软弱围岩拱顶塌腔贫混凝土处理技术

2015-10-20杜晓伟

中国科技纵横 2015年16期

关键词：层理掌子面拱顶

杜晓伟

（甘肃路桥建设集团有限公司，甘肃兰州 730030）

软弱围岩拱顶塌腔贫混凝土处理技术

杜晓伟

（甘肃路桥建设集团有限公司，甘肃兰州 730030）

采用贫混凝土对软弱围岩隧道拱顶塌腔进行回填处理技术，能保障作业过程中人员和机械的安全，回填后混凝土围岩有效的抵抗高地应力和山体围岩压力，能够保证塌腔处理后隧道的正常掘进和后期的质量安全。本人结合武都西隧道在施工过程中对拱顶塌腔的预防和处理方法，对安全、质量、效果进行分析和论证。

软弱围岩拱顶塌腔处理技术

随着高速公路网的快速建设，隧道工程进入高速发展时期，软弱围岩隧道施工中一个不可避免的难题就是掌子面拱顶塌腔。因此，预防和正确处置成为重要问题。武都西隧道围岩软弱，节理发育，层理面光滑，地应力较大，易发生大变形，严重影响工程稳定性，并多次发生拱顶塌腔。施工中，经过理论分析和现场实践，发现采用贫混凝土处理拱顶踏腔能有效解决这一长期困扰的难题，能安全保质的处理，确保隧道的正常掘进。因此，有必要对软弱围岩拱顶塌腔贫混凝土处理技术进行探讨。

1 概述

软弱围岩隧道施工已是高速公路施工中无法避免的施工项目，武都西隧道更是甘肃甚至国内高速公路隧道中软弱围岩隧道的典型，是省内地质条件最为复杂，围岩压力最大的一条隧道，采用贫混凝土对拱顶塌腔进行回填处理技术，使的隧道在施工过程中质量和安全得意保质，隧道顺利贯通。

2 拱顶塌腔发生的条件

2.1 地质条件是拱顶发生塌腔的必要条件

石质围岩隧道中，围岩破碎是隧道掘进过程中发生拱顶塌腔的首要条件；其次是围岩的层理和节理发育程度；再次是层理发育的角度，层理角度接近水平时，发生拱顶塌腔的机率极大，而层理角度接近垂直时，拱顶塌腔发生的机率较小；最后是围岩的松散程度，破碎的围岩非常松散，拱顶塌腔发生的机率很大。

2.2 掌子面掘进方法是拱顶发生踏腔的重要条件

采用正确的开挖方法是减小拱顶踏腔发生机率的重要措施，相对来说，爆破开挖比机械开挖更易诱发拱顶踏腔；开挖面大，更易发生塌腔；背向层理角度开挖要比面向层理角度开挖时拱顶踏腔发生的机率小。

2.3 渗水对拱顶发生塌腔的影响

石质围岩隧道中，如果隧道渗水，或者出水量比较大，说明围岩较好，不易发生拱顶塌腔。因为松散破碎的石质围岩一般无法存储水，易发生拱顶踏腔。

2.4 不利条件的组合

不当的开挖方法极大的扰动了松软、破碎的石质围岩，应力大释放，掌子面温度升高，没有及时支护封闭。当这些不利条件组合在一起时，拱顶发生塌腔的可能性大大增加了。

3 预防拱顶踏腔需采取的措施

3.1 选择科学的开挖方法

武都西隧道大变形段施工过程中，根据围岩受扰动情况和监控量测数据分析，探索了不同的开挖方法，主要有上下台阶预留核心土、三台阶、三台阶预留核心土和超短三台阶预留核心土七步开挖法等不同方法，最终认为三台阶预留核心土七步开挖法最适合用于千枚化炭质页岩大变形段的施工，并遵循“短进尺、早封闭”的原则，即每次开挖进尺0.75m，每台阶长度控制在5m以内，仰拱与掌子面控制距离控制在20m以内，掌子面、中导、下导同步骤施工，仰拱采用栈桥法全断面施工工艺，长度控制在3.5m以内。

同时得出最优机械组合是铣挖机配合破碎锤。即先用铣挖机进行掌子面开挖，并进行拱顶及拱腰修边，在拱脚围岩较硬铣挖机铣挖效果不明显的地方再有破碎锤进行开挖，以达到开挖速度合理，对围岩扰动小的效果。

3.2 选择合理的掘进方向

一般情况下，隧道的掘进方向在设计时已经确定，但也有个别隧道在掘进时可以选择掘进方向，尽量选择背向层理方向进行掘进开挖，使未开挖围岩对开挖临空面压力减小，降低开挖时临空面拱顶塌腔发生的可能性。

3.3 采取合理补强措施，提高围岩自稳能力

采取合理补强措施，提高围岩自稳能力，是目前隧道施工中经常采用的常规措施，针对围岩破碎程度，层理、节理的发育程度，可采用不同方式的超前预加固措施，如超前小导管注浆、管棚注浆和掌子面注浆加固等措施。在掌子面未开挖前进行注浆加固，能有效提高围岩自稳能力，预防开挖时发生拱顶塌腔。

