在某高速公路隧道在由西向東掘進(jìn)過(guò)程中，遇到斷裂帶，發(fā)生了大規(guī)模塌方。隨后采取了各種支護(hù)措施，共耗資數(shù)百萬(wàn)元，運(yùn)出塌落巖土近14000m3，經(jīng)過(guò)數(shù)月工作，該隧道不僅沒(méi)有延伸，反而倒退了4m，并最終在地表形成一直徑30m、深20m的陷坑，施工開(kāi)挖工作被迫中斷。
該隧道掘進(jìn)工作的順利實(shí)施與否關(guān)系到高速公路能否按期通車(chē)，出現(xiàn)如此大規(guī)模的塌方并且多種支護(hù)方案均告失敗在國(guó)內(nèi)外是比較少見(jiàn)的，針對(duì)上述復(fù)雜情況，專門(mén)就該隧道的工程地質(zhì)條件、水文地質(zhì)條件、塌方原因、支護(hù)方案的選擇與確定、支護(hù)機(jī)理及效果分析等多方面進(jìn)行充分的分析和研究，在此基礎(chǔ)上，確定了一套實(shí)用且有效的施工方案。
塌方區(qū)治理方法
目前地下工程塌方治理主要有插板法、管棚法、凍結(jié)法、錨桿法、明挖法、注漿管棚法、注漿法等方法。但對(duì)于塌方治理的研究?jī)H限于具體的工程實(shí)錄和經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，而對(duì)于各種方法的理論分析比較少，主要是憑經(jīng)驗(yàn)估計(jì)各種治理手段的合理性、可靠性和經(jīng)濟(jì)性。上述各種施工方法的施工過(guò)程、效果與可靠性比較如下：
插板法：施工過(guò)程為從工作面向斜前方圍巖打入中空錨桿，注入化學(xué)漿液，錨桿的超前支護(hù)效果和圍巖改良效果共同作用可防止拱部崩塌，也可使用自穿孔型錨桿；施工設(shè)備小型、簡(jiǎn)便，施工性能良好；壓入漿液可以改良圍巖，錨桿超前支護(hù)，對(duì)拱部的崩落防止效果好，可靠性高，但作用范圍有限，適合于小型塌方治理。
管棚法：在工作面水平斜向打入鋼管，在拱部形成管棚，常以40cm間距打入φ150mm的鋼管，鋼管的超前支撐作用防止拱部崩塌；管棚法處理范圍比較大，可靠性高，但遇到礫砂土層時(shí)，施工難度很大。
冷凍法：運(yùn)用制冷機(jī)凍結(jié)塌方段，從中掘進(jìn)支護(hù)；冷凍法費(fèi)用很高，施工周期長(zhǎng)，工作環(huán)境要求高；在礫石塌方中無(wú)法施工。
錨桿法：運(yùn)用鑿巖機(jī)鉆孔，打入錨桿，利用錨桿的懸吊、錨固作用固結(jié)塌方體；此法作用范圍、效果具有局限性。
明挖法：明挖法是將塌方體直接挖開(kāi)；此法施工安全可靠，效果好，但只能在近地表、工作量較小地段施工，對(duì)于埋深較大的地下塌方難以實(shí)施。
注漿管棚法：注漿管棚法從工作面鉆孔，打入管棚，實(shí)施注漿；此法利用管棚的超前支承作用及注漿的改良圍巖作用來(lái)加固圍巖，效果顯著。
注漿法：通過(guò)灌注水泥漿液或化學(xué)漿液改善圍巖性質(zhì)；注漿法應(yīng)用范圍較廣，效果顯著，在特殊地層中需要特殊的施工工藝。
通過(guò)比較，注漿管棚法和注漿法適合于特大塌方區(qū)的治理，但根據(jù)該隧道塌方區(qū)工程地質(zhì)條件，這兩種方法均不合適，主要因?yàn)椋河捎诖罅空惩恋拇嬖跓o(wú)法直接采用常規(guī)注漿的加固方案，常規(guī)注漿要求被加固體有良好的導(dǎo)漿特性，漿液包圍塌落物并在凝固后形成一整體，而粘土是注漿法中漿液擴(kuò)散最不利的地質(zhì)層，具有良好的隔水性，根據(jù)泰勒經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算，在粘土沒(méi)有擾動(dòng)的情況下直接注漿，有效擴(kuò)散半徑約200mm，即使是松散粘土擠實(shí)后其有效擴(kuò)散半徑也不超過(guò)1m；粘土及其夾石的流動(dòng)性、不穩(wěn)定性，使塌孔處理成為施工的難題；塌落物中夾帶卵石和塊石，致使管棚法施工困難。
