泡沫輕質土在云山隧道塌方處理中的應用

宋竹兵

（和榆高速公路建設管理處，山西 左權 032600）

1 概述

隨著高速公路以及高速鐵路的快速發展，隧道越修越長，穿越的地質區域越來越復雜，遇到的不良地質體也會較多。在隧道的施工過程中，遇到不良地質體，稍有支護不當，就很可能發生塌方。塌方的處治效果，直接影響著后期隧道的運營安全。在對隧道塌方處治過程中，如何很好處理隧道塌腔一直是個技術性難題，傳統回填材料，處治效果欠佳。為此，隧道建設者們尋找到了一種輕便、高效的回填材料——泡沫輕質土，已經逐漸開始在隧道塌方的處治中廣泛應用。

2 項目概況

2.1 工程概況

和榆高速公路云山隧道位于山西省左權縣城東北5 km處，橫穿太行山脈，設計為分離式隧道，右線起止里程K43+590—K54+967，全長11 377 m，左線起止里程ZK43+570—ZK54+978，全長11 408 m，為特長隧道，間距為30～35 m，最大埋深742.67 m。隧道所處地區地質復雜，軟硬互層，既有強度高、整體性好的鐵質石英巖，又有層間結合差，節理裂隙發育，巖體破碎的膨脹泥頁巖。

2.2 塌方情況

2011年11月14日云山隧道左線開挖至ZK54+121處，拱頂右上方出現股狀涌水并伴有少量塌方，對塌方處理完成后，施工方法采用短進尺進行開挖。2011年11月16日，施工至ZK54+118處時又出現大面積塌方，塌腔高度12 m，長度5～6 m。塌方巖體將掌子面封死，通過連續幾天的監控量測發現，前期做的初期支護基本穩定，拱架無明顯開裂下沉。但空腔上部圍巖內富含地下水，水在重力作用下會逐漸進入巖體，久而久之使巖石軟化，空腔上部巖石必然出現掉塊，將對隧道襯砌結構安全造成隱患。為了保證隧道施工以及后期運營的安全，須對塌方空腔進行回填處理。

2.3 塌方處理方案

2.3.1 傳統處理方案

隧道塌方量較大，拱部形成較高的空腔，傳統的隧道塌方空腔填充的是混凝土，但是該方法存在以下無法克服的弊端。

a）因混凝土的自重較大，在施工中泵送的混凝土重量全部作用在鋼拱架上，易引起鋼拱架下沉、變形甚至垮塌。

b）施工速度慢。對于較大的塌腔處理，在混凝土泵送過程中為了減小混凝土對拱架的影響，需要分層充填，避免一次性充填量過大造成拱架支撐下沉開裂。

c）填充不徹底，對后期隧道運營造成一定的安全隱患。由于塌方體的形狀很不規則，很難形成自穩，因此填充物的重量大部分需要鋼拱架來支撐，特別是空腔體高度較大時，施工單位因擔心全部填充后對鋼拱架造成過大的荷載引起二次垮塌，在施工時常回填的不徹底，給后期施工和運營埋下了安全隱患。

2.3.2 新型處理方案

為了克服傳統塌方空腔處理中存在的不足，經過對填充材料的仔細比選，經各方論證后，決定采用新型材料泡沫輕質土回填。

3 泡沫輕質土工程特性及研究現狀

泡沫輕質土是用物理方法將發泡劑水溶液制備成泡沫，與水泥基膠凝材料、水及可選組分集料、摻和料、外加劑按照一定的比例混合攪拌，并經物理化學作用硬化形成的一種輕質材料，具有輕質、密度與強度可調、良好的施工性和環保性等特點[1]。

3.1 泡沫輕質土基本特性

a）密度和強度可調節性。通過調整輕質土中氣泡含有率，可控制輕質土干密度在300～1 200 kg/m3之間，控制強度在0.3～7.5 MPa范圍內調節。

b）較高的可壓縮性和延展性。隧道在施工初期易產生較大的變形，用泡沫輕質土作為隧道塌腔的填充材料，因其較高的可壓縮性和良好的延展性，可承擔、吸收變形壓力，改善結構體受力分布。

c）耐久性強。輕質土屬于水泥類材料，使用壽命與水泥混凝土同等，具有很好的耐久性。

d）填充自密實特性。輕質土的制作與現場施工澆筑點可分離，可在狹小的空間內施工；結合輕質土自流平、填充自密實、無需振搗的特性，施工便捷、高效。

3.2 泡沫輕質土研究現狀

泡沫混合輕質土是一種新型輕質環保材料，在國外已有幾十年的應用歷史，自2001年從日本引進以來，先后在廣州、北京、上海等地的重點工程中得到廣泛應用。尤其在橋頭路基填筑、舊路加寬、管道回填等方面取得了良好的效果。

