注浆管棚法在隧道大坍方段的应用研究.docx

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注浆管棚法在隧道大坍方段的应用研究

注浆管棚法在隧道大坍方段的应用研究

摘要:

本文以木寨岭铁路隧道大坍方处理为例,介绍了长管棚在处理特大坍方时的应用技术。

文中首先论述了长管棚处理坍方段的技术特点,然后针对坍方碴体管棚施工卡钻与下管难的问题提出了具体解决措施,并强调了注浆管棚法在隧道坍方施工中的重要作用。

关键词:

管棚大坍方注浆

1工程概况与地质概况

新建特长木寨岭隧道位于甘肃省定西市,起于漳县大草滩乡漳河西岸,止于岷县梅川镇素子沟内杨家台村,线路基本呈北向南走向。

木寨岭隧道设计为双洞单线分离式特长隧道,为全线第二长隧道,也是全线控制性重点工程之一。

该隧道地层条件复杂,按时代由新到老分别包括了第四系、第三系、二叠系、石炭系、泥盆系等不同时代的地层;特殊不良地质主要有湿陷性黄土、滑坡、泥石流及岩堆等;基岩节理、裂隙发育,多“Ｘ”型,特殊地质构造主要有11条断层破碎带（带宽均为200m～1000m）、3个背斜及2个向斜构造,属高地应力区;岩土主要有粘质黄土、砂质黄土、板岩、炭质板岩、灰岩、砂岩、泥岩、砾岩、断层角砾、断层压碎岩等。

。

当隧道开挖至DyK183+475遇到长达438m的大断层时,施工方法采取三台阶开挖,采用加强喷射混凝土和棚架强行通过的临时支护体系。

但在随后的施工中,原来由棚架支撑的岩体发生大坍方,后采取连续的清碴办法,但每次清碴至工作面后,又发生塌方,恢复原状,并且岩碴由原先的粉末状,变为间杂1m3～3m3的孤岩石,预计坍方高度大约27m,坍方段约长22m。

坍方体位于断层破碎带,断层产状与隧道轴线斜交,为大型压扭性大断层。

断层带岩性由灰色砂砾岩、断层泥及断层角砾岩组成,岩石呈角砾状松散结构,岩体整体性差,局部有渗水,易失稳,开挖后坍方频发。

所需处理的坍方段长度共计25m。

坍方岩体破碎,分布不均匀,局部有空洞。

2坍方体处理施工技术方案

2.1施工方案与治理原则

2.1.1施工方案

根据坍方体的地质特点,研究确定了在拱部范围内施作Φ89长管棚,管棚环向间距30cm,结合超前预注浆技术在开挖轮廓线外形成约4m厚的加固层,并在开挖时以小导管补强注浆加固技术为辅的施工方案。

开挖采用上中下台阶法,上台阶高度约2.5m,采取预留核心土环形开挖法,中台阶高度4m,下台阶高度4.5m,各台阶间距长度5m,以人工开挖为主,对局部未坍方部位采用松动爆破。

在开挖后立即施作型钢钢架及锚网喷支护体系,使初期支护与注浆加固的坍方体形成整体支护结构,并埋设沉降观测点,建立科学的监测体系,监测支护体系的变化,判断结构的稳定性和安全性,及时反馈监测数据并指导施工。

2.1.2技术难点与关键

注浆加固层在拱顶形成了稳固可靠的固结壳,是保证开挖安全和防止坍方进一步扩大的关键技术。

坍方体内大部分呈松散碎状,并且又混有大小不一的硬质岩块,施钻困难,成孔性差,容易卡钻、下管难度大。

坍方段地处断层破碎带,地层连通性好,坍方体松散度大,且坍方前施工的小导坑均直接与注浆区相连通。

3施工技术要点

3.1施工工序与步骤

工作面预注浆→长管棚施工→小导管施工→半断面开挖与支护→底板开挖与支护→二衬与铺底

3.2工作面预注浆

在长管棚施工前,应对工作面进行前进式分段预注浆,注浆分段长度为5m。

以水泥单液浆为主,内加速凝剂。

工作面预注浆的目的是加固工作面松散体,以保证管棚钻孔方向的精度,同时稳定工作面,确保开挖时工作面的安全。

3.3长管棚与预注浆

3.3.1管棚参数

钻孔仰角1°～3°,钢管环向间距30cm,管棚长度30m,采用Φ89（厚5mm）无缝钢管,共计52根钢管。

3.3.2钻孔工艺

预设Φ130导向管→Φ108套管钻进19m→Φ90钻孔钻进至30m→下管（带Φ90钻头）→取出Φ108套管→封孔注浆。

3.3.3管棚注浆

注浆分三序孔注入,注入顺序依次为C-S浆、水泥浆、水泥砂浆。

注浆应在钻孔下管完成后立即进行,以便在钻相邻孔时可做为当前注浆孔的检查孔。

所有管棚钢管均以30号水泥砂浆充填,以加强钢管的刚度。

注浆参数:

双液浆。

水泥浆W∶C=0.8∶1～1.5∶1,水玻璃浆35Be,C∶S=1∶1～1∶0.3,注浆终压2Mpa,注浆速度30～60L/min,凝结时间:

3min～5min,缓凝剂加入1%～3%,扩散半径1m。

单液水泥浆。

W∶C=0.8∶1～1.5∶1,注浆终压2Mpa,注浆速度30～60L/min,凝结时间:

10h～15h,速凝剂加入3%～6%。

扩散半径在管棚注浆时为1m,而在工作面预注浆时为1.5m。

（工作面主要为坍方松散体）。

水泥砂浆。

M30号水泥砂浆,充填钢管和充填较大的坍方空洞。

3.4小导管注浆补强

长管棚注浆加固范围有限,很难达到3m的加固圈,为此在开挖过程中,需施作小导管注浆补强。

小导管采用Ф40焊缝钢管,长5.5m,开孔长4m,间距60cm～75cm,外插角大约41°。

小导管注浆采用C-S双液浆,注浆量根据现场情况定,以确保开挖安全为目的。

3.5开挖与初期支护

开挖与小导管注浆穿插进行,即每注一个循环开挖0.5m（即支护一榀钢拱架）。

初期支护与开挖紧跟,即每开挖一个循环立即立拱挂网喷混凝土施作初期支护。

开挖分上、下半断面短台阶分部施工,台阶长度不超过5m,开挖进尺0.5m。

因坍方体高度不明,为防止变形过大造成初支结构侵入衬砌净空,根据工程类比在开挖中预留20cm的下沉量,即扩大开挖断面20cm,并根据量测数据随时调整。

初期支护采用型钢钢架+锚杆（锁脚）+钢筋网+喷射C30混凝土的联合支护体系。

型钢钢架为H175,网格间距20cm;锁脚锚杆采用Ф22螺纹钢的砂浆锚杆,必要时采用中空注浆锚杆;钢架间距按开挖进度每0.5m一榀,拱架间连接筋采用Ф22螺纹钢,连接筋环向间距1m～1.2m;喷射混凝土采用C30混凝土,厚度33cm。

初支应在开挖完成后即时施作,要确保支护体系的及时封闭,即尽早喷混凝土封闭减少开挖后围岩的暴露时间,及时施作仰拱使支护结构尽快封闭成环,以保证隧道的整体结构受力体系。

4施工中的问题与解决措施

4.1存在的主要问题

在管棚孔的施钻与管棚安装中,主要存在卡钻、掉钻头、坍孔、退钻与顶管困难等问题。

其主要原因是施钻范围内大多位于坍方体内,属碎石、角砾石、松散无稳定性,从而致使钻孔成孔与下管极其困难。

坍方前开挖的下导坑断面约有60m2,长度约为19m,由于密排棚架的作用,坍方体并未将导坑内填满,浆液向空洞内充填并不能对开挖起到稳定作用,同时又造成浪费,如何防止浆液向空洞内渗流也是注浆中的关键环节。

4.2主要技术措施

4.2.1变更导向管采用套管跟进施钻

原设计管棚直径为Ф89,按照常规,导向管直径则为Ф108。

通过对现场情况进行调查,坍方体坍碴情况比较复杂,坍孔、卡钻在所难免,为保证Ф89管棚的顺利施作,有必要采用套管跟进施钻,在套管保护下顶进管棚钢管。

Ф89的管棚钢管需Ф108套管,原设计的Ф108导向管就不能满足施工需要,因此导向管变更为Ф130钢管。

后来施工事实证明,导向管变更为管棚成孔创造了有利的条件。

4.2.2带钻头顶管

采用套管跟进施钻只能有效地解决前19m坍孔、卡钻等技术难题,因为套管跟进越长,孔壁周坍碴、碎石与管壁的摩阻力就越大,钻进负荷扭矩也越大,导致钻进困难,同时也容易产生管接头因扭矩大而损耗断管等严重事故,一旦发生断管现象,则整个孔将被废弃。