針對(duì)上述情況，確定利用兩項(xiàng)技術(shù)：“非套管成孔術(shù)”保證鉆孔的穩(wěn)定；“雙泵雙液注漿技術(shù)”實(shí)施高壓注漿，擴(kuò)大有效注漿半徑，同時(shí)采用特殊工藝安裝、連接超前長(zhǎng)錨桿使之與高壓劈裂注漿加固體成為一有機(jī)整體，最大程度地發(fā)揮其支護(hù)效果，保證塌方區(qū)的安全順利通過(guò)。
高壓劈裂注漿加固機(jī)理
注漿結(jié)石體強(qiáng)度增長(zhǎng)機(jī)理；
注漿的目的是為了改良土和巖石的現(xiàn)有性質(zhì)從而在被灌范圍內(nèi)產(chǎn)生一種新的介質(zhì)，其化學(xué)機(jī)理包括如下三個(gè)方面：
(1)化學(xué)膠結(jié)作用：無(wú)論是水泥漿還是化學(xué)漿液的灌注，都伴隨著產(chǎn)生膠結(jié)力的化學(xué)反應(yīng)，使巖土的整體結(jié)構(gòu)得到加強(qiáng)；
(2)惰性充填作用：填充在巖石、土孔隙中的漿液凝固后，因其具有不同程度的剛性改變了巖層及土體對(duì)外力的抵抗能力，使巖土的變形受到約束；
(3)離子交換作用：被灌漿液在化學(xué)反應(yīng)過(guò)程中，某些化學(xué)成分能與巖土中的元素進(jìn)行離子交換，從而形成具有更加理想性質(zhì)的新材料。
高壓劈裂注漿力學(xué)機(jī)理分析
該隧道塌方區(qū)巖土主要為粘土夾雜著碎石，對(duì)于此類物質(zhì)而言，在一定的注漿壓力下，能使其得到不斷的固結(jié)和強(qiáng)化，當(dāng)注漿壓力達(dá)到某一臨界值后，粘土顆粒間由于結(jié)合水膜適當(dāng)，聯(lián)結(jié)力減弱而使土粒易于移動(dòng)，達(dá)到最好的壓實(shí)效果。被灌材料的注漿主要是靠孔壁注入壓力的有效傳遞才能達(dá)到加固和漿液有效擴(kuò)散的目的。高壓下，可使粘土層擠密、脫水和壓實(shí)。從理論上說(shuō)，壓力越大，擠密效果越好。由于通過(guò)孔壁向四周傳遞的壓力的不均勻性，孔數(shù)越密，則土層壓實(shí)越均勻，就越有利于達(dá)到有效加固的目的。
通過(guò)對(duì)圓孔擴(kuò)張問(wèn)題的研究，得知只有加大注漿壓力大于臨界值時(shí)，才能形成塑性區(qū)。當(dāng)土層物理力學(xué)特性一定時(shí)，塑性區(qū)半徑b是一定的。因此所設(shè)計(jì)的注漿孔的終孔間距不得大于2b，這樣才能保證在破碎帶中形成一個(gè)連續(xù)的塑性壓實(shí)區(qū)。經(jīng)計(jì)算，注漿孔的終孔間距不得大于2m。
隨著注漿壓力的不斷增大，塑性區(qū)內(nèi)的土層被擠實(shí)，開(kāi)始沿注漿孔軸向發(fā)生劈裂，形成粘土與注漿體的互層，改變了孔壁周?chē)惩翆拥奈锢砹W(xué)性質(zhì)，從而達(dá)到高壓劈裂加固破碎帶的目的。
注漿壓力P>Pc(臨界值)是注漿孔產(chǎn)生軸向劈裂的臨界條件，由該隧道破碎帶土體的物理力學(xué)參數(shù)計(jì)算出理論上注漿壓力不得低于4.5Mpa。
方案確定及實(shí)施
根據(jù)以上分析計(jì)算，結(jié)合高壓劈裂注漿的施工工藝要求及塌方區(qū)的具體情況，作出如下施工方案：
設(shè)計(jì)要點(diǎn)
(1)緊貼工作面施工一個(gè)止?jié){墻，墻厚1000mm，墻面上預(yù)埋有孔口管及支撐鋼拱架。
(2)鉆鑿注漿孔。在拱壁上周邊布置15個(gè)鉆孔，以鉆機(jī)回轉(zhuǎn)點(diǎn)為中心外傾15°環(huán)形布置，孔徑φ75mm，孔深11.8m。
(3)鉆孔施工完成后，插入長(zhǎng)錨桿，錨桿長(zhǎng)度與孔深相同，錨桿選用φ25mm螺紋鋼，兩根并焊在一起。
(4)插入錨桿后，進(jìn)行高壓注漿。
