錨噴支護(hù)與小導(dǎo)管注漿在隧道塌方處理中的應(yīng)用

摘 要：本文以大嘩山隧道塌方為例，探討具體施工技術(shù)在隧道塌方段中的應(yīng)用處理。

關(guān)鍵詞：隧道塌方 小導(dǎo)管注漿 錨噴支護(hù) 效果評價

中圖分類號：U455 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號1674-098X(2011)10(b)-0000-00

目前，在中國隧道施工中，關(guān)于塌方等地質(zhì)災(zāi)害的治理已經(jīng)積累了一定的寶貴經(jīng)驗(yàn)，針對當(dāng)前的道路施工中的隧道塌方問題，一般常見的措施就是及時的進(jìn)行錨噴支護(hù)的處理。如果塌方的情況相對嚴(yán)重，面積較大，在使用錨噴支護(hù)方式的同時還采用一些輔助性的措施，例如小導(dǎo)管注漿等。使用錨噴支護(hù)進(jìn)行處理的一個重要工作就是要確定具體的支護(hù)參數(shù)，當(dāng)選取的支護(hù)參數(shù)不能滿足圍巖穩(wěn)定要求時，往往會發(fā)生塌方或初期支護(hù)后再次塌方的事故，據(jù)統(tǒng)計，在過去的隧道工程施工過程中出現(xiàn)的塌方情況，有相當(dāng)一部分是由于支護(hù)方式不當(dāng)?shù)脑蛟斐傻摹Ｋ裕瑑H僅通過工程類比和施工經(jīng)驗(yàn)是不夠的，通過對支護(hù)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，提出合理的錨噴支護(hù)和小導(dǎo)管注漿方案具有重大的使用價值和現(xiàn)實(shí)意義。以大嘩山隧道工程實(shí)例，通過對隧道塌方段支護(hù)方案進(jìn)行優(yōu)化，達(dá)到安全的通過隧道塌方段的目的。

1 工程概況

大嘩山隧道，在施工過程中出現(xiàn)塌方。在工程開挖到LK42+177拱部時出現(xiàn)了塌方情況，掌子面圍巖情況：兩側(cè)拱腳夾有薄層強(qiáng)風(fēng)化灰?guī)r，其余大部分為黃色變質(zhì)砂巖，夾有灰色，黑色全風(fēng)化炭質(zhì)巖，拱頂右側(cè)有水滲出。在塌方過程中，通過觀察，整個坍方范圍長度約8M，高度約8-10M，寬度約8M。洞身塌方后，在里程LK42+170初期支護(hù)上產(chǎn)生裂縫，縫寬4mm，縫長從右側(cè)上臺階拱腳至拱頂，有主見加大趨勢，地表未發(fā)生明顯變化。為確保施工安全，遵循穩(wěn)扎穩(wěn)打的原則，對裂縫LK42+167-LK42+177段初期支護(hù)加固處理。LK42+167-LK42+177段采用直徑42mm的小導(dǎo)管注漿，間距按1×1m布置，小導(dǎo)管長度4m，漿液采用C30水泥凈漿，注漿壓力2MPa。

2 錨噴支護(hù)與小導(dǎo)管注漿作用機(jī)理及支護(hù)方案優(yōu)化設(shè)計

2. 1 錨噴支護(hù)與小導(dǎo)管注漿的作用機(jī)理

錨噴支護(hù)的工作原理就是要求支護(hù)能夠分散圍巖的壓力，同時對圍巖要起到支撐作用，減少圍巖的受壓力狀況，使用錨噴支護(hù)和小導(dǎo)管注漿輔助支護(hù)后，一個顯著的作用就是提高圍巖的強(qiáng)度。

2. 1. 1噴層的作用機(jī)理

噴射混凝土支護(hù)是一種常見的支護(hù)方法，它主要就是借助外部的動力，例如高壓風(fēng)的動力或者泵的動力，利用噴射機(jī)、輸料管及噴頭將混凝土的混合料噴射到隧道圍巖所需要的位置上。

利用噴射混凝土來加固圍巖的機(jī)理在于:噴射混凝土覆蓋護(hù)阻力，防止應(yīng)力集中的出現(xiàn)，改善圍巖的應(yīng)力狀態(tài)，并能與錨桿或鋼構(gòu)件等組成聯(lián)合支護(hù)。

2. 1. 2 錨桿的作用機(jī)理

錨桿是整個錨噴支護(hù)工作中的一個重要組成部分，錨桿支護(hù)的工作原理就是通過錨入巖體內(nèi)部的鋼筋，與巖體融為一體，通過錨桿的吊懸、減跨、組合、擠壓加固作用，達(dá)到提高圍巖的力學(xué)性能。

