破碎岩层带超大断面巷道施工工艺研究

时间：2024-07-28

张新社，赵洪显，张大乾，史永安

(金川集团股份有限公司, 甘肃金昌 737100)

1 前言

金川龙首矿1 340m中段卸矿车场工程是金川集团公司重点技术改造项目之一。该工程部分掘进断面分别为10.17m×6.075m、12m×7.6m、13.25m×8.1m，共计掘进长度为110m，支护型式均为双层喷锚网+双筋砼。其中喷锚网支护，锚杆采用φ18mm螺纹钢制作，长度L=2.25m，排间距L=1 000mm×1 000mm，梅花形布置，采用水泥∶砂=1∶1的砂浆全长锚固，锚杆紧固端采用滚压直螺纹，并配套相应的螺帽，垫板为δ=10mm普通钢板制作的垫板，垫板尺寸为200mm×200mm，金属网用φ6.5mm钢筋在地面根据施工需要焊制，网度150mm×150mm，双层钢筋混凝土支护参数为主筋采用φ25mm的螺纹钢，间距250mm；副筋采用φ18mm的螺纹钢，间距250mm；箍筋采用φ8mm的圆钢，间距750mm；浇筑混凝土强度等级为C40，支护厚度500mm，钢筋的混凝土保护层厚40mm，钢筋绑扎连接搭接长度为钢筋直径的40倍。这种较大断面巷道的施工在金川矿山也是极少，在首次方案论证后施工该大断面时采用上下行分层施工，同时在施工过程中揭露的围岩情况来看，该地段围岩为极其破碎的混合岩和片麻岩，并伴有淋水。在巷道掘进时虽然采取了U型钢拱架+超前管棚+超前预注浆+短掘短支的掘进工艺，但是巷道断面跨度较大，在掘进过程中还是发生了冒落，冒落长度约为9m，预计总冒落量为1 200m3，处理冒顶时间长达六个月之久。故原有的施工工艺已不能满足掘进此类大断面工程的需要，需对原有的施工工艺进行改进。

2 施工总体思路

在破碎岩层条件下大硐室施工，根据现场作业条件，工程现场决定采用2m3铲运机出渣，经临时转载硐室后装入6m3梭车运至斜坡道翻卸硐室，再经汽车通过井下斜坡道运至地表。结合现场岩层情况和超大断面施工特点，在确定施工工艺和技术方案时要重点考虑以下问题。

(1)巷道断面较大，一次开挖成形或小断面导硐法施工后再扩刷成形均存在支护不能及时跟进，对施工安全造成较大隐患，这两种方案均不适用，必须考虑分层施工。

(2)影响巷道稳定性的因素：考虑到岩石性质和岩体性质、巷道布置和开挖顺序、巷道规格尺寸、支护材料和参数、支护结构形式、施工工艺和施工质量等[1]，因此，需要对岩石进行必要的分析和了解，合理确定支护各种参数显得尤为重要。

(3)巷道位于破碎岩体中，进行开挖爆破对围岩震动破坏比较严重，容易出现垮落和巷道过大变形，控制围岩稳定性和提高围岩自身的强度和承载力是施工的关键[2]。因此，必须采取各种联合支护手段，达到先抗后让、强支弱护、避免松动。

(4)为了保证施工安全顺利进行，需要做好材料检验、措施到位、人员培训、制度健全等事前控制工作，做好施工机械、施工工序、施工作业监督检查等事中控制工作，做好隐蔽工程验收、竣工验收等事后控制工作，并严格控制爆破，及时进行加固围岩和支护，严格控制工程质量。

3 方案实施

3.1 原方案实施情况

原方案将硐室分为两层，上分层层高3m，下分层层高3.075m。按照上下分层前后相距2m的要求进行掘进。利用毛石做平台，施工上分层时先打设超前管棚，再进行爆破作业。爆破后，及时进行素喷，喷层厚度为50mm。然后架设拱顶部分U钢拱架和喷锚网支护。上分层在前掘3m后，再开始进行下分层的掘进。掘进时，采用短掘短支的掘进方式，每炮进尺保证在1m左右。在下分层掘进结束后，对施工完的3m巷道进行双筋混凝土套砼。由于受方案工序的影响，强度较高的双筋混凝土支护未能及时跟进作业面，导致发生冒顶。

3.2 调整后方案

针对大断面施工工艺中存在的问题提出了以下的调整方案：(1)将原方案上下分层更加细化。把原来的上分层分为1、2开挖区，下分层分为3、4、5开挖区。(2)及时跟进强度较大的双筋混凝土支护。在区域1、2开挖3m后及时将上分层进行双筋砼支护，待区域1、2区套砼后，再对区域3开挖并套砼，区域4开挖并套砼,最后开挖区域5。(3)继续采用原方案中的短掘短支、超前管棚、U钢拱架等预防片帮、冒顶措施之外，增加对区域1、2开挖前的超前预注浆。(4)每个区域开挖1m后，并完成一次喷锚网支护，对开挖的每个区域紧跟壁后注浆稳固围岩。(5)双筋混凝土衬砌结束后，再一次对混凝土壁后注浆加固。具体施工工序如图1所示，图中区域1、2、3、4、5为开挖区。