(5)全部施工任務(wù)完成并達(dá)到養(yǎng)護(hù)期后，掘支通過(guò)。
注漿材料的選擇選用水泥～水玻璃雙液漿，采用普硅525#水泥，工業(yè)用水玻璃(45Be’)，封孔及止?jié){墻后注漿可考慮拌入適量的木屑以防止跑漿。
C:S值、水灰比、水玻璃使用濃度的選擇
(1)本次初選的水玻璃濃度為35B'；
(2)止?jié){墻壁后注漿要求在60s內(nèi)凝膠，采用水泥～水玻璃體積比(C:S)為1:0.5，水灰比為0.75:1，必要時(shí)可加一部分木屑。
(3)正常鑿孔注漿時(shí)，為加大擴(kuò)散半徑，要求漿液在60-120s之內(nèi)凝膠，選用水灰比為1:1，C:S值為1:0.6，如發(fā)生跑漿，可適當(dāng)調(diào)整水玻璃量。
(4)施工時(shí)可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)配比的結(jié)果，及時(shí)進(jìn)行調(diào)整。
注漿壓力的選擇
(1)止?jié){墻后注漿時(shí)，終孔壓力為4MPa;(2)正常注漿時(shí)，終孔壓力為6MPa。
結(jié)論
按照以上施工方案精心組織施工，歷時(shí)四個(gè)月，完成了對(duì)該隧道特大塌方區(qū)的高壓劈裂注漿施工任務(wù)，共注入水泥漿520m3，開(kāi)挖后，原塌落的泥石流狀態(tài)的松散層形成了以注漿脈為骨架的結(jié)石體，呈半干燥狀態(tài)，在完全沒(méi)有支護(hù)的情況下，隧道能自穩(wěn)，成功地通過(guò)了塌方區(qū)，達(dá)到了預(yù)期的目的。
該段隧道經(jīng)過(guò)三年的使用及位移監(jiān)測(cè)，沒(méi)有發(fā)生位移，表明該方案的具體實(shí)施及其產(chǎn)生的工程效果，證明高壓劈裂注漿對(duì)于治理特大塌方區(qū)不僅在理論上而且在實(shí)際應(yīng)用中都是成立的，是一種安全、合理、經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益均十分顯著的方法，值得進(jìn)一步推廣與應(yīng)用。
該隧道掘進(jìn)工作的順利實(shí)施與否關(guān)系到高速公路能否按期通車(chē)，出現(xiàn)如此大規(guī)模的塌方并且多種支護(hù)方案均告失敗在國(guó)內(nèi)外是比較少見(jiàn)的，針對(duì)上述復(fù)雜情況，專門(mén)就該隧道的工程地質(zhì)條件、水文地質(zhì)條件、塌方原因、支護(hù)方案的選擇與確定、支護(hù)機(jī)理及效果分析等多方面進(jìn)行充分的分析和研究，在此基礎(chǔ)上，確定了一套實(shí)用且有效的施工方案。
塌方區(qū)治理方法
目前地下工程塌方治理主要有插板法、管棚法、凍結(jié)法、錨桿法、明挖法、注漿管棚法、注漿法等方法。但對(duì)于塌方治理的研究?jī)H限于具體的工程實(shí)錄和經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，而對(duì)于各種方法的理論分析比較少，主要是憑經(jīng)驗(yàn)估計(jì)各種治理手段的合理性、可靠性和經(jīng)濟(jì)性。上述各種施工方法的施工過(guò)程、效果與可靠性比較如下：
插板法：施工過(guò)程為從工作面向斜前方圍巖打入中空錨桿，注入化學(xué)漿液，錨桿的超前支護(hù)效果和圍巖改良效果共同作用可防止拱部崩塌，也可使用自穿孔型錨桿；施工設(shè)備小型、簡(jiǎn)便，施工性能良好；壓入漿液可以改良圍巖，錨桿超前支護(hù)，對(duì)拱部的崩落防止效果好，可靠性高，但作用范圍有限，適合于小型塌方治理。
管棚法：在工作面水平斜向打入鋼管，在拱部形成管棚，常以40cm間距打入φ150mm的鋼管，鋼管的超前支撐作用防止拱部崩塌；管棚法處理范圍比較大，可靠性高，但遇到礫砂土層時(shí)，施工難度很大。
