珠宝隧道塌方处理施工技术总结

珠宝隧道塌方处理施工技术总结 高崇林 孙晟残 邹广成 内容提要：珠宝隧道自从2000年3月10日发生塌方以来，在局处领导的关心和指导下，经过项目部全体工作人员努力，历时6个多月，于8月25日，顺利、安全地将塌方处理完毕，现将塌方处理施工技术经验予以总结。 关键词： 塌方 坍体 影响段 导管 注浆 1 塌方概况 11塌方与抢险经过 珠宝隧道为吉林省营(营城子)抚(抚松)二级公路参场至抚松段控制工程之一。隧道中心里程K43+1975，起讫里程：K42+590-K43+805，全长121 5米，隧道地质层侏罗纪上流榆树川级下段，进口附近主要由凝灰岩风化层和坡积物构成。隧道围岩从已开挖的地段看，地质变化频繁、节理裂隙发育，岩层走向无规则，石质破碎，围岩自承能力极差，原设计为类，实属类。 珠宝隧道于1999年8月8日开工，截止到2000年3月10日，进口端完成上断面掘进支护262m；下半断面开挖支护左侧55m，右侧60m，二次衬砌24m。 2000年3月10日上勺：9时20分，K42+655处拱顶突然发生塌方，坍体松散、破碎，岩休自拱顶塌孔处自左向右呈倾斜状漏出，塌孔逐渐扩大，几分钟内将隧道封实，同时山坡地表形成直径10米深10米的陷坑，陷坑左偏中线17米，埋深35m。坍体将正在掌子面进行施工作业的11人堵在洞内，情况危急。 塌方发生后，现场立即采取了紧急处理措施，同时向上级报告情况。塌方事故立即引起了上级领导的高度重视，有关领导均以最短的时间火速赶赴现场，组织指挥抢险工作，成立抢险指挥部，组织抢险工作的实施，经过46小时的全力奋战，于3月12日上午7：15分，11名被困人员全部安全脱险。1 2塌方情况见图1：塌方示意图图1 塌方示意图2 塌方的紧急处理方案： 3月10日塌方发生后，在总公司、局、处领导直接指挥下，在积极抢救被困人员的同时，开始了对塌方的处理工作。主要有： 21对塌方后影响段(k42+626+640段 )的紧急处理： 隧道塌方以后此段拱腰变形，拱顶开裂，并且整个支护断面受塌方的影响全部侵入衬砌净空，并不时出现塌方碎碴从缝隙中流出。为了控制此段的支护变形，防止此段发生塌方而加长整个塌方长度，对此段进行了如下的加固措施： 211针对本段拱顶开裂，下导边墙向内收敛等继续变形的情况，及时搭设方木垛、用200钢管进行横向、竖向临时加固支撑、防止围岩变形发展，并用槽钢在两侧下断面紧靠支护面进行支立，并用钢管斜撑，防止支护后的碎碴流出，使支护后围岩悬空而导致围岩滑落后对支护形成更大的冲击力。 212加固支护完毕后立即用42m,小导管对断面进行注浆加固，L=60m，100100cm。 213加强围岩量测监控：一是在洞内进行拱顶下沉及周边收敛量测，监测结果表明，采取了临时加固措施之后，围岩变形现已基本趋势于稳定；二是在洞外山坡地表设置观测点、监测地表沉陷变化情况，以防止意外事故发生。 22抢救被困人员：在总公司、局、 处领导的组织下，制定了三套抢救被困人员的方案：一是侧壁导洞；二是侧壁迂回导洞；三是坍体打管。最后在隧道内被困人员和隧道外抢险人员的共同努力下，被困人员从侧面壁导洞中救出。 3 塌方处理施工方案 塌方发生后，局处领导及项目部有关人员共同研究制定塌方处理施工工艺技术方案，根据此次塌方的情况和特点，将珠宝隧道塌方分为三段进行处理，即：塌方后影响段(K42+626-K42+640，计14米)；塌方段(K42+640-K42+668，计28米)；塌方前影响段(K42+668-K42+700，计32米)；另外从地表对山体注浆、地表塌坑处理。