宋竹兵

（和榆高速公路建設(shè)管理處，山西 左權(quán) 032600）

1 概述

隨著高速公路以及高速鐵路的快速發(fā)展，隧道越修越長(zhǎng)，穿越的地質(zhì)區(qū)域越來(lái)越復(fù)雜，遇到的不良地質(zhì)體也會(huì)較多。在隧道的施工過(guò)程中，遇到不良地質(zhì)體，稍有支護(hù)不當(dāng)，就很可能發(fā)生塌方。塌方的處治效果，直接影響著后期隧道的運(yùn)營(yíng)安全。在對(duì)隧道塌方處治過(guò)程中，如何很好處理隧道塌腔一直是個(gè)技術(shù)性難題，傳統(tǒng)回填材料，處治效果欠佳。為此，隧道建設(shè)者們尋找到了一種輕便、高效的回填材料——泡沫輕質(zhì)土，已經(jīng)逐漸開始在隧道塌方的處治中廣泛應(yīng)用。

2 項(xiàng)目概況

2.1 工程概況

和榆高速公路云山隧道位于山西省左權(quán)縣城東北5 km處，橫穿太行山脈，設(shè)計(jì)為分離式隧道，右線起止里程K43+590—K54+967，全長(zhǎng)11 377 m，左線起止里程ZK43+570—ZK54+978，全長(zhǎng)11 408 m，為特長(zhǎng)隧道，間距為30～35 m，最大埋深742.67 m。隧道所處地區(qū)地質(zhì)復(fù)雜，軟硬互層，既有強(qiáng)度高、整體性好的鐵質(zhì)石英巖，又有層間結(jié)合差，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體破碎的膨脹泥頁(yè)巖。

2.2 塌方情況

2011年11月14日云山隧道左線開挖至ZK54+121處，拱頂右上方出現(xiàn)股狀涌水并伴有少量塌方，對(duì)塌方處理完成后，施工方法采用短進(jìn)尺進(jìn)行開挖。2011年11月16日，施工至ZK54+118處時(shí)又出現(xiàn)大面積塌方，塌腔高度12 m，長(zhǎng)度5～6 m。塌方巖體將掌子面封死，通過(guò)連續(xù)幾天的監(jiān)控量測(cè)發(fā)現(xiàn)，前期做的初期支護(hù)基本穩(wěn)定，拱架無(wú)明顯開裂下沉。但空腔上部圍巖內(nèi)富含地下水，水在重力作用下會(huì)逐漸進(jìn)入巖體，久而久之使巖石軟化，空腔上部巖石必然出現(xiàn)掉塊，將對(duì)隧道襯砌結(jié)構(gòu)安全造成隱患。為了保證隧道施工以及后期運(yùn)營(yíng)的安全，須對(duì)塌方空腔進(jìn)行回填處理。

2.3 塌方處理方案

2.3.1 傳統(tǒng)處理方案

隧道塌方量較大，拱部形成較高的空腔，傳統(tǒng)的隧道塌方空腔填充的是混凝土，但是該方法存在以下無(wú)法克服的弊端。

a）因混凝土的自重較大，在施工中泵送的混凝土重量全部作用在鋼拱架上，易引起鋼拱架下沉、變形甚至垮塌。

b）施工速度慢。對(duì)于較大的塌腔處理，在混凝土泵送過(guò)程中為了減小混凝土對(duì)拱架的影響，需要分層充填，避免一次性充填量過(guò)大造成拱架支撐下沉開裂。

c）填充不徹底，對(duì)后期隧道運(yùn)營(yíng)造成一定的安全隱患。由于塌方體的形狀很不規(guī)則，很難形成自穩(wěn)，因此填充物的重量大部分需要鋼拱架來(lái)支撐，特別是空腔體高度較大時(shí)，施工單位因擔(dān)心全部填充后對(duì)鋼拱架造成過(guò)大的荷載引起二次垮塌，在施工時(shí)?；靥畹牟粡氐?，給后期施工和運(yùn)營(yíng)埋下了安全隱患。

2.3.2 新型處理方案

為了克服傳統(tǒng)塌方空腔處理中存在的不足，經(jīng)過(guò)對(duì)填充材料的仔細(xì)比選，經(jīng)各方論證后，決定采用新型材料泡沫輕質(zhì)土回填。

