氣泡混合輕質(zhì)土在隧道塌方回填中的應(yīng)用

吳衛(wèi)東

身份證號(hào)碼：330424198210272414

摘要：施工過程中的隧道塌方會(huì)影響到工程施工進(jìn)度和安全生產(chǎn)，對(duì)于塌方形成的空洞采取合理的處理措施至關(guān)重要。本文以一個(gè)工程實(shí)例為依托，對(duì)氣泡混合輕質(zhì)土在隧道空洞回填中的應(yīng)用進(jìn)行分析研究，為以后類似工程的處理提供技術(shù)支持和工藝方面的參考。

關(guān)鍵詞：隧道；塌方；氣泡混合輕質(zhì)土；分層仰灌

1、工程概況

位于廣東省某高速公路上的一座雙向分離式特長(zhǎng)隧道，左洞ZK85+194掌子面（正常間距Ⅳ級(jí)圍巖）拱頂局部圍巖為破碎帶碎裂巖，X型節(jié)理十分發(fā)育，地下水成線狀、股狀涌出，圍巖強(qiáng)度低，自穩(wěn)能力極差，導(dǎo)致了ZK85+188～ZK85+198段的拱頂塌方；塌方空洞最高約10m，數(shù)量約為300m3，塌方空洞頂已經(jīng)形成自然拱，暫時(shí)已趨于穩(wěn)定。

圖1 塌方斷面示意圖

圖2 塌方縱斷面示意圖

但塌方體上方圍巖富含裂隙水，水在重力作用下逐漸浸透巖體，久而久之會(huì)使巖體被剝蝕，自然拱頂巖體將會(huì)繼續(xù)掉塊甚至有二次塌方的情況出現(xiàn)，為了確保該隧道后期的施工安全及長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)安全，需及時(shí)對(duì)塌方空洞進(jìn)行回填處理。

2、氣泡混合輕質(zhì)土特性

氣泡混合輕質(zhì)土是按照一定的比例將水泥、水和氣泡（發(fā)泡劑生產(chǎn)）經(jīng)充分混合攪拌凝固后所形成的一種輕型混合材料。

2.1 基本性能

2.1.1密度和強(qiáng)度可調(diào)節(jié)性

氣泡混合輕質(zhì)土內(nèi)均勻分布著大量獨(dú)立閉合的氣泡，從而使材料的密度比常規(guī)土工材料小得多，根據(jù)需要調(diào)整產(chǎn)品中的水泥、水和氣泡的比率，輕質(zhì)土的密度可在3～13kN/m3的范圍內(nèi)自由調(diào)整，強(qiáng)度可在0.3～13.0MPa的范圍內(nèi)自由調(diào)整。輕質(zhì)土固化前材料中氣泡會(huì)隨著一次澆注厚度的增加而有所壓縮，從而引起密度的變化，如果一次澆注厚度越厚則下部密度的增加越大，因此，為確保其密度的均勻性，應(yīng)在澆筑過程中嚴(yán)格控制澆注厚度。

2.1.2滲透性低

無論是非飽和狀態(tài)還是飽和狀態(tài)，透水系數(shù)均小于10-5cm/s，在水環(huán)境中也能快速成型。

2.1.3耐久性強(qiáng)

氣泡混合輕質(zhì)土屬于水泥類材料，具有很好的耐久性。氣泡混合輕質(zhì)土的抗凍融性能比不含氣泡的水泥加固土好得多，當(dāng)壓縮荷載在0.5倍屈服荷載以下時(shí)，最終壓縮應(yīng)變不超過5%，徐變系數(shù)也較?。辉诟蓾裱h(huán)作用下，輕質(zhì)土的穩(wěn)定性與其它材料相比具有明顯的優(yōu)勢(shì)。

2.2 施工特性

2.2.1 氣泡混合輕質(zhì)土可通過管道泵送，最大輸送距離可達(dá)1500m，最大泵送高度可達(dá)30m。

2.2.2 施工時(shí)不需要機(jī)械振搗和碾壓作業(yè)，施工后也不需要養(yǎng)生，施工工期短。

2.2.3氣泡混合輕質(zhì)土中氣泡體積含有率大，成品的體積可達(dá)原材料體積的數(shù)倍以上，提高了施工材料的運(yùn)送率。

氣泡混合輕質(zhì)土的這些優(yōu)點(diǎn)，對(duì)上述隧道塌方處理回填施工極為有利，故選用回填氣泡混合輕質(zhì)土方案來實(shí)施。

3、氣泡混合輕質(zhì)土配選及灌注施工

考慮到施工環(huán)境、要求，對(duì)隧道初支結(jié)構(gòu)安全性進(jìn)行計(jì)算、復(fù)核，通過計(jì)算選取所用氣泡混合輕質(zhì)土的容重技術(shù)指標(biāo)：濕容重≤5.5kN/m3（僅為普通混凝土容重的1/5）。

