免切口技术在洞库口部施工中的应用

1. 工程及地质概况
大管棚注浆免切口施工法应用于东南沿海某地下防护工程进洞施工。该工程位于侵蚀剥蚀低山丘陵地带，距某活动断裂较近，场地附近构造及节理发育，围岩岩性为深灰色泥岩，中薄层状结构，单轴饱和抗压强度为7.0～14.2mpa，地质勘察报告确定该围岩为ⅴ级围岩，岩体岩质较软，断层节理发育，岩体破碎。
/ [; x) `# J' X1 Y2. 施工方法
) i$ O" m- i* P+ d- Y口部施工采用大管棚注浆免切口自然进洞法，具体做法：
) F) @) O8 s% a6 F  @! H' q（1）在开挖起始点沿洞口方向适当距离（穿过风化堆积层至岩石）内打入2～4排大管棚，灌注水泥浆液，使管棚周围1～2m范围内的破碎围岩在水泥浆液的作用下形成具有一定强度的岩体，然后在管棚支护作用下进行口部开挖。由于山坡坡度的存在，进洞起始少量削坡。
1 l6 p- z8 K- P.（2）管棚采用无缝钢管，?=108mm，壁厚6mm，长40m。
8 l. J& ~; I' `% I/ w# i# r! h8 _（3）在边墙两侧按设计间距各打2行管棚至边墙底部。口部开挖后，及时锚喷并安置格栅拱，格栅拱根据现场地基承载力情况按设计图纸制作，严格按照规范安装，间距根据实际情况进行适当调节。.口部及口部边坡处挂钢筋网使喷射混凝土与自然边坡牢固连接。
（4）每根钢管之间的相互距离（含排与排之间的距离）为60～80cm。拱角以上的支护范围内打4排，边墙两侧支护范围内各打两行，排与排之间距离为60～80cm，呈梅花型布置。
（5）浆液材料。采用单液纯水泥浆。
（6）格栅拱架。先按设计图放样加工好拱部、侧墙格栅后，安装焊接完成时进行喷射混凝土的施工。待仰拱格栅做好后，将预留核心土挖至仰拱底标高后放置仰拱格珊，同时浇筑混凝土，进行养护。然后进行下一个循环的施工。
) \; `# O0 _7 Y* |5 K5 z' v1 {5 Q（7）工程竣工后，整个洞口口部无边坡、削坡、切口等施工痕迹，俯视基本见不到洞口，只有平视才只能见到洞口，极大提高了口部隐蔽性。
2 z7 H3 c) {% u- N! d3. 防护功能分析
: B3 Y; R& N5 T9 b按照工程设计，本坑道工程防精确武器打击，抗常规武器打击强度等级为ⅲ级，即抗1000磅精确制导钻地弹直接命中；抗核武器打击强度等级也为ⅲ级，即第一道防护设备抗冲击波超压为2.4mpa。本工程中采用的免切口管棚支护技术施工后的坑道口部，按美军常用的mk83炸弹，对其结构抗力进行了验算，有关技术数据如下：
3.1 导弹参数指标。按常规武器1000磅低阻式爆破弹(mk83)设计，弹丸质量447kg（985.635磅），长度1.86m（73.228 in），弹丸直径0.356m （14.02 in），装药质量202kg（445.41磅），当量系数1.35。
3.2 抗力标准要求。要求在坑道口部防护门外一段距离内区域，在1000磅低阻式精确制导爆破弹直接命中情况下能够有效生存，能够抗导弹侵彻和侵后装药爆炸产生的震塌效应。
% e% S& `+ n" S, o0 G3.3 结构抗1000磅精确制导低阻式爆破弹抗力验算。坑道各口部大管棚加固长度为30m～33m，施工处坡角约为45°，选取口部i-i通道断面为例进行抗力计算，坑道口部i-i通道向里28m处为第一道防护门，i-i断面底净宽4.0m，高度为4.6m，总长度约为130余米。
本工程中坑道拱角以上部位的大管棚加固范围为3.5m，边墙部位为2.0m。采用无缝钢管，=108mm，壁厚h=6mm。大管棚注浆管布置，拱角以上加固范围内打4排，边墙两侧加固范围内各打2排，排与排之间距离为80cm，内圈管孔间距为0.6m，其它各圈管孔相互间依次呈梅花型布置。
设计注浆渗透半径为1.5m，实际的注浆施工过程中，在距洞顶垂距5.1m（距注浆管棚2m左右）的山坡上环向排水沟，沟底拱起，并局部有浆液渗出，由此可知，注浆范围达到要求，实际超过5m。
