专利名称：：一种处理隧道塌穴的施工方法
技术领域：
：本发明涉及隧道工程施工领域，具体为一种处理隧道塌穴的施工方法。
背景技术：
：随着国民经济的不断发展，我国的公路、铁路和引水工程建设在突飞猛进，为了满足高快好省的要求，隧道工程数量越来越多，隧道建筑规模和施工难度也越来越大，尽管隧道建筑水平也取得了长足进步，但由于种种原因，隧道塌方仍无法避免，尤其是拱顶中小型坍塌更为常见，拱顶中小型坍塌一般都会形成大小不等的塌穴，有的塌穴坍塌到一定程度就会稳定下来，这种塌穴处理起来一般没有太大难度，而有的塌穴会不断或间断继续坍塌，这种坍塌如果得不到及时处理，坍塌范围会不断扩大，极有可能引发大塌方，这种塌穴处理起来难度很大。例如张集铁路隧道围岩以麻粒岩夹花岗伟晶岩及辉绿岩岩脉为主，由于受到多期地质构造运动影响，围岩构造节理发育，节理面光滑且夹有软弱层，岩体破碎呈块状、碎块状压碎结构，构造裂隙水和基岩裂隙水发育，局部具有承压性，这种围岩在施工过程中经常会发生拱顶坍塌，在裂隙水的作用下坍塌一般不会自然稳定。传统处理隧道塌穴的方法是根据矢跨比采取不同的处理措施，当塌穴矢跨比h(高度)/B(宽度)<0.7时，采用外层初期支护加内层初期支护再加防护的方法处理，当塌穴矢跨比h(高度)/B(宽度)X).7时，采用外层初期支护加防护的方法处理。但是隧道塌方形成塌穴后，外层初期支护施工难度一般都比较困难，安全风险大、施工质量难以保证，在施工内层初期支护或衬砌时，很容易被上面坍塌体砸坏压跨，甚至造成次生安全事故，防护层施做难度大，质量难以保证，给塌方段留下质量和安全隐患。
发明内容本发明为了解决现有处理隧道塌穴施工方法存在安全风险大、施工难度大、施工质量难以保证、甚至会造成次生安全事故等问题，提供一种处理隧道塌穴的施工方法。本发明是采用如下技术方案实现的一种处理隧道塌穴的施工方法，包括以下步骤A采用临时套拱加固临近塌方段初期支护临时套拱依据隧道断面大小采用型钢弯制，用径向锚杆和连接筋固定临时套拱钢架，使套拱钢架紧贴初期支护轮廓线；有效控制塌方范围向隧道成形段进一步发展，也给后续处理提供了一定的安全保障，临时套拱也便于以后拆除；B喷射混凝土封闭坍塌面待塌穴内坍塌面稍微稳定后，利用机械手及时沿塌穴轮廓线对坍塌面进行喷射混凝土封闭，喷射混凝土标号不低于C20，厚度不少于10cm;对坍塌面及时进行喷射混凝土封闭，可有效控制塌方范围的继续扩大，尽快使坍塌面稳定，为后续处理提供安全保障；C利用洞碴堆造作业平台将塌穴范围内用洞碴堆造台阶式作业平台；D堆码砂袋造胎膜在作业平台上堆码砂袋，使其形成一个比隧道开挖轮廓线大30cm的弧形实体胎膜，在堆码砂袋胎膜时要预留混凝土泵送管和排气管、混凝土高度检测管和缓冲层高度检测管各一根；堆积洞碴造平台，堆码砂袋造胎模，可及时縮小塌穴空间，有利于坍塌面稳定；另外，取材方便，成本低、施工速度快，机人合作可有效提高工作效率降低安全3风险；E在胎膜上方泵送灌注混凝土通过预留混凝土泵送管泵送混凝土，形成混凝土固结圈，混凝土塌落度控制在140160mm;洞碴平台和砂袋胎膜支撑稳定，安全可靠，可确保混凝土厚度和灌注方量达到要求；F在步骤E形成的混凝土固结圈上增设缓冲层通过混凝土泵送管在混凝土固结圈上面灌注由粉煤灰与砂按重量比1:2混合成的拌合料，形成缓冲层，拌和料塌落度控制在140160mm，缓冲层厚度不小于80cm;缓冲层可有效抵抗高处坍塌巨石对混凝土固结圈的损伤，砂袋胎膜易拆除，便于后续施工；