塌方处理分段划分见图2。图2 塌方处理段划分31塌方后影响段的处理方案该段为已衬砌与塌孔间未衬砌地段，因受塌方影响，围岩已受扰动，初期支护拱腰、拱顶开裂，部分喷射砼脱落，边墙收敛变形明显，已侵入隧道衬砌净空，需做凿除加固处理。控制围岩变形的继续发展，避免塌方向后影响段延伸：311首先对该段用200钢管进行横向和竖向临时加固支撑，然后用42小导管全断面注浆加固围岩，考虑到左侧的围岩受塌方的影响较大，支护变形收敛严重，注浆管间距为5050cm，右侧的围岩受塌方的影响较小，支护变形收敛较小，注浆管间距为8080cm，注浆管呈梅花型布置，注浆管长6m，钢管外端150cm范围内不钻孔，其余450cm范围内梅花型钻设注浆孔(注浆管见下图3)。图3 注浆管大样图 注单液水泥浆(水灰比为1：1)注浆终压为10MPa。 312此段支护受塌方的影响，侵入衬砌断面的面积较大，最大的侵入深度为17cm，必须进行大面积的初期支护砼凿除，为了保证在衬砌之前的初期支护的稳定，采用I 18工字钢进行加固支护，支护间距为60cm，并用25钢筋纵向联结，打25锚杆固定工字钢，8(15*15cm)钢筋网，C25喷射砼，厚20cm。 313衬砌：对于初期支护砼小面积侵限大于5cm的，先将侵限部分砼进行凿除。对此段衬砌进行配筋，由素砼改成钢筋砼，以增加衬砌承受围岩的剪切变形能力。衬砌厚度为40cm。 塌方影响段通过以上方法处理后，已基本稳定，为塌方段的处理提供必需安全的操作场地。 32洞外对塌方体的处理方案 塌方在洞外地表形成了直径约10m的陷坑，其与洞内位置关系见图1-塌方示意图：为确保塌方顺利快速通过，通过地表注浆对隧道周边坍体进行加固，使注浆之后在隧道轮廓上方形成5-10m厚的注浆固结壳体，支撑其上方塌方松散体，使之稳定，以利于坍体开挖。地表钻孔主要是利用地质钻，在地面垂直套管钻孔，深入到坍体中，对坍体进行注浆加固，待洞内坍体处理完成后，回填陷坑、挖排水沟、恢复植被。见下图4-地表注浆固结图，本段与后影响段同步进行施工。 321工艺流程： 注浆管制作、测量定位、场地平整-钻孔-钻孔检查-安设注浆管-浆液制备-注浆。 322队伍选择： 为防水对山体及坍体的松动作用，钻孔采用风动地质钻钻孔，通过比较，选择通化地质测量队进行钻孔注浆施工。 323注浆管布设：钢管采用89钢管，垂直安装，钢管底封口，下部8m范围内布孔，隧道范围内深度在距拱顶3-4m，隧道两侧钻孔深度在边墙基底下1m。施工时根据每孔地表标高具体测定钻孔深度(见下图5)；图4 地表注浆固结图图5 地表注浆管布置 324注浆孔布置：根据洞内外塌方情况，以及对地表影响范围，注浆范围以隧道中线为中心，略偏左侧，横向注浆影响宽度约31m;纵向注浆影响长度约46m，布孔长度约45m注浆孔呈400400cm花型布置(附图6地表注浆布置)。图6 地表注浆管布置325注浆施工 为了防止地表用水渗入地下，影响隧道内塌方体的稳定，钻孔采取空气振动锤(地质钻)钻孔和压缩空气清洗孔，不准水体进入钻孔内。注浆方式为自上而下分段行，注浆开始时采取自流式，注浆压力最小为10MPa，浆液为水泥浆，水灰比为05，当注入量每分钟小于04L时，继续灌注30分钟或每小时小于1L时，继续灌注1小时即可结束。注浆遵循先周边后中间的顺序进行。 3. 26塌坑处理： 地表注浆后，先对塌坑喷射C15号砼，厚度为15cm，在塌坑周围做好排水设施，采用彩条布对塌坑进行覆盖，以防止雨水、地表水，由塌坑进入坍体，使塌方扩大，影响塌方处理的安全和进度，在坍体的处理期间随时观测塌坑的变化情况。