  ?0 Z: X7 l& J5 I在由无缝钢管制成的大管棚所布置的3.5m范围内，所注浆液仅水泥用量就达到120t，经过现场采样及实验室实验，采用大管棚注浆加固5m范围内，岩石的各项力学指标都得到大幅度提高，其中抗压强度r?c增长率达到100%左右，可取20mpa。
现场大量声波测试表明，坑道口部大管棚注浆加固5m范围内，声波速度提高50～60%。
* W1 G" r; H$ }+ a9 w0 x# k  z岩体完整性的计算公式：
5 N) F7 v0 X4 X' C9 Qk?v=(.v.v.)?2.(1)
v——岩体中弹性波传播速度；
v——岩石试件弹性波传播速度。
5 x  |* l. D  r1 ]( s; q坑道口部大管棚注浆加固5m范围内，注浆后岩体的完整性系数k?v，由注浆前的0.25左右，提高到0.60左右。根据国家《工程岩体分级标准》（gb50218-94）??［1］?规定的岩体基本质量指标bq=90+3r?c+250kv，工程岩体质量指标bq由管棚注浆前的180左右提高到管棚注浆后的350左右。测试结果表明坑道口部大管棚注浆加固后的工程岩体质量提高了2个级别。
3 ]8 s) V: X" A# x4 D0 ~4 {& Y3.3.1 抗侵彻能力的验算。在1000磅低阻式精确制导爆破弹直接命中情况下，根据最为典型和常用的young公式??［2］
5 e' k6 a7 |9 R0 M5 a% h4 w当v＞200 ft/s时：
x=0.00178sn(w/a)??0.7?(v-100) .（2）
6 r# z- Z* @% B7 Z( @' a' w% z式中：
2 }! V1 G% y0 h5 K, e& @s——表征岩石材料可侵彻性的指标。
s = 12( f?c?q )-0.3? .（3）
1 _* T( i  x5 E8 s( tf?c ——.岩石的无侧限抗压强度，lb/in?2；根据以上分析可知，坑道口部大管棚注浆加固后，岩石物理力学性能大大提高，f?c可取20mpa。
5 I) g+ }7 l3 j4 o2 j% Mq ——.表征岩石质量的指标，受节理、裂缝等因素的影响，根据以上分析可知，坑道口部大管棚注浆加固后，工程岩体质量提高了2个级别，由ⅴ级围岩上升为ⅲ级围岩，所以q可取0.5。
6 {5 d% m( u6 L* n, i根据以上值计算，s取1.34。
4 f, P$ W1 F; i$ c: mn ——弹头形状系数，可按以下方法计算：
% b3 q/ M$ F  Q9 {n=0.18 ln/d+0.56 .（4）
7 M% y0 p& _6 }5 `+ P, o( `w——射弹重量，lb；w取985.635 lb。
a——射弹横截面面积，in?2；a取154.37 in?2。
命中速度取中速v=1300 ft/s（396m/s）。
5 r* Y& w* N# H6 R& }$ s! D3.3.2 抗爆炸震塌抗力验算。大管棚注浆（钢管混凝土）构件具有良好的延性和吸能性，这在一定程度上增强了岩土的抗拉强度，因此大管棚注浆加固层抗爆炸震塌性能得到一定提高，其抗爆炸震塌性能介于未加固的岩土和强度较低的钢筋混凝土之间，即：
k?0k(.r.d.).(?.h.l.?)k??mc??.1.3.?≥r?0≥mk?z.4.c.
! P- l# `, r# b' {) Ak?z为介质材料的震塌系数??［3］?，可取0.42。
故r?0的取值范围约为：3.78m≤r0≤4.16m。
2 U& }9 h. v0 q  ^3 V1 @3 `* ^4. 结论
该工程采用大管棚注浆免切口技术后，不仅减少了工程量，缩短了工期，还通过注浆加固了口部岩土，有利于头部的扩挖与被复，施工安全性好，而且工程竣工后，整个口部没有边坡、削坡、切口等明显施工痕迹，极大地提高了口部隐蔽性。该方法对今后类似工程施工具有一定借鉴作用。