3.1 施工準(zhǔn)備

首先對(duì)氣泡混合輕質(zhì)土的配合比進(jìn)行試驗(yàn)，對(duì)不同的配合比配制的氣泡混合輕質(zhì)土進(jìn)行技術(shù)指標(biāo)測(cè)試，然后再對(duì)氣泡混合輕質(zhì)土仰灌施工做試驗(yàn)，對(duì)其垂直灌注效果進(jìn)行觀測(cè)、檢測(cè)，最終選取合適的配合比。

3.1.1在密度和強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求的情況下，尋找既能使輕質(zhì)土的施工性能最佳又具有良好經(jīng)濟(jì)性的氣泡混合輕質(zhì)土的施工配合比。

3.1.2氣泡混合輕質(zhì)土的密度和強(qiáng)度滿足要求的情況下，驗(yàn)證其施工性能是否滿足現(xiàn)場(chǎng)要求。

3.1.3氣泡混合輕質(zhì)土在仰灌施工條件下，對(duì)各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)的影響度。

經(jīng)過試驗(yàn)最終選用的氣泡混合輕質(zhì)土配合比為：

表1 施工配合比

水泥（kg/m3） 水（kg/m3） 氣泡量（L/m3） 備注

310 175 725 發(fā)泡劑中摻入部分防分散劑

輕質(zhì)土的濕容重選擇≤5.2kN/m3（表干容重≤5.0kN/m3）、抗壓強(qiáng)度≥1.0MPa、流動(dòng)度160～200mm。

表2 氣泡混合輕質(zhì)土試驗(yàn)結(jié)果

試樣

編號(hào) 容重

kN/m? 流動(dòng)度 無側(cè)限抗壓

強(qiáng)度/MPa 平均容重

kN/m? 平均抗壓

強(qiáng)度/MPa

1 5.19 190mm 1.25

4.93

1.20

2 4.79 185mm 1.15

3 4.81 200mm 1.20

3.2 塌方分層仰灌施工

主要工藝流程為：剩余初支結(jié)構(gòu)施工—設(shè)置注漿管—分層灌注氣泡混合輕質(zhì)土—封孔—檢測(cè)。

圖3 氣泡混合輕質(zhì)土施工示意圖

3.2.1剩余初支結(jié)構(gòu)施工

拱頂初支結(jié)構(gòu)作為塌方空洞回填氣泡混合輕質(zhì)土的支撐模板，嚴(yán)格按照施工設(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；

3.2.2 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50mm，鉆孔間距為1.5 m，根據(jù)塌方斷面形式進(jìn)行布置。注漿管采用壁厚3mm的無縫鋼管，直徑為42mm，注漿管的長(zhǎng)度根據(jù)塌方空洞高度而定；

圖4 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5 注漿管布設(shè)平面示意圖

3.2.3 氣泡混合輕質(zhì)土分層仰灌施工。

3.2.3.1施工材料、設(shè)備準(zhǔn)備

表3 施工主要材料所需要一欄表

名稱 單位 數(shù)量

發(fā)泡劑 kg 10500

水泥 kg 108500

防分散劑 kg 1750

表4 施工主要設(shè)備所需要一欄表

名稱 單位 數(shù)量

水泥漿拌和站 座 1

水泥漿運(yùn)輸車 輛 2

發(fā)泡裝置 套 1

高壓泵 套 1

前端混合攪拌器 套 1

3.2.3.2灌注施工

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，分層厚度為控制在180～220cm，具體施工方法如下：

通過4、5號(hào)注漿孔（見圖2、3）進(jìn)行注漿，當(dāng)1號(hào)孔有漿液冒出時(shí)，停止注漿，即達(dá)到第1層注漿厚度；待第1層漿液達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的90%后，再進(jìn)行第2層注漿工序。發(fā)現(xiàn)8號(hào)孔有漿液冒出時(shí)，暫停注漿，即達(dá)到第2層注漿厚度；待第2層漿液達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的90%后，再進(jìn)行第3層注漿工序。發(fā)現(xiàn)2、7號(hào)孔有漿液冒出時(shí)，暫停注漿，即達(dá)到第3層注漿厚度；以此類推，直至壓注完成為止。

3.2.3.3封孔

當(dāng)最后一層氣泡混合輕質(zhì)土的注漿壓力穩(wěn)定在某個(gè)值（一般在0.5MPa至0.8MPa之間）10分鐘不進(jìn)漿或進(jìn)漿量很少時(shí)，即可停止注漿，進(jìn)行封孔作業(yè)。具體操作為：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，施工完畢。

3.2.3.4灌注飽滿度檢測(cè)

