【摘 要】为了改进传统的隧道塌方治理方法，可在隧道围岩的塌方空洞中灌注气泡混合轻质土。文中浅析了气泡混合轻质土的施工特性并确定了隧道塌方灌注气泡混合轻质土所需的工程技术参数，阐述了气泡混合轻质土分层仰灌的施工技术。最后通过茅田界隧道塌方空洞分层仰灌气泡混合轻质土工程实践，证明了气泡混合轻质土在隧道塌方中的实用价值。
【关键词】隧道；塌方处理；分层仰灌；轻质土
气泡混合轻质土是按照一定的比例将水泥、水和气泡经充分混合搅拌凝固后所形成的一种轻型混合材料。气泡混合轻质土具有容重小，强度和容重可根据需要在一定范围内调整，施工性好，固化后可以自立，渗透性和吸水性低，导热系数小，耐震、隔热、隔音及抗冻融性能强，与水泥混凝土材料有同等的耐久性等优点。在软基处理、道路加宽、桥台台背回填以及挡土墙回填等方面得到了广泛的应用。但气泡混合轻质土材料在隧道塌方治理方面的应用比较少，主要是塌方空洞分层仰灌气泡混合轻质土施工流程复杂，且对回填施工质量要求较高。二广九标将气泡混合轻质土分层仰灌施工应用于茅田界隧道塌方处理中，取得了良好的效果。
1 项目概述
1.1 工程概况
茅田界隧道是位于广东省清远市连山县茅田界山体中的一座双向分离式隧道。左线隧道长度为4337m；右线隧道长度为4348m，两车道，隧道最大埋深约553m，穿越低山地貌区，山高坡陡，与地面相对高差约634m，山体植被茂密。隧道起点至YK84+645.8（ZK84+644.6）地层岩性主要为加里东期花岗闪长岩及其风化层；YK84+645.8（ZK84+644.6）至隧道终点地层岩性主要为震旦系大绀山组变质砂岩、板岩及其风化层。起点端均采用削竹式洞门，终点端均采用端墙式洞门。
茅田界隧道左洞掌子面开挖至桩号ZK85+194（正常间距Ⅳ级围岩）出渣时，技术人员发现掌子面洞顶出现松散岩石掉落、滴水现象较为严重，此时技术人员立即停止掌子面施工，撤离洞内施工人员，当所有人员全部撤离至洞口时，掌子面拱顶前后出现了塌方，塌方空腔最高约10m，数量约为300m3。后经业主、设计、监理、施工单位相关人员现场查看及对拱顶塌方原因进行分析：掌子面拱顶局部围岩为破碎带碎裂岩，强度较低，节理发育，尤其一组X节理十分发育，加之地下水成线状、股状涌出，围岩自稳能力极差，导致了开挖至掌子面桩号ZK85+194时，该桩号前后为ZK85+188～ZK85+198段的拱顶塌方，塌方空洞顶已经形成自然拱，暂时已趋于稳定。
但塌方体上方围岩内富含地下水，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二次塌方的情况出现，为了保证茅田界隧道的施工安全及长期运营，需对塌方空洞进行回填处理。
1.3 处理措施
传统的隧道塌方治理方法是在塌方空洞中挂网回填喷射混凝土，但本次拱顶塌方空腔中采用这种方法会存在如下问题：
（1）本次塌方空腔高度较高，湿喷机喷射臂难以到达空腔顶进行喷射混凝土作业，混凝土喷射距离过远，喷射混凝土质量较难保证；
（2）塌方体下端已经施作部分初支结构，喷射混凝土的回弹量大，回弹混凝土掉落在初支结构的上，存在较大施工风险；
（3）或将塌方处已施作的初支结构拆除，再进行回喷，这样即耽误了工期，又浪费了材料。
为了克服传统施工方案缺点，在取得业主、设计、监理单位的一致同意，该塌方空腔处理采用了压注气泡混合轻质土方案。
2 气泡混合轻质土特性
借鉴以往气泡混合轻质土在道路加宽、桥台台背填土工程中的应用证明轻质土具有许多独特的性能、优点，现对与茅田界隧道塌方处理相关的一些基本性质作浅析。
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，因此在浇筑中应控制每层的浇注厚度；
无论是非饱和状态还是饱和状态，透水系数均小于10-5cm/s；
2.1.3 耐久性强
轻质土属于水泥类材料，具有很好的耐久性。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 施工特点
轻质土的施工具有如下优点：
（1）良好的施工性能，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）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；
（3）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，对茅田界隧道塌方处理回填施工极为有利，故最终选用回填气泡混合轻质土方案来实施。
3 回填轻质土施工
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≤5.0kN/m3（仅为普通混凝土容重的1/5）；
3.1 灌注试验
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，得出： （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；
