反壓注漿法在隧道塌方控制中的應(yīng)用

王永峰（中交第二公路工程局有限公司，西安710065）

反壓注漿法在隧道塌方控制中的應(yīng)用

王永峰
（中交第二公路工程局有限公司，西安710065）

摘要：本文就反壓注漿法對隧道塌方治理的作用機(jī)理進(jìn)行敘述，并結(jié)合新建貴廣鐵路古山坪隧道和古利隧道塌方控制過程及效果，對反壓注漿法在隧道塌方治理中的應(yīng)用進(jìn)行介紹。

關(guān)鍵詞：隧道施工；坍塌；堆渣反壓法；注漿加固

0引言

隧道塌方是隧道施工中的經(jīng)常遇到地質(zhì)災(zāi)害，在塌方出現(xiàn)預(yù)兆或塌方已經(jīng)開始及發(fā)展時，如不果斷采取有效措施，往往由掉塊、落石及小塌方發(fā)展為大塌方甚至重大安全事故。反壓注漿法能夠及時有效的預(yù)防和控制大塌方發(fā)生，或使正在發(fā)展的塌方終止，并能安全通過軟弱破碎段或坍塌體使隧道正常掘進(jìn)。

1反壓注漿法的作用機(jī)理

1.1堆土（渣）反約束作用

隧道在開挖后掌子面圍巖原有受力平衡被破壞，出現(xiàn)一個臨空面，失去了約束。當(dāng)掌子面圍巖出現(xiàn)松散軟弱破碎或富水情況時，極容易失穩(wěn)導(dǎo)致滑落或坍塌。堆渣回填掌子面，能夠為已經(jīng)失穩(wěn)或達(dá)到極限平衡狀態(tài)的臨空面圍巖提供反向抗力，還原到平衡狀態(tài)。從而約束其位移變形或垮塌。

1.2實方變虛方體積擴(kuò)大效應(yīng)

當(dāng)隧道坍塌出現(xiàn)小塌腔并繼續(xù)發(fā)展時，堆渣回填掌子面能夠封閉塌腔土石漏出口，使塌腔形成封閉腔。繼續(xù)掉落的土石會在腔內(nèi)形成堆積體。掉落的土石在由實方量變?yōu)樘摲搅繒r體積會增大，體積增大系數(shù)依據(jù)現(xiàn)場經(jīng)驗總結(jié)，一般在1.3～1.5。隨著坍塌的發(fā)展，掉落土石形成的堆積體最終會填充滿塌腔，使塌腔壁圍巖受到約束，進(jìn)而使塌方停止。該方法最大的優(yōu)點是利用了坍塌堆積體填充塌腔。

1.3注漿固結(jié)效應(yīng)

坍塌停止趨于穩(wěn)定后，即可對坍塌堆積體及周邊圍巖進(jìn)行小導(dǎo)管注漿加固。注漿壓力一般在0.6～2.0MPa范圍內(nèi)。在較大壓力作用下水泥/水玻璃漿液滲透到土石間的空隙中，形成填充并膠結(jié)凝固，使坍塌堆積體及隧道開挖輪廓線以外一定范圍的松散土石固結(jié)成整體，圍巖整體穩(wěn)定性大大提高。

1.4小導(dǎo)管的簡支梁效應(yīng)

小導(dǎo)管除過將漿液注入圍巖內(nèi)固結(jié)土石體，還具有簡支梁效應(yīng)。小導(dǎo)管具有較好的剛度和強(qiáng)度，前端以5°～12°的外插角插入開挖面前方深部圍巖，后端支撐在鋼拱架上并焊接牢固，形成一端絞支的簡支梁。鋼架與開挖面之間未支護(hù)的圍巖剛好被小導(dǎo)管外露部分形成的簡支梁支撐，提供松動壓力抗力。使二次應(yīng)力重分布向著利于圍巖穩(wěn)定的方向發(fā)展。

1.5自穩(wěn)隱形拱效應(yīng)

隧道開挖后在沒有支護(hù)前，由于圍巖已經(jīng)受到擾動或破壞，二次應(yīng)力重分布并不完全趨于有利的拱圈效應(yīng)發(fā)展，再出現(xiàn)坍塌情況，拱圈效應(yīng)完全被破壞，無法形成自穩(wěn)。而通過拱部120°～140°范圍內(nèi)注漿加固作用及小導(dǎo)管簡支梁效應(yīng)，使從開挖輪廓線以外0.5～1.0范圍內(nèi)的圍巖得到加固補(bǔ)強(qiáng)，各項力學(xué)性能大大提高，形成了一個隱形的可受力的穩(wěn)定拱圈。該觀點與我大學(xué)老師惠興田教授的“惠氏隱形拱”相類似。

2反壓注漿法在工程中的應(yīng)用

2.1工程實例概況

新建貴廣鐵路GGTJ-5標(biāo)段的古利隧道、古山坪隧道、泗里隧道均位于廣西柳州三江縣境內(nèi)，古利隧道全長704m,古山坪隧道全長1984m,隧道所處地形均為中低山貌，植被發(fā)育，當(dāng)?shù)亟涤炅看蟆?/p>

