松軟破碎巖層隧道施工管棚超前支護(hù)工藝

李社勛　荊　剛　艾燦標(biāo)

(義煤集團(tuán)永興工程有限責(zé)任公司)

松軟破碎巖層主要是指結(jié)構(gòu)疏松、密度小、孔隙率低、強(qiáng)度低、硬度小的巖層，抗壓強(qiáng)度一般不大于200 kg/cm2，易于風(fēng)化碎裂，浸水后很快崩解泥化，一般呈現(xiàn)為整體狀、塊狀、層狀或軟硬相間的組合巖層，結(jié)構(gòu)面呈軟弱狀態(tài)，節(jié)理和裂隙發(fā)育，小斷層縱橫交錯(cuò)，且充填著軟弱物質(zhì)，主要以流變巖體及大量強(qiáng)膨脹黏土礦物的形式出露，如泥巖、頁(yè)巖、黏土巖等彈塑性變形膨脹易碎巖體[1-5]。該類巖層中，巖塊尺寸變化較大，巖塊膠結(jié)程度差，巷道或隧洞開挖過(guò)程中，巖體與外界空氣接觸后易出現(xiàn)風(fēng)化潮解現(xiàn)象，同時(shí)流變巖體出現(xiàn)塑性變形，持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng)，變形量越大。此外，開挖后的巷道或隧道應(yīng)力重新分布，原巖應(yīng)力和構(gòu)造應(yīng)力均發(fā)生變化，巖體呈碎性膨脹，易出現(xiàn)滑移冒落現(xiàn)象，給支護(hù)工作帶來(lái)了較大困難。傳統(tǒng)采用短掘短支施工方案，嚴(yán)重影響了施工速度，且永久支護(hù)一般均滯后于臨時(shí)支護(hù)一段距離。在該段時(shí)間內(nèi)冒頂片幫現(xiàn)象呈現(xiàn)不規(guī)律變化，安全隱患突出，現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員的人身安全受到了嚴(yán)重威脅。因此，在松軟破碎巖層中施工，采用臨時(shí)支護(hù)或超前支護(hù)工藝時(shí)，如何確保頂板安全，同時(shí)提高施工速度，是施工方案設(shè)計(jì)和實(shí)施的關(guān)鍵所在。

1　工程概況

三門峽義翔鋁業(yè)有限公司硤石干式堆存赤泥綜合利用項(xiàng)目三標(biāo)段隧道工程于2017年2月開工，工期僅為180 d，工期緊，任務(wù)重，施工工序復(fù)雜。該項(xiàng)目位于澠池縣張村鎮(zhèn)，隧洞從庫(kù)區(qū)右側(cè)山體穿過(guò)，總長(zhǎng)約1 016 m，坡度為19‰，采用直墻圓弧拱型斷面，圓弧角度為120°，凈寬度為2.2 m，凈高度為2.64 m，凈面積為5.46 m2，毛寬度為3 m，毛高度為3.44 m，毛面積為9.49 m2[6]。永久支護(hù)采用鋼筋混凝土砌碹支護(hù)，鋼筋混凝土厚度為0.4 m，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C25，橫筋規(guī)格為φ16 mm×200 mm，縱筋規(guī)格為φ12 mm×200 mm，鋼筋保護(hù)層厚度為25 mm，雙層鋼筋通過(guò)“S”型縱筋連接。開口前 50 m處于表土段開挖施工，向內(nèi)為基巖段施工。隧道施工斷面如圖1所示。

圖1　隧道支護(hù)斷面

該工程表土段采用掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)、裝載機(jī)出碴的機(jī)械化作業(yè)方式，進(jìn)入基巖段后掘進(jìn)機(jī)破巖困難，故采用鉆爆法進(jìn)行施工。工程地質(zhì)資料顯示，該項(xiàng)目地層巖性主要為粉質(zhì)黏土和風(fēng)化泥巖，主要穿過(guò)風(fēng)化泥巖帶，屬于松軟破碎巖層。爆破后拱頂和幫部極易出現(xiàn)冒頂、片幫現(xiàn)象，永久支護(hù)前必須首先進(jìn)行臨時(shí)支護(hù)控頂，確保作業(yè)人員安全后，方可進(jìn)行后續(xù)施工。