4 回填輕質土施工

根據拱頂空腔的大小、施工環境，對隧道初支結構的安全性進行計算、復核。決定采用回填輕質土的濕容重小于等于5.0 kN/m3（僅為普通混凝土容重的1/5）。

4.1 泡沫輕質土的制備

配合比設計遵守的原則：以泡沫輕質土體密度和強度為配合比的設計基礎，設計出既能滿足輕質土的密度和強度要求又能使輕質土的施工性能最佳、具有良好經濟性的氣泡混合輕質土的施工配合比。

進行配比容重檢測過程中進行輕質土試塊制作，經過試驗最終選用的氣泡混合輕質土配合比見表1。

表1 施工使用配合比

輕質土的濕容重選擇小于等于5.2 kN/m3（表干容重小于等于 5.0 kN/m3）、抗壓強度大于等于1.0 MPa、流動度 160～200 mm。

4.2 分層仰灌施工工藝

主要工藝流程為：剩余初支結構施工→埋設引水管→設置注漿管→分層灌注輕質土→封孔。

4.2.1 埋設引水管

隧道塌方經常伴隨著滲水出現，在進行塌方段初期支護前，應根據塌方段滲水情況及出水點的分布情況布設φ50加筋透水軟管，對巖壁滲水進行集中引排，以保證回填輕質土的質量，消除后期運營中的安全隱患。

4.2.2 剩余初支結構施工

拱頂初支結構作為塌方空腔回填氣泡混合輕質土的支撐措施，嚴格按照變更設計圖紙施工，將塌方空洞進行封閉，以保證氣泡混合輕質土不外泄。

4.2.3 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50 mm，鉆孔間距為1.0～2.0 m，梅花型布置。沿拱頂中線布置兩根注漿管，注漿管采用壁厚3 mm的無縫鋼管，直徑為42 mm，注漿管的長度根據塌方空洞高度而定；排漿管設 4 組（3、4；5、6；7、8；9、10），每組兩根沿隧道縱向左右錯開布置，每組排漿管的長度根據分層厚度逐層增加，層厚為180～220 cm。注漿管布設及分層壓注氣泡混合輕質土立面示意圖（圖1），注漿管布設平面示意圖（圖2）。

圖1 注漿管布設立面示意圖

圖2 注漿管布設平面示意圖

4.2.4 泡沫輕質土分層仰灌施工

施工工藝流程見圖3。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，分層厚度控制在180～220 cm，具體施工方法如下：通過1、2號注漿孔（見圖1、圖2）進行注漿，當第1組孔有漿液冒出時，停止注漿，即達到第1層注漿厚度；第1層漿液達到設計強度的90%后，再進行第2層注漿。以此類推，直至注漿完成為止。

圖3 泡沫輕質土仰灌施工工藝流程

4.2.5 封孔

當注漿量逐漸減少且注漿壓力趨于穩定時，持續10 min即可停止注漿，進行封孔作業。具體操作流程為：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，注漿完畢。

5 質量控制措施

a）做好塌腔體內滲水引排。塌腔內圍巖滲水如與泡沫輕質土漿液混合會嚴重影響輕質土的質量，因此在施工前應根據滲水點出水量的大小和分布情況采取埋設加筋透水軟管、噴射混凝土封堵等措施，將滲水集中引排。

b）嚴格進場材料檢驗程序，施工中使用的水泥、發泡劑經檢驗合格后方可進場。發泡劑的稀釋倍率不得小于40倍、發泡倍率不得小于20倍。漿液流動度（180 mm）允許誤差不得超過±20 mm，濕容量允許誤差控制在±0.5 kN/m3。泡沫混凝土的配制強度必須大于其強度標準值3%～10%，使其具有富余強度。施工中嚴格按照泡沫輕質土的配比進行拌合。

c）實際仰灌量與理論計算量相符合。隧道塌腔回填采用仰灌的方法是在密閉的條件下進行的。雖然通過排漿管可以判斷漿液回填的大概高度，但是，回填到頂部后就無法通過排漿管判斷漿液的位置了，為了保證充填密實，除了在封孔前進行加壓持荷外，還要對實際回填量和理論計算量進行對比。當兩者相差較大時應及時查找原因，以保證回填達到預期的目的。

6 結語

泡沫輕質土在云山隧道塌方處理中的成功使用，改進了傳統的隧道塌方處理方法，解決了回填混凝土處理塌腔時自重大、風險高、填充不徹底的難題。為以后同類隧道塌方的空腔處治提供了很好的技術參考。