泡沫轻质土在云山隧道塌方处理中的应用

2016-11-15宋竹兵

山西交通科技 2016年5期

宋竹兵

（和榆高速公路建设管理处，山西左权 032600）

1 概述

随着高速公路以及高速铁路的快速发展，隧道越修越长，穿越的地质区域越来越复杂，遇到的不良地质体也会较多。在隧道的施工过程中，遇到不良地质体，稍有支护不当，就很可能发生塌方。塌方的处治效果，直接影响着后期隧道的运营安全。在对隧道塌方处治过程中，如何很好处理隧道塌腔一直是个技术性难题，传统回填材料，处治效果欠佳。为此，隧道建设者们寻找到了一种轻便、高效的回填材料——泡沫轻质土，已经逐渐开始在隧道塌方的处治中广泛应用。

2 项目概况

2.1 工程概况

和榆高速公路云山隧道位于山西省左权县城东北5 km处，横穿太行山脉，设计为分离式隧道，右线起止里程K43+590—K54+967，全长11 377 m，左线起止里程ZK43+570—ZK54+978，全长11 408 m，为特长隧道，间距为30～35 m，最大埋深742.67 m。隧道所处地区地质复杂，软硬互层，既有强度高、整体性好的铁质石英岩，又有层间结合差，节理裂隙发育，岩体破碎的膨胀泥页岩。

2.2 塌方情况

2011年11月14日云山隧道左线开挖至ZK54+121处，拱顶右上方出现股状涌水并伴有少量塌方，对塌方处理完成后，施工方法采用短进尺进行开挖。2011年11月16日，施工至ZK54+118处时又出现大面积塌方，塌腔高度12 m，长度5～6 m。塌方岩体将掌子面封死，通过连续几天的监控量测发现，前期做的初期支护基本稳定，拱架无明显开裂下沉。但空腔上部围岩内富含地下水，水在重力作用下会逐渐进入岩体，久而久之使岩石软化，空腔上部岩石必然出现掉块，将对隧道衬砌结构安全造成隐患。为了保证隧道施工以及后期运营的安全，须对塌方空腔进行回填处理。

2.3 塌方处理方案

2.3.1 传统处理方案

隧道塌方量较大，拱部形成较高的空腔，传统的隧道塌方空腔填充的是混凝土，但是该方法存在以下无法克服的弊端。

a）因混凝土的自重较大，在施工中泵送的混凝土重量全部作用在钢拱架上，易引起钢拱架下沉、变形甚至垮塌。

b）施工速度慢。对于较大的塌腔处理，在混凝土泵送过程中为了减小混凝土对拱架的影响，需要分层充填，避免一次性充填量过大造成拱架支撑下沉开裂。

c）填充不彻底，对后期隧道运营造成一定的安全隐患。由于塌方体的形状很不规则，很难形成自稳，因此填充物的重量大部分需要钢拱架来支撑，特别是空腔体高度较大时，施工单位因担心全部填充后对钢拱架造成过大的荷载引起二次垮塌，在施工时常回填的不彻底，给后期施工和运营埋下了安全隐患。

2.3.2 新型处理方案

为了克服传统塌方空腔处理中存在的不足，经过对填充材料的仔细比选，经各方论证后，决定采用新型材料泡沫轻质土回填。

3 泡沫轻质土工程特性及研究现状

泡沫轻质土是用物理方法将发泡剂水溶液制备成泡沫，与水泥基胶凝材料、水及可选组分集料、掺和料、外加剂按照一定的比例混合搅拌，并经物理化学作用硬化形成的一种轻质材料，具有轻质、密度与强度可调、良好的施工性和环保性等特点[1]。

3.1 泡沫轻质土基本特性

a）密度和强度可调节性。通过调整轻质土中气泡含有率，可控制轻质土干密度在300～1 200 kg/m3之间，控制强度在0.3～7.5 MPa范围内调节。

b）较高的可压缩性和延展性。隧道在施工初期易产生较大的变形，用泡沫轻质土作为隧道塌腔的填充材料，因其较高的可压缩性和良好的延展性，可承担、吸收变形压力，改善结构体受力分布。

c）耐久性强。轻质土属于水泥类材料，使用寿命与水泥混凝土同等，具有很好的耐久性。

d）填充自密实特性。轻质土的制作与现场施工浇筑点可分离，可在狭小的空间内施工；结合轻质土自流平、填充自密实、无需振捣的特性，施工便捷、高效。

3.2 泡沫轻质土研究现状

泡沫混合轻质土是一种新型轻质环保材料，在国外已有几十年的应用历史，自2001年从日本引进以来，先后在广州、北京、上海等地的重点工程中得到广泛应用。尤其在桥头路基填筑、旧路加宽、管道回填等方面取得了良好的效果。

