本發(fā)明涉及隧道工程的施工方法。

背景技術(shù)：

發(fā)電廠的熱電機(jī)組引水隧洞洞長一般會超過數(shù)千米，洞身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為2.5m×3m城門洞形，進(jìn)口段與出口段同時(shí)掘進(jìn)施工。涵洞地下水活動總體微弱，但由于斷裂，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)，雨季節(jié)有可能發(fā)生短時(shí)滲水、涌水現(xiàn)象。

如果圍巖為第四系沖洪積、沖積形成的粘性土夾碎石等松散堆積物，下覆基巖中發(fā)育有斷裂帶，與洞線呈大角度相交。洞段圍巖為ⅴ類，圍巖松散，極不穩(wěn)定，塊石多，施工困難。隧道出口段可能出現(xiàn)塌方涌泥現(xiàn)象，坍體淤泥中夾雜著大量碎石塊，并伴有滲水現(xiàn)象。

此時(shí)，如果裝載機(jī)清理淤泥，該過程中會多次出現(xiàn)塌方涌泥現(xiàn)象，隧道塌方處正上方地表出現(xiàn)塌坑，局部塌方演變成為整體式塌陷。

如圖1所示，隧洞位于地表面11的下方，隧洞的上下底面分別設(shè)有混凝土襯砌21、混凝土底板24，混凝土襯砌21上方為一次支護(hù)23，塌腔13下方的一次支護(hù)22被破壞，成為一次支護(hù)損壞部23，塌腔13下部周圍為原狀土騷動區(qū)12。

塌方區(qū)長度約為6米，此時(shí)，混凝土襯砌已施工至樁號，塌方處隧道頂拱至地表距離約70米，地表塌坑直徑約12米，深約10米。塌坑體積約為πr²h=3.14×6²×10=1130m³，清理淤泥約2566m³,洞頂塌方坍體內(nèi)有約1436m³的松土空腔。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本方法要解決的技術(shù)問題：軟巖隧道塌陷式塌方處理過程中危險(xiǎn)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。常規(guī)方案為：管棚配合坍體小導(dǎo)管注漿作為超前預(yù)支護(hù)，然后開挖。但原方案存在以下問題：塌方段圍巖土質(zhì)粘性較大易裹挾鉆桿、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。管棚工作室所需空間較大，而安設(shè)區(qū)域處于危險(xiǎn)區(qū)域，不宜重新開挖較大空間。管棚造價(jià)較高等。

本發(fā)明的技術(shù)方案具體為：

1.一種隧洞整體式塌陷后的施工方法，塌方隧洞沿掘進(jìn)方向分兩段，第一段為沖擊區(qū)，第二段為塌方區(qū)；沖擊區(qū)內(nèi)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；塌方區(qū)部分一次支護(hù)已經(jīng)破壞，隧道圍巖與掌子面坍體都進(jìn)行處理，其特征在于：

沖擊區(qū)的施工步驟包括：

a.封閉掌子面，

b．打坍體小導(dǎo)管，

c.設(shè)置止?jié){墻，

d.坍體小導(dǎo)管注漿，

e．開挖掌子面，

f.當(dāng)開挖到2m，停止開挖；再進(jìn)行下一循環(huán),重復(fù)步驟a-e，直到剩下1米，預(yù)留1m作為下一循環(huán)施做空間，

g.混凝土襯砌；

塌方區(qū)的施工步驟包括：

a.封閉掌子面，

b.打小導(dǎo)管，小導(dǎo)管分為超前小導(dǎo)管與坍體小導(dǎo)管，

c．設(shè)置止?jié){墻，

d．坍體小導(dǎo)管注漿，

e．開挖掌子面，

f.打錨桿，立工字鋼拱架，掛鋼筋網(wǎng)，進(jìn)行隧道圍巖加固，具體為：在隧道底板上固定兩組工字鋼拱架，使超前小導(dǎo)管的中部位于前方工字鋼拱架的上方，其后端部位于后方的工字鋼拱架的下方，

