軟弱圍巖拱頂塌腔貧混凝土處理技術

杜曉偉

（甘肅路橋建設集團有限公司，甘肅蘭州 730030）

軟弱圍巖拱頂塌腔貧混凝土處理技術

杜曉偉

（甘肅路橋建設集團有限公司，甘肅蘭州 730030）

采用貧混凝土對軟弱圍巖隧道拱頂塌腔進行回填處理技術，能保障作業(yè)過程中人員和機械的安全，回填后混凝土圍巖有效的抵抗高地應力和山體圍巖壓力，能夠保證塌腔處理后隧道的正常掘進和后期的質(zhì)量安全。 本人結合武都西隧道在施工過程中對拱頂塌腔的預防和處理方法，對安全、質(zhì)量、效果進行分析和論證。

軟弱圍巖 拱頂塌腔 處理技術

隨著高速公路網(wǎng)的快速建設，隧道工程進入高速發(fā)展時期，軟弱圍巖隧道施工中一個不可避免的難題就是掌子面拱頂塌腔。因此，預防和正確處置成為重要問題。武都西隧道圍巖軟弱，節(jié)理發(fā)育，層理面光滑，地應力較大，易發(fā)生大變形，嚴重影響工程穩(wěn)定性，并多次發(fā)生拱頂塌腔。施工中，經(jīng)過理論分析和現(xiàn)場實踐，發(fā)現(xiàn)采用貧混凝土處理拱頂踏腔能有效解決這一長期困擾的難題，能安全保質(zhì)的處理，確保隧道的正常掘進。因此，有必要對軟弱圍巖拱頂塌腔貧混凝土處理技術進行探討。

1 概述

軟弱圍巖隧道施工已是高速公路施工中無法避免的施工項目，武都西隧道更是甘肅甚至國內(nèi)高速公路隧道中軟弱圍巖隧道的典型，是省內(nèi)地質(zhì)條件最為復雜，圍巖壓力最大的一條隧道，采用貧混凝土對拱頂塌腔進行回填處理技術，使的隧道在施工過程中質(zhì)量和安全得意保質(zhì)，隧道順利貫通。

2 拱頂塌腔發(fā)生的條件

2.1 地質(zhì)條件是拱頂發(fā)生塌腔的必要條件

石質(zhì)圍巖隧道中，圍巖破碎是隧道掘進過程中發(fā)生拱頂塌腔的首要條件；其次是圍巖的層理和節(jié)理發(fā)育程度；再次是層理發(fā)育的角度，層理角度接近水平時，發(fā)生拱頂塌腔的機率極大，而層理角度接近垂直時，拱頂塌腔發(fā)生的機率較??；最后是圍巖的松散程度，破碎的圍巖非常松散，拱頂塌腔發(fā)生的機率很大。

2.2 掌子面掘進方法是拱頂發(fā)生踏腔的重要條件

采用正確的開挖方法是減小拱頂踏腔發(fā)生機率的重要措施，相對來說，爆破開挖比機械開挖更易誘發(fā)拱頂踏腔；開挖面大，更易發(fā)生塌腔；背向?qū)永斫嵌乳_挖要比面向?qū)永斫嵌乳_挖時拱頂踏腔發(fā)生的機率小。

2.3 滲水對拱頂發(fā)生塌腔的影響

石質(zhì)圍巖隧道中，如果隧道滲水，或者出水量比較大，說明圍巖較好，不易發(fā)生拱頂塌腔。因為松散破碎的石質(zhì)圍巖一般無法存儲水，易發(fā)生拱頂踏腔。

2.4 不利條件的組合

不當?shù)拈_挖方法極大的擾動了松軟、破碎的石質(zhì)圍巖，應力大釋放，掌子面溫度升高，沒有及時支護封閉。當這些不利條件組合在一起時，拱頂發(fā)生塌腔的可能性大大增加了。

