一种逆作法处理隧洞塌方的施工方法

摘要

本发明涉及一种逆作法处理隧洞塌方的施工方法，包括以下具体步骤：1、搭设塌穴内安全棚护钢构，2、在塌穴内的安全棚护钢构上浇筑混凝土，3、对钢构混凝土结构的边墙基础进行固结灌浆，4、锚固上部的钢构混凝土结构，5、清除塌穴内渣体与托换钢构混凝土结构支撑体系，6、塌方段空腔混凝土衬砌，7、对塌方段衬砌混凝土顶拱回填灌浆。本发明的有益效果是：采用钢构混凝土逆作法的方案，避免了塌方处理过程中因塌落拱不稳定发生局部滑塌而造成人身和机械安全事故的发生；采用锚索或锚筋桩锁定钢构混凝土或固结灌浆形成的拱圈，简化了工序，避免了出渣、浇筑混凝土挑梁与塌方处理推进的相互干扰，缩短了塌方处理工期。

说明书

技术领域

本发明属于水利水电工程中的水工建筑技术领域，具体涉及一种逆作法处理隧洞塌方的施工方法。

背景技术

隧道塌方是由应力的作用造成洞顶与侧壁的部分岩石、软弱结构带大量塌落的现象。造成塌落的主要原因是隧道开挖时，隧道围岩的松软岩体在应力释放的作用下产生了裂缝破坏、以及围岩存在的节理和层理松弛剥落。受复杂、多变的地质条件影响，如地下水、岩溶、断层破碎带、高地应力、岩爆、瓦斯、偏压浅埋、膨胀土等条件，尤其是水渗入围岩使软化系数大的岩石强度降低，结构面的抗剪强度减小，施工难度大，安全性差，都很容易产生塌方事故。因此，隧道塌方事故可能随时发生在整个隧道施工的过程中，隧道开挖、施工支护甚至在隧道衬砌之后都有可能发生塌方。

在当前中国国内，塌方处理主要采取如下几种方式：

(1)注浆锚固法：该方法是以“非套管成孔技术”和“中高压注浆”为基础的注浆锚固法塌方处理方案。此方案中“非套管成孔技术”是方案成败的关键，它可以保证钻孔的稳定，“中高压注浆”式压力注浆，扩大有效注浆半径，连接超前长锚杆使之与压力注浆加固体成为有机整体，可以最大程度地发挥了超前锚杆的支护效果。

(2)大管棚注浆超前支护法：该方法主要采用注浆大管棚辅以注浆小导管，对塌方体进行预支护。采用短进尺、分阶段开挖，但管棚和注浆的施工必须达到预期效果，即形成一个能支撑上面松散岩石的壳体。

(3)塌坑注浆法：该方法是利用地表塌坑向塌方体注浆加固，再进行塌方体的开挖施工。但此方法代价太高，质量不易控制。

(4)塌落拱加固法：采取挂网、喷混凝土(钢纤维、聚丙烯纤维)、锚杆及预应力锚杆、轻型钢格栅及工字钢支护、混凝土浇筑等各项施工措施对塌落拱进行加固后，再采取自上而下分层开挖，在挖除塌方体时，超前做好上述支护工作，此方法的前提是拱落拱跨度已明显变小且稳定，即塌穴形成“冒尖”形状、且塌穴内的围岩结构相对完整。

例如，申请号为201510488563.4的中国发明专利申请，公开了一种隧洞塌方的处理方法及隧洞塌方支护结构，该发明是在一期支护的钢拱架顶部再设置一道与塌方空腔形状和范围相对应的拱上拱结构，通过拱上拱结构对塌方空腔进行支撑，同时辅以网喷混凝土和锚杆，以防止塌方进一步扩大。

现有技术存在的缺陷是：上述(1)～(3)塌方处理技术的前提条件不适用于隧道围岩的松软岩体在应力释放的作用下产生了裂缝破坏的状况；采用(4)塌落拱加固法，因塌落拱为层厚仅20cm的堆砌体结构，支护处理安全风险大，堆砌体结构随时会因机械扰动造成坍塌，给施工作业的人身和机械设备带来安全威胁。

发明内容

针对现有技术存在的缺陷，本发明提供了一种逆作法处理隧洞塌方的施工方法。

本发明所述施工方法，包括以下具体步骤：

步骤1、搭设塌穴内的安全棚护钢构

步骤1.1、将塌穴内两侧的渣堆整理平缓后，利用洞顶塌方后形成的空腔，在渣堆上安装钢支撑，钢支撑间距55cm，钢支撑采用I20A型工字钢制作，控制钢支撑的净空尺寸大于隧洞设计开挖断面50～100cm，在钢支撑与混凝土浇筑形成的钢构混凝土结构不占隧洞设计断面的同时，使钢构混凝土结构形成后具有防止上部再次塌方冲击的能力；