3 泡沫輕質(zhì)土工程特性及研究現(xiàn)狀

泡沫輕質(zhì)土是用物理方法將發(fā)泡劑水溶液制備成泡沫，與水泥基膠凝材料、水及可選組分集料、摻和料、外加劑按照一定的比例混合攪拌，并經(jīng)物理化學(xué)作用硬化形成的一種輕質(zhì)材料，具有輕質(zhì)、密度與強(qiáng)度可調(diào)、良好的施工性和環(huán)保性等特點(diǎn)[1]。

3.1 泡沫輕質(zhì)土基本特性

a）密度和強(qiáng)度可調(diào)節(jié)性。通過(guò)調(diào)整輕質(zhì)土中氣泡含有率，可控制輕質(zhì)土干密度在300～1 200 kg/m3之間，控制強(qiáng)度在0.3～7.5 MPa范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。

b）較高的可壓縮性和延展性。隧道在施工初期易產(chǎn)生較大的變形，用泡沫輕質(zhì)土作為隧道塌腔的填充材料，因其較高的可壓縮性和良好的延展性，可承擔(dān)、吸收變形壓力，改善結(jié)構(gòu)體受力分布。

c）耐久性強(qiáng)。輕質(zhì)土屬于水泥類材料，使用壽命與水泥混凝土同等，具有很好的耐久性。

d）填充自密實(shí)特性。輕質(zhì)土的制作與現(xiàn)場(chǎng)施工澆筑點(diǎn)可分離，可在狹小的空間內(nèi)施工；結(jié)合輕質(zhì)土自流平、填充自密實(shí)、無(wú)需振搗的特性，施工便捷、高效。

3.2 泡沫輕質(zhì)土研究現(xiàn)狀

泡沫混合輕質(zhì)土是一種新型輕質(zhì)環(huán)保材料，在國(guó)外已有幾十年的應(yīng)用歷史，自2001年從日本引進(jìn)以來(lái)，先后在廣州、北京、上海等地的重點(diǎn)工程中得到廣泛應(yīng)用。尤其在橋頭路基填筑、舊路加寬、管道回填等方面取得了良好的效果。

4 回填輕質(zhì)土施工

根據(jù)拱頂空腔的大小、施工環(huán)境，對(duì)隧道初支結(jié)構(gòu)的安全性進(jìn)行計(jì)算、復(fù)核。決定采用回填輕質(zhì)土的濕容重小于等于5.0 kN/m3（僅為普通混凝土容重的1/5）。

4.1 泡沫輕質(zhì)土的制備

配合比設(shè)計(jì)遵守的原則：以泡沫輕質(zhì)土體密度和強(qiáng)度為配合比的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)出既能滿足輕質(zhì)土的密度和強(qiáng)度要求又能使輕質(zhì)土的施工性能最佳、具有良好經(jīng)濟(jì)性的氣泡混合輕質(zhì)土的施工配合比。

進(jìn)行配比容重檢測(cè)過(guò)程中進(jìn)行輕質(zhì)土試塊制作，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)最終選用的氣泡混合輕質(zhì)土配合比見表1。

表1 施工使用配合比

輕質(zhì)土的濕容重選擇小于等于5.2 kN/m3（表干容重小于等于 5.0 kN/m3）、抗壓強(qiáng)度大于等于1.0 MPa、流動(dòng)度 160～200 mm。

4.2 分層仰灌施工工藝

主要工藝流程為：剩余初支結(jié)構(gòu)施工→埋設(shè)引水管→設(shè)置注漿管→分層灌注輕質(zhì)土→封孔。

4.2.1 埋設(shè)引水管

隧道塌方經(jīng)常伴隨著滲水出現(xiàn)，在進(jìn)行塌方段初期支護(hù)前，應(yīng)根據(jù)塌方段滲水情況及出水點(diǎn)的分布情況布設(shè)φ50加筋透水軟管，對(duì)巖壁滲水進(jìn)行集中引排，以保證回填輕質(zhì)土的質(zhì)量，消除后期運(yùn)營(yíng)中的安全隱患。

4.2.2 剩余初支結(jié)構(gòu)施工

拱頂初支結(jié)構(gòu)作為塌方空腔回填氣泡混合輕質(zhì)土的支撐措施，嚴(yán)格按照變更設(shè)計(jì)圖紙施工，將塌方空洞進(jìn)行封閉，以保證氣泡混合輕質(zhì)土不外泄。