塌坑的回填在坍体通过后用粘土回填并恢复植被，并做好排水。 33洞内塌方段处理方案 塌孔位于上、下断面交界处，坍体呈松散、碎块状，水锈明显，内摩擦角=40，无自稳能力，很难进行开挖，经过研究，决定处理的原则是：先对坍体和隧道周边进行注浆加固，三台阶开挖，工字钢拱架强支护，衬砌紧跟，循环前进。331工艺流程：打超前小导管向坍体内打管喷射砼封闭坍体和围岩注 浆下一循环开 挖初喷砼封闭岩面 立工字钢绑钢筋网和安装联结钢网 喷射砼一层打锚杆和超前导管、锚管喷射砼 中下台阶循环跟进 衬 砌 332坍体打管注浆： a坍体拱顶处长度28米，坍体松散，为了防止：开挖时碴体滑落，先注浆，后开挖： b注浆管：用45无缝钢管，K度60米，搭接长度2米，注浆管间距1010米，水平打管，管头露出碴体面10cm，以便于喷射砼后焊接管头和注浆： c打管：根据设计，标定注浆孔位，利用YT7655风枪，由上向下进行打压浆管。先由钻杆钻20-30cm，然后将钻杆取出，换成长度约30cm长的小钻杆，外套注浆管，直接利用风枪将注浆管打入碴体内。注浆管做成15cm的尖头，注浆管除根部1米范围内不钻孔外，其余5米全部钻成梅花形孔。 d喷射砼：注浆管安装完毕后，将管口包住，对坍体进行喷射砼，以便封闭坍体，形成止浆墙，防止浆体外溢。喷射砼标高C25，厚度5-10cm。 e注浆：浆液水灰比1：1的水泥浆，注浆压力最大为1. 0MPa。注浆由下向上进行，浆液中加入速凝剂，掺量为水泥量的6，以便加快浆液的凝结时间，尽快进行开挖。注浆之后3小时即可进行开挖。 333围岩超前小导管注浆： a为了保证开挖的轮廓，采用超前小导管注浆与地表注浆相互补充，对塌方段的支护背后的破碎岩石进行固结，超前小导兼作小管棚作用， 在开挖断面以上形成一个浆体固结壳，保证开挖安全。 b超前小导管规格为：45无缝钢管，长度为6m，外插角30度，搭接长度2米，环向间距50cm。 c注浆：打超前小导管应预留10cm，以便于焊接注浆管头，然后喷射砼,封闭岩面做止浆墙，进行注浆，浆液采用水泥浆，掺加6%的速凝剂。 334开挖： 坍体的开挖遵循短开挖、强支护的原则，采用三台阶开挖(见下图8)，开挖的顺序按图8中的1、2、3、4、5、6的顺序进行。a 上台阶开挖支护： 坍体注浆完毕后，以人工利用大风镐沿轮廓开挖环向槽， 中间预留核心土，保证坍体的稳定。每循环进尺50cm。开挖后，立即初喷砼，架设I 18工字钢钢架(每50cm1榀)，安设锚杆，钢筋网(间距1515cm)，并在拱脚处斜向下打设锚管并压浆加固所立工字钢。图8 三台阶开挖示意图 塌方段开挖工序侧视图 b中台阶开挖支护：中台阶开挖与上台阶保持2m距离，留一坡度在1：05-1：1左右的斜坡，两侧开挖后，架设I 18工字钢钢架，进行锚喷支护，并在拱脚处加设托梁(3根18a型钢)，且打锁脚锚管注浆加固(见图9钢拱架及托梁锁角锚管图)，以避免下台阶开挖时拱脚下陷导致掉拱。 c下台阶开挖支护：塌方段下台阶开挖，在后影响段衬砌完成后进行，下一组开挖必须在上一组衬砌至拱腰后进行，下台阶开挖必须和中台阶保持不小于2m的距离，三台阶开挖平行作业，下台阶同样采取两侧开槽、人工风镐的方法开挖，隧道中间预留部分，以方便上导出碴和衬砌台车作业即可，待衬砌过后，再开挖清理。两侧开槽宽度以18-20m便于喷混凝土作业为宜，开挖后先初喷、再锚杆、挂网、接立钢支撑、纵向联结安装、喷混凝土。下导开挖每50cm为一个循环。