灌注完成后，對(duì)隧道拱頂壓住效果采用地震映像法進(jìn)行檢測(cè)，使用淺層地震儀，配合國(guó)產(chǎn)反射檢波器；地震映像法反射時(shí)間剖面圖顯示無異常反應(yīng)形態(tài)，表明塌方空洞灌注飽滿度良好

4、技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)及效益分析

4.1 技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)：

該隧道塌方空洞分層仰灌氣泡混合輕質(zhì)土工程的順利完成，證明了隧道塌方中氣泡混合輕質(zhì)土的實(shí)用價(jià)值，同時(shí)在施工技術(shù)方面體現(xiàn)了創(chuàng)新：

4.1.1 隧道塌方回填處理材料的選擇

對(duì)隧道塌方處的掌子面及周圍圍巖進(jìn)行仔細(xì)勘察并查閱相關(guān)地質(zhì)、水位等多方面資料，明確了塌方的原因，同時(shí)也獲知了塌方體上空已經(jīng)形成自然拱，對(duì)其巖層如不施加重荷、干擾，暫時(shí)無較大安全風(fēng)險(xiǎn)；但塌方體上方圍巖內(nèi)存在裂隙水，水在重力作用下逐漸浸透巖體，久而久之會(huì)使巖體被剝蝕，塌方后形成的自然拱會(huì)逐漸擴(kuò)大，就會(huì)有巖體掉塊甚至有二次塌方的情況出現(xiàn)；故需對(duì)塌方空洞進(jìn)行填充，封閉圍巖水的運(yùn)動(dòng)；根據(jù)此施工工況，合理的選用氣泡混合輕質(zhì)土材料，利用其輕質(zhì)性大大減小了對(duì)初支結(jié)構(gòu)施加的不利荷載；利用其穩(wěn)定性、耐久性、透水性極小等特點(diǎn)封閉了塌方體上方的圍巖水，確保了隧道后期的運(yùn)營(yíng)安全；

圖6 密實(shí)度檢測(cè)示意圖

4.1.2 隧道塌方處理方案的選擇

傳統(tǒng)的隧道塌方處理為回填噴射混凝土或壓注水泥漿，該隧道塌方空洞較高，施工難度大，部分塌方體下端已經(jīng)施作初支結(jié)構(gòu)，回填噴射混凝土的回彈量大，給初期支護(hù)的負(fù)荷過大，存在較大危險(xiǎn)性；同時(shí)噴射混凝土噴射距離過高，回填混凝土質(zhì)量較難保證，故而選擇了回填氣泡混合輕質(zhì)土方案；然而氣泡混合輕質(zhì)土在路基加寬、橋臺(tái)臺(tái)背回填等施工中常見的施工工藝為遠(yuǎn)距離泵送，并沒有垂直向上壓注即仰灌工藝。該隧道塌方回填氣泡混合輕質(zhì)土中充分掌握氣泡混合輕質(zhì)土的特性，采用仰灌試驗(yàn)確定了合理的施工配合比及每次合理的仰灌施工高度，最終成功完成了輕質(zhì)土的分層仰灌施工。

4.2 效益分析

4.2.1經(jīng)濟(jì)效益

如隧道塌方處理回填采用傳統(tǒng)的噴射混凝土與采用氣泡混合輕質(zhì)土的施工所使用工程量與費(fèi)用詳見下表：

表5 采用不同回填料所需工程量、費(fèi)用一覽表

材料名稱 設(shè)計(jì)量

（m3） 使用數(shù)量

（m3） 費(fèi)用

（元/m3） 合計(jì)

（元） 工期

（天） 施工質(zhì)量 備注

噴射混凝土 300 378 700 291060 8～10 不佳 回彈系數(shù)1.26

氣泡混合輕質(zhì)土 300 330 385 127050 5 良好 考慮流失10%

施工僅僅300m3的工程量，通過采用不同回填料所需費(fèi)用一覽表顯示，采用氣泡混合輕質(zhì)土施工，不但直接節(jié)約成本16萬元，而且節(jié)約了工期。

4.2.2社會(huì)效益

因地質(zhì)原因造成的該隧道塌方的處理實(shí)例，無論在制定方案、施工速度方面還是在施工質(zhì)量方面均得到了業(yè)主及監(jiān)理單位的好評(píng)，為該隧道的順利通車運(yùn)營(yíng)打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，也創(chuàng)造了一定的社會(huì)效益。

5、總結(jié)

該隧道塌方處理方案突破了傳統(tǒng)的工藝，采用了氣泡混合輕質(zhì)土分層仰灌工藝，類似工程實(shí)踐甚少，在缺乏成熟技術(shù)指導(dǎo)的條件下，通過理論與實(shí)踐的結(jié)合、摸索，使此工藝在該隧道塌方處理中得到成功的應(yīng)用。該工程實(shí)例證實(shí)氣泡混合輕質(zhì)土在隧道塌方回填中具有較高的推廣價(jià)值。