4.2.3 設(shè)置注漿管

在封閉的初支結(jié)構(gòu)上方鉆孔，采用風(fēng)鉆鉆孔，孔徑為50 mm，鉆孔間距為1.0～2.0 m，梅花型布置。沿拱頂中線布置兩根注漿管，注漿管采用壁厚3 mm的無(wú)縫鋼管，直徑為42 mm，注漿管的長(zhǎng)度根據(jù)塌方空洞高度而定；排漿管設(shè) 4 組（3、4；5、6；7、8；9、10），每組兩根沿隧道縱向左右錯(cuò)開布置，每組排漿管的長(zhǎng)度根據(jù)分層厚度逐層增加，層厚為180～220 cm。注漿管布設(shè)及分層壓注氣泡混合輕質(zhì)土立面示意圖（圖1），注漿管布設(shè)平面示意圖（圖2）。

圖1 注漿管布設(shè)立面示意圖

圖2 注漿管布設(shè)平面示意圖

4.2.4 泡沫輕質(zhì)土分層仰灌施工

施工工藝流程見圖3。氣泡混合輕質(zhì)土的密度會(huì)隨著一次澆筑厚度的增大而增加，因而需分層灌注氣泡混合輕質(zhì)土，分層厚度控制在180～220 cm，具體施工方法如下：通過(guò)1、2號(hào)注漿孔（見圖1、圖2）進(jìn)行注漿，當(dāng)?shù)?組孔有漿液冒出時(shí)，停止注漿，即達(dá)到第1層注漿厚度；第1層漿液達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的90%后，再進(jìn)行第2層注漿。以此類推，直至注漿完成為止。

圖3 泡沫輕質(zhì)土仰灌施工工藝流程

4.2.5 封孔

當(dāng)注漿量逐漸減少且注漿壓力趨于穩(wěn)定時(shí)，持續(xù)10 min即可停止注漿，進(jìn)行封孔作業(yè)。具體操作流程為：停泵后立即封閉空口閥門，拆卸和清洗管路，待漿液凝固后割除外露注漿管，然后用塑膠泥封堵管口，注漿完畢。

5 質(zhì)量控制措施

a）做好塌腔體內(nèi)滲水引排。塌腔內(nèi)圍巖滲水如與泡沫輕質(zhì)土漿液混合會(huì)嚴(yán)重影響輕質(zhì)土的質(zhì)量，因此在施工前應(yīng)根據(jù)滲水點(diǎn)出水量的大小和分布情況采取埋設(shè)加筋透水軟管、噴射混凝土封堵等措施，將滲水集中引排。

b）嚴(yán)格進(jìn)場(chǎng)材料檢驗(yàn)程序，施工中使用的水泥、發(fā)泡劑經(jīng)檢驗(yàn)合格后方可進(jìn)場(chǎng)。發(fā)泡劑的稀釋倍率不得小于40倍、發(fā)泡倍率不得小于20倍。漿液流動(dòng)度（180 mm）允許誤差不得超過(guò)±20 mm，濕容量允許誤差控制在±0.5 kN/m3。泡沫混凝土的配制強(qiáng)度必須大于其強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值3%～10%，使其具有富余強(qiáng)度。施工中嚴(yán)格按照泡沫輕質(zhì)土的配比進(jìn)行拌合。

c）實(shí)際仰灌量與理論計(jì)算量相符合。隧道塌腔回填采用仰灌的方法是在密閉的條件下進(jìn)行的。雖然通過(guò)排漿管可以判斷漿液回填的大概高度，但是，回填到頂部后就無(wú)法通過(guò)排漿管判斷漿液的位置了，為了保證充填密實(shí)，除了在封孔前進(jìn)行加壓持荷外，還要對(duì)實(shí)際回填量和理論計(jì)算量進(jìn)行對(duì)比。當(dāng)兩者相差較大時(shí)應(yīng)及時(shí)查找原因，以保證回填達(dá)到預(yù)期的目的。

6 結(jié)語(yǔ)

泡沫輕質(zhì)土在云山隧道塌方處理中的成功使用，改進(jìn)了傳統(tǒng)的隧道塌方處理方法，解決了回填混凝土處理塌腔時(shí)自重大、風(fēng)險(xiǎn)高、填充不徹底的難題。為以后同類隧道塌方的空腔處治提供了很好的技術(shù)參考。