G当混凝土固结圈达到强度后，对塌方段进行开挖首先挖除上弧导砂袋胎膜，并施做上导初期支护，上弧导砂袋胎膜的开挖循环进尺为5080cm;然后左右交错开挖中下导并施做中下导初期支护；洞身开挖支护成形后，开挖仰拱并浇筑仰拱混凝土；仰拱施工完毕后，拆除临时套拱，并尽快施做塌方段二次衬砌；按照上述步骤不断循环，实现塌方段的开挖；塌方段洞身严格按台阶法标准进行开挖支护，严格按"短进尺、强支护、快闭合、紧衬砌"的施工原则进行作业，台阶法的具体开挖步骤是本领域普通技术人员所熟知的；H塌方段两头按塌方段施工的初期支护及衬砌标准加强过度，过度段长度不小于5m，以确保塌方段两头施工安全，消除塌方影响。上述步骤A中，临时套拱以波浪式喷射混凝土覆盖套拱钢架，这样，既可保证临时套拱具备支护能力，也便于以后拆除；上述步骤D中，混凝土泵送管出口高度最高距顶部岩面不小于30cm，最低高度要满足灌注高度，排气管出口高度高出缓冲层不小于30cm，最高距顶部岩面不小于10cm;混凝土高度检测管和缓冲层高度检测管出口最好位于拌和物不宜流到处，以确保整体灌注效果。为了防止因混凝土及粉煤灰和砂的拌合料的灌入使塌穴内形成密封高压，导致灌注困难，必须设置排气管；为了准确判定灌注是否达到要求高度，必须设高度检测管。混凝土泵送管、排气管、混凝土高度检测管和缓冲层高度检测管的设置是否合理是保证本工法施工质量的关键，其数量可根据实际需要进行预留。采用本发明所述的施工方法，隧道塌方形成塌穴后，首先对邻近塌方段初期支护采用临时套拱加固，防止塌方范围向隧道成形段进一步发展；待塌穴坍塌面稍微稳定后，利用机械手及时对坍塌面进行喷射混凝土封闭，控制塌方范围继续扩大，使坍塌面尽快稳定，为后续处理提供安全保障；利用挖掘机在塌穴范围内用洞碴堆造作业平台，在平台上堆码砂袋，使其形成一个比隧道开挖轮廓大30cm的弧形实体胎膜；通过预留混凝土输送管灌注混凝土，将塌穴灌满或达到安全厚度形成混凝土固结圈，再在混凝土上面灌注粉煤灰和砂形成的拌合料，形成缓冲层；混凝土强度达到后，按"短进尺、强支护"的施工原则掏挖砂袋，施做洞身支护体系；塌方段两头初期支护及衬砌按塌方段标准向前过度一段，不留安全质量隐患以顺利通过塌方段。本发明所述的施工方法适应所有隧道塌穴处理，通过临时套拱加固临近塌方段、利用机械手喷射混凝土封闭坍塌面、堆碴造平台、码砂袋造胎膜的快速封堵、人机合作有效规避了次生安全风险，泵送混凝土和粉煤灰+砂拌合料便于控制施工质量，使洞顶形成足够强足够大的保护实体，在混凝土保护层下进行洞身开挖支护，安全可靠，不会给塌方段留下质量和安全隐患，另外，取材方便，成本低廉，采用本施工方法与传统方法相比，处理每延米同等程度隧道塌穴要节省材料费30%、安全风险费50%、工费20%，具有快速、安全、经济、不留隐患等特点，具有一定的推广价值。图1为本发明的施工工艺流程方框图；图2为本发明处理隧道塌穴的施工工序图；图3为本发明监控量测测点布置图；图中l-塌穴轮廓线；2-作业平台；3_胎膜；4_隧道开挖轮廓线；5_混凝土泵送管；6_排气管；7-混凝土高度检测管；8-缓冲层高度检测管；9-混凝土固结圈；10-缓冲层；11-上弧导砂袋胎膜；12-中导A;13-中导B;14-下导C;15_下导D;16_仰拱E。