管棚法处理隧道特大坍方段的应用技术

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　1 坍方体处理施工技术方案

　　1.1 施工方案与治理原则

　　1.1.1 施工方案

　　根据坍方体的工程地质特点,确定了在拱部1°范围内施作Φ89 长管棚,管棚间距30cm,结合超前预注浆技术在开挖轮廓线外形成约4m厚的加固圈,并在开挖时以小导管补强注浆加固技术为辅的综合技术方案。开挖采用上下台阶法,上台阶高度约4m,采取预留核心土环形开法,上下台阶间距长度5m,以人工开挖为主,对局部未坍方部位可采用松动爆破。在开挖后立即施作格栅拱架及锚网喷支护体系,充分调动加固后的围岩的承载能力,使初期支护与注浆加固的坍方体形成整体支护结构,并建立科学的监测体系,监测支护体系的变形,判断结构的稳定性和安全性。

　　1.1.2 技术难点与关键

　　(1)长管棚与注浆加固圈在拱顶形成了稳固可靠的固结壳,作为支承长达18m高约50m的松散坍方体超前支护体系(保护壳),是保证开挖安全和防止坍方的进一步扩大的关键技术。

　　(2)坍方体内大部分呈松散碎屑状,且又混有大小不一的硬质岩块和前期坍方处理时用以支撑的方木等建筑材料,施钻困难,成孔性差、容易卡钻、下管难度大。这些问题的解决直接关系到26m管棚的安装成功率和注浆的效果,也是坍方处理的难点所在。

　　(3)坍方段地处断层破碎带,地层连通性好,坍方体松散度大,且坍方前施工的小导坑均直接与注浆区相连通。由于注浆区域广而连通性好,因此必须对注浆顺序及注浆工艺进行详细计划,以防止浆液向无用的地区扩散,控制注浆量,以最小的注浆量获得最好的注浆效果。

　　1.2 治理原则

　　施工方案和治理原则:“管超前,预注浆,多循环,短开挖,强支护,勤量测,早封闭”。

　　2 施工技术要点

　　2.1 施工工序与步骤

　　2.2 工作面预注浆

　　在长管棚施工前,应对工作面进行前进式分段预注浆,注浆分段长度为5m。以水泥单液浆为主,内加速凝剂,在必要时采用C-S 双液浆。工作面预注浆的目的是加固工作面松散体,以保证管棚钻孔方向的精度,同时稳定工作面,确保开挖时工作面的安全。

　　2.3 长管棚与预注浆

　　2.3.1 管棚参数

　　钻孔仰角1°～3°,管棚间距30cm,管棚长度26m,采用Φ89(厚5mm)无缝钢管,共计52根管棚。

　　2.3.2钻孔工艺

　　预设Φ127 导向管→Φ108 套管钻进18m →Φ90 钻孔钻进26m →下管(带Φ90 钻头) →取出Φ108 套管→封孔注浆。

　　2.3.3 管棚注浆

　　注浆分三序孔注入,注入顺序依次为C - S 浆、水泥浆、水泥砂浆。注浆应在钻孔下管完成后立即进行,以便在钻相邻孔时可做为当前注浆孔的检查孔。所有管棚钢管均以30号水泥砂浆充填,以加强钢管的刚度。

　　2.4 小导管注浆补强

　　长管棚注浆加固范围有限,很难达到4m的加固圈,为此在开挖过程中,需施作小导管注浆补强。小导管采用Φ32焊缝钢管,长5.5m,开孔长4m,间距60～75cm,外插角41°。小导管注浆采用C-S 双液浆,注浆量根据现场情况定,以确保开挖为目的。

　　3 问题与解决措施

　　3.1问题

　　(1)主要存在卡钻、掉钻头、坍孔、退钻与顶管困难等问题。

　　(2) 坍方前开挖的下导坑断面约有20m2 ,长度约为20m,由于密排棚架的作用,坍方体并未将导坑内填满,约有150m3 空洞,浆液向空洞内充填并不能对开挖稳定起到稳定作用,同时又造成浪费,防止浆液向空洞内渗流是注浆中的关键环节。