2　支護(hù)施工方案

2.1　傳統(tǒng)支護(hù)方案

在隧道原施工方案設(shè)計(jì)中，進(jìn)入基巖段后采用短掘短支施工方案，臨時(shí)支護(hù)采用前探梁+架棚的支護(hù)方式控頂。前探梁由3根長(zhǎng)為4 m的3寸鋼管構(gòu)成，掘進(jìn)后及時(shí)前移至正頭。支架按照設(shè)計(jì)斷面采用10#道軌加工制作，架棚棚距為800 mm(根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況可以適當(dāng)調(diào)整)，柱窩深度不小于200 mm，棚腿與棚梁用螺栓連接，棚與棚用拉桿連鎖，每2架棚配3套拉桿。棚與棚之間用厚度不小于30 mm、長(zhǎng)度為900 mm 的木板背設(shè)，背設(shè)材料間距視現(xiàn)場(chǎng)正頭巖性情況而定。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況，循環(huán)進(jìn)度為一棚一循環(huán)，必要時(shí)打設(shè)超前錨桿進(jìn)行控頂。該方案施工進(jìn)度較慢，永久支護(hù)一般滯后于臨時(shí)支護(hù)約40 m，爆破后圍巖暴露時(shí)間較長(zhǎng)，變形量較大，極易出現(xiàn)片冒事故，嚴(yán)重威脅了現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員安全。

2.2　管棚超前支護(hù)方案

為解決傳統(tǒng)支護(hù)方案存在的問(wèn)題，針對(duì)該工程基巖段為松軟破碎巖層的現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)情況，在對(duì)比分析煤礦井下巷道臨時(shí)支護(hù)方案[7-10]和隧道超前支護(hù)方案的基礎(chǔ)上，采用管棚法進(jìn)行超前支護(hù)。該工藝是一種在軟弱圍巖中進(jìn)行隧道掘進(jìn)的新技術(shù)，特別是在穿越破碎帶、松散帶、軟弱巖層、涌水、涌砂層等巖層中發(fā)揮了重要作用。管棚是利用鋼管作為縱向支撐，鋼拱架作為橫向環(huán)形支撐，構(gòu)成縱、橫向整體，不僅沿隧道縱向具有梁結(jié)構(gòu)的作用，在橫斷方向也具有拱形結(jié)構(gòu)支護(hù)效果。由于其剛度較大，因此能夠有效阻止和限制圍巖變形，并且能夠提前承受早期地應(yīng)力[11]。

2.2.1支護(hù)原理

2.2.1.1臨時(shí)支護(hù)效應(yīng)

本研究結(jié)合煤礦井下擴(kuò)修或松軟破碎巷道掘進(jìn)時(shí)采用的超前錨桿臨時(shí)支護(hù)工藝來(lái)布置管棚，管棚前端沿一定角度插入巖體，管尾部分壓于工作面正頭第1架棚梁上，尾部挑住第2架棚梁，即便不注漿，也能夠達(dá)到超前控頂和臨時(shí)支護(hù)的目的(圖2)。

圖2　管棚臨時(shí)支護(hù)示意

2.2.1.2梁效應(yīng)

鋼管以較小的仰角沿巖面打入，前端嵌入圍巖，管棚尾部連接棚支架和前端圍巖作為2個(gè)支點(diǎn)與鋼管聯(lián)合形成1個(gè)梁結(jié)構(gòu)來(lái)承擔(dān)圍巖的壓力，可有效防止圍巖發(fā)生松弛和坍塌。

2.2.1.3加固圍巖效應(yīng)

管棚布置完畢后，通過(guò)鋼管采用內(nèi)注水泥漿、化學(xué)漿液等材料的方式來(lái)增加鋼管剛度，同時(shí)漿液通過(guò)鋼管四周的注漿孔壓入圍巖裂隙或縫隙中，將破碎巖體進(jìn)行固結(jié)，改善圍巖結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能，增加圍巖承載能力，提高圍巖結(jié)構(gòu)面的強(qiáng)度和剛度，同時(shí)能夠封閉水源、隔絕空氣，防止或減輕水對(duì)圍巖的軟化作用，避免圍巖強(qiáng)度因水的影響而大幅度降低[12]。

