裂隙巖溶地層中斜井圍巖支護措施研究

(中鐵十八局集團第二工程有限公司，河北 唐山 064000)

1 工程概況

香爐山隧洞2號施工斜井由水平段、井身段及井底車場段3部分組成，總長1255.50m(包括井底分岔斜井)。其中，井頸段長5m；井身段長1152.52m，斜井與主洞水平投影夾角36.77°；井底車場為水平段，長70m；另有一條通往主洞下游的岔洞，長27.98m。斜井為城門洞形，凈斷面尺寸6.5m×6.0m(寬×高)，井底車場段、岔洞段凈斷面尺寸6.5m×10.0m(寬×高)。

香爐山隧洞2號施工斜井施工重難點與關(guān)鍵施工主要體現(xiàn)在以下兩方面：?斜井末端穿越龍蟠-喬后F10-1斷裂帶，圍巖穩(wěn)定性較差，存在工程抗震及抗剪斷問題；?斜井主體穿越三疊系中統(tǒng)(T2a)片巖夾變質(zhì)砂巖，該類巖組可視為裂隙型網(wǎng)狀水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)，地下水運動受裂隙網(wǎng)絡(luò)發(fā)育特征及其滲透性控制，施工期間非常規(guī)排水量大。

2號施工斜井主要工程量：洞挖石方66824m3，系統(tǒng)錨桿15878根，鋼支撐594.78t，噴射混凝土支護4594m3，混凝土襯砌14524m3,鋼筋1333.49t，固結(jié)灌漿14308m，超前注漿鉆孔21658m，地下超排水250萬m3，以及試驗研究施工配合，便道、臨時設(shè)施工程，水土保持，環(huán)境保護等。本文以此工程為例，對裂隙巖溶地層中斜井圍巖支護進行分析和探討。

2 涌水特征分析

通過對斜井內(nèi)地下水的勘察和分析發(fā)現(xiàn)，兩個井內(nèi)的水類型分別為基巖裂隙水和巖溶裂隙水。

在進行斜井掘進時，整個施工期間都在發(fā)生涌水現(xiàn)象，涌水基本處于拱部和邊墻位置，涌水出漏的形式為股狀涌水和淋雨狀涌水，涌水具體特點為：出水點相對分散，出水點位置相對較多，涌水總量較大，單孔涌水量相對較小，水壓相對較低。

3 注漿堵水設(shè)計

3.1 局部頂水注漿

a.因為隧道涌水的主要類型為巖溶裂隙水，且溶隙相對比較發(fā)育，另外具有較長的延伸度，加固范圍一旦減小，完成頂水注漿工作后，地下水會從其他位置涌出。通過對現(xiàn)場注漿的相關(guān)實驗結(jié)果進行比對，最終將注漿范圍定為10m。注漿范圍的確定可達到兩個目的：?對較深位置的圍巖溶隙進行充填時，可防止地下水向周邊流動；?具有更好的抗壓效果及更好的耐久性能[1]。

b.在出水點較為集中位置的周邊范圍進行注漿孔布置，另外，還需設(shè)置4個檢查孔。不管是基巖節(jié)理縫隙還是巖溶裂隙，都具有一定長度，因此，完成出水點的頂水注漿工作后，地下水會從其他位置涌出，通過檢查孔的設(shè)置，可對注漿效果進行檢驗，另外，還可通過檢查孔進行補充注漿。在布置注漿孔時，布置范圍可依據(jù)具體實際效果進行適當(dāng)調(diào)整。

c.在巖溶裂隙水地層注漿堵水施工過程中，選用C-S漿作為注漿材料，該材料具有施工成本低、操作簡單等優(yōu)點。所以，該工程3號斜井和4號斜井都選用C-S漿作為注漿材料。

d.在選擇注漿方式時，因為注漿加固的范圍較大，因此選擇分段前進注漿，具體間隔為5m，而全孔一次注漿的效果不理想。

e.在注漿過程中，所應(yīng)用的水泥-水玻璃雙液漿的具體參數(shù)為：水玻璃濃度為35Be′；緩凝劑摻量具體為水泥用量的2%；注漿終壓按下式進行計算:

p終=p水+2(MPa)