冷凍法：運(yùn)用制冷機(jī)凍結(jié)塌方段，從中掘進(jìn)支護(hù)；冷凍法費(fèi)用很高，施工周期長(zhǎng)，工作環(huán)境要求高；在礫石塌方中無(wú)法施工。
錨桿法：運(yùn)用鑿巖機(jī)鉆孔，打入錨桿，利用錨桿的懸吊、錨固作用固結(jié)塌方體；此法作用范圍、效果具有局限性。
明挖法：明挖法是將塌方體直接挖開(kāi)；此法施工安全可靠，效果好，但只能在近地表、工作量較小地段施工，對(duì)于埋深較大的地下塌方難以實(shí)施。
注漿管棚法：注漿管棚法從工作面鉆孔，打入管棚，實(shí)施注漿；此法利用管棚的超前支承作用及注漿的改良圍巖作用來(lái)加固圍巖，效果顯著。
注漿法：通過(guò)灌注水泥漿液或化學(xué)漿液改善圍巖性質(zhì)；注漿法應(yīng)用范圍較廣，效果顯著，在特殊地層中需要特殊的施工工藝。
通過(guò)比較，注漿管棚法和注漿法適合于特大塌方區(qū)的治理，但根據(jù)該隧道塌方區(qū)工程地質(zhì)條件，這兩種方法均不合適，主要因?yàn)椋河捎诖罅空惩恋拇嬖跓o(wú)法直接采用常規(guī)注漿的加固方案，常規(guī)注漿要求被加固體有良好的導(dǎo)漿特性，漿液包圍塌落物并在凝固后形成一整體，而粘土是注漿法中漿液擴(kuò)散最不利的地質(zhì)層，具有良好的隔水性，根據(jù)泰勒經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算，在粘土沒(méi)有擾動(dòng)的情況下直接注漿，有效擴(kuò)散半徑約200mm，即使是松散粘土擠實(shí)后其有效擴(kuò)散半徑也不超過(guò)1m；粘土及其夾石的流動(dòng)性、不穩(wěn)定性，使塌孔處理成為施工的難題；塌落物中夾帶卵石和塊石，致使管棚法施工困難。
針對(duì)上述情況，確定利用兩項(xiàng)技術(shù)：“非套管成孔術(shù)”保證鉆孔的穩(wěn)定；“雙泵雙液注漿技術(shù)”實(shí)施高壓注漿，擴(kuò)大有效注漿半徑，同時(shí)采用特殊工藝安裝、連接超前長(zhǎng)錨桿使之與高壓劈裂注漿加固體成為一有機(jī)整體，最大程度地發(fā)揮其支護(hù)效果，保證塌方區(qū)的安全順利通過(guò)。
高壓劈裂注漿加固機(jī)理
注漿結(jié)石體強(qiáng)度增長(zhǎng)機(jī)理；
注漿的目的是為了改良土和巖石的現(xiàn)有性質(zhì)從而在被灌范圍內(nèi)產(chǎn)生一種新的介質(zhì)，其化學(xué)機(jī)理包括如下三個(gè)方面：
(1)化學(xué)膠結(jié)作用：無(wú)論是水泥漿還是化學(xué)漿液的灌注，都伴隨著產(chǎn)生膠結(jié)力的化學(xué)反應(yīng)，使巖土的整體結(jié)構(gòu)得到加強(qiáng)；
(2)惰性充填作用：填充在巖石、土孔隙中的漿液凝固后，因其具有不同程度的剛性改變了巖層及土體對(duì)外力的抵抗能力，使巖土的變形受到約束；
(3)離子交換作用：被灌漿液在化學(xué)反應(yīng)過(guò)程中，某些化學(xué)成分能與巖土中的元素進(jìn)行離子交換，從而形成具有更加理想性質(zhì)的新材料。
高壓劈裂注漿力學(xué)機(jī)理分析
該隧道塌方區(qū)巖土主要為粘土夾雜著碎石，對(duì)于此類物質(zhì)而言，在一定的注漿壓力下，能使其得到不斷的固結(jié)和強(qiáng)化，當(dāng)注漿壓力達(dá)到某一臨界值后，粘土顆粒間由于結(jié)合水膜適當(dāng)，聯(lián)結(jié)力減弱而使土粒易于移動(dòng)，達(dá)到最好的壓實(shí)效果。被灌材料的注漿主要是靠孔壁注入壓力的有效傳遞才能達(dá)到加固和漿液有效擴(kuò)散的目的。高壓下，可使粘土層擠密、脫水和壓實(shí)。從理論上說(shuō)，壓力越大，擠密效果越好。由于通過(guò)孔壁向四周傳遞的壓力的不均勻性，孔數(shù)越密，則土層壓實(shí)越均勻，就越有利于達(dá)到有效加固的目的。
