地下洞室采空區(qū)涌水段開挖施工方法

張 偉

(山西省水利水電工程建設(shè)監(jiān)理有限公司，太原 030000)

地下洞室采空區(qū)涌水段開挖施工方法

張 偉

(山西省水利水電工程建設(shè)監(jiān)理有限公司，太原 030000)

采空區(qū)涌水段開挖施工前先進(jìn)行深孔超前探排水孔鉆探，探明掌子面前方及洞頂?shù)乃看笮?，排水后再進(jìn)行掘進(jìn)施工。以“先探后掘”、“管超前、短進(jìn)尺、弱爆破、少擾動(dòng)、強(qiáng)支護(hù)”為原則，進(jìn)行隧洞的開挖支護(hù)施工。

隧洞；采空區(qū)；處理措施；開挖支護(hù)；短進(jìn)尺若爆破

1 概 述

本工程隧洞總長(zhǎng)為6008.03m，樁號(hào)7+108.17-13+116.20段，包括2條施工支洞，其中4#施工支洞長(zhǎng)195m，5#施工支洞長(zhǎng)295m，隧洞圍巖工程地質(zhì)分類主要為Ⅳ類、V類。

隧洞在正常開挖支護(hù)掘進(jìn)過程中，發(fā)現(xiàn)掌子面頂拱有滴水、滲水現(xiàn)象，且頂拱有0.3-0.5m厚的煤層，下部為全風(fēng)化黃色砂巖，節(jié)理裂隙不發(fā)育，涌水略有臭味。

出現(xiàn)該情況后，通過在周圍村莊走訪調(diào)查得知，有一廢棄小煤窯，主巷道深400m，支巷道深100m，煤窯無法進(jìn)入，洞內(nèi)可能有大量積水。洞口位置在一洪溝低洼處，溝內(nèi)流水可能會(huì)進(jìn)入煤礦采空區(qū)內(nèi)。由于煤礦為私人小煤窯，且廢棄時(shí)間太久，準(zhǔn)確資料無法考證。從地質(zhì)原因、涌水壓力、涌水氣味、當(dāng)?shù)刈咴L調(diào)查及現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量廢棄煤礦位置、隧洞地貌情況初步判斷，洞內(nèi)涌水有可能為廢棄煤礦采空區(qū)積水滲漏所致。

2 物探勘測(cè)情況及結(jié)論

樁號(hào)9+296.8-9+345.3段原設(shè)計(jì)無相關(guān)地勘資料，無法從設(shè)計(jì)資料中查證該段主洞上方或附近有無采空區(qū)或富水區(qū)。

為了準(zhǔn)確掌握主洞涌水的影響因素，查明主洞附近是否有采空區(qū)或富水區(qū)，聘請(qǐng)專業(yè)物探人員進(jìn)行詳細(xì)勘探。采用天然源音頻大地電磁法、測(cè)氡法、地震映像法等3種方法進(jìn)行了物探勘察。物探成果報(bào)告顯示，推斷采空區(qū)范圍可能在1030-1045m高程范圍內(nèi)，位于9+300-9+400段左側(cè)。隧洞頂拱開挖設(shè)計(jì)高程為1025.98-1025.96m，距離探測(cè)顯示的采空區(qū)高程約4-19m。

3 涌水段排水措施

4#洞下游與5#洞上游主洞之間僅剩47.7m未開挖，后續(xù)施工計(jì)劃從5#洞上游掌子面開挖掘進(jìn)。為保證安全，涌水段開挖施工前先進(jìn)行深孔超前探排水孔鉆探，根據(jù)物探報(bào)告推斷可能存在的采空區(qū)位置，預(yù)計(jì)在9+360、9+356、9+352處分別鉆一個(gè)34m、46m、59m深的超前探排水孔；計(jì)劃探排水孔終端高程距離設(shè)計(jì)洞頂開挖線15m左右，超前探排水孔鉆孔仰角角度暫按31°、23°、17°考慮，其方位角暫按正對(duì)5#洞上游掌子面向右偏15°、10°、5°考慮，具體鉆孔深度及角度根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)鉆探排水情況適當(dāng)調(diào)整，探排水孔布置圖見圖1。