步骤1.2、钢支撑间采用Ф28mm螺纹的纵向连接筋焊接成整体，纵向连接筋间距为75cm，将钢支撑分段焊接固定在连接钢板上；局部洞段塌穴空腔高于12m，则钢支撑采用双层工字钢的组合梁，两层工字钢间距为50cm，每根组合梁在安装时分段组装，螺栓连接，螺栓间距为15cm，形成搭设塌穴内的安全棚护钢构；

步骤2、在塌穴内的安全棚护钢构上浇筑混凝土

步骤2.1、利用钢支撑悬挂圆弧模板成型钢构混凝土，圆弧模板每块长度100cm，厚度5cm，圆弧方向宽度31.4cm，采用8#铅丝与钢支撑绑扎牢固，以固定并支撑圆弧模板，当塌方体上部空腔高度大于2m，安装模板时，辅以钢管脚手架安装圆弧模板；当钢构混凝土顶部一次浇筑厚度超过100cm时，将钢管脚手架固定牢靠，支撑圆弧模板，完成混凝土浇筑后再拆除钢管脚手架；

步骤2.2、浇筑混凝土采用具有流动性的自密实混凝土，为便于混凝土振捣密实，在钢支撑间构成的拱排架下方安装3～4台附着式振捣器，附着式振捣器采取梅花型布置，布置在拱排架的拱脚和拱顶部位，混凝土浇筑时，控制拱顶混凝土厚度为100cm，并对拱排架两侧混凝土实施振捣，以使混凝土与围岩密实结合，以加固拱顶、拱脚；

步骤3、对钢构混凝土结构的边墙基础进行固结灌浆

步骤3.1、在步骤2的基础上，对钢构混凝土结构边顶拱衬砌完成后，进行固结灌浆，具体步骤如下：

步骤3.1.1、确定待钻孔位置，采用潜孔钻钻孔，钻孔孔深为5m；

步骤3.1.2、对钻孔进行清洗；

步骤3.2、对每个钻孔进行灌浆，由里向外分段灌浆，段长为5m，固结灌浆的水灰比采用1:1，在灌浆压力达到0.5mpa、吸浆量小于0.4L/min后，再连续灌浆30min，即结束本次孔灌浆工序，转入下一孔灌浆；

步骤3.3、对钢构混凝土结构的边墙基础进行固结灌浆，采用自上而下逆作法分层进行，先由灌浆区下部孔开始，遂孔由下而上进行，下部灌浆孔灌浆时，单孔吸浆大于5t，对灌浆孔采取限流方式或间歇方式灌注；

步骤4、锚固上部的钢构混凝土结构

采取钢构混凝土结构对塌落拱进行支撑加固、并完成本层边墙塌渣体固结加固后，及时对钢构混凝土形成的稳定拱圈布置锁脚或悬挂锚杆予以锚定；

步骤5、清除塌穴内渣体与托换钢构混凝土结构支撑体系

步骤5.1、塌穴内渣体的清理，每侧的每次清理高度按5m进行控制，清理过程中，每一榀钢支撑的支腿露出后及时焊接加长支腿至底部渣体面，下部设置混凝土预制垫块与渣体间隙捣实，以使钢构混凝土将顶部承载传至下部渣体；

步骤5.2、在步骤5.1的基础上，先完成边墙1m厚工字钢混凝土浇筑，混凝土浇筑完成后，按照1.5×1.5m的间距安装锚筋桩或锚杆，作为悬挂和挟持上部钢构混凝土结构的承载结构；

步骤5.3、钢构混凝土结构边墙每层自上而下施工时，上部混凝土支撑体系的转换过程均为由渣体承担，遂步向侧壁围岩锚杆、锚筋桩及型钢柱转换，最后由锚杆、锚筋桩、型钢柱及其边墙混凝土共同承担；

步骤6、塌方段空腔混凝土衬砌

混凝土衬砌随塌方段处理逐步展开，混凝土衬砌采用4台液压钢模台车，4台钢筋台车，8台混凝土泵，15辆混凝土搅拌运输罐车，按常规空腔段衬砌混凝土施工方式进行空腔段衬砌施工；

