摘要: 介绍了气泡混合轻质土的概念及其主要特性,然后通过塌方原因分析、处治方案设计、结构计算等相关研究,提出了在塌腔内回灌气泡混合轻质土的处治方案。工程应用表明,该处治方案达到了减载充填、有效控制围岩变形的预期目的,确保了运营期间隧道结构稳定,可以推广用于其他工程。
1 气泡混合轻质土概述
1.1 概念
气泡混合轻质土是一种在原料土或砂中加入固化剂、水、气泡,经充分混合、搅拌后形成的轻型填筑材料。当主要利用其轻质性而对强度要求不高时,亦可在不加入原料土或砂的情况下,直接由固化剂、水和气泡混合搅拌而成。气泡混合轻质土的固化剂主要采用水泥,必要时可掺入早强剂、憎水剂等外加剂及粉煤灰、石灰等外掺料。憎水剂可减少轻质土因泡水对其容重的影响。由于气泡混合轻质土固有的优越性,可用于各种条件下的减荷设计、路基加宽、溶(孔)洞填充、房屋隔音隔热等,解决软基地区的桥头跳车、寒冷地区的路基冻胀和高填土路堤的边坡稳定等问题。其在隧道中的应用,可缓解隧道进出口开挖的偏压,避免山体坍塌避免破坏自然山体形态,维持自然地质地理环境平衡,环保优势明显。见图1。
隧道衬砌支护结构设计要求其覆土荷重必须在结构能够承受的范围内,如实际覆土荷重超过了结构承受的能力,则必须对上覆填土进行减荷。如北京奥林匹克公园中心区地下联系通道的隧道工程,设计上采用明挖施工,要求覆土厚度不超过5 m,而很多段落隧道顶板埋深在5~ 10 m; 再如广州新光快速路工程,上跨已建的地铁隧道,新建路堤亦需减荷。该两处工程,均采用了气泡混合轻质土进行换填减荷。和对地下隧道结构进行再次加固相比,该法要简单便捷得多,且造价低廉,具备明显的技术经济优势。
1.2 气泡混合轻质土的主要特性
( 1)轻质性。
气泡混合轻质土中分布着大量的独立闭合胶质气泡,气泡膜是一种具有强韧性的胶质物质,气泡之间互不相通,从而使材料的容重比常规土体小得多(见表1)。根据工程的实际需要,通过适当调整气泡、水、固化剂等的含有率,气泡混合轻质土的容重可在5~ 12 kN /m3的范围内自由调整。
(2)强度可调节性。
和容重的可调节性原理一样,通过改变各种成分的比例,其强度可在0. 3~ 5 M Pa的范围内自由调整。
(3)高流动性。
气泡混合轻质土拌和物具有良好的流动性,主要通过管道泵送,其最大输送距离可达到500 m。
(4)固化后的自立性。
由于一般都是采用水泥作为固化剂,普通水泥在浇注4h后开始固化自立,快凝特种水泥在浇注1. 5~ 2 h后开始固化自立。固化后对挡土结构物几乎没有推挤力,因而可进行垂直填筑。
(5)良好的施工性。
由于具有良好的流动性和固化后的自立性,且浇注时无需振捣和碾压,可以进行远距离或狭小空间内施工。施工时无需其他大型辅助设备,施工过程中基本不受交叉作业时其他施工的干扰和影响,其填筑速度较一般填土快。
(6)耐久性和稳定性。
与高分子材料相比, 其属于水泥类材料,耐久性、耐热性及抗油污能力强,具有水泥制品同等的耐久性。
(7)环保性。
轻质土施工占地小,拌和物通过软管输送,施工过程中基本不产生废弃物,其各种成分无毒无害,不会对人体造成伤害和对围岩造成污染。
2 隧道塌方特点及原因分析
2.1 塌方段开挖、支护情况
某隧道受构造影响较大,自然岩体岩质不一、成分混杂、软弱夹层与隧道成小角度相交,对隧道围岩的稳定性影响很大。塌方段隧道实际揭露围岩为新鲜花岗岩中夹辉绿岩断层破碎带,掌子面左侧围岩坚硬完整,中间偏右为辉绿岩岩脉,受全~ 强风化岩脉影响右侧为强风化花岗岩,断层破碎带宽2. 5~3 m,倾角82°,走向与隧道轴线基本平行,地下水主要在断层破碎带内发育,局部涌水量较大。该段原设计为Ⅴ类围岩,变更为Ⅲ 类围岩开挖、支护,设置系统锚杆,采用格栅拱架支护,初期支护厚22 cm,开挖、支护完成。10 d后, K7+ 573~ K7+553发生塌方,开挖掌子面里程为K7+ 500,距离塌方处50多m。塌方体开挖后发现在隧道上方形成一个高约12 m,纵向长20 m,横向宽约16 m的空腔。从塌腔口可以看到初期支护破坏,格栅拱架在连接处剪切破坏。未塌方段初期支护有局部环向裂缝,影响范围50 m左右。
