不良地质段矿山井巷大塌方“薄壳法”施工工法研究

刘 刚，申 会

（1.浙江省隧道工程公司，浙江杭州310030；2.浙江省第七地质大队，浙江丽水323000）

不良地质段矿山井巷大塌方“薄壳法”施工工法研究

刘 刚*1,2，申 会1,2

（1.浙江省隧道工程公司，浙江杭州310030；2.浙江省第七地质大队，浙江丽水323000）

矿山巷道掘进过程中，常常会遇到大断层等不良地质或破碎带，大塌方不可避免时，就需要研究处理对策。“薄壳法”工法是我公司多年矿山井巷、隧道施工的技术总结，对隧道与地下工程施工大塌方处理具有效率高、工期省、投资少的特点。

薄壳法；预注浆；长管棚；小导管；围岩量测

1 概述

某铁矿运输平巷掘进过程中，由于部分不良地质影响，掘进过程中出现多处软弱围岩，巷道开挖至K0+ 419m处时，围岩右边拱部发育有一条厚度大于6m的泥质破碎带，浸水后围岩变形严重，在巷道出碴过程中，K0+395～K0+419m段围岩应力变化大，拱架整体往巷道净空发生位移，随后形成大规模塌方，形成拱顶至塌空最高部位19m，两侧宽度达13～18m的大塌方，坍塌方量为5700m3，已经开挖支护好的K0+395～K0+ 419m段钢拱架、锚喷网、超前小导管等初期支护措施全部损毁，给施工带来极大难度。我公司针对该巷道塌方处理施工进行了科技攻关，采用了塌方体注浆固结、塌腔体及时回填、长管棚与小导管预注浆超前支护、钢拱架与锚喷网复合支护、等技术进行综合处理，成功地穿越了软弱地层大塌方段，取得了满意效果，并形成了软弱地层巷道大塌方“薄壳法”施工工法。

2 工法工艺原理

“薄壳法”是充分利用塌方体注浆固结成薄壳体、塌腔体及时回填、长管棚与小导管预注浆超前支护形成的管护，通过拱架与锚喷网复合支护形成结构整体稳定性；微台阶开挖施工减少了对围岩的扰动，并通过监控量测监测结构变形情况。通过以上几个方面施工技术的综合运用，确保结构稳定和施工安全（图1）。

3 工法特点

（1）利用注浆加固塌方松散体，使塌方体具有一定的支承和自稳能力。

（2）超前支护与回填混凝土形成壳体，提高了结构抵御塌腔顶部坠落的塌渣形成的冲击荷载的能力，确保了施工作业的安全。

（3）塌方体开挖微台阶施工在很大程度上减少了对围岩的扰动，确保开挖面的稳定，施工机具简单，施工周期短。

4 工法适用范围

主要适用于软弱围岩巷道塌方处理。

5 施工工艺流程及操作要点

5.1 加固塌方影响段

塌方影响段架设钢拱架加固，钢架采用I18工字钢，间距50cm/榀；纵向采用Ø22mm螺纹钢筋连接，钢筋环向间距1.0m，每榀底脚每侧施作4根Ø32L=4.0m自进式锚杆作为锁脚锚杆。巷道两侧起拱线以上的半圆拱部位设L=5.0m@2m×2m的Ø42mm×4mm小导管和1∶1水泥浆液进行固结灌浆，以加强该段拱顶松驰圈密实及以上围岩加固，控制了塌体向后发展。

