某石炭纪公路隧道开挖大移除的安全评估与加固处理

某石炭纪公路隧道开挖大移除的安全评估与加固处理

1现场实测围岩开挖情况高速公路隧道位于石灰岩层和采矿区附近。由于长期开采，形成了许多采空区。当隧道施工至右线K83+94～K83+140处时出现长约40m塌方,经现场勘察,围岩属高炭板岩、夹煤线、节理裂隙发育、层面光滑,开挖施工中,经常出现掉块、掉渣,极不稳定,开挖掌子面岩层(板岩与煤互层)倾角向北约70～80°,有的近于垂直。塌方渣体除少量新鲜渣体外全部为陈旧灰质渣体,中间夹杂废弃物,干燥。根据现场情况推断,该处塌方区距隧道斜上方(超前探孔没有探测到)有一废弃挖煤巷道,巷道覆盖层约3～4m,隧道施工下导坑时产生变形致使覆盖层垮塌,采空区内回填物大量涌入隧道,塌方情况如图1所示。2注浆强支护方案实施隧道塌方发生后连夜召开紧急会议,当时由于业主急于将隧道贯通,在设计部门反对的情况下要求采用塌方清渣的方法将隧道贯通,后来塌方渣体越清越多,都是从上方继续溜塌下来的,不得不停止清渣,采用注浆强支护的方案通过,具体处理措施如下:2.1大跨大段k23+293k33+合成由于隧道已经贯通,受塌方的影响范围比较大,所以需要对塌方段两侧受牵连、已施作初期支护段进行加固补强。(1)对K83+098～K83+108段及已施作初期支护未施作仰拱和二次衬砌段的加固,考虑到此大塌方可能对上述地段产生牵连,为了施工和将来运营的安全,决定首先对未施作仰拱和二次衬砌段及时施作,封闭成环,对于不能施作仰拱的地段采用回填和采用立柱支撑,立柱采用两根20号工字钢焊接在一起,立柱间采用14#工字钢作为横撑,立柱纵向间距0.75m,横向间距1m,横向按三排布置,纵向根据实际需要临时加固的区段长度而定。K83+098～K83+108段靠近塌方段,受其影响大,首先对初喷开裂处进行复喷处理,喷射混凝土采用25号钢纤维混凝土;然后对拱部围岩进行注浆固结处理,注浆加固范围为拱部120°,注浆浆液采用水泥水玻璃双浆浆液,注浆管采用Φ50的无缝钢管,注浆管长3.5m,管身梅花型钻孔。注浆孔伸入岩层约3.0m(注浆围岩厚度约3.5m),孔距50cm×75cm(环向×纵向),呈梅花型布设。(2)对K83+128～K83+148段及已施作初期支护未施作仰拱和二次衬砌段的加固,由于塌方对本段影响较大,故本段的加固除采用上述方法外,对已开挖下导坑段施作临时仰拱,以使初支钢拱架形成闭合环,防止隧道沉降收敛变形。(3)在受影响段初支拱脚部位左右两侧各打一排锁脚锚锁,锚锁长9m,纵向间距0.75m。(4)根据现场实际情况,加强该段的超前支护和初期支护,以防止再次塌方对两端洞身的拱架造成毁坏。(5)由于塌方段及受影响段距离紧急停车带较近,对紧急停车带也产生一定影响,对紧急停车带也采取Φ50管注浆加固,并加强监控量测。2.2预应力管道注浆加固(1)挂网喷混凝土封闭松散体表面、堵塞边缝,对流坍到洞内的松散体和掌子面前方一定范围的围岩进行注浆加固,阻止塌穴内的碴体继续向外溜坍,喷层厚度不小于20cm,在塌方体的顶部和两侧喷混凝土形成35～40cm的止浆墙,以免后序注浆过程发生跑浆现象。(2)向坍塌体上方的塌方腔内泵送C25混凝土或压注水泥砂浆,厚度控制在4～5m。(3)如泵送混凝土不能送到塌腔内,可将塌方段在地表位置精确定位,然后在地表打孔(建议采用250钻孔)灌注混凝土,将塌腔尽可能充填密实。