2.2 塌方原因分析
(1)不良地质灾害。
断层破碎带宽度较大,且纵向较长,从K7+ 610出现一直到K7+ 520,且一直位于掌子面中部,贯穿整个掌子面。对塌腔的观察发现,塌方是沿着左右两侧的结构面发生的,且左侧大块状整体花岗岩面直立,岩面光滑完整,且往上向隧道外侧倾斜;左侧围岩也向隧道外侧倾斜,岩面较破碎、不规则。塌腔呈上大下小的倒楔型,顶部最高处位于掌子面左外侧,前后方塌腔面呈不规则状,仍可见辉绿岩脉。可见,塌体是沿着左右两侧的岩体滑落,初期支护结构受到剪切破坏而产生塌方。从塌方段开挖后情况看,掌子面内围岩主要有3部分:左右侧未坍塌围岩(受塌方影响已扰动,内部有空隙)和中部坍塌围岩。左侧未坍塌围岩为灰白色弱~微风化花岗岩,稳定性较好,其结构面与中间塌方围岩结构面垂直;右侧坍塌围岩为肉红色弱风化花岗岩,稳定性较差,其结构面与中间塌方围岩结构面呈不规则关系。这与开挖后的情况相符,左侧已施作格栅拱架破坏,而右侧格栅拱架未完全破坏,仅向隧道内侧发生大变形,拱架下部形成较大空洞(见图2) ,说明左侧结构面直立且层间结合较差。
中部塌方围岩为全~强风化花岗岩(五期)夹微风化辉绿岩(六期)。全~强风化花岗岩(五期)长约90 m,无自稳能力,在应力集中的情况下直接导致塌方,且首先沿左侧直立结构面先滑落; 微风化辉绿岩(六期)呈大块状砌体结构,坍塌体中部基本为该岩石,自重和强度均较大, 对塌方的产生有较大影响。因此,不良地质灾害是塌方的直接因素。
(2)地下水。
地下水往往是伴随着断层破碎带出现的,且一般断层破碎带规模较大,受构造影响越大,地下水越丰富。地下水对隧道围岩的稳定性有很大影响,表现为带走细小颗粒、软化结构面、产生孔隙水压力,围岩受地下水作用由局部失稳发展到整体失稳、破坏。因此,地下水是塌方的诱导因素之一。
(3)相邻隧道开挖影响。
围岩达到3次应力状态后仍为静荷载作用于隧道结构,相邻隧道之间的净间距仅33 m,随着左线隧道掌子面临近、通过、离开塌方位置相应里程,爆破震动均会对塌方处的围岩扰动,并产生瞬时动荷载,隧道结构容易局部被剪切破坏,而发生塌方时左线掌子面开挖至LK7+ 562,正好位于塌方中心的同一平面位置,相距33 m。因此,相邻隧道开挖爆破也是塌方的诱导因素之一。
2.3 塌方处治方案
塌方处治采用回灌混凝土方案。先对塌腔进行回灌混凝土至拱顶一定高度,形成护拱后再开挖、支护,塌腔加固方案见图3。
通过“荷载-结构”模型计算得到塌腔回灌混凝土厚度不宜过大,设计为3 m,同时参考《公路隧道施工技术规范》( JT J 042- 94)、《铁路工程设计技术手册-隧道》[6 ] ,计算得到的塌腔上方落石的冲击荷载和不同大小的落石关系进行研究,见表2。从表2中可见,对于小块落石其冲击强度和对隧道结构的附加荷载均较小。当缓冲层计算厚度为0.75 m时,半径1 m的落石冲击强度达2.6MPa ,附加荷载较大。
2.4 塌方处治方案优化
通过计算分析,采取缓冲层防止落石荷载对隧道结构的影响能满足要求,缓冲层最大厚度可取4 m。理论上采用缓冲层是可行的,但从塌方处治过程看,回灌混凝土质量控制难度较大,隧道塌腔仍处于不稳定状态,塌方长度也有所增加,初期支护施作过程中经常有空洞、落石出现,因此施工过程中不断采取预加固、回灌混凝土等措施,保证施工安全。塌方处治完成后,对塌腔体空洞内的加固方案成了新的难题。由于回灌混凝土前无法进入塌腔进行喷混,因此,围岩仍暴露。该处地下水发育,后期塌腔的稳定性不能保证,且由于断层破碎带的存在,围岩的自稳能力较差,不能不对塌腔进行充填,而回灌缓冲层(砂层)难度很大,且其荷载较大,强度低。经过研究分析和探测塌腔高度,气泡混合轻质土的容重仅为砂的1/3,将塌腔充填满仅相当于回灌2~3 m的中粗砂,能满足荷载要求;同时由于其整体性能与围岩共同承载,效果较好。因此,决定采用往塌腔内灌注具有一定强度、容重低、防水的气泡混合轻质土,保证塌腔充填密实,控制后期的围岩和结构的稳定性。