圖1 探排水孔布置圖

超前探排水孔鉆孔采用礦用電動(dòng)防爆型探水鉆機(jī)鉆進(jìn)，鉆機(jī)鉆孔方式旋轉(zhuǎn)式。超前探排水孔施工前，首先采用直徑125mm的鉆頭沿鉆孔方向鉆進(jìn)3m后，撤出鉆桿，把提前做好的直徑108mm排水套管用棉麻纏裹、用鐵絲涂上膠后壓入孔中，再安裝規(guī)格為0.8*0.8*0.8m的10mm厚三角鋼板，然后在套管與孔之間灌水泥砂漿固結(jié)套管，排水管設(shè)有排水控制閥門(具體見圖2)。套管施工完成待強(qiáng)24h后，采用孔徑Φ75鉆頭慢速鉆超前探排水孔。

圖2 排水控制閥門示意圖

若探排水孔鉆進(jìn)過程中或鉆孔達(dá)到預(yù)計(jì)高程時(shí)出現(xiàn)大量涌水，不能撤出鉆桿，立即撤離附近人員，同時(shí)加強(qiáng)洞內(nèi)排水能力，啟動(dòng)洞內(nèi)應(yīng)急排水系統(tǒng)，待探排水孔內(nèi)涌水變小或無涌水后再進(jìn)行后續(xù)施工。

上述超前探排水孔施工完成后，從9+345.3掌子面頂拱下方1.2m處向上游鉆直徑75mm的水平探孔，該水平探孔鉆孔深度47.7m，將5#洞上游與4#洞下游掌子面鉆通，鉆孔過程中觀測(cè)涌水情況。

若探排水孔鉆進(jìn)過程中無異常，鉆孔終端高程(深度)達(dá)到預(yù)計(jì)高程(深度)仍無滲水，則直接進(jìn)行后續(xù)開挖支護(hù)施工。

4 涌水段開挖及支護(hù)措施

根據(jù)物探報(bào)告顯示，采空區(qū)范圍為1030-1045m高程范圍內(nèi)，位于9+300-9+400段左側(cè)。03標(biāo)主洞9+296.8-9+345.3段，設(shè)計(jì)頂拱開挖高程為1025.98-1025.96m，距離探測(cè)顯示的采空區(qū)高程約4-19m，采空區(qū)對(duì)主洞施工影響較大。5#支洞上游主洞9+353.4樁號(hào)向上游繼續(xù)掘進(jìn)時(shí)，以“先探后掘”、“管超前、短進(jìn)尺、弱爆破、少擾動(dòng)、強(qiáng)支護(hù)”為原則，制定以下開挖支護(hù)施工方案，確保安全：

1)超前小導(dǎo)管施工。計(jì)劃樁號(hào)處的超前排水孔施工完成后，根據(jù)情況進(jìn)行開挖支護(hù)施工。每一循環(huán)先施工一排3m長(zhǎng)Φ42超前小導(dǎo)管，超前小導(dǎo)管巖石鉆孔孔徑Φ60，超前小導(dǎo)管在頂拱90°范圍內(nèi)間距0.2m，頂拱其余部位間距0.4m，每排施工32根。由于該洞段涌水較大，注漿比較困難，且漿液無法在巖隙中停留，故超前小導(dǎo)管不注漿，而在小導(dǎo)管內(nèi)塞填錨固劑及1根3m長(zhǎng)Φ25鋼筋，以提高小導(dǎo)管的剛度，增加超前小導(dǎo)管的支撐力。

2)超前小導(dǎo)管施工完成后，進(jìn)行鉆爆開挖。9+345.3-9+296.8段屬于不良地質(zhì)洞段，為提高洞室的永久穩(wěn)定性，防止初期支護(hù)后洞室發(fā)生收縮變形，采取擴(kuò)挖洞室，加厚二襯混凝土提高洞室強(qiáng)度及穩(wěn)定性，邊墻及頂拱比原設(shè)計(jì)擴(kuò)挖0.4m，擴(kuò)挖部分后期采用與原設(shè)計(jì)相同標(biāo)號(hào)的混凝土襯砌。由于該段地質(zhì)較差，且涌水嚴(yán)重，計(jì)劃該段鋼拱架底部加設(shè)I18工字鋼橫撐，且澆筑C15墊層混凝土，故底板部位向下擴(kuò)挖20cm。邊墻頂拱開挖輪廓線擴(kuò)大，所以鋼拱架相應(yīng)偏移擴(kuò)大0.4m，且鋼拱架立柱向下延長(zhǎng)0.2m，以備與工字鋼橫撐支撐。開挖每茬炮按0.8-1.0m控制，鋼拱架布置間距按0.4-0.5m控制，鋼拱架底部設(shè)置I18工字鋼橫撐，橫撐長(zhǎng)度為拱架擴(kuò)寬后的底部?jī)魧?.68m，工字鋼橫撐可以支撐鋼拱架立柱即可，而不與鋼拱架焊接。鋼拱架施工完成后及時(shí)跟進(jìn)當(dāng)循環(huán)的噴混凝土支護(hù)、錨桿工作。噴護(hù)完成后，在頂拱及側(cè)拱部位鉆設(shè)Φ40排水孔，排水孔數(shù)量根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況設(shè)置。每個(gè)排水孔孔口接橡膠水管引至集水井，集水井內(nèi)布置水泵，通過已布置好的排水系統(tǒng)排至洞外。

