CN106246194A - 隧道冒顶片帮的加固处治方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种隧道冒顶片帮的加固处治方法，包括以下步骤：⑴、构造塌腔：在初次衬砌和冒顶片帮轮廓面之间构造封闭的塌腔，设置穿透初次衬砌的轻质材料注入管、通气管和注浆管；⑵、塌腔处治：经轻质材料注入管向塌腔内注入轻质材料，再经注浆管向塌腔内注入水泥浆，固化。本发明借助既有隧道初次衬砌骨架，通过构造的方法，在初次衬砌和冒顶片帮轮廓面之间形成封闭的塌腔，通过事先安设的三种钢管，填充轻质材料，选择时机进行注浆，在塌腔内形成饱满密实的固结体，实现隧道冒顶片帮后的加固处治，从根本上解决隧道结构完整问题和避免应力集中。

Description

隧道冒顶片帮的加固处治方法

技术领域

本发明涉及隧道加固技术领域，尤其是一种隧道冒顶片帮的加固处治方法。

背景技术

隧道施工过程中，冒顶片帮部位该如何有效治理一直是一个困扰施工现场的技术难题。常见的处理方法有两种：

一种方法是直接采取措施，加固填补冒顶片帮部位直至恢复到设计轮廓面，然后继续按原计划施工（如施作初次衬砌），这样处治的弊端很多：施工过程中安全风险大（如加固层重力影响和工作面下施工安全问题等），停工处治影响进度，大量耗费工程成本（如加固层和轮廓面的结构锚固***、为保证安全施工采取的轮廓面临时加固***、工作台临时加高工作等），该方法普遍采用，但综合处治效果并不理想。

另一种是非正常处理措施，即不予处治，任由形成空腔、空洞，形成永久性隐患（该处如无施工记录，则只能在后期仪器检测中才能发现空洞），这显然是严重违规的。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提出一种隧道冒顶片帮的加固处治方法，操作简单易行，在保证质量的情况下显著地提高了治理过程的安全性。

为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：一种隧道冒顶片帮的加固处治方法，包括以下步骤：

⑴、构造塌腔：在初次衬砌和冒顶片帮轮廓面之间构造封闭的塌腔，设置穿透初次衬砌的轻质材料注入管、通气管和注浆管；

⑵、塌腔处治：经轻质材料注入管向塌腔内注入轻质材料，再经注浆管向塌腔内注入水泥浆，固化。

进一步地，构造塌腔中，轻质材料注入管、通气管和注浆管的下端均露出初次衬砌，不少于5cm，露出的管口均用薄钢板焊接封口。

进一步地，构造塌腔中，冒顶片帮轮廓面为喷射混凝土进行固化的轮廓面。

进一步地，构造塌腔中，对塌腔内的轻质材料注入管、通气管和注浆管进行管位固定。

进一步地，构造塌腔中，塌腔内初次衬砌钢筋网片上挂双层钢丝筛网。

进一步地，钢丝筛网的孔径不大于1.5 mm×1.5 mm；层距为20～40mm。

进一步地，轻质材料为粉煤灰。

进一步地，塌腔处治中，轻质材料注满整个塌腔后，封死轻质材料注入管和通气管。

进一步地，塌腔处治中，水泥浆包含：质量比1：1的水泥：水、掺水泥量2%的早强剂、掺水泥量1/10000的铝粉膨胀剂和掺水量2%的801胶。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：通过本发明在工程实践中的应用、监控量测数据分析和后期的地质达检测分析来看，该发明理念符合隧道设计和施工理念，发明要点的操作程序、工序过程均符合规范要求和施工工艺要求，方法简单易行，在保证质量的情况下显著地提高了治理过程的安全性，和传统工艺相比大幅节约了工程成本和工期，取得了显著的处治效果和综合效益，因此，该创新方法为一种安全、可靠、先进的处治方法。

1、本发明理念科学，思路清晰，实施简单方便，易于实现冒顶片帮全过程控制，处治过程和效果符合规范要求和施工要求。

2、本发明形成完整的方法具有科学性，是安全、可靠、先进的处治方法，可以有效避免传统方法对隧道冒顶片帮轮廓面的扰动、加固层重力影响、工作面下长时间施工等重大安全影响。