步骤7、对塌方段衬砌混凝土顶拱回填灌浆

塌方洞段衬砌混凝土浇筑完成后，衬砌混凝土与钢构混凝土间收缩缝采取回填灌浆进行处理，回填灌浆采取常规回填灌浆方式，灌浆压力控制在0.3MPa，浆液浓度采用3:1、1:1、0.6:1，共有三级，灌浆结束标准：在规定的灌浆压力下，单位注入量小于0.4L/min，再连续灌注30min结束。

进一步地，所述步骤1.1中，在钢支撑架立后，当钢拱架顶部仍有小于300cm的空腔时，则在安装的钢支撑顶部增加钢支撑复拱，根据空穴表面形状调整复拱顶部圆弧段半径，使复拱与围岩表面支撑密实贴合；当钢拱架顶部空腔大于300cm时，先利用钢支撑快速形成钢构混凝土拱后，再利用其具有的支撑作用，在顶部空腔内回填轻质混凝土，防止塌方再次发生后的冲击破坏，同时通过减小塌穴顶部塌落拱的跨度，以稳定塌落拱。

进一步地，所述步骤1.2中，连接钢板为10mm厚钢板。

进一步地，所述步骤3.3中，在灌浆时加入速凝剂，以减少灌浆时间。

进一步地，所述步骤4.2中，预应力锚杆采用中空自进式Φ32mm、L＝12m高强度材质锚杆。

进一步地，所述步骤4.2中，普通长锚杆采用Φ32mm、L＝15m的钢筋制成，锚筋桩采用3根Φ28mm、L＝15m的钢筋制成。

进一步地，所述步骤5.2中，锚筋桩采用3根Φ28mm的钢筋制成。

进一步地，所述步骤6中，液压钢模台车的长度为6m。

本发明所述施工方法的有益效果是：采用钢构混凝土逆作法的方案，避免了塌方处理过程中因塌落拱不稳定发生局部滑塌而造成人身和机械安全事故的发生；采用锚索或锚筋桩锁定钢构混凝土或固结灌浆形成的拱圈，代替传统的混凝土挑梁施工方案，简化了工序，避免了出渣、浇筑混凝土挑梁与塌方处理推进的相互干扰，缩短了塌方处理工期。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明的做进一步说明。

针对现有技术存在的缺陷，本发明提供了一种逆作法处理隧洞塌方的施工方法。

本发明所述施工方法，包括以下具体步骤：

步骤1、搭设塌穴内的安全棚护钢构

步骤1.1、将塌穴内两侧的渣堆整理平缓后，利用洞顶塌方后形成的空腔，在渣堆上安装钢支撑，钢支撑间距55cm，钢支撑采用I20A型工字钢制作，控制钢支撑的净空尺寸大于隧洞设计开挖断面50～100cm，在钢支撑与混凝土浇筑形成的钢构混凝土结构不占隧洞设计断面的同时，使钢构混凝土结构形成后具有防止上部再次塌方冲击的能力；

步骤1.2、钢支撑间采用Ф28mm螺纹的纵向连接筋焊接成整体，纵向连接筋间距为75cm，将钢支撑分段焊接固定在连接钢板上；局部洞段塌穴空腔高于12m，则钢支撑采用双层工字钢的组合梁，两层工字钢间距为50cm，每根组合梁在安装时分段组装，螺栓连接，螺栓间距为15cm，形成搭设塌穴内的安全棚护钢构；

步骤2、在塌穴内的安全棚护钢构上浇筑混凝土

步骤2.1、利用钢支撑悬挂圆弧模板成型钢构混凝土，圆弧模板每块长度100cm，厚度5cm，圆弧方向宽度31.4cm，采用8#铅丝与钢支撑绑扎牢固，以固定并支撑圆弧模板，当塌方体上部空腔高度大于2m，安装模板时，辅以钢管脚手架安装圆弧模板；当钢构混凝土顶部一次浇筑厚度超过100cm时，将钢管脚手架固定牢靠，支撑圆弧模板，完成混凝土浇筑后再拆除钢管脚手架；

步骤2.2、浇筑混凝土采用具有流动性的自密实混凝土，为便于混凝土振捣密实，在钢支撑间构成的拱排架下方安装3～4台附着式振捣器，附着式振捣器采取梅花型布置，布置在拱排架的拱脚和拱顶部位，混凝土浇筑时，控制拱顶混凝土厚度为100cm，并对拱排架两侧混凝土实施振捣，以使混凝土与围岩密实结合，以加固拱顶、拱脚；