2. 1. 3 小導(dǎo)管作用

所謂小導(dǎo)管注漿，顧名思義就是通過一定方式將小導(dǎo)管導(dǎo)入管壁的內(nèi)部，然后利用壓力降漿液通過導(dǎo)管注入壁內(nèi)。由于小導(dǎo)管具有錨桿的聯(lián)結(jié)、組合和加固的作用，以及對巖石內(nèi)裂隙的擠壓填充作用、 對巖溶的封閉作用和水泥—水玻璃漿液的水化凝結(jié)作用，使得小導(dǎo)管既能將巖體預(yù)加固，又能起超前預(yù)支作用。

2. 2 支護(hù)方案優(yōu)化設(shè)計

大嘩山隧道塌方段圍巖以泥巖為主，巖體極為破碎，自穩(wěn)性較差，開挖后，在掌子面前方發(fā)生了塌方，為了防止發(fā)生更大程度的塌方，保證隧道施工安全順利的進(jìn)行，必須對圍巖采用合理的支護(hù)方案，而根據(jù)對圍巖的現(xiàn)場觀測情況，原設(shè)計支護(hù)方案偏弱，不能滿足支護(hù)強(qiáng)度要求，因此需要根據(jù)實(shí)際情況對支護(hù)方案進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。

2. 2. 1 噴層參數(shù)優(yōu)化計算

對于噴層的優(yōu)化主要是對噴層厚度進(jìn)行優(yōu)化，通常噴層的破壞類型主要有 “沖切型” 和 “撕開型”2種，根據(jù)破壞類型不同，所須的噴層厚度也不一樣。

1)按 “沖切型”破壞的驗(yàn)算噴層的厚度設(shè)危巖自重為W，危巖底面周長為L，噴層厚度為h，砼的抗拉滑度為St。要使噴層不產(chǎn)生“沖切型”破壞，噴層厚度應(yīng)滿足下式

S L

2)按“撕開型”破壞驗(yàn)算噴層的厚度

驗(yàn)算巖面與噴層間是否由于其間粘結(jié)力不足而產(chǎn)生“撕開型”破壞，要使噴層厚度能達(dá)到圍巖穩(wěn)定的要求，則“危巖”自重的作用在噴層與巖面之間所產(chǎn)生的最大拉應(yīng)力應(yīng)小于噴層與巖面間的計算粘結(jié)強(qiáng)度。通過計算可以得到噴層厚度公式

式中: h 為噴層厚度(cm); SLu為噴層與巖面的粘結(jié)強(qiáng)度(kN/ cm2);W 為危巖重量( kN); L 為危巖底面積周長(cm)。E為砼的深彈性模量(MPa); K為巖體彈性拉伸系數(shù)(MPa)。從安全角度出發(fā)，在對噴層參數(shù)進(jìn)行設(shè)計時，要同時考慮按“沖切型” 破壞驗(yàn)算噴層的厚度和按 “撕開型”破壞驗(yàn)算噴層的厚度。

2. 2. 2 錨桿參數(shù)計算

1)錨桿長度的確定

錨桿長度的確定，需要考慮兩方面的因素，一是鋼筋的抗拉能力和砂漿的粘結(jié)力，按照一定的強(qiáng)度原則計算出巖層中錨桿需要插入的具體長度。

式中:[ C]為砂漿與錨桿間的作用粘結(jié)力; [σ t ]為錨桿鋼材的作用拉應(yīng)力; d為錨桿直徑。

從錨桿的組合和懸吊作用出發(fā)，錨桿總長度應(yīng)按下式計算。

式中:L2 為錨桿外露長度;一般為 50～100 mm;錨桿的總長度一般包括三個方面：固錨的長度、錨桿外露的長度，和有效的長度。

2)錨桿間距

如果采用等距離布置，每根錨桿所負(fù)擔(dān)的巖體重量即其所承受的荷載。

式中: i為錨桿間距; r為巖體的巖重; k 為安全系數(shù)，通常取 k = 2～3。錨桿受拉破壞時，其所承受的荷載應(yīng)小于導(dǎo)管的允許抗拉能力，即故有

2. 2. 3 小導(dǎo)管注漿參數(shù)設(shè)計

1)小導(dǎo)管的長度計算

小導(dǎo)管長度是依據(jù)一次開挖長度和圍巖的自穩(wěn)能力來確定的。

式中:L 為小導(dǎo)管的長度(m) ;φ為圍巖的塌落角度(°) ; H 為圍巖的塌落度(m) 。

2)外插角度的大小

為了保證漿液能夠進(jìn)入洞室之中，必須確定小導(dǎo)管的長度以及選用何種角度講漿液注入小導(dǎo)管之中，這就要確定注漿的半徑r.