3、和传统方法比较大幅度减少了加固层和轮廓面的结构锚固***、为保证安全施工采取的轮廓面临时加固***、工作台临时加高等工作，大量节约工程成本。轻质材料和注浆材料等均为工程常用建材，和逐层喷射混凝土比较价格低廉，且大量节约人工和机械。

4、和传统方法比较避免了掌子面停工处治而影响总进度，只是在拱架施做基础上增加了简单、易于操作的管路布置等工作，后期轻质材料注入和注浆可选用机动时间完成，不影响工期，提高了工作效率。

5、具有可靠地工作质量和结构质量，具有显著的处治效果和综合效益。

附图说明

图1为本发明隧道开挖后片帮冒顶轮廓面；

图2为借助初衬构造形成塌腔结构示意图；

图3为本发明轻质材料注入管、通气管、注浆管布设图；

其中：1隧道开挖轮廓面、2隧道片帮冒顶轮廓面、3隧道初衬拱架（钢拱架或钢拱架+连接筋+钢筋网片）、4塌腔、5轻质材料注入管、6通气管、7注浆管、8钢板、9注浆孔眼、10双层钢丝网。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细描述，本部分的描述仅是示范性和解释性，不应对本发明的保护范围有任何的限制作用。

一种隧道冒顶片帮的加固处治方法，在充分论证冒顶片帮部位围岩稳定的基础上，采用喷射混凝土封闭掌子面和塌腔裸露岩面，防止隧道轮廓面进一步风化影响围岩稳定性；然后借助既有隧道初次衬砌骨架，通过构造的方法，使得初次衬砌和冒顶片帮轮廓面形成封闭塌腔，通过事先安设的三种钢管，适时进行填充轻质材料（如粉煤灰），选准时机进行注浆，从而在塌腔内形成饱满密实的固结体，实现隧道加固处治，从根本上解决隧道结构完整问题和避免应力集中的一种隧道处治施工方法。

前提：在充分论证冒顶片帮部位围岩稳定的基础上，采用喷射混凝土封闭掌子面和塌腔裸露岩面，防止隧道轮廓面进一步风化影响围岩稳定性；

阶段一：构造塌腔。借助既有隧道初次衬砌骨架，通过构造的方法，使得初次衬砌和冒顶片帮轮廓面形成封闭塌腔，事先安设轻质材料注入管、通气管和注浆管等三种钢管，施做初衬后，和冒顶片帮轮廓面通过构造的方法共同形成塌腔结构。

阶段二：塌腔处治。适时进行填充轻质材料（如粉煤灰），选准时机进行注浆，从而在塌腔内形成饱满密实的固结体，实现隧道加固处治，从根本上解决隧道结构完整问题和避免应力集中的一种隧道处治施工方法。

详细步骤描述：

一：构造塌腔：

论证围岩暂时稳定：隧道冒顶片帮后，形成了暂时稳定的轮廓面，如图1所示，包括隧道开挖轮廓面1和隧道片帮冒顶轮廓面2，在充分论证隧道片帮冒顶轮廓面2及周边围岩稳定的基础上，采用喷射混凝土封闭隧道掌子面和塌腔裸露岩面，防止裸露岩面一步风化，影响围岩稳定性。

步骤1

1、初次衬砌的锚杆***、钢拱架等施工

根据施工方案或初次衬砌加固的施工方案，施做初次衬砌外轮廓的锚杆***、初次衬砌拱架3（钢拱架或花拱架）、连接筋及钢筋网片。则施做初次衬砌后，和冒顶片帮轮廓面共同形成塌腔4，如图2所示。

2、管路布设，设置穿透初次衬砌拱架3的轻质材料注入管5、通气管6和注浆管7,布置固定完成后的管下端均出露初次衬砌不得少于5cm，出露的管口均用4mm薄钢板焊接封口。