g.噴混凝土，

h混凝土襯砌。

沖擊區(qū)封閉掌子面的方法為：對坍體噴射混凝土，厚度20cm，形成掌子面3，以封閉坍體；

塌方區(qū)封閉掌子面的方法為：對坍體噴射混凝土，厚度40cm，形成掌子面3，以封閉坍體。

沖擊區(qū)打坍體小導(dǎo)管的方法為：

a.坍體小導(dǎo)管制作，坍體小導(dǎo)管采用ф42熱軋無縫鋼花管，壁厚3.5mm，長度6m，坍體小導(dǎo)管包括前端、尖端、中間部，尖端的長度為15cm，前端長度為1m，中間部鉆成直徑1cm過漿孔，過漿孔沿坍體小導(dǎo)管軸向設(shè)有四行，過漿孔成梅花型布置每行相鄰兩個(gè)過漿孔之間的距離為15cm，

b.坍體小導(dǎo)管布置，多個(gè)坍體小導(dǎo)管呈梅花型布置，間距60cm，長度6m，方向沿隧洞軸向布置，

c.打坍體小導(dǎo)管，成孔設(shè)備采用ty-28型氣腿式鑿巖機(jī)，φ50mm鉆頭，在掌子面3成孔后，埋入坍體小導(dǎo)管，坍體小導(dǎo)管外漏20cm，在短鉆頭上安裝套管，將坍體小導(dǎo)管打入；

塌方區(qū)打小導(dǎo)管的方法為：

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30cm，長度6m，外插角5⁰-7⁰，坍體小導(dǎo)管采用φ42小導(dǎo)管注漿，梅花型布置，間距60cm，長度6m；坍體小導(dǎo)管使用上述沖擊區(qū)的坍體小導(dǎo)管。

沖擊區(qū)、塌方區(qū)設(shè)置止?jié){墻的方法為：向掌子面噴厚度10cm的混凝土作為止?jié){墻，設(shè)置止?jié){墻前先將各個(gè)小導(dǎo)管端部用膠帶封死。

沖擊區(qū)、塌方區(qū)坍體小導(dǎo)管注漿的方法為：

a.確定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，水泥漿的水灰比＝1:1；水泥漿漿液:水玻璃漿液=1:1，注漿壓力為0.5mpa，注漿過程中采用注漿壓力和注漿量進(jìn)行雙控

b.單孔注漿量計(jì)算：單孔注漿量按照下式計(jì)算

q=3.14r²hnβ

式中：q為單孔注漿量，m³;r為漿液擴(kuò)散半徑，取0.3m；h為注漿孔深度，取6m；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；

c.注漿施工：在30分鐘內(nèi)，向注漿孔內(nèi)注入漿液，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(shí)，將兩個(gè)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(shí)行雙控。

沖擊區(qū)開挖掌子面的方法為：注漿完畢1小時(shí)后再進(jìn)行開挖，開挖時(shí)，先以微爆破開挖30cm厚掌子面混凝土，再利用鉤機(jī)開挖坍體；

塌方區(qū)開挖掌子面的方法為：注漿完畢1小時(shí)后再進(jìn)行開挖，先以微爆破開挖50cm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。和現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果為：

（一）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。

（二）在掌子面密集打坍體小導(dǎo)管并注漿，使掌子面坍體固結(jié)，坍體小導(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。

（三）塌方處理由管棚配合坍體小導(dǎo)管注漿的施工方法作為預(yù)支護(hù)改為坍體小導(dǎo)管注漿的施工方法，具有以下顯著特點(diǎn)：使用的設(shè)備小巧靈活，能夠在施工空間有限的情況下運(yùn)用，避開了大型設(shè)備無法操作的弊端；技術(shù)難點(diǎn)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(shí)跟進(jìn)，顯著降低施工安全風(fēng)險(xiǎn)，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(xiàng)目按計(jì)劃投入使用。

附圖說明

圖1為塌方區(qū)縱向剖面示意圖。

圖2為掌子面坍體小導(dǎo)管布置示意圖。

圖3為坍體小導(dǎo)管與剛拱架相互作用示意圖。

圖4為坍體小導(dǎo)管作用示意圖。

圖5為沖擊區(qū)施工流程圖。

圖6為坍體小導(dǎo)管示意圖。

圖7為塌方區(qū)施工流程圖。

具體實(shí)施方式

如圖1-7，一種隧洞整體式塌陷后的施工方法，塌方隧洞沿掘進(jìn)方向分兩段，第一段為沖擊區(qū)，第二段為塌方區(qū)。隧洞底面為混凝土底面24，上表面為混凝土襯砌21。圖1中最上方為地表面11，塌腔為13，塌腔的下方為原動土擾動區(qū)12，