具体实施例方式—种处理隧道塌穴的施工方法，包括以下步骤A采用临时套拱加固临近塌方段初期支护隧道发生塌方时首先将人员设备撤离到安全地段，待塌方形成塌穴稍微稳定后，立即组织人员对临近塌方段初期支护采用临时套拱进行加固，防止塌方范围向隧道成形段进一步发展；临时套拱采用116以上型钢弯制，用径向锚杆和连接筋固定临时套拱，使套拱钢架紧贴初期支护轮廓线，局部缝隙用木楔契紧，临时套拱以波浪形式喷射混凝土覆盖套拱钢架；B喷射混凝土封闭坍塌面待塌穴内坍塌面稍微稳定后，利用机械手及时沿塌穴轮廓线1对坍塌面进行喷射混凝土封闭，喷射混凝土标号不低于C20，厚度不少于10cm;为了确保施工安全，在塌穴内进行喷射混凝土作业最好使用机械手作业，对够得到的坍塌面尽可能全部进行封闭；C利用洞碴堆造作业平台2:利用挖掘机在塌穴范围内用洞碴堆造台阶式作业平台，作业平台宽度高度以便于作业和满足三层以上砂袋胎膜厚度为易；D堆码砂袋造胎膜3:在作业平台上人工配合挖掘机堆码砂袋，使其形成一个比隧道开挖轮廓线4大30cm的弧形实体胎膜(砂袋胎膜轮廓线一定要比隧道开挖轮廓线大，且大致圆顺，留有足够的下沉量，防止塌穴灌注混凝土下沉侵入开挖轮廓限界)，如果塌方段太长，为了便于作业，也可分段堆造作业平台和堆码砂袋造胎膜。在堆码砂袋胎膜时要预留(p20混凝土泵送管5和(pl0排气管6、混凝土高度检测管7和缓冲层高度检测管8各一根；混凝土泵送管5出口高度最高距顶部岩面不小于30cm，最低高度要满足灌注高度；排气管6出口高度高出缓冲层不小于30cm，最高距顶部岩面不小于10cm，混凝土高度检测管和缓冲层高度检测管出口最好位于拌和物不宜流到处，以确保整体灌注效果。上述堆碴造平台时，分层堆筑，挖掘机斗捣实，堆码砂袋造胎膜时要堆码密实，防止在灌注混凝土时引起胎膜大量下沉；E在胎膜上方泵送灌注混凝土通过预留混凝土泵送管5泵送C20混凝土，形成混凝土固结圈9，小型塌穴可用混凝土直接灌满，大型塌穴混凝土灌注高度高于拱顶200cm以上，即可满足洞身安全和稳定需要。混凝土塌落度控制在140160mm，确保其流动性和和易性，在灌注过程中要时刻关注砂袋胎膜，以防混凝土外露，通过预埋的混凝土高度检测管看是否有混凝土流出，即可判定混凝土灌注高度是否达到要求高度；F在混凝土固结圈上增设缓冲层通过混凝土泵送管5在混凝土固结圈上面灌注由粉煤灰与砂按重量比l:2混合成的拌合料，形成缓冲层IO，可有效抵抗高处塌落巨石对混凝土固结圈造成损伤。拌和料塌落度控制在140160mm，确保其流动性和和易性，通过预埋缓冲层高度检测管看是否有拌和料流出，即可判定缓冲层灌注高度是否达到要求高度，缓冲层厚度不小于80cm;G当混凝土固结圈9达到强度后，对塌方段进行开挖首先挖除上弧导砂袋胎膜ll，并施做上导初期支护I部，上弧导砂袋胎膜的开挖循环进尺为5080cm;然后左右交错开挖中下导并施做中下导初期支护；洞身开挖支护成形后，开挖仰拱并浇筑仰拱混凝土；仰拱施工完毕后，拆除临时套拱，并尽快施做塌方段二次衬砌；按照上述步骤不断循环，实现塌方段的开挖；具体步骤如下a、当混凝土固结圈强度达到后，按"短进尺、强支护"的施工原则，挖除上弧导砂袋胎膜，并施做初期支护I部，初期支护钢架依据隧道断面大小采用116以上型钢弯制，钢架间距5080cm，系统锚杆、连接筋、钢筋网、喷射混凝土标号和厚度按设计或规范施做；b、上弧导超前35m开始中导施工，交错开挖中导A(12)和中导B(13)，并施做中导初期支护II部和III部，左右两部先后交错不得小于2m，每次施工长度不得超过两榀拱架(100160cm);c、中导超前35m开始下导施工，交错开挖下导C(14)和下导D(15)，并施做中导初期支护IV部和V部，左右两部先后交错不得小于2m，每次施工长度不得超过两榀拱架(100160cm);d、中下导基岩开挖尽可能采用人工风镐配合机械开挖，必要时采取微震动控制爆破开挖，中、下导初期支护要求同上导初期支护；e、洞身开挖支护成形后，即时进行仰拱施工，仰拱施工一次开挖仰拱E(16)和浇筑混凝土VI，长度不得超过3m。