(4)拱部打设大管棚:由于塌方范围比较大,拟采用两环大管棚通过塌方区,第一环在止浆墙的外侧,其桩号约为K83+105处。保留核心土体(即经注浆加固了的塌方体),以其作为工作平台,并架设两榀组合型钢拱架作为导向架,施作大管棚超前支护。在塌方体开挖一半距离后,再打设第二环大管棚,其桩号约为K83+118处。大管棚采用Φ89钢管:管长20m,环向间距20cm,外插角10～15°。管棚注浆材料采用水泥和水玻璃双浆液,配合比选用1∶0.5,注浆压力初压为0.5～1.0MPa,终压为1.0～2.0MPa,现场可依实调节。(5)开挖中根据现场情况,如需要可采用超前小导管对大管棚进行补强,具体支护参数可根据现场情况定。塌方体处理方案见图2。2.3衬主筋生长(1)初期支护采用I20a工字钢,间距50cm,钢筋网Φ8双层网,格距20cm×20cm。(2)二衬主筋采用Φ25钢筋,间距15cm(中至中),构造筋间距、数量配置依主筋的变化作相应调整。(3)由于此次塌方对受牵连地段影响很大,大部分地段已出现裂纹,因此建议对受牵连地段(尤其是Yk83+128向前)二次衬砌予以补强。二次衬砌钢筋主筋间距调整为15cm,构造筋间距、数量配置依主筋的变化作相应调整。2.4预防复建设备,加强安全监督(1)预留变形量:开挖外廓线、架立工字钢及施作长管棚时的导向钢架,均要预留变形量,拱部按30cm、边墙按20cm预留,由于预留变形量所发生的工程量,现场可依实计量。(2)为确保施工安全,开挖成形后,立即施作初喷混凝土,及时封闭其临空面,防止临空面暴露风化,初喷喷层厚度为4～6cm。(3)按煤系地层施工作业要求进行施工通风和瓦斯监测,要有专人负责,措施到位,责任到人。整治塌方施工的全过程,要始终满怀以人为本的理念,及安全责任重于泰山的责任心,上下齐心协力,顺利安全的通过塌方区。(4)加强量测和观察,密切注意塌方区初支结构和塌方情况的变化。必要时现场即时采取应急措施,确保施工和人员安全。(5)严格贯彻执行短开挖、快支护的原则。每次开挖长度不超过1m,及时施作初喷,快速架立I20钢拱架,每次架立2榀钢拱架,随后将钢纤维混凝土喷至设计厚度,以期尽快形成支护能力,发挥支护作用。(6)在塌方堆体(形似半锥体)上施作喷封层时,要预留足够的(8～10个)排气孔,让瓦斯气体排泄出来,以不致形成有压气体和瓦斯气体突出。通过以上措施的处理,隧道得以安全通过,但由于塌方发生后先采用清渣方案,造成隧道衬砌背后形成约2000m3的空洞(原采空区巷道)。为不留后患,设计方要求对已通过部分上方进行探测,重点弄清楚三个问题:洞顶覆盖层的厚度;空洞的大小;空洞与隧道空间上的相对位置。业主根据要求委托华东理工学院地球物理系进行探测。探测结果表明洞顶覆盖层(衬砌至岩体空洞间距离)厚度不小于15m,空洞最高处达10m左右,小的地方高度0.5m左右。其综合地质解释见图3所示。根据此结论,采空区巷道位于斜上方,隧道洞顶有如此厚的覆盖层,而且塌方洞体周围的岩性较好,经会议专门讨论,不再进行空洞回填处理。3采空区施工管理(1)对于采空区引起的塌方,因为回填物的不断流出,不能采用清渣处理方案,应先注浆加固,然后采用强支护通过方案;(2)在对于采煤巷道形成的采空区施工应按照煤系地层施工作业要求进行施