通過(guò)對(duì)圓孔擴(kuò)張問(wèn)題的研究，得知只有加大注漿壓力大于臨界值時(shí)，才能形成塑性區(qū)。當(dāng)土層物理力學(xué)特性一定時(shí)，塑性區(qū)半徑b是一定的。因此所設(shè)計(jì)的注漿孔的終孔間距不得大于2b，這樣才能保證在破碎帶中形成一個(gè)連續(xù)的塑性壓實(shí)區(qū)。經(jīng)計(jì)算，注漿孔的終孔間距不得大于2m。
隨著注漿壓力的不斷增大，塑性區(qū)內(nèi)的土層被擠實(shí)，開(kāi)始沿注漿孔軸向發(fā)生劈裂，形成粘土與注漿體的互層，改變了孔壁周?chē)惩翆拥奈锢砹W(xué)性質(zhì)，從而達(dá)到高壓劈裂加固破碎帶的目的。
注漿壓力P>Pc(臨界值)是注漿孔產(chǎn)生軸向劈裂的臨界條件，由該隧道破碎帶土體的物理力學(xué)參數(shù)計(jì)算出理論上注漿壓力不得低于4.5Mpa。
方案確定及實(shí)施
根據(jù)以上分析計(jì)算，結(jié)合高壓劈裂注漿的施工工藝要求及塌方區(qū)的具體情況，作出如下施工方案：
設(shè)計(jì)要點(diǎn)
(1)緊貼工作面施工一個(gè)止?jié){墻，墻厚1000mm，墻面上預(yù)埋有孔口管及支撐鋼拱架。
(2)鉆鑿注漿孔。在拱壁上周邊布置15個(gè)鉆孔，以鉆機(jī)回轉(zhuǎn)點(diǎn)為中心外傾15°環(huán)形布置，孔徑φ75mm，孔深11.8m。
(3)鉆孔施工完成后，插入長(zhǎng)錨桿，錨桿長(zhǎng)度與孔深相同，錨桿選用φ25mm螺紋鋼，兩根并焊在一起。
(4)插入錨桿后，進(jìn)行高壓注漿。
(5)全部施工任務(wù)完成并達(dá)到養(yǎng)護(hù)期后，掘支通過(guò)。
注漿材料的選擇選用水泥～水玻璃雙液漿，采用普硅525#水泥，工業(yè)用水玻璃(45Be’)，封孔及止?jié){墻后注漿可考慮拌入適量的木屑以防止跑漿。
C:S值、水灰比、水玻璃使用濃度的選擇
(1)本次初選的水玻璃濃度為35B'；
(2)止?jié){墻壁后注漿要求在60s內(nèi)凝膠，采用水泥～水玻璃體積比(C:S)為1:0.5，水灰比為0.75:1，必要時(shí)可加一部分木屑。
(3)正常鑿孔注漿時(shí)，為加大擴(kuò)散半徑，要求漿液在60-120s之內(nèi)凝膠，選用水灰比為1:1，C:S值為1:0.6，如發(fā)生跑漿，可適當(dāng)調(diào)整水玻璃量。
(4)施工時(shí)可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)配比的結(jié)果，及時(shí)進(jìn)行調(diào)整。
注漿壓力的選擇
(1)止?jié){墻后注漿時(shí)，終孔壓力為4MPa;(2)正常注漿時(shí)，終孔壓力為6MPa。
結(jié)論
按照以上施工方案精心組織施工，歷時(shí)四個(gè)月，完成了對(duì)該隧道特大塌方區(qū)的高壓劈裂注漿施工任務(wù)，共注入水泥漿520m3，開(kāi)挖后，原塌落的泥石流狀態(tài)的松散層形成了以注漿脈為骨架的結(jié)石體，呈半干燥狀態(tài)，在完全沒(méi)有支護(hù)的情況下，隧道能自穩(wěn)，成功地通過(guò)了塌方區(qū)，達(dá)到了預(yù)期的目的。
該段隧道經(jīng)過(guò)三年的使用及位移監(jiān)測(cè)，沒(méi)有發(fā)生位移，表明該方案的具體實(shí)施及其產(chǎn)生的工程效果，證明高壓劈裂注漿對(duì)于治理特大塌方區(qū)不僅在理論上而且在實(shí)際應(yīng)用中都是成立的，是一種安全、合理、經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益均十分顯著的方法，值得進(jìn)一步推廣與應(yīng)用。