管路布设主要借助已施做的初次衬砌拱架3的骨架布置，分别安设轻质材料（如粉煤灰）注入管5、通气管6和注浆管7,布置固定完成后的管下端均出露初次衬砌不得少于5cm，出露的管口均用4mm薄钢板8封口。轻质材料注入管5和通气管6尽量垂直布置。注浆管7靠近拱顶时尽量径向布置，靠近拱腰时尽量垂直布置。布置完成后绘制塌腔形体示图和各种管路布置图，如图3所示。

步骤2

（1）轻质材料（如粉煤灰）注入管5的布设

轻质材料注入管的作用：初次衬砌完成后注入轻质填充材料（如粉煤灰）之用。

轻质材料注入管5的制作：为Ф50mm无缝钢管，管壁不得有破损，长度因地制宜并伸直轮廓面下15cm处。

轻质材料注入管的布设：管位按2m×2m间距因地制宜尽量垂直布置。

步骤3

（2）通气管的布设

通气管的作用：注入轻质材料时供排气之用，由于构造空腔形成了封闭气囊，不设该管，轻质材料注入时会出现“气封”现象，给轻质材料注入造成困难。

通气管的制作：管径为Ф40mm无缝钢管，管壁不得有破损，长度因地制宜并伸至轮廓面下5cm处。

通气管的布设：管位按1.5m×1.5m间距因地制宜布置，尽量垂直且伸至最高塌腔处，多处排气孔顶头间隔尽量放大，不宜聚在一处，也不宜离轻质材料注入管顶端太近。

步骤4

（3）注浆管的布设

注浆管的作用：在填充的轻质材料中注浆。

注浆管的制作：管径为Ф80mm无缝钢管，长度因地制宜并伸直轮廓面下30cm处，在腔体段管壁上以间距30cm按十字方向分四排梅花间隔打眼，孔眼直径8mm，进入腔体的前40cm段不设喷浆孔。

注浆管的布设：管位按1.2×1.2m间距梅花状布置（注浆半径可通过计算确定，一般以0.6m考虑为宜）；注浆管靠近拱顶时尽量径向布置。

步骤5

（4）管道布设、隐蔽检查和绘图

以上管道布设主要是借助初次衬砌的拱架、锚杆和连接筋（或连接工字钢）完成的，必要时用Ф16的二级钢筋完成腔内管位固定，形成腔内简洁稳定的管路***。

三种管道固定完毕及时检查验收，并绘制塌腔形体图示和各种管路布置图（做好必要说明，以便轻质材料填充和注浆时使用），计算塌腔体积。

步骤6

3、初次衬砌柔性层的施做

钢拱架上一般设计有纵向、环向15×15cm的Ф6一级钢筋单层网，但当后面为冒顶片帮轮廓面时，喷射混凝土在初次衬砌骨架上挂不住，形不成壳体，喷射混凝土将会通过网格全部进入拟构造的空腔。

为此，为了保证初次衬砌施做成功和初次衬砌厚度，在初次衬砌开挖轮廓线钢筋网片上挂双层钢丝筛网10，其孔径不大于1.5×1.5mm，层距以20～40mm为宜，通过双层网有效阻止喷射混凝土通过，然后按施工工艺要求完成初次衬砌喷射混凝土施做，形成初次衬砌壳体，构造形成塌腔。施做过程中高压喷射混凝土喷浆时透过钢丝筛网的极少量松散喷射混凝土渣在重力作用下积聚起来，后期可以通过注浆使其进一步固化胶结成整体。

如果按方案拱架需加强时，注意要将拱顶、上拱腰及拱腰的通长连接工字钢封闭在初次衬砌壳体内，以保证初次衬砌的整体刚度。

按要求布设监控量测点，按要求观测数据并及时分析反馈结果。

二：塌腔处治：

4、塌腔处治施工

（1）塌腔处治的时机把握

初次衬砌背后塌腔构造形成后，距二次衬砌施工还有一段时间（一般情况下初次衬砌变形稳定需要约30d，同时喷射混凝土28d强度也会满足），因此，塌腔处治时机控制在初次衬砌完成后30～45d内比较合理，注浆完成7d后即可施作二次衬砌。