（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）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。
进行配比容重检测 过程中进行轻质土试块制作
经过试验最终选用的气泡混合轻质土配合比为：
施工使用配合比（表1）
水泥（kg/m3） 水（kg/m3） 气泡量（L/m3） 备注
气泡混合轻质土试验结果（表2）
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 1.0
4.93
1.1
2 4.79 185mm 1.0
3.2 塌方分层仰灌施工工艺：
主要工艺流程为：剩余初支结构施工―设置注浆管―分层灌注轻质土―封孔。
（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措施，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；
（2）设置注浆管
注浆管布设及分层压注气泡混合轻质土立面示意图（图1）
注浆管布设平面示意图（图2）
（3）气泡混合轻质土分层仰灌施工。
①施工材料、设备准备
施工主要材料所需要一栏表（表3）
名称 单位 数量
发泡剂 kg 10500
水泥 kg 108500
防分散剂 kg 1750
施工主要设备所需要一栏表（表4）
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
②施工
（4）封孔
封孔作业气泡混合轻质土注浆结束标准为：注浆压力达到一定压力稳定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。
轻质土气泡发泡装置 水泥浆与发泡剂混合搅拌
4 质量控制措施
气泡混合轻质土的最大特点是具有流动性和轻量性，因此在质量管理方面，确认是否达到了规定的流动性和轻量性标准非常重要。为了保证工程质量，在施工过程中对以下内容定时进行检测，检测内容详见下表：
各指标误差控制标准及检测频率表（表3）
控制指标 设计值 允许误差 检测频率
湿容重 A（kN/m3） ±0.5（kN/m3） 1次/50m3
（2）施工中建立健全材料管理台帐，施工中使用的水泥、发泡剂等应经过自检后方可进场，进场后的水泥应按批进行报检，报请监理工程师抽检合格后方可投入使用。
气泡混合轻质土发泡剂的性能要求（表4）
项目 性能要求
稀释倍率 不小于40倍
发泡倍率 不小于20倍
环境要求 符合国家相关的环保要求
室内湿容重试验允许误差 ±0.5kN/m3
5 技术创新点及效益分析
5.1 技术创新点
茅田界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：
（1）在隧道塌方回填处理材料的选择方面
对茅田界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有水，围岩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，确保了隧道长期运营的安全性； （2）在隧道塌方处理方案方面。
传统的隧道塌方处理为回填喷射混凝土或压注水泥浆，茅田界隧道塌方空洞较高，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。茅田界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。
5.2 效益分析
（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气泡混合轻质土的施工所使用工程量与费用详见下表：
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） 元/m3 合计（元） 工期（天） 施工质量 备注
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。
（2）社会效益
对于茅田界隧道由地质原因造成塌方的成功处理施工，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监理、业主的好评，为高质量完成茅田界隧道施工打下了坚实的基础，也为我公司赢得了良好的声誉。
6 结语
茅田界隧道塌方处理突破了传统的工艺，采用了气泡混合轻质土分层仰灌工艺，此工艺是一项复杂而特殊的工程，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，使此工艺在茅田界隧道塌方处理中得到成功的应用，加速了隧道塌方处理的施工进度，提高了施工质量，而且直接减少了施工成本，间接降低了远期成本，可以为类似隧道塌方施工提供借鉴。
参考文献：
[2]冷文彬，浅谈隧道塌方原因分析及有效处理措施[J].城市建设，2011.