古利隧道出口140m范圍內(nèi)為淺埋，圍巖為全風(fēng)化砂巖及紅土，圍巖級別為V級。掘進(jìn)至120m時，拱部開始出現(xiàn)少量掉塊，立即對掉塊部位噴射混凝土支護(hù)，約30分鐘后噴射混凝土支護(hù)開裂，拱部開始垮塌,漏出土石約50m3，形成一個深度約4米左右的坍腔，且還在繼續(xù)坍塌，20分鐘后開始采用隧道棄渣填埋掌子面反壓控制，成功堵住坍腔口，坍塌沒有發(fā)展擴(kuò)大，在后續(xù)近一周的注漿加固后安全通過塌方段。

古山坪隧道進(jìn)口圍巖為軟弱土夾沙礫石和地質(zhì)構(gòu)造作用強(qiáng)烈的壓碎炭質(zhì)頁巖。在DK333+008.7、DK333+014.3、DK333+018.3開挖后分別出現(xiàn)拱部土石下漏和小垮塌，每次方量約20m3～60m3,不等，通過采用反壓注漿法控制，坍塌沒有發(fā)展擴(kuò)大，之后均安全快速通過坍塌破碎段。

泗里隧道出口進(jìn)洞90米處掌子面圍巖靠近線路左側(cè)為完整性較好的砂巖，右側(cè)為風(fēng)化嚴(yán)重的泥巖，開挖后右拱腰開始垮塌，迅速形成深約3米坍腔，進(jìn)行緊急噴混凝土支護(hù)無效后，現(xiàn)場施工隊長指揮不當(dāng)，沒有采用洞渣反壓控制，最終導(dǎo)致坍腔不斷擴(kuò)大至地面，出現(xiàn)冒頂事故。

2.2工程施工技術(shù)

2.2.1?堆渣反壓施工

用運(yùn)輸車將隧道棄渣運(yùn)至掌子面附近卸下,由裝載機(jī)將渣料推至掌子面,形成堆積體.當(dāng)渣料頂面距離拱頂約2m時，裝載機(jī)無法繼續(xù)上料堆載，用挖掘機(jī)將堆積體頂部修成平臺，讓坍塌的土石落在平臺上堆積，直至將塌腔漏出口堵塞封閉。反壓堆積體的大小長度視塌方大小及涌出壓力而定。

2.2.2?小導(dǎo)管施工

工藝流程：搭設(shè)作業(yè)平臺→鉆孔→安裝小導(dǎo)管→封閉掌子面→注漿。

（1）搭設(shè)作業(yè)平臺：在反壓堆積體上開挖兩道平臺，使作業(yè)人員能夠安全作業(yè)，鉆機(jī)有支撐平臺；

（2）鉆孔：鉆孔間距0.3～0.5m,單排或雙排，鉆孔仰角5-12°，孔徑比φ108大20～30mm；

（3）安裝小導(dǎo)管：對松散破碎的坍塌體，無法成孔，故鉆桿直接套在Φ42鋼花管內(nèi)，將管送入巖體內(nèi)。鋼花管頂部加工成圓錐形，以便送入孔中；小導(dǎo)管長度不小于4.0m,可視坍塌范圍適當(dāng)加長，若坍塌范圍大于7m時，應(yīng)考慮使用大管棚。小導(dǎo)管單排38～45根，環(huán)向間距40cm，外插角5°～12°；

（4）封閉掌子面：注漿前至少2～3小時噴射10cm厚C25混凝土封閉掌子面。小導(dǎo)管尾端用防水布包裹或堵塞，防止噴射混凝土進(jìn)入堵塞小導(dǎo)管；

（5）注漿：采用注漿泵壓注水泥漿，漿液配比為水泥：水=1：0.55；注漿初壓一般為0.6～1.2Mpa，終壓2.0Mpa。注漿過程應(yīng)間歇循環(huán)進(jìn)行，可單雙孔交替。初壓持續(xù)10分鐘后暫停5分鐘，壓力下降后再注，這樣反復(fù)幾次，直到終壓持續(xù)15min而不再下降時停止注漿。如果小導(dǎo)管內(nèi)有水流出，應(yīng)遵循“先注無水管，后注有水管”原則。

3結(jié)束語

通過堆渣反壓有效的控制了塌方發(fā)展和擴(kuò)大，進(jìn)而采用小導(dǎo)管注漿把坍塌堆積體和開挖線以外一定范圍內(nèi)的圍巖固結(jié)補(bǔ)強(qiáng)，提高了坍塌體和掌子面前方圍巖整體性和穩(wěn)定性，形成了穩(wěn)定的隱形拱支護(hù)圈，使隧道能夠安全掘進(jìn)，通過坍塌破碎段。該方法的的最大優(yōu)點是能夠及時控制塌方擴(kuò)大，所需機(jī)具材料無需特殊安排，反應(yīng)迅速，處理成本低，速度快。