氣泡混合輕質土在隧道塌方回填中的應用

吳衛東

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摘要：施工過程中的隧道塌方會影響到工程施工進度和安全生產，對于塌方形成的空洞采取合理的處理措施至關重要。本文以一個工程實例為依托，對氣泡混合輕質土在隧道空洞回填中的應用進行分析研究，為以后類似工程的處理提供技術支持和工藝方面的參考。

關鍵詞：隧道；塌方；氣泡混合輕質土；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隧道，左洞ZK85+194掌子面（正常間距Ⅳ級圍巖）拱頂局部圍巖為破碎帶碎裂巖，X型節理十分發育，地下水成線狀、股狀涌出，圍巖強度低，自穩能力極差，導致了ZK85+188～ZK85+198段的拱頂塌方；塌方空洞最高約10m，數量約為300m3，塌方空洞頂已經形成自然拱，暫時已趨于穩定。

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，久而久之會使巖體被剝蝕，自然拱頂巖體將會繼續掉塊甚至有二次塌方的情況出現，為了確保該隧道后期的施工安全及長期運營安全，需及時對塌方空洞進行回填處理。

2、氣泡混合輕質土特性

氣泡混合輕質土是按照一定的比例將水泥、水和氣泡（發泡劑生產）經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密度和強度可調節性

氣泡混合輕質土內均勻分布著大量獨立閉合的氣泡，從而使材料的密度比常規土工材料小得多，根據需要調整產品中的水泥、水和氣泡的比率，輕質土的密度可在3～13kN/m3的范圍內自由調整，強度可在0.3～13.0MPa的范圍內自由調整。輕質土固化前材料中氣泡會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，應在澆筑過程中嚴格控制澆注厚度。

2.1.2滲透性低

無論是非飽和狀態還是飽和狀態，透水系數均小于10-5cm/s，在水環境中也能快速成型。

2.1.3耐久性強

氣泡混合輕質土屬于水泥類材料，具有很好的耐久性。氣泡混合輕質土的抗凍融性能比不含氣泡的水泥加固土好得多，當壓縮荷載在0.5倍屈服荷載以下時，最終壓縮應變不超過5%，徐變系數也較小；在干濕循環作用下，輕質土的穩定性與其它材料相比具有明顯的優勢。

2.2 施工特性

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

2.2.2 施工時不需要機械振搗和碾壓作業，施工后也不需要養生，施工工期短。

2.2.3氣泡混合輕質土中氣泡體積含有率大，成品的體積可達原材料體積的數倍以上，提高了施工材料的運送率。

氣泡混合輕質土的這些優點，對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土方案來實施。

3、氣泡混合輕質土配選及灌注施工

考慮到施工環境、要求，對隧道初支結構安全性進行計算、復核，通過計算選取所用氣泡混合輕質土的容重技術指標：濕容重≤5.5kN/m3（僅為普通混凝土容重的1/5）。

3.1 施工準備

首先對氣泡混合輕質土的配合比進行試驗，對不同的配合比配制的氣泡混合輕質土進行技術指標測試，然后再對氣泡混合輕質土仰灌施工做試驗，對其垂直灌注效果進行觀測、檢測，最終選取合適的配合比。

3.1.1在密度和強度滿足設計要求的情況下，尋找既能使輕質土的施工性能最佳又具有良好經濟性的氣泡混合輕質土的施工配合比。

3.1.2氣泡混合輕質土的密度和強度滿足要求的情況下，驗證其施工性能是否滿足現場要求。

3.1.3氣泡混合輕質土在仰灌施工條件下，對各項技術參數的影響度。

經過試驗最終選用的氣泡混合輕質土配合比為：

表1 施工配合比

水泥（kg/m3） 水（kg/m3） 氣泡量（L/m3） 備注

310 175 725 發泡劑中摻入部分防分散劑

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

表2 氣泡混合輕質土試驗結果

試樣

編號 容重

kN/m? 流動度 無側限抗壓

強度/MPa 平均容重

kN/m? 平均抗壓

強度/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：剩余初支結構施工—設置注漿管—分層灌注氣泡混合輕質土—封孔—檢測。

圖3 氣泡混合輕質土施工示意圖

3.2.1剩余初支結構施工

拱頂初支結構作為塌方空洞回填氣泡混合輕質土的支撐模板，嚴格按照施工設計圖紙施工，將塌方空洞進行封閉，以保證氣泡混合輕質土不外泄；

3.2.2 設置注漿管

在封閉的初支結構上方鉆孔，采用風鉆鉆孔，孔徑為50mm，鉆孔間距為1.5 m，根據塌方斷面形式進行布置。注漿管采用壁厚3mm的無縫鋼管，直徑為42mm，注漿管的長度根據塌方空洞高度而定；