根据以往经验与现场试钻情况,前18m采Ф108套管跟进施钻,后8m采用Ф90钻头钻进,钻到设计里程后,在管棚钢管前端安装上Ф90钻头,前18m套管保护下顶进,后8m则钻进下管,待下管到设计里程后再取出套管。

4.2.3总体施工工序的调整

按设计,应首先进行工作面预注浆,在此基础上进行管棚施工。

但由于工作面注浆量大,注浆工作时间长,造成钻孔作业空闲时间多。

为此,对施工工序进行了调整,即在工作面注浆的同时穿插进行部分管棚孔的施工。

但为确保周边管棚孔的注浆加固效果,确定了穿插管棚孔施工的原则是:

遵循设计时的工作面预注浆超前的原则,即在进行管棚孔施工时,同一水平线以下的工作面预注浆已完成,从而防止周边管棚孔注浆时浆液向坍碴空洞内溢流。

总体施工工序的调整为施工工期争取了时间,同时也保证了周边注浆加固效果。

4.2.4注浆施工的技术措施

改变浆液材料。

前期进行工作面预注浆时,根据其注浆目的是填充坍方体空洞,对固结体强度要求不高,同时由于原开挖的小导坑留下的空洞较大,采用较高强度的注浆材料不仅造成浪费,也为后来的开挖带来了困难。

为此,根据工作面钻孔记录,三个工作面预注浆孔分别在6m、10m、17m处有断位,对这三个孔不同断位的注浆材料进行了变更,由原设计的水泥浆与水泥砂浆改为粘土水泥砂浆。

变更后的浆液粘土含量约为25%,28天固结强度在8～13kg/cm2,可满足工作面稳定的要求,凝结时间约为3～5天,流动性好,不仅降低了工程成本,也具有良好的填充效果。

三个孔三个段别分别共计注入粘土水泥砂浆120m3,约占空洞总量的80%。

采用间隔注浆获得注浆加固效果。

在进行管棚注浆时关键是获得管棚内外形成约2m厚的注浆加固圈,但由于坍体内有许多块石相互棚架,致使坍体内空洞大而多,这些空洞有的直接与坍空区相连,注浆时浆液在压力作用下通过这些空洞泄流至坍空区,而不能在管棚附近均匀扩散,从而使注浆加固圈无法形成。

为此,根据经验采用间歇注浆法,即当长时间注浆压力上不来时,说明浆液顺空隙泄流至坍空区,这时将浆液凝结时间调整至30s～50s,注浆1min～5min,停40s,待原注入浆液初凝变稠后再注,如此反复,则原先的泄浆通道逐渐变小并最终堵塞,浆液即在管棚周围达到均匀扩散的目的。

5施工质量与效果评定

导向管外插角为2°～4°,间距28cm～33cm,满足设计与规范要求,为保证管棚施工精度创造了条件。

管棚钻孔进过程中仅有一个孔打偏与另一管孔相交,仅占管棚总数的2%。

根据下管记录,因卡钻、断管等原因52根管棚中只有9根共计15m未顶进,仅占设计管棚总长度的1.1%。

根据开挖所揭示的情况,管棚制安基本达到了整齐划一的要求,在开挖线外形成了稳固的护拱棚架作用,总体质量达到了优。

二序孔钻孔时出现了全孔回水、钻孔、下管容易,钻出物中有水泥凝结块等现象,与开始第一序孔钻孔时卡钻无回水形成了对比,说明第一序孔注浆已起到了明显的效果,并达到了固结充填的好效果。

根据注浆记录,第二序孔注浆时注浆压力上升明显快于开始注浆时,也说明坍方体空洞回填充实。

管棚施工完成后在工作面共打检查孔3个,前17m回水好,17m后回水逐渐减少,24m后基本无回水,说明注浆效果前段要好于后段。

6结语

管棚施工完成后,仅用了不足30天时间即完成了25m坍方段开挖施工,整个开挖过程安全顺利,拱顶最大沉降量仅有11cm。

这进一步验证了大管棚在长大坍方处理中的重要作用。

根据开挖过程中实际情况,注浆固结体与管棚的共同棚架护拱作用是确保开挖顺利,防止坍方继续发展的重要因素,在管棚施工中必须重视注浆这一环节。

在坍碴与破碎岩体中,套管跟进是确保管棚施工质量与精度的重要方法之一。

参考文献

[1]岩溶隧道管棚支护工法.1993（C960175）.

[2]液压钻孔台车施作长管棚工法.1991（C970075）.