施工过程中为了保证注浆质量和效果，严格按照方案执行，采取全过程监控，保证每班都有专人在现场监控，并如实填写注浆施工记录。

图1 施工工序图

3.3 施工工艺过程

开挖施工顺序：预注浆→超前管棚→区域1开挖→左拱支护及边墙临时支护→壁后注浆→工字钢支撑→区域2开挖→右拱支护→壁后注浆→拱部二次锚网喷支护→区域3开挖→左边墙锚网喷支护→壁后注浆→区域4开挖→右边墙锚网喷支护→壁后注浆→全断面双筋混凝土支护→混凝土壁后注浆撤除支撑立柱→开挖区域5。以上为一个“掘进—支护”循环，套砼支护完毕后，进入下一个循环。每一循环实施超前预注浆，支护后实施壁后注浆，注浆前对工作面需施工喷砼止浆垫，以防止跑浆。

上分层先掘进区域1，进尺控制在1m，具备施工空间即可。开挖后，先对工作面及边墙进行50mm厚的素喷，然后对左拱部施工钢拱架、锚网喷支护，右边墙施工临时单层喷锚网支护，并使用I20a的工字钢作为立柱支撑拱架。

区域1施工完毕后，施工区域2。由于区域2是冒落区，故尽量使用风镐开挖，减少爆破，以防止围岩松动，再次冒落。若风镐无法施工，再进行爆破作业，但必须控制装药量，放小炮，松动岩石后再使用风镐开挖，保证安全。控制进尺在1m，原则上为具备施工空间，能立拱架即可。掘进完毕后，立即进行钢拱架、锚网喷支护。区域2支护完毕后，对整个拱部施工二次锚网喷支护。

区域3和区域4施工可以爆破掘进，但必须放小炮，开挖后及时支护边墙。区域5作为预留支撑台，可以不做临时支护。待全断面套砼完毕后开挖，区域3和区域4的渣石可以作为下一循环施工平台。

套砼施工顺序：预注浆→超前管棚→区域1开挖→左拱支护及边墙零时支护→壁后注浆→工字钢支撑→区域2开挖→右拱支护→壁后注浆→拱部二次锚网喷支护→区域1、2永久衬砌→区域3开挖→左边墙锚网喷支护→壁后注浆→区域3衬砌→区域4开挖→右边墙锚网喷支护→壁后注浆→区域4永久衬砌边墙注浆→开挖区域5→混凝土壁后注浆。

以上施工工艺采用混凝土输送泵加料，上下接茬处提前预留钢筋接头，并使上下接茬缝成楔形，能够满足上下层混凝土紧密接触，并用混凝土振动棒进行振捣使混凝土密实，同时，最后一模混凝土加入3%的微膨胀剂，减少拱部支护体不均匀沉降和混凝土凝固徐变收缩的问题。

4 采取的主要支护措施

(1)超前预注浆。上部开挖前，在拱顶和侧帮布置注浆钻孔，并安装注浆管进行预注浆，以起到补强加固围岩的作用。注浆管采用壁厚6mm的φ32mm无缝钢管制作，长度3m，一头加工丝扣，与注浆阀门或快速接头连接，间距2m，排距2m。注浆材料采用普通水泥浆液，在注浆的初始阶段,水泥浆一般采用高浓度比例,水灰比为1∶1, 这是为了便于在巷道轮廓线区迅速凝固, 后期一般采用低浓度比例,水灰比为3∶1，这一阶段的注浆是要起补注、加固、扩大注浆范围的作用。另外在注浆过程中通过注浆所呈现的压力及时调整水泥浆的浓度。

(2)超前管棚。超前管棚支护主要是针对顶部岩石，可有效控制开挖过程中引起顶板岩石松动和进一步垮落，达到护顶的作用，保证施工安全，同时必须保证每次掘进均在超前支护的范围内。超前管棚采用壁厚4mm的φ25mm焊管，长度3m，布置在巷道轮廓线以外，角度呈5°～10°，间距100mm。

(3)素喷混凝土和锚网喷射混凝土。素喷混凝土能够快速地提供连续的支撑力，短时间内改变围岩的受力状态，阻止变形的发展，避免围岩的松散、脱落和风化；锚网喷喷射混凝土中锚杆起到悬吊作用、组合梁作用、挤压加固作用、减跨作用、围岩补加固作用；喷射混凝土起到进一步封闭围岩防治风化作用、密填岩体整体补强作用、共同承载作用；金属网提高喷射混凝土的抗剪、抗拉强度。

(4)钢拱架支护。大大提高了支护的承载能力，同时刚度加强、抗屈服能力也得到提高。钢拱架采用U25型钢制作，间距0.5～1m。拱架之间采用φ18mm螺纹钢制作的拉杆相互连接固定，每架拱架施工双抱腿弯钩锚杆固定，水泥药卷锚固，间距1m。

(5)壁后注浆。在上部锚网喷支护完成后及时进行壁后注浆达到补强支护的目的。双筋混凝土施工完成后再进行一次壁后注浆，确保支护的稳定性。