图9 钢架及托梁锁角锁脚锚杆图 335衬砌： 塌方段衬砌遵循紧跟开挖支护的原则，原则上每5m衬砌一组，施工中根据情况进行了调整，衬砌长度为3m、5m、6m、9m几个尺寸，以保证塌方段施工安全。塌方段衬砌厚度60cm，并施作仰拱，塌方段衬砌和仰拱为钢筋砼。 通过采用以上的施工方法，隧道塌方段于2000年7月25日顺利通过塌方段。 34前影响段的处理 塌方发生前，此段上半断面初期支护已按设计要求施工完毕，塌方段处理通过后，及时对塌方段至开挖掌子面进行全面量测，因受塌方影响，此段围岩整体性已被破坏，存在大面积的初期支护侵限，其中最大侵限值为463cm，其中隧道轴线左侧比右侧侵限的厚度和长度偏大，因此此段处理原则为先支撑，后打管注浆加固围岩，再凿除侵限部位，然后初期支护，最后衬砌。 341施工工艺流程(见图10)：施工测量 立钢管 打小导管注浆 凿除砼 立格栅 安装网、锚杆 喷射砼 衬砌 342施工要点： 为了避免凿除砼的过程中，围岩继续变形，首先对塌方前影响段采用两排钢管临时支撑拱顶格栅，抑制围岩变形，钢管采用200钢管，长度65m，纵向间距1m 343小导管注浆： 在钢管支撑完后进行，环向间距50cm，纵向间距1m，呈梅花型布置，外插角30度。注浆管长度45m，45无缝钢花管，钢管外端1m范围内不钻孔，其余35m范围内梅花型钻孔。根据设计，标定注浆孔位置，利用YT7655风枪洞沿径向钻孔，施工中由技术人员对钻孔位置和孔深进行记录、检查，对不合格的孔要重钻或补钻，保证成孔质量。 344侵限砼凿除： 在导管注浆强度满足要求后，凿除侵限砼，重新支立格栅钢架支撑，实施网喷，并打锚杆。 345下导开挖 下导开挖前先打锁脚锚杆加固拱脚，下导开挖采取先拉中槽，再挖马口的方法进行，马口开挖全部采用人工风镐进行，马口的长度不大于2m。马口开挖后，立即初喷砼，打锚杆、挂网、接立格栅钢架、纵向联结钢筋、喷砼。 346二次衬砌 塌方前影响段要遵循衬砌紧跟开挖支护，开挖一组，衬砌一组的原则。符合二次衬砌要求的断面、长度后，及时铺设防水板和施做二次衬砌。二次衬砌按SM3类衬砌厚度(d=40cm)施工。 35监控量测： 监控量测是确保科学安全施工的重要手段，尤其是对于塌方处理，更是必不可少的。为此在塌方处理过程中对隧道围岩和地表卜沉进行不问断的、适时的监控量测，为安全顺利完成塌方处理提供了科学依据。 351地表监测 (1)监测内容：地表下沉。 (2)测点布置：地表下沉量测布置在隧道进口洞顶外地表上，以塌方中心(K42+650)为基点，前后左右布设。共布设7个量测断面，其中k42+620、+680两个断面仅测中线点沉降，其余断面布设横向断面观测点，详见图11地表下沉测点布置图。 (3)测量方法：用尼康AZ-2S水平仪进行水准测量。 (4)频率：每天分别于6时、16时观测2次。 352洞内监测 (1)观测项目：拱顶下沉、周边收敛和隧底隆起三个项目。 (2) 测点布设：每5米布设一个量测断面。按量测要求，每个断面埋没6个点，量测点布置如下图12。图11 地表监测断面布置图图12 量测点布置图 (3)量测方法 采用WRM-3收敛仪进行周边收敛量测。用水准仪配合悬挂钢尺量测拱顶下沉，作为收敛量测的补充，用水平仪测量隧底隆起。 (4)量测频率 每8个小时观测一次，每日3次。 353量测数据收集、分析处理 为检验量测结果的可靠性，了解围岩变形规律和稳定程度，对量测数据通过位移时间-曲线进行回归分析。 利用u=Ae(b/t)函数将量测数据进行处理与回归分析，绘出位移时间曲线。 