4 回填轻质土施工

根据拱顶空腔的大小、施工环境，对隧道初支结构的安全性进行计算、复核。决定采用回填轻质土的湿容重小于等于5.0 kN/m3（仅为普通混凝土容重的1/5）。

4.1 泡沫轻质土的制备

配合比设计遵守的原则：以泡沫轻质土体密度和强度为配合比的设计基础，设计出既能满足轻质土的密度和强度要求又能使轻质土的施工性能最佳、具有良好经济性的气泡混合轻质土的施工配合比。

进行配比容重检测过程中进行轻质土试块制作，经过试验最终选用的气泡混合轻质土配合比见表1。

表1 施工使用配合比

轻质土的湿容重选择小于等于5.2 kN/m3（表干容重小于等于 5.0 kN/m3）、抗压强度大于等于1.0 MPa、流动度 160～200 mm。

4.2 分层仰灌施工工艺

主要工艺流程为：剩余初支结构施工→埋设引水管→设置注浆管→分层灌注轻质土→封孔。

4.2.1 埋设引水管

隧道塌方经常伴随着渗水出现，在进行塌方段初期支护前，应根据塌方段渗水情况及出水点的分布情况布设φ50加筋透水软管，对岩壁渗水进行集中引排，以保证回填轻质土的质量，消除后期运营中的安全隐患。

4.2.2 剩余初支结构施工

拱顶初支结构作为塌方空腔回填气泡混合轻质土的支撑措施，严格按照变更设计图纸施工，将塌方空洞进行封闭，以保证气泡混合轻质土不外泄。

4.2.3 设置注浆管

在封闭的初支结构上方钻孔，采用风钻钻孔，孔径为50 mm，钻孔间距为1.0～2.0 m，梅花型布置。沿拱顶中线布置两根注浆管，注浆管采用壁厚3 mm的无缝钢管，直径为42 mm，注浆管的长度根据塌方空洞高度而定；排浆管设 4 组（3、4；5、6；7、8；9、10），每组两根沿隧道纵向左右错开布置，每组排浆管的长度根据分层厚度逐层增加，层厚为180～220 cm。注浆管布设及分层压注气泡混合轻质土立面示意图（图1），注浆管布设平面示意图（图2）。

图1 注浆管布设立面示意图

图2 注浆管布设平面示意图

4.2.4 泡沫轻质土分层仰灌施工

施工工艺流程见图3。气泡混合轻质土的密度会随着一次浇筑厚度的增大而增加，因而需分层灌注气泡混合轻质土，分层厚度控制在180～220 cm，具体施工方法如下：通过1、2号注浆孔（见图1、图2）进行注浆，当第1组孔有浆液冒出时，停止注浆，即达到第1层注浆厚度；第1层浆液达到设计强度的90%后，再进行第2层注浆。以此类推，直至注浆完成为止。

图3 泡沫轻质土仰灌施工工艺流程

4.2.5 封孔

当注浆量逐渐减少且注浆压力趋于稳定时，持续10 min即可停止注浆，进行封孔作业。具体操作流程为：停泵后立即封闭空口阀门，拆卸和清洗管路，待浆液凝固后割除外露注浆管，然后用塑胶泥封堵管口，注浆完毕。

5 质量控制措施

a）做好塌腔体内渗水引排。塌腔内围岩渗水如与泡沫轻质土浆液混合会严重影响轻质土的质量，因此在施工前应根据渗水点出水量的大小和分布情况采取埋设加筋透水软管、喷射混凝土封堵等措施，将渗水集中引排。

b）严格进场材料检验程序，施工中使用的水泥、发泡剂经检验合格后方可进场。发泡剂的稀释倍率不得小于40倍、发泡倍率不得小于20倍。浆液流动度（180 mm）允许误差不得超过±20 mm，湿容量允许误差控制在±0.5 kN/m3。泡沫混凝土的配制强度必须大于其强度标准值3%～10%，使其具有富余强度。施工中严格按照泡沫轻质土的配比进行拌合。

c）实际仰灌量与理论计算量相符合。隧道塌腔回填采用仰灌的方法是在密闭的条件下进行的。虽然通过排浆管可以判断浆液回填的大概高度，但是，回填到顶部后就无法通过排浆管判断浆液的位置了，为了保证充填密实，除了在封孔前进行加压持荷外，还要对实际回填量和理论计算量进行对比。当两者相差较大时应及时查找原因，以保证回填达到预期的目的。