4 拱顶塌腔的处理措施

根据塌腔的大小、掉块持续时间和掉块结束后自稳状况采取不同的处理措施。

4.1 喷射贫混凝土回填

掌子面开挖后拱顶塌腔较小，深度小于100cm，且塌腔体内围岩较为稳定，掉块持续时间不长时，可采用素混凝土对腔体内围岩进行喷射封闭，隔离围岩与洞内空气，阻止围岩进一步风化脱落。封闭完成后及时安装拱架，进行锚杆安装、注浆，全部完成后，用贫混凝土喷射回填空腔，要求密实，然后喷射初支混凝土。

4.2 泵送贫混凝土回填

针对塌腔体积较大，深度超过100cm，甚至超过1000cm的拱顶塌腔，当围岩稳定，不在掉块，可以安全安装钢拱架时，采取先对塌腔体内围岩进行喷射混凝土封闭措施。如若人工无法完成喷射作业，可优先选用多功能湿喷机进行作业，或者在挖掘斗齿上焊接工字钢加高后，用简易的机械臂进行喷射混凝土施作。封闭完成后立即安装钢拱架、施做锚杆，然后在塌腔最高处预埋两根混凝土泵送管和一根PVC透气管，泵送管道可焊接在钢拱架上。随后完成初支混凝土喷射，并对掌子面进行加固封闭，使塌腔形成封闭的空洞，待初支混凝土达到设计强度的70%后，用原木或方木顶撑加固初支，然后分批泵送C20混凝土回填塌腔，为保证安全，需仔细观察初支表面状况。

4.3 二次开挖回填

如果塌腔体积较大，深度超过100cm，甚至1000cm，且塌腔体内围岩极不稳定，掉块持续时间长，无法进行喷射混凝土封闭施工，存在极大的安全隐患。此时，可采用掌子面围岩反压，对塌腔进行人造围岩处理。

4.3.1 掌子面围岩反压

掌子面堆积道渣，可采用挖掘机和装载机配合分层填筑，尽量压实且堆高至拱顶位置。当拱顶空间狭小，机械无法作业时，采用人工码土袋，堆码高度略大于设计开挖断面，形状与设计开挖断面一致且略大于设计开挖断面。堆码土袋过程中预留混凝土泵送管道，管道高度尽量达到塌腔顶部，土袋堆码完成后进行喷射混凝土，对土袋与空腔进行封闭和加固。

4.3.2 混凝土回填

待土袋对塌腔封闭完成后，再对空腔进行贫混凝土泵送回填，该空腔回填可一次性完成，但在混凝土泵送过程中注意观察堆码土袋的受力情况和土袋缝隙的漏浆情况，发生漏浆时进行缝隙塞堵，泵送混凝土可暂停，待不漏浆时再次进行混凝土泵送，直到塌腔腔体内混凝土全部填充为止。

4.3.3 二次开挖

拱顶踏腔内混凝土达到一定强度后，就可进行掌子面的二次开挖。这时在拱顶就会形成一个混凝土围岩的开挖面，当开挖面达到设计开挖面尺寸时，就可进行钢拱架的安装等工序，如果混凝土围岩侵入设计开挖面时，采用破碎锤进行局部修整。这种方法也可用于初支塌方处置措施中。

5 轻质材料、圬工材料回填对比

5.1 轻质材料回填

围岩较好的实质隧道中，拱顶发生塌腔时，可用传统的轻质材料回填，如粉煤灰、炉渣等材料。轻质材料可在初支后面形成一个半刚性的软弱缓冲层，能有效缓冲拱顶掉块的冲击力，保护初支钢拱架免受冲击破坏。在围岩软弱、高地应力隧道中，发生拱顶塌腔时不能用轻质材料回填，因为轻质材料无法整体承载拱顶压力，且回填无法做到完全密实。而拱架却承受了较大来自拱肩侧向压力，并且侧向压力远远大于拱顶掉块重力，拱架刚度不足而发生扭曲变形，甚至在拱顶被剪断。

5.2 圬工材料回填塌腔

在高地应力的软岩隧道中，塌腔回填一定要采用圬工结构进行回填，混凝土在塌腔内回填密实后，混凝土自身成为一个整体，首先它由于自身的重量产生竖直向下的压力和来自围岩地应力产生的压力，将整体传递给隧道初支，但由于塌腔的形状是不规则的椭圆形，回填混凝土在受到重力和围岩压力作用下产生向下的位移，但有受到两侧围岩的阻止后，将很大一部分力传递给围岩，再加上隧道初支本身就是半刚性支护，容许少了变形，所有塌腔回填的混凝土整体给隧道初支只传递了少量的向下的力，更多的力让围岩承受了。其次是受到隧道内高地应力作用，初支两侧围岩给初支向内的压力，由于隧道初支的椭圆形受力结构，将两侧的压力传递到拱顶形成向上的剪力，该剪力和拱顶踏腔混凝土整体的重力共同作用在隧道初支上，但由于作用力相反，造成相互抵消效果，减改变隧道初支的受力状况，确保隧道初支不被破坏，给工艺在武都西隧道施工中有成功的实例。