步骤3、对钢构混凝土结构的边墙基础进行固结灌浆

步骤3.1、在步骤2的基础上，对钢构混凝土结构边顶拱衬砌完成后，进行固结灌浆，具体步骤如下：

步骤3.1.1、确定待钻孔位置，采用潜孔钻钻孔，钻孔孔深为5m；

步骤3.1.2、对钻孔进行清洗；

步骤3.2、对每个钻孔进行灌浆，由里向外分段灌浆，段长为5m，固结灌浆的水灰比采用1:1，在灌浆压力达到0.5mpa、吸浆量小于0.4L/min后，再连续灌浆30min，即结束本次孔灌浆工序，转入下一孔灌浆；

步骤3.3、对钢构混凝土结构的边墙基础进行固结灌浆，采用自上而下逆作法分层进行，先由灌浆区下部孔开始，遂孔由下而上进行，下部灌浆孔灌浆时，单孔吸浆大于5t，对灌浆孔采取限流方式或间歇方式灌注；

步骤4、锚固上部的钢构混凝土结构

采取钢构混凝土结构对塌落拱进行支撑加固、并完成本层边墙塌渣体固结加固后，及时对钢构混凝土形成的稳定拱圈布置锁脚或悬挂锚杆予以锚定；

步骤5、清除塌穴内渣体与托换钢构混凝土结构支撑体系

步骤5.1、塌穴内渣体的清理，每侧的每次清理高度按5m进行控制，清理过程中，每一榀钢支撑的支腿露出后及时焊接加长支腿至底部渣体面，下部设置混凝土预制垫块与渣体间隙捣实，以使钢构混凝土将顶部承载传至下部渣体；

步骤5.2、在步骤5.1的基础上，先完成边墙1m厚工字钢混凝土浇筑，混凝土浇筑完成后，按照1.5×1.5m的间距安装锚筋桩或锚杆，作为悬挂和挟持上部钢构混凝土结构的承载结构；

步骤5.3、钢构混凝土结构边墙每层自上而下施工时，上部混凝土支撑体系的转换过程均为由渣体承担，遂步向侧壁围岩锚杆、锚筋桩及型钢柱转换，最后由锚杆、锚筋桩、型钢柱及其边墙混凝土共同承担；

步骤6、塌方段空腔混凝土衬砌

混凝土衬砌随塌方段处理逐步展开，混凝土衬砌采用4台液压钢模台车，4台钢筋台车，8台混凝土泵，15辆混凝土搅拌运输罐车，按常规空腔段衬砌混凝土施工方式进行空腔段衬砌施工；

步骤7、对塌方段衬砌混凝土顶拱回填灌浆

塌方洞段衬砌混凝土浇筑完成后，衬砌混凝土与钢构混凝土间收缩缝采取回填灌浆进行处理，回填灌浆采取常规回填灌浆方式，灌浆压力控制在0.3MPa，浆液浓度采用3:1、1:1、0.6:1，共有三级，灌浆结束标准：在规定的灌浆压力下，单位注入量小于0.4L/min，再连续灌注30min结束。

进一步地，所述步骤1.1中，在钢支撑架立后，当钢拱架顶部仍有小于300cm的空腔时，则在安装的钢支撑顶部增加钢支撑复拱，根据空穴表面形状调整复拱顶部圆弧段半径，使复拱与围岩表面支撑密实贴合；当钢拱架顶部空腔大于300cm时，先利用钢支撑快速形成钢构混凝土拱后，再利用其具有的支撑作用，在顶部空腔内回填轻质混凝土，防止塌方再次发生后的冲击破坏，同时通过减小塌穴顶部塌落拱的跨度，以稳定塌落拱。

进一步地，所述步骤1.2中，连接钢板为10mm厚钢板。

进一步地，所述步骤3.3中，在灌浆时加入速凝剂，以减少灌浆时间。

进一步地，所述步骤4.2中，预应力锚杆采用中空自进式Φ32mm、L＝12m高强度材质锚杆。

进一步地，所述步骤4.2中，普通长锚杆采用Φ32mm、L＝15m的钢筋制成，锚筋桩采用3根Φ28mm、L＝15m的钢筋制成。

进一步地，所述步骤5.2中，锚筋桩采用3根Φ28mm的钢筋制成。

进一步地，所述步骤6中，液压钢模台车的长度为6m。

较佳地，所述步骤2.2中，自密实混凝土的配合比，如下表所示：

水170水泥水泥B类364混合材料石粉170细砂325细骨料粗砂500粗骨料小石770外加剂减水剂9.0

本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员可以想到的任何变形、改进、替换均落入本发明的保护范围。