（2）做好充分的塌腔处治准备工作

合格的轻质材料（如粉煤灰）和膨胀剂（如铝粉）进场，并进行试验确定胶结膨胀率，以便充分掌握自密实效果；核对塌腔形体图示和各种管路布置图，检查标识轻质材料注入管、通气管和注浆管。

步骤7

（3）轻质材料（如粉煤灰）的注入填充

打开通气管和轻质材料注入管封口薄钢板，用高压***检查管路（通气管和轻质材料注入管）通畅。采用***法用混凝土喷射机将轻质材料（如粉煤灰）从轻质材料注入管注入塌腔，变换孔位直至填充饱满为止。在基本注满前，可根据实际情况变换孔位通过注浆管压入高压空气，促使轻质材料充满腔内、分布均匀和尽量密实。轻质材料全部填满后，封死轻质材料注入管和通气管（可留一处最高通气孔用来检查注浆情况）。采用估算空腔体积和注入轻质材料体积比较的方法来控制轻质材料注满的情况。

步骤8

（4）渗透法在轻质材料中注浆

注浆时机选择：二衬施工完毕再注浆会给二衬打眼施工带来很大困难，且有修补痕迹，更重要的初衬和二衬之间防水板破损后无法修复，给渗漏水留下很大隐患。而初衬完成30d后处治不会影响防水板和二衬施工，还会通过二衬施工前对初衬的监控量测来检核处治效果。因此，处治时机选择在初衬完成后，二衬施工前比较理想。

考虑到轻质材料比较松散、孔隙率较大的特点，采用流动性较好，结石强度较高的水泥浆混合液单液注浆，水泥：水=1：1，掺水泥量2%的早强剂，掺水泥量1/10000的铝粉膨胀剂（自密实效果由微膨胀剂铝粉实现，严格控制膨胀剂掺量，严禁超量掺加，也可以根据实际情况和试验情况选用其他种类的膨胀剂），掺水量2%的801胶（增强粘结和胶结效果）。

注浆孔口9最高压力严格控制在允许范围内，以防影响初次衬砌壳体，注浆初压控制在0.5～1.0Mpa；终压控制在2.0Mpa，保持20min后停止注浆。注浆过程中注意随时检查，谨防从相邻注浆口溢流造成孔口堵塞无法注浆。

注浆过程中采取注浆量和压力双控的措施。依次由低向高、由中向边大致对称注浆，孔口设置止浆塞及时堵口。注浆过程中随时检查初次衬砌情况,谨防出现异常；注意控制注浆压力，禁止超压注浆。

7d后即可割掉各种管路露出部分，对不饱满的各孔口凿除后用环氧树脂混凝土填实补平。

（5）塌腔处治完成后根据方案及工艺要求要求开展后续施工（如二次衬砌施工）。

通过隧道施工冒顶片帮后构造塌腔填充轻质材料（如粉煤灰）注浆加固处治实践与应用，取得了显著的处治效果和综合效益，但在采取该法时需要重点关注以下几个方面的问题：

(1) 在充分认识和掌握围岩地质岩性的基础上，判定围岩的处于稳定时，有选择有针对地采取科学的方案采用该处治措施，避免盲目套用酿成事故。

(2) 初次衬砌施作钢架前，就要确定处治方案（如，是否需要初次衬砌刚度加强等），埋设轻质材料注入管、通气管和注浆管，并绘图标识，以便后期控制轻质材料和浆液注入量。

(3) 治理过程中严格控制膨胀剂和胶结材料等的添加量，以增强固结和密实效果。过多或过少都会影响治理效果。

(4) 注浆过程中严格控制注浆压力，注意观察注浆周边隧道初次衬砌的各种异常情况。

(5) 粗糙的初期支护表面决定了初次衬砌完成后无法用地质雷达探测空洞处治效果，只能利用二次衬砌光滑的表面进行地质雷达探测，因此，要严格控制过程管理，重点控制环节为初次衬砌拱架安设、布管、轻质材料的饱满注入和浆液的注入效果等。