2.2.2支護(hù)參數(shù)

根據(jù)隧道工程現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)情況以及斷面參數(shù)(斷面毛面積為9.49 m2，斷面較小)，結(jié)合市場(chǎng)調(diào)研，以類比法確定管棚法超前支護(hù)技術(shù)參數(shù)。

2.2.2.1連接棚支架

因本研究隧道施工準(zhǔn)備階段已經(jīng)嚴(yán)格按照施工設(shè)計(jì)方案加工了棚支架作為臨時(shí)支護(hù)，故本研究管棚管尾部的連接鋼棚結(jié)構(gòu)采用已經(jīng)加工的棚支架，即鋼棚支架由10#道軌加工，梁腿之間通過(guò)螺栓連接，支架之間通過(guò)拉桿連接，確保牢固。棚距視現(xiàn)場(chǎng)情況而定，連接構(gòu)件長(zhǎng)度可視棚距加長(zhǎng)或縮短。鋼棚支架分別如圖3、圖4所示。

圖3　連接鋼支架示意

圖4　鋼棚支架構(gòu)件示意

2.2.2.2鋼管

根據(jù)項(xiàng)目建設(shè)工期和剩余工程量，制定了合理的月進(jìn)度和作業(yè)循環(huán)進(jìn)度計(jì)劃，每7.5班完成1個(gè)掘砌循環(huán)，其中1.5班掘進(jìn)，6班砌碹，循環(huán)進(jìn)尺12 m，因而將管棚的一次超前支護(hù)距離確定為14 m較為合理。鋼管為長(zhǎng)5 m、直徑50 mm、壁厚5 mm的熱軋無(wú)縫鋼管，對(duì)管棚管壁進(jìn)行鉆孔，并使鉆孔呈十字形布置，縱向間距為200 mm、孔徑為10 mm，鋼管在隧道拱部120°范圍內(nèi)進(jìn)行單層布置，且在巷道輪廓線以外以6°外插角向工作面施工方向打入，間距為350 mm，每個(gè)循環(huán)及每排布置11根(圖5、圖6)。

2.2.2.3注漿參數(shù)

注漿材料使用P.O 42.5普通硅酸鹽水泥，一般地段水灰比為1∶1，富水段水灰比為0.8∶1。注漿壓力根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況確定，終壓一般為2.0 MPa 。

單液注漿量的計(jì)算公式為

Q單=πr2·L·α·β·η，

圖5　管棚布置示意

圖6　管棚超前支護(hù)剖面

式中，r為考慮注漿范圍相互重疊原則后的漿液擴(kuò)散半徑，r=(0.6～0.7)s，s為小導(dǎo)管中心間距，m；L為鋼管有效長(zhǎng)度，m；α為地層孔隙率，軟巖取1%～2%；β為滲透系數(shù)，取0.8；η為損耗系數(shù)，1.1～1.2。

經(jīng)計(jì)算，Q單=0.04 m3；Q總=0.44 m3。

2.2.3設(shè)備選擇

根據(jù)支護(hù)技術(shù)參數(shù)確定情況，為進(jìn)一步提高工程施工成果，有必要合理選用施工設(shè)備。本研究選用義安煤礦雙突礦井施工時(shí)應(yīng)用的人工手持式防突鉆機(jī)，打眼深度約20 m，鉆桿隨之配套選用，鉆桿為麻花鉆桿，巖屑在鉆桿鉆進(jìn)過(guò)程中可以隨桿體旋轉(zhuǎn)自行流出，配套鉆桿有適合管棚鋼管直徑的型號(hào)。注漿泵型號(hào)為L(zhǎng)ZB-3，該型泵結(jié)構(gòu)先進(jìn)，具有額定輸出壓力高、大排量、效率高、便于移動(dòng)、使用維護(hù)方便等特點(diǎn)，既可以注單組分漿液，又可以注雙組分漿液，既可以注化學(xué)漿液，又可以注水泥漿液；安全性好，在易燃、易爆、溫度、濕度變化較大的場(chǎng)所均可以安全使用；該型泵注漿壓力高，輸出流量大。相關(guān)設(shè)備配備情況如表1所示。