　　3.2措施

　　3.2.1 带钻头顶管

　　采用套管跟进施钻只能有效地解决前20m坍孔、卡钻等技术难题,因为套管跟进越长孔壁周围坍碴、碎石与管壁的摩阻力就越大,钻进负荷扭矩也越大,致使钻进困难,同时易产生管接头因扭矩大而损耗断管等严重事故,一旦发生断管现象,则整个孔将被废弃。

　　3.2.2 总体施工工序的调整

　　首先进行工作面预注浆,在此基础上进行管棚施工。但由于注浆量大,注浆时间长,造成钻孔作业空闲时间多。为此,对施工工序进行了调整,即在工作面注浆的同时穿插进行部分管棚孔的施工。但为确保周边管棚孔的注浆加固效果,确定了穿插管棚孔施工的原则是:遵循设计时的工作面预注浆超前的原则。总体施工工序的调整为施工工期争取了时间,同时也保证了周边注浆加固效果。

　　3.2.3注浆施工的技术措施

　　(1)改变浆液材料。预注浆时,根据其注浆目的是填充坍方体空洞,对固结体强度要求不高,同时由于原开挖的小导坑留下的空洞较大,采用较高强度的注浆材料不仅造成浪费,也为后来的开挖带来了困难。为此,据孔钻记录,A、I、H 三个工作面预注浆孔分别在6m、10m、17m处有50～120cm不等的架空区,对这三个孔不同断位的注浆材料进行了变更,由原设计的水泥浆与水泥砂浆改为粘土水泥砂浆。变更后的浆液含粘土约为25% ,28d固结强度在8～13kgPcm2 ,可满足工作面稳定的要求,凝结时间约为3～5d,流动性好,不仅降低了工程成本,也具有良好的填充效果。三个孔三个段别分别共计注入粘土水泥砂浆120m3,约占空洞总量的80%。

　　(2)采用间隔注浆获得注浆加固效果。在进行管棚注浆时关键是获得管棚内外形成厚约2m的注浆加固圈,但由于坍体内有许多块石相互棚架,致使坍体内空洞大而多,这些空洞有的直接与坍空区相连,注浆时浆液在压力作用下通过这些空洞泄流至坍空区,而不能在管棚附近均匀扩散,从而使注浆加固圈无法形成。为此,根据经验采用间歇注浆法,即当长时间注浆压力上不来时,说明浆液顺空隙泄流至坍空区,这时将浆液凝结时间调整至30～50s,注浆1～5min,停40s,待原注入浆液初凝变稠后再注,如此反复,则原先的泄浆通道逐渐变小并最终堵塞,浆液即在管棚周围达到均匀扩散的目的。

　　4 施工质量与效果评定

　　(1) 导向管外插角为2°～4°,间距28～33cm,满足设计与规范要求,为保证管棚制安精度创造了条件。

　　(2) 管棚孔钻进过程中仅有一个孔打偏与另一管棚相交,仅占管棚总数的2%。根据下管记录,因卡钻、断管等原因52根管棚中只有9根共计16m 未顶进,仅占设计管棚总长度的1.1%。根据开挖所揭示的情况,管棚制安基本达到了整齐划一的要求,在开挖线外形成了稳固的护拱棚架作用,总体质量达到了优。

　　(3) 每二序孔钻孔时出现了全孔回水,钻孔、下管容易,钻孔物中有水泥凝结块等现象,与开始第一序孔钻孔时卡钻无回水形成了对比,说明第一序孔注浆已起到了明显的效果,并达到了固结充填的好效果。

　　(4) 根据注浆记录,第二序孔注浆时注浆压力上升明显快于开始注浆时,也说明坍方体空洞回填充实。