基岩开挖尽可能采用人工风镐配合机械开挖，必要时采取微震动控制爆破开挖。仰拱初期支护、仰拱和仰拱填充混凝土要分层整幅浇筑，混凝土强度满足设计要求；f、仰拱施工完毕后，拆除临时套拱，并尽快施做塌方段二次衬砌VII，二次衬砌采用全断面液压衬砌台车整体浇筑。塌方段二次衬砌按照V级围岩要求需配筋加强，环向主筋直径不宜小于18mm，间距不宜大于20cm，纵向钢筋直径不宜小于12mm，间距不宜大于30cm，层间距不宜小于30cm。H塌方段两头按塌方段施工的初期支护及衬砌向前加强过度，过度段长度不小于5m。在上述工艺过程中，监控测量工作必须紧跟开挖、支护作业进行布点和监测，量测数据运用工程类比法及时分析、反馈，调整支护参数，以保证施工和结构安全，具体做法如下在临近塌方段lm、5m、10m处和塌方段每隔5m布一组量测断面，每个断面布置一个拱顶下沉量测点和两条水平净空收敛量测基线。测点布置见图3，其中a为拱顶下沉量测点，b、c分别为两条水平净空收敛量测基线。净空水平收敛量测和拱顶下沉量测采用相同的量测频率。量测频率见表1，实际量测频率从表中根据变形速度和距开挖工作面距离选择较高的一个量测频率。水平收敛量测采用激光断面仪进行量测，开挖后按要求迅速安装测点并编号，在开挖后12h内读取初读数。拱顶下沉量测采用激光断面仪和精密水准仪、收敛计、铟瓦尺进行量测，喷射混凝土后迅速在拱顶设点。表1量测频率表<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>为了进一步证明该施工方法的有益效果，申请人列举以下工程实例加以证明实例1:塌方情况旧堡隧道进口2008年5月29日掌子面开挖至DK26+857，下导左侧开挖至DK26+842、右侧开挖至DK26+844。DK26+829+841段拱顶偏左lm初期支护突然遭到破坏，发生塌方，塌体为泥土夹碎石、块石，顶部有渗水，最后形成一个垂直线路宽5m、平行线路长度12m、高6-8m的塌穴。原因分析DK26+829+841段位于F10断层破碎带，F10断层破碎带宽35m，向线路左侧倾斜，倾角约75°，与洞身斜交于DK26+800+841处，交角约510°，断层充填物为黄泥夹角砾状碎块，有股状、线状出水，断层影响带岩体受挤压破碎呈松散状结构，稳定性较差。尽管初期支护已采用I18型钢钢架加强，当下导开挖后，上中导初期支护不足以承受围岩侧压力，导致初期支护破坏，形成塌方。塌方处理采用本发明所述施工步骤。经施工之后半年多观测，塌方段安全可靠，未留下任何安全和质量隐患。实例2:塌方情况旧堡隧道一号斜井集宁端2008年6月18日施工到DK28+396.5，21:40掌子面前方突然向外坍塌涌出，导致DK28+395+396.5段初期支护跨塌，DK28+395+405段塌方，形成一个长10m、宽15m、高5m的塌穴。坍塌体以碎块角砾状为主，坍塌面光滑，基岩裂隙水发育，呈多股状沿岩壁流下。原因分析设计从DK28+370进入F3断层影响带，由于受多期构造运动叠加围岩节理发育，节理面光滑且夹有软泥，岩体破碎，呈碎石状压碎结构，构造裂隙水和基岩裂隙水发育，局部具有承压性。