沖擊區(qū)內(nèi)一次支護(hù)22完整，只對掌子面坍體進(jìn)行處理，隧洞圍巖不作處理；塌方區(qū)部分一次支護(hù)（參見附圖1的標(biāo)記23）已經(jīng)破壞，隧道圍巖與掌子面坍體都進(jìn)行處理。

沖擊區(qū)的施工步驟包括：

a.封閉掌子面3

對坍體噴射混凝土（標(biāo)號c20），厚度20cm，形成掌子面3，以封閉坍體，確保掌子面工作人員生命安全；

b.打坍體小導(dǎo)管32

a.坍體小導(dǎo)管制作

如圖7，坍體小導(dǎo)管采用ф42熱軋無縫鋼花管，壁厚3.5mm，長度6m，坍體小導(dǎo)管包括前端、尖端、中間部，尖端的長度為15cm（參閱圖7的d3），前端長度為1m（參閱圖7的d1），中間部鉆成直徑1cm過漿孔，過漿孔沿坍體小導(dǎo)管軸向設(shè)有四行，過漿孔成梅花型布置。每行相鄰兩個(gè)過漿孔之間的距離為15cm（參閱圖7的d2）。

b.坍體小導(dǎo)管布置

多個(gè)坍體小導(dǎo)管呈梅花型布置，間距60cm，長度6m，方向沿隧洞軸向布置。

c.打坍體小導(dǎo)管

成孔設(shè)備采用ty-28型氣腿式鑿巖機(jī)，φ50mm鉆頭，在掌子面3成孔后，埋入坍體小導(dǎo)管，外漏20cm，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，直接將坍體小導(dǎo)管打入。

c.設(shè)置止?jié){墻

向掌子面噴標(biāo)號c20、厚度10cm的混凝土作為止?jié){墻。設(shè)置止?jié){墻前先將各個(gè)坍體小導(dǎo)管端部用膠帶封死，以防止噴混凝土過程中堵住坍體小導(dǎo)管端部而影響注漿效果。

d.坍體小導(dǎo)管注漿

a.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。水泥漿的水灰比＝1:1；水泥漿漿液:水玻璃漿液=1:1。注漿壓力為0.5mpa，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。

b.單孔注漿量計(jì)算

單孔注漿量按照下式計(jì)算

q=3.14r²hnβ

式中：q為單孔注漿量，m³;r為漿液擴(kuò)散半徑，取0.3m；h為注漿孔深度，取6m；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=0.1086m³,即108.6l。

c.注漿施工

根據(jù)參考文獻(xiàn)《水泥－水玻璃基本性能研究》（吳德寶，2013）中試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示

由此表可知，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(shí)間約為30min。即在30分鐘內(nèi)，向注漿孔內(nèi)注入108升漿液，根據(jù)實(shí)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(shí)，將兩個(gè)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(shí)行雙控，確保注漿效果。

e．開挖掌子面

漿液終凝時(shí)間為47分鐘，終凝后漿液強(qiáng)度迅速上升，形成“塞”狀固結(jié)體32，來抵抗塌陷荷載形成的推力，防止掌子面坍體再次被推出。注漿完畢1小時(shí)后再進(jìn)行開挖（每個(gè)掌子面所有坍體小導(dǎo)管注漿完畢需要約24小時(shí)，則每個(gè)坍體小導(dǎo)管內(nèi)的漿液有1-25個(gè)小時(shí)不等的時(shí)間上升強(qiáng)度，一個(gè)小時(shí)后能滿足開挖要求）。開挖時(shí)，先以微爆破開挖30cm厚掌子面混凝土，再利用鉤機(jī)開挖坍體，用裝載機(jī)出渣。

f.當(dāng)開挖到2m，停止開挖。再進(jìn)行下一循環(huán),重復(fù)步驟a-e，再進(jìn)行下一循環(huán)（封閉掌子面-打坍體小導(dǎo)管-設(shè)置止?jié){墻-注漿-開挖），直到剩下1米，預(yù)留1m作為下一循環(huán)施做空間。

g.混凝土襯砌

由于塌方段可能地下水豐富，周邊圍巖受到地下水浸泡變軟，為確保二次襯砌施作后的穩(wěn)定性，滿足施工要求，軟弱底板基礎(chǔ)采用厚度50cm強(qiáng)度c25砼片石混凝土進(jìn)行換填處理。

