軟弱圍巖拱頂塌腔貧混凝土處理技術(shù)

杜曉偉

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

【關(guān)鍵詞】軟弱圍巖 拱頂塌腔 處理技術(shù)

隨著高速公路網(wǎng)的快速建設(shè)，隧道工程進(jìn)入高速發(fā)展時(shí)期，軟弱圍巖隧道施工中一個(gè)不可避免的難題就是掌子面拱頂塌腔。因此，預(yù)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(yīng)力較大，易發(fā)生大變形，嚴(yán)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(shí)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(jìn)。因此，有必要對軟弱圍巖拱頂塌腔貧混凝土處理技術(shù)進(jìn)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(xiàng)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(fù)雜，圍巖壓力最大的一條隧道，采用貧混凝土對拱頂塌腔進(jìn)行回填處理技術(shù)，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(jìn)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(shí)，發(fā)生拱頂塌腔的機(jī)率極大，而層理角度接近垂直時(shí)，拱頂塌腔發(fā)生的機(jī)率較?。蛔詈笫菄鷰r的松散程度，破碎的圍巖非常松散，拱頂塌腔發(fā)生的機(jī)率很大。

2.2掌子面掘進(jìn)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(jī)率的重要措施，相對來說，爆破開挖比機(jī)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(shí)拱頂踏腔發(fā)生的機(jī)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?yàn)樗缮⑵扑榈氖|(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(dāng)?shù)拈_挖方法極大的擾動(dòng)了松軟、破碎的石質(zhì)圍巖，應(yīng)力大釋放，掌子面溫度升高，沒有及時(shí)支護(hù)封閉。當(dāng)這些不利條件組合在一起時(shí)，拱頂發(fā)生塌腔的可能性大大增加了。

3預(yù)防拱頂踏腔需采取的措施

3.1選擇科學(xué)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(dòng)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(yù)留核心土、三臺階、三臺階預(yù)留核心土和超短三臺階預(yù)留核心土七步開挖法等不同方法，最終認(rèn)為三臺階預(yù)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(jìn)尺、早封閉”的原則，即每次開挖進(jìn)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(dǎo)、下導(dǎo)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(shí)得出最優(yōu)機(jī)械組合是銑挖機(jī)配合破碎錘。即先用銑挖機(jī)進(jìn)行掌子面開挖，并進(jìn)行拱頂及拱腰修邊，在拱腳圍巖較硬銑挖機(jī)銑挖效果不明顯的地方再有破碎錘進(jìn)行開挖，以達(dá)到開挖速度合理，對圍巖擾動(dòng)小的效果。

3.2選擇合理的掘進(jìn)方向

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

3.3采取合理補(bǔ)強(qiáng)措施，提高圍巖自穩(wěn)能力

采取合理補(bǔ)強(qiáng)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(yù)加固措施，如超前小導(dǎo)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(jìn)行注漿加固，能有效提高圍巖自穩(wěn)能力，預(yù)防開挖時(shí)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(shí)間和掉塊結(jié)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(shí)間不長時(shí)，可采用素混凝土對腔體內(nèi)圍巖進(jìn)行噴射封閉，隔離圍巖與洞內(nèi)空氣，阻止圍巖進(jìn)一步風(fēng)化脫落。封閉完成后及時(shí)安裝拱架，進(jìn)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(shí)，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(dāng)圍巖穩(wěn)定，不在掉塊，可以安全安裝鋼拱架時(shí)，采取先對塌腔體內(nèi)圍巖進(jìn)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(jī)進(jìn)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(jī)械臂進(jìn)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(yù)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(jìn)行加固封閉，使塌腔形成封閉的空洞，待初支混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)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(xì)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(shí)間長，無法進(jìn)行噴射混凝土封閉施工，存在極大的安全隱患。此時(shí)，可采用掌子面圍巖反壓，對塌腔進(jìn)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(jī)和裝載機(jī)配合分層填筑，盡量壓實(shí)且堆高至拱頂位置。當(dāng)拱頂空間狹小，機(jī)械無法作業(yè)時(shí)，采用人工碼土袋，堆碼高度略大于設(shè)計(jì)開挖斷面，形狀與設(shè)計(jì)開挖斷面一致且略大于設(shè)計(jì)開挖斷面。堆碼土袋過程中預(yù)留混凝土泵送管道，管道高度盡量達(dá)到塌腔頂部，土袋堆碼完成后進(jìn)行噴射混凝土，對土袋與空腔進(jìn)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(jìn)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(shí)進(jìn)行縫隙塞堵，泵送混凝土可暫停，待不漏漿時(shí)再次進(jìn)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(dá)到一定強(qiáng)度后，就可進(jìn)行掌子面的二次開挖。這時(shí)在拱頂就會(huì)形成一個(gè)混凝土圍巖的開挖面，當(dāng)開挖面達(dá)到設(shè)計(jì)開挖面尺寸時(shí)，就可進(jìn)行鋼拱架的安裝等工序，如果混凝土圍巖侵入設(shè)計(jì)開挖面時(shí)，采用破碎錘進(jìn)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(shí)質(zhì)隧道中，拱頂發(fā)生塌腔時(shí)，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(gè)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(hù)初支鋼拱架免受沖擊破壞。在圍巖軟弱、高地應(yīng)力隧道中，發(fā)生拱頂塌腔時(shí)不能用輕質(zhì)材料回填，因?yàn)檩p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(shí)。而拱架卻承受了較大來自拱肩側(cè)向壓力，并且側(cè)向壓力遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(yīng)力的軟巖隧道中，塌腔回填一定要采用圬工結(jié)構(gòu)進(jìn)行回填，混凝土在塌腔內(nèi)回填密實(shí)后，混凝土自身成為一個(gè)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(yīng)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(cè)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(hù)，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(yīng)力作用，初支兩側(cè)圍巖給初支向內(nèi)的壓力，由于隧道初支的橢圓形受力結(jié)構(gòu)，將兩側(cè)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(shí)例。

6結(jié)語

隨著高速公路網(wǎng)的大力發(fā)展，隧道工程進(jìn)一步轉(zhuǎn)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(jié)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(shù)，其效果得到了實(shí)踐驗(yàn)證。

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