5.2 塌方体注浆加固

塌方体注浆加固范围：巷道底板至顶高程2m，注浆之前对塌方体设一堵厚20cmC20喷射混凝土墙。

注浆小导管：L=14.0m@2m×2m的Ø42mm×6mm；

灌浆压力为0.4～0.6MPa，分级升压的方法，灌浆浆液采用0.5∶1～1∶1由稀到浓逐级变换。使塌方体提高自稳能力以便后期开挖施工。

5.3 塌腔体回填混凝土施工

塌腔体内埋设1根L=10mØ120mm混凝土导管和1根L=15mØ68mm排气管，采用HB60混凝土输送泵对塌腔体进行C15混凝土分层回填。

图1 “薄壳法”塌方处理措施示意图

5.4 套拱施工

在塌方影响段前方设套拱，套拱采用C30混凝土，长度为1.0m，厚度70cm，内置I18型钢拱架，间距50cm。

工字钢拱架由弯曲机分段冷弯加工，拼装时控制好拱架的变形和轴线情况。钢架安装时与套拱内预留孔口管焊接。

5.5 管棚施工

套拱混凝土强度达70%设计强度后，进行钻孔施工，管棚参数如下：

（1）管棚采用热轧无缝钢管Ø89mm，壁厚5mm，管棚长度25m，在拱部范围内30cm间距均匀布孔。

（2）管棚倾角与巷道纵坡成5°～10°夹角，以防管棚钻孔时由于自重下沉而侵入巷道开挖断面内，从而妨碍巷道的开挖施工。

（3）管棚采用电动液压潜孔钻机钻孔，在钻进过程中操作平台必须牢固安全，架立钻机时应精确定孔位，确保钻机钻杆线与管棚设计轴线吻合，在钻进过程中不发生偏移和倾斜，钻孔交替进行，每钻完一孔立即顶进钢管，管内全长设排气管，并伸出管口，钢管与孔口处间隙封堵密实，保证注浆时浆液不溢处。

（4）每节钢管丝扣连接，丝扣长15cm，同一断面内接头数量不超过50%，相邻钢管的接头错开长度不小于1m，施工时把孔按序编号。

（5）钻孔采用顺序编号(1#～52#)，注将分三序孔注入，注入顺序集资为C-S浆、水泥浆。注浆应在钻孔下管完成后立即进行，以便在钻相邻孔时可作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。

5.6 超前注浆小导管施作

管棚注浆加固范围有限，难于达到4.0m的加固圈，为此在开挖过程中，需施作小导注浆补强。小导管采用Ø42mm焊缝钢管，壁厚4mm，L=5.5m深入塌方体4.0m，在拱部范围内130°均匀布置，间距40cm，外插角41°，搭接长度1.5m。

小导管注浆进一步提高塌方体自稳能力和超前支护作用。

5.7 塌方体开挖

开挖与小导管注浆穿插进行，即每注一个循环开挖1.5m(即支护三榀钢拱架)。初期支护与开挖紧跟，即每开挖一个循环立即立拱挂网喷砼施作初期支护。

开挖分上、下半断面短台阶分部施工，台阶长度不超过5m，开挖进尺0.5m。因坍方体高度不明，开挖后洞室变形及结构承载力不能较为准确的计算，为防止变形过大造成初支结构侵入衬砌净空，在开挖中预留20cm的沉降量。

采取手执铁铲或风镐人工开挖，在有基岩或巨大岩块露处可采用松支爆破后再人工开挖。上半断面采用预留核心土环形开挖，以保证掌子面的稳定与安全。

5.8 塌方体开挖与支护

下半断面采用左右错开马口形式开挖，马口错开长度在3～5m。下半断面开挖后应及时清底施作仰拱，确保初期支护的及时封闭。

5.9 塌方体支护

初期支护采用钢拱架+锚杆+锁脚锚杆+钢筋网+喷射C25砼的复合支护体系。

（1）钢拱架为I18工字钢，拱架间距按开挖进度每0.5m/榀，封闭成环；纵向采用Ø22mm螺纹钢连接，间距1.0m；

（2）锁脚锚杆采用Ø22mm螺纹钢的砂浆锚杆，间距@0.5m×0.5m，L=4.5m；系统锚杆采用Ø32mm自进式锚杆，间距@0.5m×1.0m，L=4.0m；

（3）钢筋网采用Ø8mm圆钢，网间距20cm；

（4）喷射混凝土采用C20砼25cm。

初期支护应在开挖完成后即时施作，要确保支护体系的及时封闭，即尽早喷砼封闭，减少开挖后围岩的暴露时间，及时施作仰拱使支护结构尽快封闭成环，改善洞室结构的受力条件

施工监控量测是新奥法施工的关键环节。监测的目的是掌握巷道结构的动态变形情况，检验初期支护设计参数的合理性，为修正支护参数提供理论依据，并可指导二次衬砌时间。通过监控量测可以掌握围岩力学形态的变化和规律，掌握支护的工作状态信息并及时反馈，做出工程预报，确定施工对策和措施，监视险情，指导施工作业和确保安全施工。

监控量测项目包括初期支护状况观察、周边位移量测、拱顶下沉量测、围岩内部位移量测、地表下沉观测、锚杆拉拔试验。

当巷道水平位移收敛速度小于0.2mm/d，拱顶下沉、仰拱隆起位移速度小于0.1mm/d时，可以认为围岩已基本稳定。二次衬砌按承受部分围岩压力考虑，应根据量测结果确定二衬施作时间。

