气泡混合轻质土在隧道塌方回填中的应用

吴卫东

身份证号码：330424198210272414

摘要：施工过程中的隧道塌方会影响到工程施工进度和安全生产，对于塌方形成的空洞采取合理的处理措施至关重要。本文以一个工程实例为依托，对气泡混合轻质土在隧道空洞回填中的应用进行分析研究，为以后类似工程的处理提供技术支持和工艺方面的参考。

关键词：隧道；塌方；气泡混合轻质土；分层仰灌

1、工程概况

位于广东省某高速公路上的一座双向分离式特长隧道，左洞ZK85+194掌子面（正常间距Ⅳ级围岩）拱顶局部围岩为破碎带碎裂岩，X型节理十分发育，地下水成线状、股状涌出，围岩强度低，自稳能力极差，导致了ZK85+188～ZK85+198段的拱顶塌方；塌方空洞最高约10m，数量约为300m3，塌方空洞顶已经形成自然拱，暂时已趋于稳定。

图1 塌方断面示意图

图2 塌方纵断面示意图

但塌方体上方围岩富含裂隙水，水在重力作用下逐渐浸透岩体，久而久之会使岩体被剥蚀，自然拱顶岩体将会继续掉块甚至有二次塌方的情况出现，为了确保该隧道后期的施工安全及长期运营安全，需及时对塌方空洞进行回填处理。

2、气泡混合轻质土特性

气泡混合轻质土是按照一定的比例将水泥、水和气泡（发泡剂生产）经充分混合搅拌凝固后所形成的一种轻型混合材料。

2.1 基本性能

2.1.1密度和强度可调节性

气泡混合轻质土内均匀分布着大量独立闭合的气泡，从而使材料的密度比常规土工材料小得多，根据需要调整产品中的水泥、水和气泡的比率，轻质土的密度可在3～13kN/m3的范围内自由调整，强度可在0.3～13.0MPa的范围内自由调整。轻质土固化前材料中气泡会随着一次浇注厚度的增加而有所压缩，从而引起密度的变化，如果一次浇注厚度越厚则下部密度的增加越大，因此，为确保其密度的均匀性，应在浇筑过程中严格控制浇注厚度。

2.1.2渗透性低

无论是非饱和状态还是饱和状态，透水系数均小于10-5cm/s，在水环境中也能快速成型。

2.1.3耐久性强

气泡混合轻质土属于水泥类材料，具有很好的耐久性。气泡混合轻质土的抗冻融性能比不含气泡的水泥加固土好得多，当压缩荷载在0.5倍屈服荷载以下时，最终压缩应变不超过5%，徐变系数也较小；在干湿循环作用下，轻质土的稳定性与其它材料相比具有明显的优势。

2.2 施工特性

2.2.1 气泡混合轻质土可通过管道泵送，最大输送距离可达1500m，最大泵送高度可达30m。

2.2.2 施工时不需要机械振捣和碾压作业，施工后也不需要养生，施工工期短。

2.2.3气泡混合轻质土中气泡体积含有率大，成品的体积可达原材料体积的数倍以上，提高了施工材料的运送率。

气泡混合轻质土的这些优点，对上述隧道塌方处理回填施工极为有利，故选用回填气泡混合轻质土方案来实施。

3、气泡混合轻质土配选及灌注施工

考虑到施工环境、要求，对隧道初支结构安全性进行计算、复核，通过计算选取所用气泡混合轻质土的容重技术指标：湿容重≤5.5kN/m3（仅为普通混凝土容重的1/5）。

3.1 施工准备

首先对气泡混合轻质土的配合比进行试验，对不同的配合比配制的气泡混合轻质土进行技术指标测试，然后再对气泡混合轻质土仰灌施工做试验，对其垂直灌注效果进行观测、检测，最终选取合适的配合比。

3.1.1在密度和强度满足设计要求的情况下，寻找既能使轻质土的施工性能最佳又具有良好经济性的气泡混合轻质土的施工配合比。

3.1.2气泡混合轻质土的密度和强度满足要求的情况下，验证其施工性能是否满足现场要求。

3.1.3气泡混合轻质土在仰灌施工条件下，对各项技术参数的影响度。

经过试验最终选用的气泡混合轻质土配合比为：

表1 施工配合比

水泥（kg/m3） 水（kg/m3） 气泡量（L/m3） 备注

310 175 725 发泡剂中掺入部分防分散剂

轻质土的湿容重選择≤5.2kN/m3（表干容重≤5.0kN/m3）、抗压强度≥1.0MPa、流动度160～200mm。

表2 气泡混合轻质土试验结果

试样

编号 容重

kN/m? 流动度 无侧限抗压

强度/MPa 平均容重

kN/m? 平均抗压

强度/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 塌方分层仰灌施工

主要工艺流程为：剩余初支结构施工—设置注浆管—分层灌注气泡混合轻质土—封孔—检测。

图3 气泡混合轻质土施工示意图

3.2.1剩余初支结构施工

拱顶初支结构作为塌方空洞回填气泡混合轻质土的支撑模板，严格按照施工设计图纸施工，将塌方空洞进行封闭，以保证气泡混合轻质土不外泄；

3.2.2 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50mm，钻孔间距为1.5 m，根据塌方断面形式进行布置。注浆管采用壁厚3mm的无缝钢管，直径为42mm，注浆管的长度根据塌方空洞高度而定；

