采用管棚法处理特大坍方段的应用技术.doc

采用管棚法处理特大坍方段的应用技术

    1 工程概况与地质概况
    某隧道为云寿公路改建工程泰顺至景宁间的双车道隧道，是该段改建公路的控制工程。当隧道开挖至K11 + 645 遇到长达87m的大断层时，原施工单位采取下侧壁导坑掘进，导坑断面约5m×4m，采用加强喷砼和抬棚架强行通过的临时支护体系。
    当施工到K11+666时，由于地质条件急剧变坏，坍方频繁(前后有5 次坍塌发生)。为确保工期的顺利完成，1998年6月原施工单位采用加强抬棚(密排棚架)支护措施，经过半个月的努力实现了全隧的小导坑贯通。但在随后的扩大断面施工中，施工至K11+666.6时，原来由抬棚支撑的岩体发生大坍方，破坏了原已安设好的管棚，坍方堆碴涌至K11+662。后采取不连续的清碴办法，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1～3m3的巨大岩石，坍空区已延至断层外基岩影响带，预计坍方高度在50m左右，长共计18m。
    坍方体位于断层破碎带,断层带出露里程为K11+645～+732 ,断层产状为SW250°∠72°～80°，与隧道轴线斜交，洞内可见厚度达87m，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，里程为K11+666～+689 之间，共23m。坍方岩体破碎，分布不均匀，局部有空洞，且下半断面有原掘进的小导坑及支撑导坑用的棚架，为开挖带来不便。

    泰顺端至K11+666已完成模筑混凝土二次衬砌，并在K11+666处做好了厚70cm的砼止浆墙。且景宁端开挖至K11+697处停下,距坍方段约8m，整个隧道只有中间26m还未完成，成为制约工期的关键因素。
    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
    根据坍方体的工程地质特点，我们确定了在拱部1°范围内施作Φ89 长管棚，管棚间距30cm，结合超前预注浆技术在开挖轮廓线外形成约4m厚的加固圈，并在开挖时以小导管补强注浆加固技术为辅的综合技术方案。开挖采用上下台阶法，上台阶高度约4m，采取预留核心土环形开法，上下台阶间距长度5m，以人工开挖为主，对局部未坍方部位可采用松动爆破。在开挖后立即施作格栅拱架及锚网喷支护体系，充分调动加固后的围岩的承载能力，使初期支护与注浆加固的坍方体形成整体支护结构，并建立科学的监测体系，监测支护体系的变形，判断结构的稳定性和安全性，及时反馈设计与施工。
    2.1.2 技术难点与关键
    (1)长管棚与注浆加固圈在拱顶形成了稳固可靠的固结壳，作为支承长达18m高约50m的松散坍方体超前支护体系(保护壳)，是保证开挖安全和防止坍方的进一步扩大的关键技术。其中26m灌满砂浆的管棚直接棚架在泰顺端已施作完成的二次衬砌结构和景宁端支护体系上，是承受坍方体土体压力的主体，而厚4m的注浆固结圈则起到对其的进一步加固作用，同时坍方体大部分为碎屑状，又可防止碎屑坍碴体从管间缝中涌出而引起
新的坍方。管棚与超前注浆构成了超前支护的主体，是坍方处理的关键技术。
    (2)坍方体内大部分呈松散碎屑状，且又混有大小不一的硬质岩块和前期坍方处理时用以支撑的方木等建筑材料，施钻困难，成孔性差、容易卡钻、下管难度大。这些问题的解决直接关系到26m管棚的安装成功率和注浆的效果，也是坍方处理的难点所在。
    (3)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。由于注浆区域广而连通性好，因此必须对注浆顺序及注浆工艺进行详细计划，以防止浆液向无用的地区扩散，控制注浆量,尽量以最小的注浆量获得最好的注浆效果。
    2.2 治理的原则
    施工方案和治理原则可简单概括为“管超前，预注浆，多循环，短开挖，强支护，勤量测，早封闭”。
    3 施工技术要点
    工作面预注浆→长管棚施工→上小导管及半断面开挖与支护→底板开挖与支护→二衬与铺底。
    3.1 施工工序与步骤
    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，在必要时采用C - S 双液浆。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°，管棚间距30cm，管棚长度26m，采用Φ89(厚5mm)无缝钢管，共计52根管棚。
    3.3.2钻孔工艺
    预设Φ127 导向管→Φ108 套管钻进18m →Φ90 钻孔钻进26m →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30～60LPmin，凝结时间3～5min，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30～60LPmin，凝结时间10～15h，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：30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4m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Φ32焊缝钢管，长5.5m，开孔长4m，
间距60～75cm，外插角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1.5m(即支护三榀钢拱架) 。初期支护与开挖紧跟，即每开挖一个循环立即立拱挂网喷砼施作初期支护。
    开挖分上、下半断面短台阶分部施工，台阶长度≤5m，开挖进尺0.5m。因坍方体高度不明，开挖后洞室变形及结构承载力不能较为准确的计算，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。
    采取手执铁铲或风镐人工开挖，在有基岩或巨大岩块出露处可采用松动爆破后再人工开挖。上半断面采用预留核心土环形开挖，以保证掌子面的稳定与安全；下半断面采用左右错挖马口形式开挖，马口错开长度在3～5m。下半断面开挖后应及时清底施作仰拱，确保初期支护的及时封闭。
    支护采用格栅拱+ 锚杆(锁脚) + 钢筋网+ 喷射C20 砼的联合支护体系。格栅拱为20cm×20cm 的喋形拱架，主筋为Φ22螺纹钢；钢筋网采用Φ8圆钢，网间距20cm；锁脚锚杆采用Φ22螺纹钢的砂浆锚杆，必要时采用注浆锚管；拱架间距按开挖进度每0.5m一榀，拱架间连接筋采用Φ22螺纹钢，连接筋间距1～1.5m；喷射混凝土采用C20砼，厚度25cm。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，即尽早喷砼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，改善洞室结构的受力条件。
    4 施工中的问题与解决措施