(6) 加强过程监控量测，及时分析和反馈量测结果，以便指导处治施工和制定应急对策。

(7) 形成塌腔较大时，轻质材料注入、注浆可分次进行，施做时结合实际情况制定完备方案实施。

(8) 治理质量的最终确认主要依据地质雷检测结果。

应用实施例

在甘肃路桥建设集团有限责任公司中标承建的宝鸡至天水高速公路BT17合同段温泉隧道和康家崖至临夏高速公路KL5、KL6合同段南阳山隧道施工过程中，进行了全面充分的应用并取得了显著的处治效果和综合效益。

1 隧道工程概况及围岩段工程地质

1.1 隧道工程概况

某高速公路隧道上、下行线为分离式双洞布置，属浅埋岩石型长隧道，双向四车道，设计行车速度为80Km/h。以新奥法原理设计和施工，采用复合式衬砌结构。

1.2 隧道地质情况

该施工段地处级围岩段，洞体围岩以微风化片麻岩为主，含少量强风化层：变晶结构、片麻状构造，节理裂隙较发育，脉体穿插，片理面结合较好，有分离现象。倾向有一定扭曲，倾角基本相同。岩体呈块石碎石状镶嵌结构，Rb=45.26～51.69MPa，Vp=3500m／s。拱部无支护时可产生局部冒顶片帮，围岩中不含地下水，节理密集分布附近有渗水，滴水现象。地应力较大，易产生岩爆，属Ⅲ级围岩。

1.3 该级围岩段设计支护情况

该Ⅲ级围岩段复合式衬砌类型为SⅢb，即初期支护为D25注浆锚杆（L=3m(纵)12O×l20(环)）、Ф6钢筋网（20×20cm）和C20喷射混凝土（厚10cm）；二次衬砌为C25模筑混凝土（拱部厚35cm）。

1.4 隧道施工情况

总的来说，该段围岩岩层和岩性较为单一，岩质较为均匀，施工中采用新奥法全断面钻爆法掘进，施工中获得了较快的掘进速度和良好的***效果。

2 隧道冒顶形成过程及处治方案分析

2.1 隧道在该III围岩段出现冒顶前的施工情况

当隧道掘进至某桩号时，拱顶部分出现弱风化片麻岩，岩体呈碎石状压碎结构，结构松散，整体性差，但围岩无渗水现象。随着掘进的深入，该软弱岩层厚度加大。依照原设计，继续按SIIIb复合式衬砌施工。遵循“短开挖、弱***、勤量测、早支护”的施工原则，每个循环进尺控制为1.2m，但为了增强围岩的稳定性，把原设计为3m的注浆锚杆改变更为4m，但数量和间距不变。施工中加强监控量测，并及时进行数据分析和反馈。

2.2 冒顶形成过程及紧急处理措施

2.2.1 冒顶形成过程

4天后，继续掘进10m后，该日上午10时发现初衬出现多条纵向裂缝，并在短时间内迅速扩张。立即启动隧道紧急预案，专职安全员指挥紧急疏散施工人员和撤离施工设备。10：32分时出现较大面积的冒顶，大冒顶后出现间断性的零量局部冒顶。直至12：30min基本稳定。拱顶冒顶高度约3m～4.5m，纵向长7.1m，两侧向下延伸2m～5m不等，横断面呈三角形，冒顶总方量约为100m3。

冒顶发生后，立即通知监理工程师、业主、设计代表现场踏勘；冒顶稳定后，对塌方情况拍照（重点为塌腔形体结构情况、地质情况和冒顶体岩性情况）、取样试验。

2.2.2紧急处理措施

为了防止冒顶面继续扩张，掌子面停工，用喷射混凝土封闭掌子面和塌腔裸露岩面；对两边侧墙加密增设了5m长注浆锚杆。

2.3 冒顶空洞产生的原因分析

该段拱顶地质变化，并随着掘进的深入软弱岩层厚度也在加大，岩体呈碎石状压碎结构，结构松散，整体性差是冒顶发生的主要原因；次要原因是地质的变化未相应采取支护参数的调整加强，原支护体系无法抵御该段的变形，应力集中直至发生破坏变形而冒顶。