式中: a為小導(dǎo)管的外插角; r為注漿半徑。

3)漿液擴(kuò)散半徑計算

漿液的液態(tài)特征決定了注漿范圍的確定需要考慮到注漿擴(kuò)散的問題，根據(jù)重疊原則，注漿擴(kuò)散的半徑Rk通過這個公式進(jìn)行計算。

式中:Lo 為導(dǎo)管之間中心距離。

4)單根導(dǎo)管的漿液注入量計算

式中:η為巖體孔隙率;α為漿液充填率α= 0. 7～1. 0 ;β為漿液損耗系數(shù)β= 1. 1～1. 4。

3 施工方案

3. 1 錨桿施工技術(shù)

1)為了防止危巖掉落對人員造成傷亡和設(shè)備造成損失，應(yīng)先處理好松石，然后再進(jìn)行初噴，對掌子面進(jìn)行封閉。

2)在布設(shè)好鉆孔位置后，用風(fēng)鉆進(jìn)行鉆孔，然后用吹管將孔內(nèi)巖粉吹出，鉆孔時應(yīng)注意鉆孔不宜平行于巖層層面。

3)插入錨桿，當(dāng)插入困難時，可用重錘打入，必須保證錨桿和拱架形成一個統(tǒng)一的支護(hù)體系。

4)采用注漿泵灌漿，實(shí)例中，砂漿配合比為水泥∶ 砂∶ 水 = 1∶ 1. 5∶ 0. 45。

3. 2 噴射混凝土施工技術(shù)

常見的噴射混凝土的工藝有以下幾種，既濕噴、干噴、潮噴、混合噴。在工程實(shí)例中所采用的類型為干噴，其具有工藝設(shè)備簡單，水泥用量少，操作方便和輸送距離遠(yuǎn)等優(yōu)點(diǎn)。

干式噴射混凝土的流程為:將水泥和集料在攪拌機(jī)中和好，在漏斗中加入速凝劑，同時使用壓縮空氣使干混合料在整個軟管內(nèi)處于懸浮狀態(tài)，然后借助壓力壓送到噴槍，利用高壓水進(jìn)行混合，用高速噴射到巖層表面。

噴射混凝土的原材料包括:水泥、砂石、水、速凝劑等。在實(shí)例中，水泥∶砂:石子 = 1∶2∶ 2，所采用的噴射機(jī)為:飛躍 711 型。

3. 3 小導(dǎo)管注漿技術(shù)

1)小導(dǎo)管施工前準(zhǔn)確放樣，定好鉆孔位置，作好標(biāo)記。并設(shè)置必要的控制點(diǎn)，以便鉆孔時用來控制小導(dǎo)管的外插角度和方向。

2)小導(dǎo)管制作及安裝，超前小導(dǎo)管前端采用呈尖端狀，本實(shí)例中，尾部焊上<6加勁箍，管壁四周鉆8 mm 壓漿孔，間距為15 cm ，梅花型布置;尾部有1 m不設(shè)壓漿孔。結(jié)構(gòu)采用φ 42 壁厚3. 5 mm 熱軋無縫鋼管，安裝時孔位誤差不得大于 5 cm ，角度誤差不得大于 2°。

3)實(shí)例中注漿液采用水灰比為1∶1的水泥與水玻璃漿液，其注漿壓力為1.0MPa 左右。

結(jié) 論

通過對錨噴支護(hù)和小導(dǎo)管注漿支護(hù)方案的機(jī)理和參數(shù)設(shè)計進(jìn)行分析和研究，達(dá)到優(yōu)化支護(hù)方案的效果，并通過內(nèi)空收斂和拱頂下沉量測對優(yōu)化后支護(hù)方案進(jìn)行評價，可以得到以下結(jié)論:

1)通過對錨噴支護(hù)和小導(dǎo)管輔助支護(hù)作用機(jī)理、 參數(shù)的研究，以及在現(xiàn)場實(shí)際工程中的應(yīng)用，表明合理的錨噴支護(hù)和小導(dǎo)管注漿方案有利于穩(wěn)定塌方段圍巖。

2)采用合理支護(hù)方案加固塌方段圍巖后，可以通過監(jiān)控量測的方法來了解圍巖的變形情況及加固效果進(jìn)行評價，在實(shí)例中，對塌方段采用合理的支護(hù)方案，其量測結(jié)果表明，最終內(nèi)空收斂和拱頂下沉量均未發(fā)生大的位移變形，遠(yuǎn)小于設(shè)計的預(yù)留變形量，這說明所采用的支護(hù)方案能有效的保證隧道塌方段施工安全順利的進(jìn)行。

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