帽檐式钢架在隧道拱顶塌方处理中的应用

刘周礼，宁德好，牛瑞强

（中交一航局第三工程有限公司，辽宁 大连 116001）

1 工程概况

新建合福铁路客运专线闽赣Ⅱ标段棋盘山隧道全长1 758.13 m，隧道进口里程为DK440+700，隧道出口里程为DK442+48.13，为单洞双线隧道，左右线间距为5 m，隧道沿线路坡度为2%。该隧道地处江西省上饶境内，洞身地层岩性多变、地质结构复杂，围岩软弱，Ⅴ级围岩1 128.13 m，占隧道长度的64%，Ⅳ级围岩465 m，占隧道长度26%，Ⅲ级围岩165 m，占隧道长度26%，设计施工风险等级高，施工难度大，在岩性接触带处极易出现塌方及涌水事故。

2 坍塌情况

2012年3月13日隧道进口掌子面DK441+055里程处爆破后发生拱顶坍塌，现场人员及时撤离未出现伤亡事故，经过勘察坍塌处为岩性接触带，围岩为寒武系下统荷塘组碳质页岩夹煤干石，中间夹层为强风化页岩，局部风化成土状，坍塌后伴有大量的裂隙水涌出，平均每天流水量约1 500 m3，拱顶坍塌成一个倒V字型，塌方体沿线路方向长度约3 m，垂直线路方向宽度约为10 m，塌方体高度约6 m。

3 处理方案选择

事发后项目部与设计、业主、监理单位对现场进行了勘察，现场设计给出塌腔内预埋泵管，采用洞身长管棚越过坍塌区后利用泵送混凝土对塌腔回填的方案。考虑到管棚钻机租赁调运耗时且洞身管棚施工复杂，将贻误坍塌段处理的最佳时机，围岩应力释放后极易引起二次坍塌，存在较大的安全隐患，并且严重制约工程施工进度。

为充分利用现场现有的设备及材料，研究确定经济、安全、快速的处理方案，项目部施工人员集思广益，根据洞身长管棚超前支护的作用原理，研究提出超前小导管加帽檐式钢架组合的超前支护方式进行塌方段施工处理，即对坍塌区裸露围岩进行喷射混凝土封闭后，打设超前小导管注浆加固前方围岩，制作安装帽檐式钢架，铺设钢筋网片，预埋泵管，喷射混凝土封闭如此循环施工穿越坍塌区，该方案获得批准，如图1所示。

图1 超前小导管加帽檐式钢架组合超前支护方式施工示意图

4 施工方法

4.1 施工工序

施工工序为：施工前准备→坍塌区初喷→超前小导管施工→帽檐式钢架制作→帽檐式钢架安装→钢筋网片安装→预埋泵管埋设→喷射混凝土施工→下一循环施工→坍塌区混凝土回填。

4.2 坍塌区裸露围岩初喷

初喷的厚度控制在5～10 cm，由于部分坍塌面有渗流水，喷射混凝土拌合之前通知试验室调整施工配合比，将原配合比（水泥∶砂∶细骨料∶水 ∶减水剂 ∶速凝剂为 442∶862∶850∶190∶4.42∶13.26）中水泥和速凝剂用量适当调整，调整后的配合比为 485∶835∶830∶190∶4.78∶18.4。

考虑到施工人员的施工安全，将喷浆头进行加长改进，施工人员站在开挖台架上对坍塌裸露面进行喷射混凝土施工。

4.3 超前双层小导管施工

1） 小导管加工

小导管采用φ50壁厚4 mm的热轧无缝钢管，导管单根长4.5 m，小导管的间距为30 cm，由于小导管穿越坍塌空腔区，因此悬空段不留注浆孔，嵌入围岩段设孔径为10 mm，孔间距15 cm的注浆孔，呈梅花形布置。

2） 钻孔施工

小导管在打孔前，按设计要求划出小导管的位置，并标明清楚。采用凿岩风钻打孔，成孔直径φ60，孔口钻眼偏差小于50 mm。每间隔一榀钢架打设一循环超前小导管，小导管在坍塌区形成一个棚式的缓冲结构。

3）小导管安装及孔口密封处理

“沉鱼落雁”是形容女子容貌非常美丽的意思，是一种夸张的修辞方法，鱼儿见到美女就为之沉到水底，大雁见到美女就为之降落到沙洲。可见这个成语不是说“要把鱼儿沉到水里去，要把大雁打到地上来”，而是说美人长得太美了，容貌美得“使得鱼儿沉到水里去，使得大雁从天上落到地上来”。可以看出这个成语中“沉”和“落”这两个动作行为的发出者是“鱼”和“雁”。

小导管用钻机顶进，打入后用高压风将小导管内砂石等吹出，小导管尾部置于钢架腹部，增加共同支护能力，导管穿越坍塌区后深入掌子面岩中深度不小于1.5 m，在小导管嵌入掌子面末端处焊上φ6加劲箍再用胶泥麻筋缠箍成楔形，使小导管外壁与孔岩壁间隙堵塞严密，靠近钢架端小导管尾部设止浆塞，超前小导管安装如图2所示。