6 材料与设备

“薄壳法”塌方处理主要用的材料为型钢、锚杆、钢管、水泥、砂、碎石等。主要机具设备有搅拌机、挖掘机、注浆机及钢筋处理设备等。

7 质量控制

7.1 钢拱架施工

（1）钢架必须具有足够的强度和刚度，采用的钢架内型应满足设计要求。

（2）钢架加工尺寸，应符合设计要求，其形状与开挖断面相适应。

（3）钢架基础必须放在牢固的基础上，底脚下的虚渣及其他杂物须清理干净，脚底超挖部分应用钢板支垫。

第三次熔顶发生在第一道气环闭口间隙值较小的第二缸、第三缸，从表1看出，其二、三缸的闭口间隙值是偏小的，与第二次熔顶的原因类似，其闭口间隙值偏小是造成拉缸、熔顶的根本原因。

7.2 大管棚施工

（1）孔口管安装定位要求外插角度正确，导向精确，以便于钻孔时控制大管棚的前进方向，不侵入巷道净空。

（2）孔口管不得存在弯曲、变形、破损现象，在焊接孔口管前应检测孔口管内径是否符合图纸要求，防止孔口管内径过大不能精确定向大管棚。

（3）安装好钢拱架后应重新检测孔口管的导向是否正确，如果有偏移或角度偏差现象则需进行调整。

（4）在打钻孔时应严格控制孔口管的外插角，按设计要求的外插角度打入围岩。初钻用低压顶进，以保持方向，防止孔位偏斜。

8 安全措施

（1）配备有力的领导班子，建立健全安全保证体系，使安全工作制度化、经常化，保证施工安全。

（2）认真贯彻执行国家安全生产的方针政策，对作业工人进行安全教育，牢固树立“安全第一”的思想，坚持“安全生产，预防为主”的方针。

（3）根据施工情况，编制详细的安全操作规程、细则，制定切实可行的安全措施。做好安全技术交底工作，主要针对拱架安装、巷道开挖等方面的安全注意事项进行交底。

（4）建立健全安全生产责任制，设置和配置专职、兼职安全检查人员，负责日常安全生产巡查。

（5）特种作业人员做到经过专门训练，并考试合格取得主管部门颁发的特殊工种操作证后方可独立操作。

（6）搞好安全三级教育，加大日常安全生产宣传力度，提高工人安全意识。

（7）易燃易爆物品要远离施工现场和居住区、炸药库、油库等。施工区域内按照有关防活要求布置临时设施，配备足够数量的消防器材，并设立明显的防火标志。

9 环保措施

（1）在洞口设污水处理站，采用隔油沉淀池、气浮设备和二级生化处理设施对施工进行处理。设专人值班管理，对沉淀池打捞浮油，以及对巷道污水进行处理，直到符合国家规定标准再排放。

（2）控制施工注浆使用的水泥、水玻璃的泄露，并对进入巷道排放系统中的注浆废液做净化达标处理，避免浆液污染洞外居民的生活生产用水。

（3）爆破采用多打孔少装药的弱爆破方式，减低爆破振动对周边居民的影响，控制夜间爆破；洞内采用水幕除烟降尘，降低巷道施工队大气的污染。

10 资源节约

（1）项目部建立健全成本核算制度，做到每月、每季度、每半年、每年成本核算、实施动态成本控制，减少不必要的开支。

（2）加强施工调度，安排好个工序衔接，加快工程进度，提高工程效益。

（3）选用经验丰富、技术水平高、专业化水平强的技术工人和施工队伍，提高工程质量，尽量避免由于返工造成的资源浪费。

（4）严格材料采购，确保采购合格低廉的施工材料，从而节约成本。

11 小结

（1）“薄壳法”大塌方处理工艺是在传统类似工艺上的改良与综合，具有较大的适用范围。经使用过的项目施工成本核算，跟其他方法相比，该工法具有节约投资、处理时间短等特点。

（2）“薄壳法”大塌方处理工艺可靠性较高，降低了大塌方处理的安全系数，有良好的社会效益。该工法对类似工程有借鉴意义，同样适用于公路、人防等大断面隧道掘进。

U458.3

A

1004-5716(2015)05-0175-04

2014-11-17

2014-11-19

刘刚（1973-），男（汉族），贵州织金人，高级工程师，现从事矿建施工技术、爆破、隧道与地下工程施工管理及技术研究工作。