劉 剛,申 會
(1.浙江省隧道工程公司,浙江杭州310030;2.浙江省第七地質大隊,浙江麗水323000)
不良地質段礦山井巷大塌方“薄殼法”施工工法研究
劉 剛*1,2,申 會1,2
(1.浙江省隧道工程公司,浙江杭州310030;2.浙江省第七地質大隊,浙江麗水323000)
礦山巷道掘進過程中,常常會遇到大斷層等不良地質或破碎帶,大塌方不可避免時,就需要研究處理對策?!氨しā惫しㄊ俏夜径嗄甑V山井巷、隧道施工的技術總結,對隧道與地下工程施工大塌方處理具有效率高、工期省、投資少的特點。
薄殼法;預注漿;長管棚;小導管;圍巖量測
某鐵礦運輸平巷掘進過程中,由于部分不良地質影響,掘進過程中出現多處軟弱圍巖,巷道開挖至K0+ 419m處時,圍巖右邊拱部發(fā)育有一條厚度大于6m的泥質破碎帶,浸水后圍巖變形嚴重,在巷道出碴過程中,K0+395~K0+419m段圍巖應力變化大,拱架整體往巷道凈空發(fā)生位移,隨后形成大規(guī)模塌方,形成拱頂至塌空最高部位19m,兩側寬度達13~18m的大塌方,坍塌方量為5700m3,已經開挖支護好的K0+395~K0+ 419m段鋼拱架、錨噴網、超前小導管等初期支護措施全部損毀,給施工帶來極大難度。我公司針對該巷道塌方處理施工進行了科技攻關,采用了塌方體注漿固結、塌腔體及時回填、長管棚與小導管預注漿超前支護、鋼拱架與錨噴網復合支護、等技術進行綜合處理,成功地穿越了軟弱地層大塌方段,取得了滿意效果,并形成了軟弱地層巷道大塌方“薄殼法”施工工法。
“薄殼法”是充分利用塌方體注漿固結成薄殼體、塌腔體及時回填、長管棚與小導管預注漿超前支護形成的管護,通過拱架與錨噴網復合支護形成結構整體穩(wěn)定性;微臺階開挖施工減少了對圍巖的擾動,并通過監(jiān)控量測監(jiān)測結構變形情況。通過以上幾個方面施工技術的綜合運用,確保結構穩(wěn)定和施工安全(圖1)。
(1)利用注漿加固塌方松散體,使塌方體具有一定的支承和自穩(wěn)能力。
(2)超前支護與回填混凝土形成殼體,提高了結構抵御塌腔頂部墜落的塌渣形成的沖擊荷載的能力,確保了施工作業(yè)的安全。
(3)塌方體開挖微臺階施工在很大程度上減少了對圍巖的擾動,確保開挖面的穩(wěn)定,施工機具簡單,施工周期短。
主要適用于軟弱圍巖巷道塌方處理。
5.1 加固塌方影響段
塌方影響段架設鋼拱架加固,鋼架采用I18工字鋼,間距50cm/榀;縱向采用?22mm螺紋鋼筋連接,鋼筋環(huán)向間距1.0m,每榀底腳每側施作4根?32L=4.0m自進式錨桿作為鎖腳錨桿。巷道兩側起拱線以上的半圓拱部位設L=5.0m@2m×2m的?42mm×4mm小導管和1∶1水泥漿液進行固結灌漿,以加強該段拱頂松馳圈密實及以上圍巖加固,控制了塌體向后發(fā)展。
5.2 塌方體注漿加固
塌方體注漿加固范圍:巷道底板至頂高程2m,注漿之前對塌方體設一堵厚20cmC20噴射混凝土墻。
注漿小導管:L=14.0m@2m×2m的?42mm×6mm;
灌漿壓力為0.4~0.6MPa,分級升壓的方法,灌漿漿液采用0.5∶1~1∶1由稀到濃逐級變換。使塌方體提高自穩(wěn)能力以便后期開挖施工。
5.3 塌腔體回填混凝土施工
塌腔體內埋設1根L=10m?120mm混凝土導管和1根L=15m?68mm排氣管,采用HB60混凝土輸送泵對塌腔體進行C15混凝土分層回填。
圖1 “薄殼法”塌方處理措施示意圖
5.4 套拱施工
在塌方影響段前方設套拱,套拱采用C30混凝土,長度為1.0m,厚度70cm,內置I18型鋼拱架,間距50cm。
工字鋼拱架由彎曲機分段冷彎加工,拼裝時控制好拱架的變形和軸線情況。鋼架安裝時與套拱內預留孔口管焊接。
5.5 管棚施工
套拱混凝土強度達70%設計強度后,進行鉆孔施工,管棚參數如下:
(1)管棚采用熱軋無縫鋼管?89mm,壁厚5mm,管棚長度25m,在拱部范圍內30cm間距均勻布孔。
(2)管棚傾角與巷道縱坡成5°~10°夾角,以防管棚鉆孔時由于自重下沉而侵入巷道開挖斷面內,從而妨礙巷道的開挖施工。
(3)管棚采用電動液壓潛孔鉆機鉆孔,在鉆進過程中操作平臺必須牢固安全,架立鉆機時應精確定孔位,確保鉆機鉆桿線與管棚設計軸線吻合,在鉆進過程中不發(fā)生偏移和傾斜,鉆孔交替進行,每鉆完一孔立即頂進鋼管,管內全長設排氣管,并伸出管口,鋼管與孔口處間隙封堵密實,保證注漿時漿液不溢處。
(4)每節(jié)鋼管絲扣連接,絲扣長15cm,同一斷面內接頭數量不超過50%,相鄰鋼管的接頭錯開長度不小于1m,施工時把孔按序編號。
(5)鉆孔采用順序編號(1#~52#),注將分三序孔注入,注入順序集資為C-S漿、水泥漿。注漿應在鉆孔下管完成后立即進行,以便在鉆相鄰孔時可作為當前注漿孔的檢查孔。所有管棚鋼管均以30號水泥砂漿充填,以加強鋼管的剛度。
5.6 超前注漿小導管施作
管棚注漿加固范圍有限,難于達到4.0m的加固圈,為此在開挖過程中,需施作小導注漿補強。小導管采用?42mm焊縫鋼管,壁厚4mm,L=5.5m深入塌方體4.0m,在拱部范圍內130°均勻布置,間距40cm,外插角41°,搭接長度1.5m。
小導管注漿進一步提高塌方體自穩(wěn)能力和超前支護作用。
5.7 塌方體開挖
開挖與小導管注漿穿插進行,即每注一個循環(huán)開挖1.5m(即支護三榀鋼拱架)。初期支護與開挖緊跟,即每開挖一個循環(huán)立即立拱掛網噴砼施作初期支護。
開挖分上、下半斷面短臺階分部施工,臺階長度不超過5m,開挖進尺0.5m。因坍方體高度不明,開挖后洞室變形及結構承載力不能較為準確的計算,為防止變形過大造成初支結構侵入襯砌凈空,在開挖中預留20cm的沉降量。
采取手執(zhí)鐵鏟或風鎬人工開挖,在有基巖或巨大巖塊露處可采用松支爆破后再人工開挖。上半斷面采用預留核心土環(huán)形開挖,以保證掌子面的穩(wěn)定與安全。
5.8 塌方體開挖與支護
下半斷面采用左右錯開馬口形式開挖,馬口錯開長度在3~5m。下半斷面開挖后應及時清底施作仰拱,確保初期支護的及時封閉。
5.9 塌方體支護
初期支護采用鋼拱架+錨桿+鎖腳錨桿+鋼筋網+噴射C25砼的復合支護體系。
(1)鋼拱架為I18工字鋼,拱架間距按開挖進度每0.5m/榀,封閉成環(huán);縱向采用?22mm螺紋鋼連接,間距1.0m;
(2)鎖腳錨桿采用?22mm螺紋鋼的砂漿錨桿,間距@0.5m×0.5m,L=4.5m;系統錨桿采用?32mm自進式錨桿,間距@0.5m×1.0m,L=4.0m;
(3)鋼筋網采用?8mm圓鋼,網間距20cm;
(4)噴射混凝土采用C20砼25cm。
初期支護應在開挖完成后即時施作,要確保支護體系的及時封閉,即盡早噴砼封閉,減少開挖后圍巖的暴露時間,及時施作仰拱使支護結構盡快封閉成環(huán),改善洞室結構的受力條件
施工監(jiān)控量測是新奧法施工的關鍵環(huán)節(jié)。監(jiān)測的目的是掌握巷道結構的動態(tài)變形情況,檢驗初期支護設計參數的合理性,為修正支護參數提供理論依據,并可指導二次襯砌時間。通過監(jiān)控量測可以掌握圍巖力學形態(tài)的變化和規(guī)律,掌握支護的工作狀態(tài)信息并及時反饋,做出工程預報,確定施工對策和措施,監(jiān)視險情,指導施工作業(yè)和確保安全施工。
監(jiān)控量測項目包括初期支護狀況觀察、周邊位移量測、拱頂下沉量測、圍巖內部位移量測、地表下沉觀測、錨桿拉拔試驗。
當巷道水平位移收斂速度小于0.2mm/d,拱頂下沉、仰拱隆起位移速度小于0.1mm/d時,可以認為圍巖已基本穩(wěn)定。二次襯砌按承受部分圍巖壓力考慮,應根據量測結果確定二襯施作時間。
