试验压力等于注浆终压。

　　3.3.6设备材料及人员组织YNZ中国建筑网

　　设备材料有：

MK—5型工程水平钻机两台，BW—150型注浆泵两台，UBJ-3型注浆泵一台，自制搅浆机一台，250型搅拌机一台，盛浆桶两台，空压机一台，HC-T凝结时间可调注浆材料、普通硅酸盐水泥、40波美度的水玻璃及带有套丝的Φ108×6mm钢管若干，方木、钢扒钉、塑料管、木板、注浆管、三通管若干。

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　　人员组织：

可分两个工班进行作业，每工班15人。

其中：

施工指挥1人，施工技术指导1人，测量工1人（负责布孔、定位、量测），工人8人（负责破孔、移动钻机、装卸钻杆、安装钢管、拌浆注浆等），电焊工1人，钻机司机2人，材料调度1人。

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　　3.4坍塌体开挖施工YNZ中国建筑网

　　3.4.1超前小导管YNZ中国建筑网

　　在管棚施工完毕后,预先打入超前支护小导管,主要针对管棚注浆未能进行完全充填的部位。

小导管每三米一排,每排34根,每根长度为4.5米,仰角为5度,小导管从架立的拱架腹部穿过。

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　　要实现从坍塌碴体下部开挖，必须在开挖线以上使碴体形成厚度超过3米的一个注浆固结圈，由于大管棚注浆范围有限，形成有效的注浆加固圈有一定难度。

所以必须对未完全固结的碴体进行二次注浆。

从开挖情况来看,大管棚前期注浆效果较好,开挖时碴体凝固浆体较多，但在后半段来看，并不理想，补注量较大。

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　　注入时，先采取大容量低压充填式，再进行高压劈裂式注浆,对原来的注浆区进行加强,使注浆压力控制在2.5～4Mpa。

这样压浆后的塌洞内的碴体基本上在开挖线外形成了一个3米厚的浆体保护壳。

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　　3.4.2塌方区开挖支护YNZ中国建筑网

　　塌洞正下方开挖时,掘进步距为60㎝,采取风镐加镐头破除,对个别大型孤石采用松动爆破。

随挖随加立工字钢架,进行系统锚网喷支护。

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　　3.4.3碴体的清理YNZ中国建筑网

　　由于碴体较松软,开挖时防止对拱脚产生扰动,采取预留核心土,眼镜法挖除两侧碴体,及时向下安装拱架,两侧碴体挖除时,必须错开2米以上。

碴体清理完后,及时进行底板封闭,施工仰拱及二次衬砌砼，防止前方开挖爆破时对塌洞内的碴体产生扰动,产生较大的沉降变形。

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　　4、经验与体会YNZ中国建筑网

　　通过该段施工，使我们增加了如下认识：

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　　1）在施工中一定要在地质资料详实的基础之上科学分析加上先进的超前探测仪来指导施工，才有可能避免塌方。

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　　2）充分了解了隧道的地质结构及围岩状况，进行精心调查研究分析，才能确定最佳施工方案。

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　　3）施工超前和预支护在软弱围岩施工中的必要性。

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　　4）软弱岩层自身稳定性差，塌方出现时，以稳定性为主，坍塌碴体同样对周围岩壁有稳定支撑作用，切忌随意开挖。

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　　参考文献YNZ中国建筑网

　　1.交通部.公路隧道施工技术规范（JTJ042－94）.北京.人民交通出版社,1994YNZ中国建筑网

　　2.关宝树.隧道施工工程要点集.人民交通出版社,2003YNZ中国建筑网

　　3.冯卫星,况勇,陈建军.隧道坍方案例分析,西南交通大学出版社,2002YNZ中国建筑网

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