图2 超前小导管安装示意图

4） 小导管注浆

注浆采用水泥浆液水灰比为1∶1（重量比），注浆材料满足下列要求：浆液的流动性好，易注入地层；固结后收缩小，具有良好的黏结力和较高的早期强度；结石体透水性低，抗渗性能好等。

注浆前应进行压水试验，检测机械设备是否正常，管路连接是否正常，为加快注浆速度和发挥设备效率，可采用群管注浆（每次3～5根）。导管孔口应达到密闭标准，以防漏浆，然后采用注浆机注浆，注浆压力为0.5～1.0 MPa，注浆量达到设计注浆量或当注浆压力达至设计终压不少于20 min，进浆量仍达不到注浆终量时，便可结束注浆。注浆结束后，将管口封堵，以防浆液倒流管外。

4.4 帽檐式钢架制作及安装

1）帽檐式钢架制作

为了确保隧道结构整体安全，增强支护结构设计参数采用I22a工字钢作为初期支护钢架，钢架间距为0.4 m，支护钢架加工应考虑预留变形量及帽檐钢架安装空间，故将钢架半径调整为7.4 m，增大了40 cm。上台阶的钢架按照3节进行加工，钢架之间采用连接板及螺栓进行连接，连接板的厚度为16 mm，尺寸为280 mm×280 mm，各单元采用M27、6.8级高强度螺栓连接；帽檐钢架采用与主体钢架同等材料I22a工字钢制作，长度为1 m；垂直焊接在支护钢架上，焊接长度为110 mm，采用双面满焊，帽檐钢架间采用φ22钢筋网片进行铺设，钢筋网片的间距为5 cm×5 cm，钢筋网片和帽檐钢架之间采用焊接的方式进行连接，如图3所示。

图3 帽檐式钢架示意图

2）帽檐式钢架安装

第一榀帽檐式钢架架立安装时，利用原有初支面进行钢架支立，采用装载机配合人工进行，施工人员站在已经支护完的初支面下，先将钢架平移至开挖台架上，人工将钢架架设在设计的位置，然后采用钢管进行支撑，同时连接钢架之间的连接螺栓，螺栓连接完毕后打设锁脚钢管，锁脚钢管长度为5 m，锁脚钢管与钢架采用φ22的U型钢筋连接。

4.5 坍塌区空腔泵管的埋设

由于坍塌处在初期支护背后会形成空洞，对隧道结构产生严重的安全隐患，坍塌空腔必须采用混凝土或者其他轻型材料填充密实，钢架支立时需在钢架上事先预留泵送混凝土的泵管，泵管沿线路方向布置埋设3根，长度分别为1 m、6 m、3 m；泵管与钢架采用焊接连接，如图4所示。

图4 泵管埋设示意图

4.6 坍塌区混凝土泵送回填

钢架支立完毕后立即进行喷射混凝土的施工。喷射混凝土的配合比仍然采用初喷时的配合比，加大喷射混凝土的粘结力和凝固速度。第一榀帽檐式钢架施工时，施工人员站在已支护完的钢架下进行喷射混凝土施工，下榀帽檐式钢架施工时，施工人员站在第一榀钢架的帽檐下施工，以此循环施工将坍塌区安全穿越。待初支混凝土封闭后，对空腔区进行混凝土泵送施工。

考虑到一次性填充完毕混凝土对钢架的压力太大，带来次生安全隐患，施工中应分3次填充坍塌空腔，第一层通过1 m的预埋泵管向空腔内泵送1 m高的C20混凝土，待第一层混凝土泵送完成3 d后通过3 m的预埋泵管向空腔内泵送第二层混凝土，待混凝土凝固后通过6 m的预埋泵向空腔内泵送细沙，将整个坍塌空腔回填密实。

4.7 坍塌区处理施工要点

1）塌方区必须基本稳定后方可对坍塌体进行清理，并及时对裸露围岩进行初喷，减少围岩的风化程度，避免二次坍塌事故发生。

2） 由于坍塌体发生伴随着大量裂隙水的涌出，因此进行初喷时要加大喷射混凝土的水泥和速凝剂用量，加快喷射混凝土的凝固速度。

3）对坍塌区支护结构进行设计加强并且加大预留沉降量。

4）初期支护施工完毕后及时对坍塌空腔进行混凝土回填，使混凝土与坍塌腔壁围岩有效结合，避免拱顶再次坍塌对支护结构产生被动压力。

5）塌腔内混凝土必须分层泵送回填，禁止一次性泵送到位，减少混凝土对初期支护钢架的压力，产生次生安全隐患。

6）施工过程中必须加大掌子面区域内的初期支护监控频率，如果发现沉降量较大时应及时停止施工并采取相应的措施。

7） 隧道施工过程中要加强隧道超前地质预报，根据超前地质预报指导现场施工。

5 结语

棋盘山隧道进口拱顶小范围坍塌区成功的穿越，充分验证了超前小导管加帽檐式钢架组合超前支护施工方法的可行，并且获得了较好的工程效果，希望对类似工程起到一定借鉴作用。

[1] 张志恒.合肥至福州铁路客运专线（闽赣段）土建工程HFMG-2标总体实施性施工组织设计[R].大连：中交一航局第三工程有限公司，2010.

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[3] 俞文生，彭蓉蓉.九岭山高地应力板岩隧道坍塌处理技术[J].公路隧道，2008（3）：21-24.

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