“薄殼法”塌方處理主要用的材料為型鋼、錨桿、鋼管、水泥、砂、碎石等。主要機具設備有攪拌機、挖掘機、注漿機及鋼筋處理設備等。
7.1 鋼拱架施工
(1)鋼架必須具有足夠的強度和剛度,采用的鋼架內型應滿足設計要求。
(2)鋼架加工尺寸,應符合設計要求,其形狀與開挖斷面相適應。
(3)鋼架基礎必須放在牢固的基礎上,底腳下的虛渣及其他雜物須清理干凈,腳底超挖部分應用鋼板支墊。
第三次熔頂發(fā)生在第一道氣環(huán)閉口間隙值較小的第二缸、第三缸,從表1看出,其二、三缸的閉口間隙值是偏小的,與第二次熔頂的原因類似,其閉口間隙值偏小是造成拉缸、熔頂的根本原因。
7.2 大管棚施工
(1)孔口管安裝定位要求外插角度正確,導向精確,以便于鉆孔時控制大管棚的前進方向,不侵入巷道凈空。
(2)孔口管不得存在彎曲、變形、破損現象,在焊接孔口管前應檢測孔口管內徑是否符合圖紙要求,防止孔口管內徑過大不能精確定向大管棚。
(3)安裝好鋼拱架后應重新檢測孔口管的導向是否正確,如果有偏移或角度偏差現象則需進行調整。
(4)在打鉆孔時應嚴格控制孔口管的外插角,按設計要求的外插角度打入圍巖。初鉆用低壓頂進,以保持方向,防止孔位偏斜。
(1)配備有力的領導班子,建立健全安全保證體系,使安全工作制度化、經?;?,保證施工安全。
(2)認真貫徹執(zhí)行國家安全生產的方針政策,對作業(yè)工人進行安全教育,牢固樹立“安全第一”的思想,堅持“安全生產,預防為主”的方針。
(3)根據施工情況,編制詳細的安全操作規(guī)程、細則,制定切實可行的安全措施。做好安全技術交底工作,主要針對拱架安裝、巷道開挖等方面的安全注意事項進行交底。
(4)建立健全安全生產責任制,設置和配置專職、兼職安全檢查人員,負責日常安全生產巡查。
(5)特種作業(yè)人員做到經過專門訓練,并考試合格取得主管部門頒發(fā)的特殊工種操作證后方可獨立操作。
(6)搞好安全三級教育,加大日常安全生產宣傳力度,提高工人安全意識。
(7)易燃易爆物品要遠離施工現場和居住區(qū)、炸藥庫、油庫等。施工區(qū)域內按照有關防活要求布置臨時設施,配備足夠數量的消防器材,并設立明顯的防火標志。
(1)在洞口設污水處理站,采用隔油沉淀池、氣浮設備和二級生化處理設施對施工進行處理。設專人值班管理,對沉淀池打撈浮油,以及對巷道污水進行處理,直到符合國家規(guī)定標準再排放。
(2)控制施工注漿使用的水泥、水玻璃的泄露,并對進入巷道排放系統中的注漿廢液做凈化達標處理,避免漿液污染洞外居民的生活生產用水。
(3)爆破采用多打孔少裝藥的弱爆破方式,減低爆破振動對周邊居民的影響,控制夜間爆破;洞內采用水幕除煙降塵,降低巷道施工隊大氣的污染。
(1)項目部建立健全成本核算制度,做到每月、每季度、每半年、每年成本核算、實施動態(tài)成本控制,減少不必要的開支。
(2)加強施工調度,安排好個工序銜接,加快工程進度,提高工程效益。
(3)選用經驗豐富、技術水平高、專業(yè)化水平強的技術工人和施工隊伍,提高工程質量,盡量避免由于返工造成的資源浪費。
(4)嚴格材料采購,確保采購合格低廉的施工材料,從而節(jié)約成本。
(1)“薄殼法”大塌方處理工藝是在傳統類似工藝上的改良與綜合,具有較大的適用范圍。經使用過的項目施工成本核算,跟其他方法相比,該工法具有節(jié)約投資、處理時間短等特點。
(2)“薄殼法”大塌方處理工藝可靠性較高,降低了大塌方處理的安全系數,有良好的社會效益。該工法對類似工程有借鑒意義,同樣適用于公路、人防等大斷面隧道掘進。
U458.3
A
1004-5716(2015)05-0175-04
2014-11-17
2014-11-19
劉剛(1973-),男(漢族),貴州織金人,高級工程師,現從事礦建施工技術、爆破、隧道與地下工程施工管理及技術研究工作。