围岩自稳能力差，尽管初期支护已采取加强措施120型钢，钢架间距5080cm，拱部增设①42超前小导管注浆加固地层并堵水，仍不足以抵抗围岩变形应力，导致初期支护跨塌形成塌方。塌方处理采用本发明所述施工步骤。经施工之后半年多观测，塌方段安全可靠，未留下任何安全和质量隐患。权利要求一种处理隧道塌穴的施工方法，其特征包括以下步骤A采用临时套拱加固临近塌方段初期支护临时套拱依据隧道断面大小采用型钢弯制，用径向锚杆和连接筋固定临时套拱钢架，使套拱钢架紧贴初期支护轮廓线；B喷射混凝土封闭坍塌面待塌穴内坍塌面稍微稳定后，利用机械手及时沿塌穴轮廓线(1)对坍塌面进行喷射混凝土封闭，喷射混凝土标号不低于C20，厚度不少于10cm；C利用洞碴堆造作业平台(2)在塌穴范围内用洞碴堆造台阶式作业平台；D堆码砂袋造胎膜(3)在作业平台(2)上堆码砂袋，使其形成一个比隧道开挖轮廓线(4)大30cm的弧形实体胎膜，在堆码砂袋胎膜时要预留混凝土泵送管(5)和排气管(6)、混凝土高度检测管(7)和缓冲层高度检测管(8)；E在胎膜上方泵送灌注混凝土通过预留混凝土泵送管(5)泵送混凝土，形成混凝土固结圈(9)，混凝土塌落度控制在140～160mm；F在步骤E形成的混凝土固结圈上增设缓冲层通过混凝土泵送管(5)在混凝土固结圈上面灌注由粉煤灰与砂按重量比1∶2混合成的拌合料，形成缓冲层(10)，拌和料塌落度控制在140～160mm，缓冲层厚度不小于80cm；G当混凝土固结圈(9)达到强度后，对塌方段进行开挖首先挖除上弧导砂袋胎膜(11)，并施做上导初期支护，上弧导砂袋胎膜的开挖循环进尺为50～80cm；然后左右交错开挖中下导并施做中下导初期支护；洞身开挖支护成形后，开挖仰拱并浇筑仰拱混凝土；仰拱施工完毕后，拆除临时套拱，并尽快施做塌方段二次衬砌；按照上述步骤不断循环，实现塌方段的开挖；H塌方段两头按塌方段施工的初期支护及衬砌标准加强过度，过度段长度不小于5m。2.根据权利要求1所述的一种处理隧道塌穴的施工方法，其特征是上述步骤A中，临时套拱以波浪形式喷射混凝土覆盖套拱钢架。3.根据权利要求1或2所述的一种处理隧道塌穴的施工方法，其特征是上述步骤D中，混凝土泵送管(5)出口高度最高距顶部岩面不小于30cm，最低高度要满足灌注高度，排气管(6)出口高度高出缓冲层不小于30cm，最高距顶部岩面不小于10cm。全文摘要本发明涉及隧道施工领域，具体为一种处理隧道塌穴的施工方法，解决现有方法存在安全风险大、施工难度大、施工质量难保证等问题，对邻近塌方段初期支护采用临时套拱加固；塌穴坍塌面稳定后，对坍塌面进行喷射混凝土封闭；在塌穴范围内用洞碴堆造作业平台，平台上堆码砂袋，形成弧形实体胎膜；通过预留混凝土输送管灌注混凝土，形成混凝土固结圈，再在混凝土固结圈上面灌注砂和粉煤灰拌合料，形成缓冲层；混凝土固结圈强度达到后，开挖施做洞身支护体系。施工安全可靠，不会给塌方段留下质量和安全隐患；取材方便，成本低廉，与传统方法比，处理每延米同等程度隧道塌穴节省材料费30％、安全风险费50％、工费20％，具有快速、安全、经济、不留隐患特点。文档编号E21D9/12GK101781990SQ200910261829公开日2010年7月21日申请日期2009年12月30日优先权日2009年12月30日发明者张建伟,徐铁卫,王利民,田晓峰申请人:中铁十二局集团有限公司;中铁十二局集团第二工程有限公司