表1　設(shè)備配備情況

2.2.4施工工藝流程

管棚超前支護(hù)施工前，首先進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)準(zhǔn)備工作，將現(xiàn)場(chǎng)清理干凈，使得施工地點(diǎn)具備架棚、注漿設(shè)備存放和安裝的條件，將施工所需設(shè)備、工具準(zhǔn)備齊全，檢查其完好性后運(yùn)至施工工作面指定位置。準(zhǔn)備工作完畢后，按照隧道施工期間的中腰線架設(shè)鋼棚支架，棚距為2 000 mm，鋼棚支架架設(shè)2棚即可。在2棚中間頂板區(qū)域內(nèi)，按照設(shè)計(jì)參數(shù)標(biāo)定鋼管孔位，標(biāo)定過(guò)程中也可以同時(shí)搭設(shè)操作平臺(tái)。該項(xiàng)工作完畢后，首先在標(biāo)定的孔位上打眼，達(dá)到設(shè)計(jì)深度后進(jìn)行清孔；其次逐節(jié)頂入鋼管，鋼管最后的狀態(tài)應(yīng)是壓于第1架棚梁上，拖住第2架棚梁，固定完畢后安裝止?jié){墊，進(jìn)行噴漿封閉；然后連接注漿管路進(jìn)行注漿，待達(dá)到設(shè)計(jì)注漿壓力和注漿量后，停止注漿，采用普通鉆爆法進(jìn)行施工；最后進(jìn)行錨網(wǎng)支護(hù)。具體施工工藝流程如圖7所示。

圖7　管棚超前支護(hù)施工工藝流程

2.2.5施工注意事項(xiàng)

(1)施工準(zhǔn)備期間有必要確保各項(xiàng)工作準(zhǔn)備就緒，不得耽誤或影響后續(xù)施工工序。

(2)鋼棚支架應(yīng)嚴(yán)格按照隧道中腰線進(jìn)行架設(shè)，且2架鋼棚應(yīng)連接牢固，對(duì)于不接頂部位，可在不影響打眼位置的情況下，用大頭楔或木墊板進(jìn)行背設(shè)，空幫部分可堆垛煤袋或背設(shè)半圓木，棚梁必須水平，嚴(yán)禁出現(xiàn)流水現(xiàn)象，棚腿嚴(yán)禁出現(xiàn)前傾后仰和明暗不一等現(xiàn)象。

(3)測(cè)定鋼管孔位時(shí)一般采用延長(zhǎng)巷道中腰線的方式，在工作面后退第1棚和第2棚之間120°拱部以上標(biāo)定孔位，也可采用全站儀輔助定孔，孔位標(biāo)定必須能夠有效指導(dǎo)打眼和鉆進(jìn)。

(4)操作平臺(tái)的搭設(shè)必須牢固可靠，寬度不小于1.5 m，長(zhǎng)度不小于2 m，平臺(tái)上鋪設(shè)的木板厚度不宜小于5 cm，確保使用人工手持式鉆機(jī)能夠有足夠的活動(dòng)空間。

(5)打眼鉆進(jìn)期間，鉆機(jī)開孔時(shí)鉆速宜低，鉆深20 cm后轉(zhuǎn)入正常鉆速。 換鉆桿時(shí)，應(yīng)注意檢查鉆桿是否彎曲，有無(wú)損傷，中心水孔是否暢通等，對(duì)于不符合要求的鉆桿應(yīng)及時(shí)更換，確保正常作業(yè)[13]。由于無(wú)法準(zhǔn)確判定軟弱圍巖厚度，有時(shí)鉆孔即便達(dá)到了設(shè)計(jì)深度，但巖質(zhì)仍然較差，因此在鉆進(jìn)過(guò)程中應(yīng)根據(jù)鉆進(jìn)深度對(duì)石粉進(jìn)行取樣分析，并做好記錄。