式中p終——注漿最終壓力；

p水——實測靜水壓力。

水泥漿與水玻璃體積比為1∶1～1∶0.6；擴散半徑為2.5m[2]。

f.如果應(yīng)用水泥單液進行注漿，其相關(guān)參數(shù)為：水灰比0.6∶1；所用的水泥為硅酸鹽水泥；速凝劑摻量為水泥用量的3%。

g.在進行注漿時，必須選擇專業(yè)的注漿設(shè)備，設(shè)備最高壓力不小于8MPa，注漿流量必須大于90L/min，注漿設(shè)備應(yīng)用過程中，需和壓力表互相配合。

h.注漿工作完成的標(biāo)準(zhǔn)為：單孔用水量小于10m3/h，注漿工作完成后，這種標(biāo)準(zhǔn)很容易實現(xiàn)，抽水壓力相對較小，不會對掘進工作產(chǎn)生較大的影響。

3.2 周邊帷幕注漿施工

a.為了滿足注漿要求，需設(shè)置止?jié){墻，止?jié){墻的厚度通常由巖溶裂隙和開挖面節(jié)理確定。根據(jù)抗剪強度以及抗壓對止?jié){墻厚度的計算和國內(nèi)外相關(guān)工程經(jīng)驗，將止?jié){墻厚度定為3m。

b.在布置注漿孔時，位置應(yīng)選擇在斜井地下水發(fā)育的段落內(nèi)，先進行連續(xù)超前鉆孔探水，再對涌水情況進行檢查，如果確定應(yīng)用帷幕注漿，探孔的個數(shù)必須超過5個[3]。

c.根據(jù)國內(nèi)外注漿經(jīng)驗，將加固范圍定為大于斜井周邊3m。

4 塌方斜井清渣及支護施工

4.1 清渣

對清渣工作而言，通常情況下，斜井冒頂高度較大，另外圍巖因為被水浸泡出現(xiàn)松軟的情況，最終造成人工出渣工作效率不高，且工作安全性相對較低。在清渣工作中，應(yīng)用斜井履帶式扒渣機進行清渣，不僅保障了施工人員的作業(yè)安全，施工效率也顯著提高。履帶式斜井扒渣機在工作時是全液壓驅(qū)動，爬坡能力較強，在應(yīng)用過程中，無需操作人員在塌方前暴露，另外，清出的渣也可直接運送至礦車?yán)?，扒渣效率較高。

4.2 支護方法

該工程頂板出現(xiàn)塌方情況的概率較小，操作人員可在矸石堆中插入超前臂。具體施工流程如下：

a.應(yīng)用超前小導(dǎo)管，將其中一端和已有支架進行固定，另外一端插入矸石。

b.支架。制作鋼拱架應(yīng)用的是11號工字鋼，支架之間的間距為500 mm。先將超前臂和支架進行焊接固定，再將底拱部支架和墻部支架進行固定，鋼拱架上需鋪設(shè)鋼筋網(wǎng)。圖1為超前懸臂鋼板護頂支護法示意圖。

圖1 超前懸臂鋼板護頂支護法示意圖

c.在靠緊工字鋼的位置，用鋼板制作模板。將原有的鋼板取出，預(yù)留一定的空間，拱架的兩側(cè)和上部都需進行混凝土澆筑并搗實，將回填混凝土的厚度定為1m[4]。

d.鋼拱架的內(nèi)側(cè)需補充設(shè)置混凝土，旨在提高支護強度。采用混凝土支護方式時，厚度確定為250mm。為了避免墻根發(fā)生位移，需將上部混凝土懸空安置，同時要求混凝土插入底板之下300mm。

e.至于現(xiàn)場是否添加反底拱，需根據(jù)現(xiàn)場實際施工情況決定，如果底板巖石狀態(tài)相對穩(wěn)定，可不進行反底拱的設(shè)置。如果巖石相對較為破碎，必須設(shè)置反底拱，旨在避免底板膨脹凸起。在設(shè)置反底拱時，內(nèi)側(cè)面需添加鋪設(shè)鋼筋網(wǎng)。