3 气泡混合轻质土的应用
3.1 塌腔填充设计
为达到减载充填塌腔的效果,达到隧道结构的承载功能,同时保证围岩的稳定性及避免塌腔顶部再次塌方冲击衬砌。塌腔充填材料可选用中粗砂、水泥浆和气泡混合轻质土等,经对技术、经济指标比较(见表3) ,综合考虑,采用气泡混合轻质土进行填充。
气泡混合轻质土良好的流动性能有效保证空洞内各个狭小空间也能填充饱满,同时它又具有一定的强度和自身固有的轻质性,在终凝形成整体后,能大大降低填充料对隧道顶的自重荷载。气泡混合轻质土的技术参数为: 浇注湿容重不大于5. 5 kN/m3 ,后期运营容重不大于7. 0 kN /m3 ,强度大于0. 5 MPa。施工前进行了试验,能满足该技术标准。
3.2 气泡混合轻质土施工
(1)施工工艺。
隧道塌方处治完毕后,塌方处从上而下由围岩、塌腔、回灌混凝土、初期支护和二次衬砌5部分组成。而用轻质土填充塌腔只能从地表钻孔后实现,属于隐蔽工程施工,为保证填充质量采用从下至上分层填筑的方法进行施工。轻质土拌和物从塌腔顶部进入,因此需在塌腔与地面之间钻孔作为输料路径。
(2)孔位设计。
根据塌腔的平面范围、气泡混合轻质土良好的流动性(扩散半径一般能达到12 m) ,在隧道轴线两侧,塌腔正上方沿路线方向共布设5个孔位,孔径为O130 mm, 布设位置为: 2号孔位于右幅轴线西侧3 m, 3号、5号孔位于轴线上, 4号孔位于轴线东侧3. 2 m, 6号孔位于轴线西侧3. 5 m处,两孔之间纵向距离为9 m。钻孔采用抽芯钻机成孔,浇注时起到输送填充料、排气和排热等的多重作用。
(3)灌注顺序。
因空洞成椭锥体状,二次衬砌后空洞属隐蔽状态,根据空洞钻孔记录及实测深度对比,浇灌孔位腔顶标高变化大,最高与最低相差10 m,若浇灌顺序选择错误,则会导致浇灌孔阻塞,空气无法排出,热量聚集,出现局部回填不饱满而导致空洞现象。为此,确定浇灌顺序由塌腔底标高最低处依次到最高处的顺序进行浇灌。钻孔后先进行探测塌腔范围,标高从低到高依次为6号、5号、4号、3号、2号。灌注顺序为6→ 5→ 4→ 3→ 2,最后灌注孔2号孔位,确保最后浇灌排气畅通。
(4)轻质土的制作流程。
气泡混合轻质土的制作流程见图4。由于施工现场用地限制,水泥浆在其他混凝土搅拌站拌制,然后用混凝土搅拌车运至施工现场,在施工现场与通过发泡装置产生的气泡进行充分混合形成气泡混合轻质土拌和物, 再用承压软管直接泵送到塌腔顶部地面钻孔导管入口,经导管流向塌腔。
灌注过程中不间断探测空腔内轻质土顶面位置情况,及时调整入料口的位置,保证浇注面整体、平稳上升。灌注效果见图5。
(4)施工注意事项。
气泡混合轻质土应避免在雨天灌注。由于轻质土容重小(约为水的一半) ,质量轻,雨天施工很容易被雨水冲走或浮在水面上。在施工过程中,每天施工完毕后应将塌腔顶部露出地面的孔位堵塞严密,防止雨水进入塌腔。
4 结论
在塌方处治方案中成功地应用气泡混合轻质土解决了隧道顶塌腔的回填与稳定性问题,消除了安全隐患,确保隧道结构稳定,并为类似工程问题提供一种全新的解决方法和手段。
(1)隧道塌方处治需要从塌方的原因出发进行设计,方能达到预期的效果。塌腔灌注气泡混合轻质土具有施工方便、快捷、效果良好的特点,可以满足隧道结构和围岩所需要的强度和荷载要求。
(2)气泡混合轻质土用于隧道顶塌腔减载充填是可行的,为解决类似的工程问题提供了一种全新方法和手段。