354量测信息反馈临控量测的目的在于指导塌方处理，对数据分析结果及时进行反馈，为采取相应对策提供科学依据。当发生下列情况之一，绝对位移允许值22mm的80，即17mm、位移速度20mmd时应立即停工，进行加强支护(临时200钢管支撑，增设锚杆，及时衬砌等)。在进行加强支护后，若围岩变形得到明显抑制或未发生以上情况，即可根据进度计划安排，及时进行二次衬砌。355量测流程是 施工 量测 数据分析处理 判断安全否 继续施工否已施工段加强支护未施工段加强支护改变施工方法及时衬砌 图13 量测流程图 36注浆施工工艺及参数选取： 361注浆施工工艺流程： 注浆管加工制作、测量定位-钻孔-钻孔质量检查-注浆管安装-连接头防护、喷混凝土止浆-浆液制备、机具准备-顺序注浆-效果检查。 362注浆机械： 山体注浆机械：泥浆泵 洞内注浆机械： 注浆泵：2TC260型2台； 泥浆桶：利用自有油桶(0236m3)作为泥浆制备桶。 363材料： 水 泥：普硅425； 速凝剂：金壁牌J85型。 水 ：饮用水。 364注浆液的配制： 配比：水灰比：05，速凝剂掺量为水泥用量的6%。 水泥密度取30kgcm3，1立方米泥浆，水、水泥用量为：G水1+G水泥30=1，G水+G水泥=1(1+130)=750kg， 配制每桶泥浆，水和水泥用量为：0236750=177kg，考虑影响系数，取150kg，即每桶加3袋半水泥后加满水，并掺加9kg速凝剂，搅拌均匀即可，每台注浆泵至配备2-3个泥浆桶。 365施工要求： a为保证注浆效果，注浆遵循先塌体后超前、先下后上、先拱脚后拱顶、先两端后中间的注浆顺序。注浆时先采用小压力02MPa，并逐渐增加压力直到10MPa后，持续1分钟停止注浆。 b. 注浆过程中要不停搅拌桶内的泥浆，以防止水泥浆在速凝剂的作用下凝固。 c施工中根据设计注浆量和现场观察控制每孔注浆量，发现注浆孔周围有漏浆现象时，在检查止浆层未失效的情况下，停止注浆；当注浆量超出设计量较多，应暂停，并换孔注浆，之后再继续压注。 d地表注浆，由于注浆管口和需要注浆部位高差达25m，浆液自然压力达0375MPa完全可以满足注浆压力要求，因此地表注浆采用自压力法进行，钢管安装完成后，在山下制备浆液，利用泥浆泵泵至山上自流注浆。注浆遵循先周边后中间的顺序。由于塌体松散，注浆量大，每孔压注一半后，停一天再继续压注，保证浆液集中在需要区域。 366单孔计算注浆量： a塌方后影响段： 单孔注浆量： Q=r2H (m3) 式中 r-浆液扩散半径，取r=05m； H-压浆段长度，取H=6m； -岩层裂隙率，根据本隧道以往实际注浆统计，和影响段地质情况，取=20； -浆液在裂隙内的有效填充系数，取=08。 有:Q=05262008=0754m3 b. 地表： 钢管：89、L=30-40m，垂直安装，管端800cm范围内钻设注浆孔。 单孔注浆量： Q=r2H(m3) 式中 r-浆液扩散半径，取r=4m； H-压浆段长度，取H=35m； -岩层裂隙率，由于塌体松散，取=30； -浆液在裂隙内的有效填充系数，取=08。 有：Q=4283008=965(M3) c塌方坍体： 单孔注浆量 Q=r2H(m3) 式中 r-浆液扩散半径，取r=15m； H-压浆段长度，取H=6m； -岩层裂隙率，由于塌体松散，取=30： -浆液在裂隙内的有效填充系数，取=08。 有：Q=1526300. 