3 預防拱頂踏腔需采取的措施

3.1 選擇科學的開挖方法

武都西隧道大變形段施工過程中，根據(jù)圍巖受擾動情況和監(jiān)控量測數(shù)據(jù)分析，探索了不同的開挖方法，主要有上下臺階預留核心土、三臺階、三臺階預留核心土和超短三臺階預留核心土七步開挖法等不同方法，最終認為三臺階預留核心土七步開挖法最適合用于千枚化炭質(zhì)頁巖大變形段的施工，并遵循“短進尺、早封閉”的原則，即每次開挖進尺0.75m，每臺階長度控制在5m以內(nèi)，仰拱與掌子面控制距離控制在20m以內(nèi)，掌子面、中導、下導同步驟施工，仰拱采用棧橋法全斷面施工工藝，長度控制在3.5m以內(nèi)。

同時得出最優(yōu)機械組合是銑挖機配合破碎錘。即先用銑挖機進行掌子面開挖，并進行拱頂及拱腰修邊，在拱腳圍巖較硬銑挖機銑挖效果不明顯的地方再有破碎錘進行開挖，以達到開挖速度合理，對圍巖擾動小的效果。

3.2 選擇合理的掘進方向

一般情況下，隧道的掘進方向在設計時已經(jīng)確定，但也有個別隧道在掘進時可以選擇掘進方向，盡量選擇背向?qū)永矸较蜻M行掘進開挖，使未開挖圍巖對開挖臨空面壓力減小，降低開挖時臨空面拱頂塌腔發(fā)生的可能性。

3.3 采取合理補強措施，提高圍巖自穩(wěn)能力

采取合理補強措施，提高圍巖自穩(wěn)能力，是目前隧道施工中經(jīng)常采用的常規(guī)措施，針對圍巖破碎程度，層理、節(jié)理的發(fā)育程度，可采用不同方式的超前預加固措施，如超前小導管注漿、管棚注漿和掌子面注漿加固等措施。在掌子面未開挖前進行注漿加固，能有效提高圍巖自穩(wěn)能力，預防開挖時發(fā)生拱頂塌腔。

4 拱頂塌腔的處理措施

根據(jù)塌腔的大小、掉塊持續(xù)時間和掉塊結束后自穩(wěn)狀況采取不同的處理措施。

4.1 噴射貧混凝土回填

掌子面開挖后拱頂塌腔較小，深度小于100cm，且塌腔體內(nèi)圍巖較為穩(wěn)定，掉塊持續(xù)時間不長時，可采用素混凝土對腔體內(nèi)圍巖進行噴射封閉，隔離圍巖與洞內(nèi)空氣，阻止圍巖進一步風化脫落。封閉完成后及時安裝拱架，進行錨桿安裝、注漿，全部完成后，用貧混凝土噴射回填空腔，要求密實，然后噴射初支混凝土。

4.2 泵送貧混凝土回填

針對塌腔體積較大，深度超過100cm，甚至超過1000cm的拱頂塌腔，當圍巖穩(wěn)定，不在掉塊，可以安全安裝鋼拱架時，采取先對塌腔體內(nèi)圍巖進行噴射混凝土封閉措施。如若人工無法完成噴射作業(yè)，可優(yōu)先選用多功能濕噴機進行作業(yè)，或者在挖掘斗齒上焊接工字鋼加高后，用簡易的機械臂進行噴射混凝土施作。封閉完成后立即安裝鋼拱架、施做錨桿，然后在塌腔最高處預埋兩根混凝土泵送管和一根PVC透氣管，泵送管道可焊接在鋼拱架上。隨后完成初支混凝土噴射，并對掌子面進行加固封閉，使塌腔形成封閉的空洞，待初支混凝土達到設計強度的70%后，用原木或方木頂撐加固初支，然后分批泵送C20混凝土回填塌腔，為保證安全，需仔細觀察初支表面狀況。

4.3 二次開挖回填

如果塌腔體積較大，深度超過100cm，甚至1000cm，且塌腔體內(nèi)圍巖極不穩(wěn)定，掉塊持續(xù)時間長，無法進行噴射混凝土封閉施工，存在極大的安全隱患。此時，可采用掌子面圍巖反壓，對塌腔進行人造圍巖處理。