    4.1 存在的主要问题
    (1) 管棚孔的施钻与管棚制安中，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。
    (2) 坍方前开挖的下导坑断面约有20m2 ，长度约为20m，由于密排棚架的作用，坍方体并未将导坑内填满，约有150m3 空洞,浆液向空洞内充填并不能对开挖稳定起到稳定作用，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Φ89，按照常规导向管直径则为Φ108。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Φ98 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。Φ89的管棚钢管需Φ108 套管，原设计的Φ108 导向管就不能满足施工需要，因此导向管变更为Φ127钢管。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20m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，致使钻进困难，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采用Φ108套管跟进施钻，后8m采用Φ90钻头钻进
钻到设计里程后，在管棚钢管前端安装上Φ90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
    4.2.4.1 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，根据工作面孔钻孔记录，A、I、H 三个工作面预注浆孔分别在6m、10m、17m处有50～120cm不等的架空区，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。变更后的浆液含粘土约为25% ，28d固结强度在8～13kgPcm2 ，可满足工作面稳定的要求，凝结时间约为3～5d，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 %。

    4.2.4.2 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厚约2m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30～50s，注浆1～5min，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
    (1) 导向管外插角为2°～4°，间距28～33cm，满足设计与规范要求，为保证管棚制安精度创造了条件。
    (2) 管棚孔钻进过程中仅有一个孔打偏与另一管棚相交,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16m 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。
    (3) 每二序孔钻孔时出现了全孔回水，钻孔、下管容易,钻孔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。
    (4) 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。

    (5) 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。
    根据以上分析，注浆加固可分为三段，注浆效果很好段、较好段、一般段，开挖施工时在后5～10m 段要特别引起注意，并加强周边小导管注浆。开挖事实证明，注浆效果的判断是正确的，前15m开挖坍碴固结效果良好，管棚与注浆结石体形成了良好的棚架护拱作用，小导管仅作超前锚杆使用，后10m 坍碴固结整体性较差，按设计进行小导管注浆，最终也安全通过。
    6 结束语
    (1) 管棚施工完成后，仅用了不足20天时间即完成了26m坍方段开挖施工，整个开挖过程安全顺利，最大变形量仅有43mm。这进一步验证了大管棚在长大坍方处理中的重要作用。
    (2) 根据开挖中揭示的情况，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对地层的改良作用。
    (3) 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。