圖4 注漿管布設及分層壓注氣泡混合輕質土立面示意圖

圖5 注漿管布設平面示意圖

3.2.3 氣泡混合輕質土分層仰灌施工。

3.2.3.1施工材料、設備準備

表3 施工主要材料所需要一欄表

名稱 單位 數量

發泡劑 kg 10500

水泥 kg 108500

防分散劑 kg 1750

表4 施工主要設備所需要一欄表

名稱 單位 數量

水泥漿拌和站 座 1

水泥漿運輸車 輛 2

發泡裝置 套 1

高壓泵 套 1

前端混合攪拌器 套 1

3.2.3.2灌注施工

氣泡混合輕質土的密度會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土，分層厚度為控制在180～220cm，具體施工方法如下：

通過4、5號注漿孔（見圖2、3）進行注漿，當1號孔有漿液冒出時，停止注漿，即達到第1層注漿厚度；待第1層漿液達到設計強度的90%后，再進行第2層注漿工序。發現8號孔有漿液冒出時，暫停注漿，即達到第2層注漿厚度；待第2層漿液達到設計強度的90%后，再進行第3層注漿工序。發現2、7號孔有漿液冒出時，暫停注漿，即達到第3層注漿厚度；以此類推，直至壓注完成為止。

3.2.3.3封孔

當最后一層氣泡混合輕質土的注漿壓力穩定在某個值（一般在0.5MPa至0.8MPa之間）10分鐘不進漿或進漿量很少時，即可停止注漿，進行封孔作業。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

灌注完成后，對隧道拱頂壓住效果采用地震映像法進行檢測，使用淺層地震儀，配合國產反射檢波器；地震映像法反射時間剖面圖顯示無異常反應形態，表明塌方空洞灌注飽滿度良好

4、技術創新點及效益分析

4.1 技術創新點：

該隧道塌方空洞分層仰灌氣泡混合輕質土工程的順利完成，證明了隧道塌方中氣泡混合輕質土的實用價值，同時在施工技術方面體現了創新：

4.1.1 隧道塌方回填處理材料的選擇

對隧道塌方處的掌子面及周圍圍巖進行仔細勘察并查閱相關地質、水位等多方面資料，明確了塌方的原因，同時也獲知了塌方體上空已經形成自然拱，對其巖層如不施加重荷、干擾，暫時無較大安全風險；但塌方體上方圍巖內存在裂隙水，水在重力作用下逐漸浸透巖體，久而久之會使巖體被剝蝕，塌方后形成的自然拱會逐漸擴大，就會有巖體掉塊甚至有二次塌方的情況出現；故需對塌方空洞進行填充，封閉圍巖水的運動；根據此施工工況，合理的選用氣泡混合輕質土材料，利用其輕質性大大減小了對初支結構施加的不利荷載；利用其穩定性、耐久性、透水性極小等特點封閉了塌方體上方的圍巖水，確保了隧道后期的運營安全；

圖6 密實度檢測示意圖

4.1.2 隧道塌方處理方案的選擇

傳統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施作初支結構，回填噴射混凝土的回彈量大，給初期支護的負荷過大，存在較大危險性；同時噴射混凝土噴射距離過高，回填混凝土質量較難保證，故而選擇了回填氣泡混合輕質土方案；然而氣泡混合輕質土在路基加寬、橋臺臺背回填等施工中常見的施工工藝為遠距離泵送，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土中充分掌握氣泡混合輕質土的特性，采用仰灌試驗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土的分層仰灌施工。

4.2 效益分析

4.2.1經濟效益

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

表5 采用不同回填料所需工程量、費用一覽表

材料名稱 設計量

（m3） 使用數量

（m3） 費用

（元/m3） 合計

（元） 工期

（天） 施工質量 備注

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

氣泡混合輕質土 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用一覽表顯示，采用氣泡混合輕質土施工，不但直接節約成本16萬元，而且節約了工期。

4.2.2社會效益

因地質原因造成的該隧道塌方的處理實例，無論在制定方案、施工速度方面還是在施工質量方面均得到了業主及監理單位的好評，為該隧道的順利通車運營打下了堅實的基礎，也創造了一定的社會效益。

5、總結

該隧道塌方處理方案突破了傳統的工藝，采用了氣泡混合輕質土分層仰灌工藝，類似工程實踐甚少，在缺乏成熟技術指導的條件下，通過理論與實踐的結合、摸索，使此工藝在該隧道塌方處理中得到成功的應用。該工程實例證實氣泡混合輕質土在隧道塌方回填中具有較高的推廣價值。