4.3.1 掌子面圍巖反壓

掌子面堆積道渣，可采用挖掘機和裝載機配合分層填筑，盡量壓實且堆高至拱頂位置。當拱頂空間狹小，機械無法作業(yè)時，采用人工碼土袋，堆碼高度略大于設計開挖斷面，形狀與設計開挖斷面一致且略大于設計開挖斷面。堆碼土袋過程中預留混凝土泵送管道，管道高度盡量達到塌腔頂部，土袋堆碼完成后進行噴射混凝土，對土袋與空腔進行封閉和加固。

4.3.2 混凝土回填

待土袋對塌腔封閉完成后，再對空腔進行貧混凝土泵送回填，該空腔回填可一次性完成，但在混凝土泵送過程中注意觀察堆碼土袋的受力情況和土袋縫隙的漏漿情況，發(fā)生漏漿時進行縫隙塞堵，泵送混凝土可暫停，待不漏漿時再次進行混凝土泵送，直到塌腔腔體內(nèi)混凝土全部填充為止。

4.3.3 二次開挖

拱頂踏腔內(nèi)混凝土達到一定強度后，就可進行掌子面的二次開挖。這時在拱頂就會形成一個混凝土圍巖的開挖面，當開挖面達到設計開挖面尺寸時，就可進行鋼拱架的安裝等工序，如果混凝土圍巖侵入設計開挖面時，采用破碎錘進行局部修整。這種方法也可用于初支塌方處置措施中。

5 輕質(zhì)材料、圬工材料回填對比

5.1 輕質(zhì)材料回填

圍巖較好的實質(zhì)隧道中，拱頂發(fā)生塌腔時，可用傳統(tǒng)的輕質(zhì)材料回填，如粉煤灰、爐渣等材料。輕質(zhì)材料可在初支后面形成一個半剛性的軟弱緩沖層，能有效緩沖拱頂?shù)魤K的沖擊力，保護初支鋼拱架免受沖擊破壞。在圍巖軟弱、高地應力隧道中，發(fā)生拱頂塌腔時不能用輕質(zhì)材料回填，因為輕質(zhì)材料無法整體承載拱頂壓力，且回填無法做到完全密實。而拱架卻承受了較大來自拱肩側向壓力，并且側向壓力遠遠大于拱頂?shù)魤K重力，拱架剛度不足而發(fā)生扭曲變形，甚至在拱頂被剪斷。

5.2 圬工材料回填塌腔

在高地應力的軟巖隧道中，塌腔回填一定要采用圬工結構進行回填，混凝土在塌腔內(nèi)回填密實后，混凝土自身成為一個整體，首先它由于自身的重量產(chǎn)生豎直向下的壓力和來自圍巖地應力產(chǎn)生的壓力，將整體傳遞給隧道初支，但由于塌腔的形狀是不規(guī)則的橢圓形，回填混凝土在受到重力和圍巖壓力作用下產(chǎn)生向下的位移，但有受到兩側圍巖的阻止后，將很大一部分力傳遞給圍巖，再加上隧道初支本身就是半剛性支護，容許少了變形，所有塌腔回填的混凝土整體給隧道初支只傳遞了少量的向下的力，更多的力讓圍巖承受了。其次是受到隧道內(nèi)高地應力作用，初支兩側圍巖給初支向內(nèi)的壓力，由于隧道初支的橢圓形受力結構，將兩側的壓力傳遞到拱頂形成向上的剪力，該剪力和拱頂踏腔混凝土整體的重力共同作用在隧道初支上，但由于作用力相反，造成相互抵消效果，減改變隧道初支的受力狀況，確保隧道初支不被破壞，給工藝在武都西隧道施工中有成功的實例。

6 結語

隨著高速公路網(wǎng)的大力發(fā)展，隧道工程進一步轉向高山峻嶺、高海拔區(qū)，越來越多的遇到軟弱圍巖，拱頂塌腔成為不可避免的難題。本文結合武都西隧道工程施工情況，綜合分析了幾種塌腔回填技術，其效果得到了實踐驗證。

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