帽檐式鋼架在隧道拱頂塌方處理中的應用

劉周禮，寧德好，牛瑞強

（中交一航局第三工程有限公司，遼寧 大連 116001）

1 工程概況

新建合福鐵路客運專線閩贛Ⅱ標段棋盤山隧道全長1 758.13 m，隧道進口里程為DK440+700，隧道出口里程為DK442+48.13，為單洞雙線隧道，左右線間距為5 m，隧道沿線路坡度為2%。該隧道地處江西省上饒境內，洞身地層巖性多變、地質結構復雜，圍巖軟弱，Ⅴ級圍巖1 128.13 m，占隧道長度的64%，Ⅳ級圍巖465 m，占隧道長度26%，Ⅲ級圍巖165 m，占隧道長度26%，設計施工風險等級高，施工難度大，在巖性接觸帶處極易出現塌方及涌水事故。

2 坍塌情況

2012年3月13日隧道進口掌子面DK441+055里程處爆破后發生拱頂坍塌，現場人員及時撤離未出現傷亡事故，經過勘察坍塌處為巖性接觸帶，圍巖為寒武系下統荷塘組碳質頁巖夾煤干石，中間夾層為強風化頁巖，局部風化成土狀，坍塌后伴有大量的裂隙水涌出，平均每天流水量約1 500 m3，拱頂坍塌成一個倒V字型，塌方體沿線路方向長度約3 m，垂直線路方向寬度約為10 m，塌方體高度約6 m。

3 處理方案選擇

事發后項目部與設計、業主、監理單位對現場進行了勘察，現場設計給出塌腔內預埋泵管，采用洞身長管棚越過坍塌區后利用泵送混凝土對塌腔回填的方案。考慮到管棚鉆機租賃調運耗時且洞身管棚施工復雜，將貽誤坍塌段處理的最佳時機，圍巖應力釋放后極易引起二次坍塌，存在較大的安全隱患，并且嚴重制約工程施工進度。

為充分利用現場現有的設備及材料，研究確定經濟、安全、快速的處理方案，項目部施工人員集思廣益，根據洞身長管棚超前支護的作用原理，研究提出超前小導管加帽檐式鋼架組合的超前支護方式進行塌方段施工處理，即對坍塌區裸露圍巖進行噴射混凝土封閉后，打設超前小導管注漿加固前方圍巖，制作安裝帽檐式鋼架，鋪設鋼筋網片，預埋泵管，噴射混凝土封閉如此循環施工穿越坍塌區，該方案獲得批準，如圖1所示。

圖1 超前小導管加帽檐式鋼架組合超前支護方式施工示意圖

4 施工方法

4.1 施工工序

施工工序為：施工前準備→坍塌區初噴→超前小導管施工→帽檐式鋼架制作→帽檐式鋼架安裝→鋼筋網片安裝→預埋泵管埋設→噴射混凝土施工→下一循環施工→坍塌區混凝土回填。

4.2 坍塌區裸露圍巖初噴

初噴的厚度控制在5～10 cm，由于部分坍塌面有滲流水，噴射混凝土拌合之前通知試驗室調整施工配合比，將原配合比（水泥∶砂∶細骨料∶水 ∶減水劑 ∶速凝劑為 442∶862∶850∶190∶4.42∶13.26）中水泥和速凝劑用量適當調整，調整后的配合比為 485∶835∶830∶190∶4.78∶18.4。

考慮到施工人員的施工安全，將噴漿頭進行加長改進，施工人員站在開挖臺架上對坍塌裸露面進行噴射混凝土施工。

4.3 超前雙層小導管施工

1） 小導管加工

小導管采用φ50壁厚4 mm的熱軋無縫鋼管，導管單根長4.5 m，小導管的間距為30 cm，由于小導管穿越坍塌空腔區，因此懸空段不留注漿孔，嵌入圍巖段設孔徑為10 mm，孔間距15 cm的注漿孔，呈梅花形布置。

2） 鉆孔施工

小導管在打孔前，按設計要求劃出小導管的位置，并標明清楚。采用鑿巖風鉆打孔，成孔直徑φ60，孔口鉆眼偏差小于50 mm。每間隔一榀鋼架打設一循環超前小導管，小導管在坍塌區形成一個棚式的緩沖結構。

3）小導管安裝及孔口密封處理

“沉魚落雁”是形容女子容貌非常美麗的意思，是一種夸張的修辭方法，魚兒見到美女就為之沉到水底，大雁見到美女就為之降落到沙洲。可見這個成語不是說“要把魚兒沉到水里去，要把大雁打到地上來”，而是說美人長得太美了，容貌美得“使得魚兒沉到水里去，使得大雁從天上落到地上來”。可以看出這個成語中“沉”和“落”這兩個動作行為的發出者是“魚”和“雁”。

小導管用鉆機頂進，打入后用高壓風將小導管內砂石等吹出，小導管尾部置于鋼架腹部，增加共同支護能力，導管穿越坍塌區后深入掌子面巖中深度不小于1.5 m，在小導管嵌入掌子面末端處焊上φ6加勁箍再用膠泥麻筋纏箍成楔形，使小導管外壁與孔巖壁間隙堵塞嚴密，靠近鋼架端小導管尾部設止漿塞，超前小導管安裝如圖2所示。