图4 注浆管布设及分层压注气泡混合轻质土立面示意图

图5 注浆管布设平面示意图

3.2.3 气泡混合轻质土分层仰灌施工。

3.2.3.1施工材料、设备准备

表3 施工主要材料所需要一栏表

名称 单位 数量

发泡剂 kg 10500

水泥 kg 108500

防分散剂 kg 1750

表4 施工主要设备所需要一栏表

名称 单位 数量

水泥浆拌和站 座 1

水泥浆运输车 辆 2

发泡装置 套 1

高压泵 套 1

前端混合搅拌器 套 1

3.2.3.2灌注施工

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，分层厚度为控制在180～220cm，具体施工方法如下：

通过4、5号注浆孔（见图2、3）进行注浆，当1号孔有浆液冒出时，停止注浆，即达到第1层注浆厚度；待第1层浆液达到设计强度的90%后，再进行第2层注浆工序。发现8号孔有浆液冒出时，暂停注浆，即达到第2层注浆厚度；待第2层浆液达到设计强度的90%后，再进行第3层注浆工序。发现2、7号孔有浆液冒出时，暂停注浆，即达到第3层注浆厚度；以此类推，直至压注完成为止。

3.2.3.3封孔

当最后一层气泡混合轻质土的注浆压力稳定在某个值（一般在0.5MPa至0.8MPa之间）10分钟不进浆或进浆量很少时，即可停止注浆，进行封孔作业。具体操作为：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，施工完毕。

3.2.3.4灌注饱满度检测

灌注完成后，对隧道拱顶压住效果采用地震映像法进行检测，使用浅层地震仪，配合国产反射检波器；地震映像法反射时间剖面图显示无异常反应形态，表明塌方空洞灌注饱满度良好

4、技术创新点及效益分析

4.1 技术创新点：

该隧道塌方空洞分层仰灌气泡混合轻质土工程的顺利完成，证明了隧道塌方中气泡混合轻质土的实用价值，同时在施工技术方面体现了创新：

4.1.1 隧道塌方回填处理材料的选择

对隧道塌方处的掌子面及周围围岩进行仔细勘察并查阅相关地质、水位等多方面资料，明确了塌方的原因，同时也获知了塌方体上空已经形成自然拱，对其岩层如不施加重荷、干扰，暂时无较大安全风险；但塌方体上方围岩内存在裂隙水，水在重力作用下逐渐浸透岩体，久而久之会使岩体被剥蚀，塌方后形成的自然拱会逐渐扩大，就会有岩体掉块甚至有二次塌方的情况出现；故需对塌方空洞进行填充，封闭围岩水的运动；根据此施工工况，合理的选用气泡混合轻质土材料，利用其轻质性大大减小了对初支结构施加的不利荷载；利用其稳定性、耐久性、透水性极小等特点封闭了塌方体上方的围岩水，确保了隧道后期的运营安全；

图6 密实度检测示意图

4.1.2 隧道塌方处理方案的选择

传统的隧道塌方处理为回填喷射混凝土或压注水泥浆，该隧道塌方空洞较高，施工难度大，部分塌方体下端已经施作初支结构，回填喷射混凝土的回弹量大，给初期支护的负荷过大，存在较大危险性；同时喷射混凝土喷射距离过高，回填混凝土质量较难保证，故而选择了回填气泡混合轻质土方案；然而气泡混合轻质土在路基加宽、桥台台背回填等施工中常见的施工工艺为远距离泵送，并没有垂直向上压注即仰灌工艺。该隧道塌方回填气泡混合轻质土中充分掌握气泡混合轻质土的特性，采用仰灌试验确定了合理的施工配合比及每次合理的仰灌施工高度，最终成功完成了轻质土的分层仰灌施工。

4.2 效益分析

4.2.1经济效益

如隧道塌方处理回填采用传统的喷射混凝土与采用氣泡混合轻质土的施工所使用工程量与费用详见下表：

表5 采用不同回填料所需工程量、费用一览表

材料名称 设计量

（m3） 使用数量

（m3） 费用

（元/m3） 合计

（元） 工期

（天） 施工质量 备注

喷射混凝土 300 378 700 291060 8～10 不佳 回弹系数1.26

气泡混合轻质土 300 330 385 127050 5 良好 考虑流失10%

施工仅仅300m3的工程量，通过采用不同回填料所需费用一览表显示，采用气泡混合轻质土施工，不但直接节约成本16万元，而且节约了工期。

4.2.2社会效益

因地质原因造成的该隧道塌方的处理实例，无论在制定方案、施工速度方面还是在施工质量方面均得到了业主及监理单位的好评，为该隧道的顺利通车运营打下了坚实的基础，也创造了一定的社会效益。

5、总结

该隧道塌方处理方案突破了传统的工艺，采用了气泡混合轻质土分层仰灌工艺，类似工程实践甚少，在缺乏成熟技术指导的条件下，通过理论与实践的结合、摸索，使此工艺在该隧道塌方处理中得到成功的应用。该工程实例证实气泡混合轻质土在隧道塌方回填中具有较高的推广价值。