2.4 冒顶现状及治理方案分析

从冒顶现状来看，掌子面未发现明显的结构变形趋势，岩面结构目前稳定；塌腔内片麻岩面结构完整，结合较好，没有分离现象，未发现渗漏滴水现象，塌腔内结构目前稳定；通过对冒顶体试验，发现岩石各项指标下降幅度不大，主要是由于岩体破碎，结构松散，整体性差的原因造成软弱的弱风化片麻岩自重过大和母体微风化片麻岩分离造成冒顶。

考虑到目前掌子面和塌腔均趋于稳定的这一特性。处治方案思路为：在掌子面和塌腔均稳定的前提下，采取加强支护的措施尽快施作塌方段初衬，将塌腔封闭，形成一个闭合的腔体（初衬背后空洞）；调整支护参数，加强初期支护结构，尽量减小对围岩的扰动下继续掘进；选择合理的时机对塌方空洞采用轻质材料（如粉煤灰）填实，然后注浆固结，防止产生应力集中。

注浆时机选择：二衬施工完毕再注浆会给二衬打眼施工带来很大困难，且有修补痕迹，更重要的初衬和二衬之间防水板破损后无法修复，给渗漏水留下很大隐患。而初衬完成30d后处治不会影响防水板和二衬施工，还会通过二衬施工前对初衬的监控量测来检核处治效果。因此，处治时机选择在初衬完成后，二衬施工前比较理想。

3、冒顶部位处理方案及施工要点

3.1 冒顶部位治方案及施工

3.2 空腔构造完成后掌子面继续掘进支护参数调整

(1) 继续掘进段支护参数参照SIVb支护方式，D25注浆锚杆（L=5m(纵)120×120(环)）、Ф6钢筋网（20×20cm）和C20喷射混凝土（厚22cm），格栅钢架间距120cm。

(2) 施工中严格遵循开挖原则，严控进尺，及时支护；加强检核注浆锚杆的注浆、锚固效果。

(3) 该过渡掘进段完成后根据围岩情况及时调整支护参数（5m的过渡段完成后，实际又调整为SIIIb支护形式）。

(4) 安全的继续掘进基本未影响工程进度，间接提高了经济效益。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种隧道冒顶片帮的加固处治方法，包括以下步骤：

⑴、构造塌腔：在初次衬砌和冒顶片帮轮廓面之间构造封闭的塌腔，设置穿透初次衬砌的轻质材料注入管、通气管和注浆管；

⑵、塌腔处治：经轻质材料注入管向塌腔内注入轻质材料，再经注浆管向塌腔内注入水泥浆，固化。

2.如权利要求1所述隧道冒顶片帮的加固处治方法，其特征在于：构造塌腔中，轻质材料注入管、通气管和注浆管的下端均露出初次衬砌，不少于5cm，露出的管口均用薄钢板焊接封口。

3.如权利要求1或2所述隧道冒顶片帮的加固处治方法，其特征在于：构造塌腔中，冒顶片帮轮廓面为喷射混凝土进行固化的轮廓面。

4.如权利要求1所述隧道冒顶片帮的加固处治方法，其特征在于：构造塌腔中，对塌腔内的轻质材料注入管、通气管和注浆管进行管位固定。

5.如权利要求1所述隧道冒顶片帮的加固处治方法，其特征在于：构造塌腔中，塌腔内初次衬砌钢筋网片上挂双层钢丝筛网。

6.如权利要求5所述隧道冒顶片帮的加固处治方法，其特征在于：钢丝筛网的孔径不大于1.5 mm×1.5 mm；层距为20～40mm。

7.如权利要求1所述隧道冒顶片帮的加固处治方法，其特征在于：轻质材料为粉煤灰。

8.如权利要求1或7所述隧道冒顶片帮的加固处治方法，其特征在于：塌腔处治中，轻质材料注满整个塌腔后，封死轻质材料注入管和通气管。

9.如权利要求1所述隧道冒顶片帮的加固处治方法，其特征在于：塌腔处治中，水泥浆包含：质量比为1：1的水泥：水、掺水泥量2%的早强剂、掺水泥量1/10000的铝粉膨胀剂和掺水量2%的801胶。