[3]气泡混合轻质土填筑工程技术规程，2011.
[4]黄月华，气泡混合轻质土在地铁隧道减荷中的应用[M].广东职业交通技术学院学报，2008.
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大可逐排进行。砂井施工后基坑表层会产生松动隆起，应进行压实。
（6）砂井的长度、直径和间距应满足设计要求；砂井位置的允许偏差为该井的直径，垂直度的允许偏差为1.5%。
（7） 应保证达到要求的灌砂密实度，砂井至上而下保持连续，不出现缩颈、断颈，且不扰动砂井周围土的结构。砂井的灌砂量，应按井孔的体积和砂在中密状态时的干密度计算，其实际灌砂量不得少于计算的95%.对灌砂量未达到设计要求的砂井，应在原位将桩管打入灌砂复打一次。
（8）施工期间应进行现场测试，
①边桩水平位移观测：主要用于判断地基的稳定性，决定安全的加荷速率，要求边桩位移速率应控3～5mm/d；
②地面沉降观测：主要控制地基沉降速度，要求最大沉降速率不宜超过10mm/d；
③孔隙水压力观测：用于计算土体固结度、强度及强度增长，分析地基的稳定，从而控制堆载速率，防止堆载过多、过快而导致地基破坏。
4 经济效果分析
砂井堆载预压法处理软弱地基，取材方便，材料价廉，成孔方便，井长不深，换土、堆载难度不大，通过某些具体工程施工观测证明，结构稳定安全。
5 结束语
软土具有强度低、压缩性较高和渗透性较差等特性，必须重视地基的变形和稳定问题，如果不作任何处理，一般不能承受较大的建筑物荷载。在软弱地基处理的时候，要结合拟建区域内地基土的组成及力学性质等实际情况，采用不同的地基处理方法，保证工程建设的质量，取得良好的经济效益和社会效益。
我国地基处理技术发展很快，但还有许多方面需进一步：
（1）促进地基处理理论方面的进一步发展。
（2）进一步完善质量检验手段。
（3）发展地基处理新技术，提高地基处理技术的综合应用水平的研究。
（4）要因地制宜合理选用处理方法。正确评价各种地基处理方法的适用性。
（5）研制新机械新材料，提高施工工艺，实现信息化施工的研究。
（6）深化施工管理体制改革，重视专业施工队伍建设
参考文献：
[1]建筑地基基础设计规范.中国建筑出版社，1989.
[2]《软土地基处理》.人民交通出版社，1978.
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有一种防护方式使用的较多，为石砌圬工防护。在路堤边坡防护中多选用混凝土预制块，在路堑边坡多选用护面墙，这种防护墙必须是连片或带窗孔的。选用锚杆挂铁LPL网或高强塑料网格喷浆的防护方式对破裂及比较容易风化破碎的岩石路堑边坡进行有效防护，只有这样才能达到理想的防护效果。
3.2 冲刷防护
通常情况卜会选择直接防护的方式对沿河路基边坡进行防护，这样可以有效避免路基造成严重的冲刷。将传统的铁LPL石笼防护改进为高强上工格栅防护，在常常遭受水冲浪击的边坡路段可以选用护面板进行有效防护，这种施工防护措施主要是由聚脂或聚胺脂类上工织物混凝上护坡模袋做成的，这种防护方式可以对上体不均匀沉降现象进行明泉改善。
4 结束语
综上所述，路路基路面施工是公路建设整体施工的重点内容，其质量的优劣将对公路施工起到极大的影响作用。基于此，施工企业必须依据公路工程施工的实际情况及现场环境、水文情况等，选择与之相适应的施工方案，才能有效改善路面纵横坡碎裂的现象，提高路基路面的平整度，进而确保公路工程施工的质量。
参考文献：