塌方段襯砌遵循短開挖強(qiáng)支護(hù)原則，原則上每12m進(jìn)行一個(gè)循環(huán)襯砌，特殊地段襯砌長度也可3m、6m（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30cm），以保證塌方段施工安全。

塌方區(qū)的處理方法如下：

a.封閉掌子面

對坍體噴射混凝土（標(biāo)號c20），厚度40cm，形成掌子面3，以封閉坍體，以保證掌子面安全。

b.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30cm，長度6m，外插角5⁰-7⁰。坍體小導(dǎo)管采用φ42小導(dǎo)管注漿，梅花型布置，間距60cm，長度6m。

坍體小導(dǎo)管使用上述沖擊區(qū)的坍體小導(dǎo)管。

c.設(shè)置止?jié){墻

向掌子面噴標(biāo)號c20、厚度10cm的混凝土作為止?jié){墻。

d.坍體小導(dǎo)管注漿

與使用上述沖擊區(qū)的坍體小導(dǎo)管注漿方法相同。

e.開挖掌子面

注漿完畢1小時(shí)后再進(jìn)行開挖，先以微爆破開挖50cm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。

f.打錨桿，立工字鋼拱架，掛鋼筋網(wǎng)，進(jìn)行隧道圍巖加固

架設(shè)16#工字鋼鋼架，間距每榀50cm，ф25螺紋鋼焊接連接（環(huán)向間距50cm），安設(shè)2m長錨桿（ф22螺紋鋼,環(huán)向間距1m,排距0.5m）、鋼筋網(wǎng)（間距15cm×15cm），并在拱腳上1m處斜向下打設(shè)鎖腳錨管（ф42熱軋無縫鋼管，長度2m,壁厚3.5mm），并注入砂漿。

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，頂拱坍體小導(dǎo)管與鋼拱架具體位置如圖3所示，在隧道底板上固定兩組工字鋼拱架，使超前小導(dǎo)管4的部位于前方工字鋼拱架41的上方，其后端部位于后方工字鋼拱架42方，坍體小導(dǎo)管夾在兩榀剛拱架之間。以工字鋼拱架2作為支點(diǎn)，坍體小導(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。

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。

g.噴混凝土

采用標(biāo)號c20的混凝土噴至設(shè)計(jì)厚度23cm。

h混凝土襯砌

與沖擊區(qū)g步驟的混凝土襯砌相同。

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、粘土、砂為原料，按體積比為1:2:3的比例）夯實(shí)回填以防地表水的滲入?；靥钋?，洞內(nèi)停止作業(yè)，回填結(jié)束查驗(yàn)安全后方可繼續(xù)作業(yè)。

處理情況

在處理塌方過程（過程保密）中，未出現(xiàn)過任何安全質(zhì)量事故，順利通過塌方危險(xiǎn)段，完滿完成任務(wù)。

主要創(chuàng)新點(diǎn)

（一）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。

（二）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。

（三）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(diǎn)：使用的設(shè)備小巧靈活，能夠在施工空間有限的情況下運(yùn)用，避開了大型設(shè)備無法操作的弊端；技術(shù)難點(diǎn)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(shí)跟進(jìn)，顯著降低施工安全風(fēng)險(xiǎn)，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(xiàng)目按計(jì)劃投入使用。

取得的效益

由下兩種方案實(shí)施效果對比表可以看出，管棚施工改為坍體小導(dǎo)管注漿施工后，不僅很好的解決了工程中遇到的實(shí)際難題，確保了工程質(zhì)量和安全，而且明顯降低了工程成本，縮短了工期，增加工程施工效益。其中，節(jié)約費(fèi)用約23萬元，節(jié)約率達(dá)到了23%；工期縮短12天。