(6)鋼管頂入時(shí)，一般采用人工方式，也可借助挖掘機(jī)、鑿巖機(jī)等機(jī)具輔助進(jìn)行頂入施工。采用機(jī)具頂入時(shí)，應(yīng)緩慢，穩(wěn)妥，并隨時(shí)掌握好方向，防止硬頂將管頂彎，致使施工中斷。管棚節(jié)間采用絲扣連接時(shí)，管棚單、雙序孔的連接絲扣錯(cuò)開半個(gè)節(jié)長(zhǎng)。接管完畢后，外露鋼管口應(yīng)用鋼板焊接封堵。鋼板中間焊接注漿用同型號(hào)管路，并安裝止?jié){墊。

(7)管棚注漿應(yīng)遵循“先兩側(cè)后中間、由稀至濃”的原則。注漿施工由兩端開始施工，向隧道拱頂方向推進(jìn)，開始注漿時(shí)，漿液濃度可稍低，而后逐漸加大至設(shè)計(jì)濃度。漿液拌制應(yīng)均勻，以便具有良好的流動(dòng)性和黏稠度。

(8)注漿施工時(shí)，應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)來(lái)確定注漿壓力，實(shí)際注漿量應(yīng)大于理論計(jì)算的注漿量。為防止注漿時(shí)跑漿，應(yīng)首先在2架鋼棚支架區(qū)域內(nèi)噴射150 cm厚的混凝土。注漿時(shí)應(yīng)徐徐加壓，達(dá)到終壓(即注漿已滿)后，漿液有時(shí)會(huì)從封口處均勻溢出，有時(shí)也會(huì)從周圍的巖隙裂縫處溢出。注漿完畢后，應(yīng)將注漿量與理論數(shù)值進(jìn)行對(duì)比，當(dāng)注漿量小于理論數(shù)值時(shí)，表明管內(nèi)未注滿，此時(shí)應(yīng)停止注漿查明原因后再進(jìn)行壓注[14]。

3　應(yīng)用效果

2017年5月在三門峽義翔鋁業(yè)有限公司硤石干式堆存赤泥綜合利用項(xiàng)目三標(biāo)段隧道工程基巖段使用了管棚超前支護(hù)工藝，改善了松軟破碎巖層的賦存狀態(tài)，提高了圍巖的承載能力，隧道頂板的穩(wěn)定性明顯提升，為進(jìn)行鉆爆法光面爆破施工[15]奠定了基礎(chǔ)，加快了作業(yè)循環(huán)率，增加了作業(yè)循環(huán)進(jìn)度，作業(yè)環(huán)境的安全性也得到了保證。

按照傳統(tǒng)工藝施工時(shí)，按照“三八”工作制，每班最多架設(shè)3棚，進(jìn)尺為2.4 m，月進(jìn)度約為345.6 m(對(duì)頭掘進(jìn))，2個(gè)月可以完成691.6 m，而基巖段總長(zhǎng)為916 m，無(wú)法按照合同工期(2個(gè)月)完成任務(wù)，按照合同條款，延誤工期1 d，罰款0.5萬(wàn)元，預(yù)計(jì)延誤19.5 d，罰款約為9.75萬(wàn)元。采用管棚超前支護(hù)工藝后，截至2017年6月，該標(biāo)段隧道工程已經(jīng)順利且如期貫通，工程質(zhì)量和施工進(jìn)度得到了集團(tuán)公司、建設(shè)單位、監(jiān)理單位以及設(shè)計(jì)單位的認(rèn)可。

4　結(jié)　語(yǔ)

結(jié)合三門峽義翔鋁業(yè)有限公司硤石干式堆存赤泥綜合利用項(xiàng)目三標(biāo)段隧道工程實(shí)例，采用管棚超前支護(hù)工藝進(jìn)行施工，分析了合理的支護(hù)參數(shù)取值及工藝施工流程，成效顯著，對(duì)于類似隧道工程施工也有一定的參考價(jià)值。

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