8=1018M3 d塌方段超前注浆： 单孔注浆量： Q=r2H(m3) 式中 r-浆液扩散半径，取r=07m； H-压浆段长度，取H=6m；-岩层裂隙率，根据本隧道以往实际注浆统计，和影响段地质情况，取=20； -浆液在裂隙内的有效填充系数，取=08。有:Q=07262008=1478m3。e. 塌方前影响段：单孔注浆量：Q=r2H(m3)式中 r-浆液扩散半径，取r=05m； H-压浆段长度，取H=4.5m； -岩层裂隙率，由于塌体松散，取=15： -浆液在裂隙内的有效填充系数，取=08。 有:Q=0424.51508=0.271M3。367注浆检查 注浆检测委托长春科技大学工程技术所进行的。利用E60B型高密度电阻率仪和SE2404M型综合工程控测仪对注浆效果进行控测。野外测度采用了高密度电阻率法和瞬态表面波探法，其中高密度险率法布置90米测线四条，共计360米，瞬态表面波法测试点为14个(见图14珠宝隧道注浆效果控测物探工作布置图)。图14 珠宝隧道注浆效果探测物探布置 a高密度电阻率法： 高密度电阻率法是近年来发展起来的一种新兴电法勘探手段。野外工作时，同时布置多根电极，然后通过自动电极转换装置和测量装置完成数据测量，将测得的数据按相对坐标位置形成图形成电阻率剖面图，分析剖面图上电性的相对变化，可判定探测目标体的分布情况。探测表明塌方段注浆区隧道轴线左侧注浆后形成连续砼体，右侧的注浆区不连续，说明轴线左侧的岩体破碎，注浆后的砼效果较好，而右侧的岩石保存的较好，注浆区分块不连续。b. 瞬态表面波法 瞬态表面波法是一种利用弹性瑞利波为理论基础的地震波勘探方法，它利用面波在成层介质中传播的频散特征，将现场采集的复合面波记录，进行FFT等数值分析，求取频散曲线，然后根据频散曲线上的变化点确定不同速度层的分层面，从而得到不同的速度层和速度值。 经过对十四个测点采集数据进行整理和软件处理，得到十四条Vr-H曲线。分析结果为： 1)未坍塌山体部分岩体比较完整，如By2、By5点处； 2)洞顶山体中有无注浆液之处，如By1、By3、By9、By10点处； 3)坍塌山体中的岩体较破碎，注浆效果较好，如By4、By6、By7、By8等点处。 4 塌方处理安全质量保证措施： 珠宝隧道塌方抢险工作完成后，项目部在局、处和公司领导的关心和指导下，针对本隧道塌方情况，为了安全、保质、保工期通过隧道塌方段，制定了洋细的塌方处理方案，调动了项目部的全体人员的积极性，从保证技术到位、保证质量、保证材料供应、保证机械设备的完好率、保证工程进度等几个方面入手，强化队伍管理，通过这几项保证措施的建立和完善，使隧道塌方段能够顺利通过。 41施工技术保障措施 411技术人员配备 技术、质检、测量、试验人员加强塌方处理相关业务学习，不断提高自身的技术素质，保证塌方处理过程中各项技术措施的落实。 412加强技术管理组织 a各级技术人员进行了明确分工，做到有职、有权、有责，以便各司其事，各负其责。 b. 学习研讨塌方处理实施方案，技术人员加强技术交底现场跟班指导。 c认真及时整理塌方和塌方处理的技术资料。 d. 在塌方处理过程中贯彻和完善技术标准和技术规程。严格执行国家、部颁规范标准。 e安排好各工序施下顺序，制订了详细的施工工艺和质量、安全、环保技术交底。 42工程质量保证措施 坚持质量第一的质量方针，项目部质量领导小组积极开展活动，每周召开质量分析会议，及时发现存在的问题，研究制定改进措施，并虚心倾听和执行监理工程师的意见，推动和改进质量管理工作。质量检查人员严格落实“三检”制度，按照要求做好现场计量试验工作。按照规定，认真进行围岩量测，及时反馈量测信息，为施工采取措施提供科学依据