圖2 超前小導管安裝示意圖

4） 小導管注漿

注漿采用水泥漿液水灰比為1∶1（重量比），注漿材料滿足下列要求：漿液的流動性好，易注入地層；固結后收縮小，具有良好的黏結力和較高的早期強度；結石體透水性低，抗滲性能好等。

注漿前應進行壓水試驗，檢測機械設備是否正常，管路連接是否正常，為加快注漿速度和發揮設備效率，可采用群管注漿（每次3～5根）。導管孔口應達到密閉標準，以防漏漿，然后采用注漿機注漿，注漿壓力為0.5～1.0 MPa，注漿量達到設計注漿量或當注漿壓力達至設計終壓不少于20 min，進漿量仍達不到注漿終量時，便可結束注漿。注漿結束后，將管口封堵，以防漿液倒流管外。

4.4 帽檐式鋼架制作及安裝

1）帽檐式鋼架制作

為了確保隧道結構整體安全，增強支護結構設計參數采用I22a工字鋼作為初期支護鋼架，鋼架間距為0.4 m，支護鋼架加工應考慮預留變形量及帽檐鋼架安裝空間，故將鋼架半徑調整為7.4 m，增大了40 cm。上臺階的鋼架按照3節進行加工，鋼架之間采用連接板及螺栓進行連接，連接板的厚度為16 mm，尺寸為280 mm×280 mm，各單元采用M27、6.8級高強度螺栓連接；帽檐鋼架采用與主體鋼架同等材料I22a工字鋼制作，長度為1 m；垂直焊接在支護鋼架上，焊接長度為110 mm，采用雙面滿焊，帽檐鋼架間采用φ22鋼筋網片進行鋪設，鋼筋網片的間距為5 cm×5 cm，鋼筋網片和帽檐鋼架之間采用焊接的方式進行連接，如圖3所示。

圖3 帽檐式鋼架示意圖

2）帽檐式鋼架安裝

第一榀帽檐式鋼架架立安裝時，利用原有初支面進行鋼架支立，采用裝載機配合人工進行，施工人員站在已經支護完的初支面下，先將鋼架平移至開挖臺架上，人工將鋼架架設在設計的位置，然后采用鋼管進行支撐，同時連接鋼架之間的連接螺栓，螺栓連接完畢后打設鎖腳鋼管，鎖腳鋼管長度為5 m，鎖腳鋼管與鋼架采用φ22的U型鋼筋連接。

4.5 坍塌區空腔泵管的埋設

由于坍塌處在初期支護背后會形成空洞，對隧道結構產生嚴重的安全隱患，坍塌空腔必須采用混凝土或者其他輕型材料填充密實，鋼架支立時需在鋼架上事先預留泵送混凝土的泵管，泵管沿線路方向布置埋設3根，長度分別為1 m、6 m、3 m；泵管與鋼架采用焊接連接，如圖4所示。

圖4 泵管埋設示意圖

4.6 坍塌區混凝土泵送回填

鋼架支立完畢后立即進行噴射混凝土的施工。噴射混凝土的配合比仍然采用初噴時的配合比，加大噴射混凝土的粘結力和凝固速度。第一榀帽檐式鋼架施工時，施工人員站在已支護完的鋼架下進行噴射混凝土施工，下榀帽檐式鋼架施工時，施工人員站在第一榀鋼架的帽檐下施工，以此循環施工將坍塌區安全穿越。待初支混凝土封閉后，對空腔區進行混凝土泵送施工。

考慮到一次性填充完畢混凝土對鋼架的壓力太大，帶來次生安全隱患，施工中應分3次填充坍塌空腔，第一層通過1 m的預埋泵管向空腔內泵送1 m高的C20混凝土，待第一層混凝土泵送完成3 d后通過3 m的預埋泵管向空腔內泵送第二層混凝土，待混凝土凝固后通過6 m的預埋泵向空腔內泵送細沙，將整個坍塌空腔回填密實。

4.7 坍塌區處理施工要點

1）塌方區必須基本穩定后方可對坍塌體進行清理，并及時對裸露圍巖進行初噴，減少圍巖的風化程度，避免二次坍塌事故發生。

2） 由于坍塌體發生伴隨著大量裂隙水的涌出，因此進行初噴時要加大噴射混凝土的水泥和速凝劑用量，加快噴射混凝土的凝固速度。

3）對坍塌區支護結構進行設計加強并且加大預留沉降量。

4）初期支護施工完畢后及時對坍塌空腔進行混凝土回填，使混凝土與坍塌腔壁圍巖有效結合，避免拱頂再次坍塌對支護結構產生被動壓力。

5）塌腔內混凝土必須分層泵送回填，禁止一次性泵送到位，減少混凝土對初期支護鋼架的壓力，產生次生安全隱患。

6）施工過程中必須加大掌子面區域內的初期支護監控頻率，如果發現沉降量較大時應及時停止施工并采取相應的措施。

7） 隧道施工過程中要加強隧道超前地質預報，根據超前地質預報指導現場施工。

5 結語

棋盤山隧道進口拱頂小范圍坍塌區成功的穿越，充分驗證了超前小導管加帽檐式鋼架組合超前支護施工方法的可行，并且獲得了較好的工程效果，希望對類似工程起到一定借鑒作用。

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