3)若開挖爆破后，由于地質(zhì)較差引發(fā)頂拱塌方較大(>1.5m)時(shí)，在塌方區(qū)域設(shè)計(jì)頂拱輪廓線上部安裝“復(fù)拱”進(jìn)行支撐，“復(fù)拱”尺寸根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)確定，然后在頂部設(shè)置兩層鋼筋網(wǎng)，并將設(shè)計(jì)鋼拱架頂拱以上0.8m范圍內(nèi)噴混凝土密實(shí)，剩余塌方未噴混凝土區(qū)域待后期回填灌漿施工時(shí)灌漿回填密實(shí)。

4)噴混凝土施工時(shí)，由于撐子面滲水量較大，將加大速凝劑摻量(根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，摻量加大至13%)，如果噴混凝土噴不上，將采取頂拱部位鋪竹膠板做為模板，將頂拱部位噴填密實(shí)，噴混凝土支護(hù)完成后，在噴混凝土面上設(shè)置變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)，定期進(jìn)行變形監(jiān)測(cè)，及時(shí)分析監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)掌握洞室穩(wěn)定情況，確保安全。

5)待4#洞下游與5#洞上游開挖貫通后，先對(duì)該段進(jìn)行襯砌，邊墻頂拱混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的75%后，對(duì)該段進(jìn)行回填灌漿。

6)根據(jù)涌水段實(shí)際情況，結(jié)合施工經(jīng)驗(yàn)，建議二襯混凝土及回填灌漿施工完成后，在隧洞頂拱中心及隧洞引水高程線以上的側(cè)拱部位，留設(shè)永久排水孔，以便及時(shí)排出滲水，減小內(nèi)壓。

5 結(jié) 論

采空區(qū)涌水段屬于不良地質(zhì)洞段，是該工程的施工重點(diǎn)和難點(diǎn)，可能發(fā)生人員設(shè)備損傷的安全事故，和導(dǎo)致初期支護(hù)及二襯后洞室變形等質(zhì)量事故。施工過程中堅(jiān)持安全第一、質(zhì)量至上的原則，采取“先探后掘”、“管超前、短進(jìn)尺、弱爆破、少擾動(dòng)、強(qiáng)支護(hù)”等工程措施，最終以安全、質(zhì)量零事故的良好預(yù)期，順利完成該洞段的所有施工任務(wù)。

[1]中華人民共和國(guó)水利部.SL378-2007水工建筑物地下開挖工程施工規(guī)范[S].北京：中國(guó)水利水電出版社，2007.

[2]崔廣珍.采空區(qū)建筑地基的穩(wěn)定性分析和施工處理方法[J].山西建筑，2007(07)：138-140.

Excavation construction methods for water gushing section of underground caverns goaf

ZHANG Wei

(Shanxi Provincial Water Conservancy & Hydroelectric Power Project Construction Supervision Limited Company, Taiyan 030000, China)

Before the excavation construction for water gushing section of underground caverns goaf, deep holes should be drilled first to make preparations for drainage in advance, ascertaining water quantity in front of tunnel face and on the top of caverns, draining water and then conducting driving construction. The principle of " prospecting first, then driving construction, casing ahead of time, short drilling footage, weak blasting, less disturbing, strong supporting" should be followed, proceeding the excavation construction of the tunnel.

tunnel; goaf; treatment measure; short drilling footage; weak blasting

1007-7596(2017)06-0117-03

2017-05-22

張偉(1984-)，男，山西平遙人，工程師，從事水利工程監(jiān)理工作。

TV554

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