5 斜井圍巖超前支護

由于工作面前方裂隙帶內(nèi)存在較多水泥，而且井筒圍巖強度不佳，在進行開挖工作時，容易發(fā)生冒頂及突水等情況。因此，在具體操作過程中，需應(yīng)用超前加固措施，促使圍巖成為一個整體，提高圍巖的承載能力。

5.1 管棚參數(shù)與施工

充分考慮施工實際情況以及管棚相關(guān)特點，將管棚施工的參數(shù)定為：總長度48m，選用3m長的鋼管，相鄰鋼管之間需用螺紋套筒進行接頭連接。為了方便注漿工作，每一根鋼管都需設(shè)置螺紋鉆孔。圖2為管棚布置圖。

圖2 管棚及永久支護(單位：mm)

為進一步確保管棚施工質(zhì)量，在進行管棚孔開孔工作前，需貼止?jié){墻，鋼支架需按照中腰線進行架設(shè)，然后再進行導(dǎo)向管的設(shè)置，在設(shè)置導(dǎo)向管時，需沿支架外邊緣進行。

5.2 鋼架網(wǎng)噴初次支護

完成管棚注漿的掘進工作后，開始用短掘進的方式進行掘進。在進行掘進時，需對巖石進行破碎處理，在這個過程中，要盡可能地降低對圍巖的破壞。由于巷道底板硬度較小，需在支架下方墊放混凝土墊塊，不管是頂部還是兩側(cè)幫部需與圍巖進行緊密連接[5]。

5.3 單層鋼筋混凝土全斷面封閉

完成初次支護工作后，方可進行鋼筋混凝土全斷面支護工作。在鋪設(shè)混凝土?xí)r，需設(shè)置一個臨時水窩，與此同時，在后巷設(shè)置水槽進行截水，以避免鋪底受到底板水的影響。

6 裂隙水引流措施

六中段落平點處是斜井出水的位置，這個區(qū)間裂隙發(fā)育，含水量相對較為豐富。為了將裂隙水順利導(dǎo)出，需在巷道中進行水溝設(shè)置。完成斜井支護工作后，需在底部巖石臨時施工一個水倉。通過倒水孔，裂隙水可順利導(dǎo)出，向臨時水倉流動。然后用水泵將水倉中的積水抽出。

7 結(jié) 語

該工程對裂隙巖溶地層中斜井圍巖支護方式進行了分析，采用有效措施進行支護，降低了水對圍巖造成的影響，控制了圍巖掘進過程中圍巖的變形，保證了掘進工作的順利開展，提高了施工效率、經(jīng)濟效益和社會效益顯著。

[1] 占有名.第四系富水厚砂層段斜井圍巖穩(wěn)定性評價及其支護技術(shù)[D].西安：西安科技大學(xué)，2014.

[2] 牛曉云，牛曉俊，尹彬，等.注漿堵水技術(shù)在松軟破碎地層中的應(yīng)用[J].能源技術(shù)與管理，2012(6)：54-56.

[3] 王強，韓國將.錨注加固技術(shù)在深井軟巖巷道中的應(yīng)用[J].能源技術(shù)與管理，2010(5)：43-45.

[4] 魏永軍.錨噴注漿聯(lián)合支護技術(shù)在極松軟巖石巷道施工中的應(yīng)用[J].煤炭工程，2009(1)：38-40.

[5] 李軍，李學(xué)彬，王磊.弱膠結(jié)軟巖主斜井支護方案研究[J].華北科技學(xué)院學(xué)報，2015(3)：54-59.