隧道塌方治理实例：高压劈裂注浆锚固法

在某高速公路隧道在由西向东掘进过程中，遇到断裂带，发生了大规模塌方。随后采取了各种支护措施，共耗资数百万元，运出塌落岩土近14000m3，经过数月工作，该隧道不仅没有延伸，反而倒退了4m，并最终在地表形成一直径30m、深20m的陷坑，施工开挖工作被迫中断。

该隧道掘进工作的顺利实施与否关系到高速公路能否按期通车，出现如此大规模的塌方并且多种支护方案均告失败在国内外是比较少见的，针对上述复杂情况，专门就该隧道的工程地质条件、水文地质条件、塌方原因、支护方案的选择与确定、支护机理及效果分析等多方面进行充分的分析和研究，在此基础上，确定了一套实用且有效的施工方案。

一、塌方区治理方法

目前地下工程塌方治理主要有插板法、管棚法、冻结法、锚杆法、明挖法、注浆管棚法、注浆法等方法。但对于塌方治理的研究仅限于具体的工程实录和经验总结，而对于各种方法的理论分析比较少，主要是凭经验估计各种治理手段的合理性、可靠性和经济性。上述各种施工方法的施工过程、效果与可靠性比较如下：

插板法：施工过程为从工作面向斜前方围岩打入中空锚杆，注入化学浆液，锚杆的超前支护效果和围岩改良效果共同作用可防止拱部崩塌，也可使用自穿孔型锚杆；施工设备小型、简便，施工性能良好；压入浆液可以改良围岩，锚杆超前支护，对拱部的崩落防止效果好，可靠性高，但作用范围有限，适合于小型塌方治理。

管棚法：在工作面水平斜向打入钢管，在拱部形成管棚，常以40cm间距打入φ150mm的钢管，钢管的超前支撑作用防止拱部崩塌；管棚法处理范围比较大，可靠性高，但遇到砾砂土层时，施工难度很大。

冷冻法：运用制冷机冻结塌方段，从中掘进支护；冷冻法费用很高，施工周期长，工作环境要求高；在砾石塌方中无法施工。

锚杆法：运用凿岩机钻孔，打入锚杆，利用锚杆的悬吊、锚固作用固结塌方体；此法作用范围、效果具有局限性。

明挖法：明挖法是将塌方体直接挖开；此法施工安全可靠，效果好，但只能在近地表、工作量较小地段施工，对于埋深较大的地下塌方难以实施。

注浆管棚法：注浆管棚法从工作面钻孔，打入管棚，实施注浆；此法利用管棚的超前支承作用及注浆的改良围岩作用来加固围岩，效果显著。

注浆法：通过灌注水泥浆液或化学浆液改善围岩性质；注浆法应用范围较广，效果显著，在特殊地层中需要特殊的施工工艺。

通过比较，注浆管棚法和注浆法适合于特大塌方区的治理，但根据该隧道塌方区工程地质条件，这两种方法均不合适，主要因为：由于大量粘土的存在无法直接采用常规注浆的加固方案，常规注浆要求被加固体有良好的导浆特性，浆液包围塌落物并在凝固后形成一整体，而粘土是注浆法中浆液扩散最不利的地质层，具有良好的隔水性，根据泰勒经验公式计算，在粘土没有扰动的情况下直接注浆，有效扩散半径约200mm，即使是松散粘土挤实后其有效扩散半径也不超过1m；粘土及其夹石的流动性、不稳定性，使塌孔处理成为施工的难题；塌落物中夹带卵石和块石，致使管棚法施工困难。

针对上述情况，确定利用两项技术：“非套管成孔术”保证钻孔的稳定；“双泵双液注浆技术”实施高压注浆，扩大有效注浆半径，同时采用特殊工艺安装、连接超前长锚杆使之与高压劈裂注浆加固体成为一有机整体，最大程度地发挥其支护效果，保证塌方区的安全顺利通过。

二、高压劈裂注浆加固机理

1、注浆结石体强度增长机理

注浆的目的是为了改良土和岩石的现有性质从而在被灌范围内产生一种新的介质，其化学机理包括如下三个方面：

(1)化学胶结作用：无论是水泥浆还是化学浆液的灌注，都伴随着产生胶结力的化学反应，使岩土的整体结构得到加强；

(2)惰性充填作用：填充在岩石、土孔隙中的浆液凝固后，因其具有不同程度的刚性改变了岩层及土体对外力的抵抗能力，使岩土的变形受到约束；

(3)离子交换作用：被灌浆液在化学反应过程中，某些化学成分能与岩土中的元素进行离子交换，从而形成具有更加理想性质的新材料。

2、高压劈裂注浆力学机理分析

该隧道塌方区岩土主要为粘土夹杂着碎石，对于此类物质而言，在一定的注浆压力下，能使其得到不断的固结和强化，当注浆压力达到某一临界值后，粘土颗粒间由于结合水膜适当，联结力减弱而使土粒易于移动，达到最好的压实效果。

被灌材料的注浆主要是靠孔壁注入压力的有效传递才能达到加固和浆液有效扩散的目的。高压下，可使粘土层挤密、脱水和压实。从理论上说，压力越大，挤密效果越好。由于通过孔壁向四周传递的压力的不均匀性，孔数越密，则土层压实越均匀，就越有利于达到有效加固的目的。

通过对圆孔扩张问题的研究，得知只有加大注浆压力大于临界值时，才能形成塑性区。当土层物理力学特性一定时，塑性区半径b是一定的。因此所设计的注浆孔的终孔间距不得大于2b，这样才能保证在破碎带中形成一个连续的塑性压实区。经计算，注浆孔的终孔间距不得大于2m。

随着注浆压力的不断增大，塑性区内的土层被挤实，开始沿注浆孔轴向发生劈裂，形成粘土与注浆体的互层，改变了孔壁周围粘土层的物理力学性质，从而达到高压劈裂加固破碎带的目的。

注浆压力P>Pc(临界值)是注浆孔产生轴向劈裂的临界条件，由该隧道破碎带土体的物理力学参数计算出理论上注浆压力不得低于4.5Mpa。

三、方案确定及实施

根据以上分析计算，结合高压劈裂注浆的施工工艺要求及塌方区的具体情况，作出如下施工方案：

1、设计要点

(1)紧贴工作面施工一个止浆墙，墙厚1000mm，墙面上预埋有孔口管及支撑钢拱架。

(2)钻凿注浆孔。在拱壁上周边布置15个钻孔，以钻机回转点为中心外倾15°环形布置，孔径φ75mm，孔深11.8m。

(3)钻孔施工完成后，插入长锚杆，锚杆长度与孔深相同，锚杆选用φ25mm螺纹钢，两根并焊在一起。

(4)插入锚杆后，进行高压注浆。

(5)全部施工任务完成并达到养护期后，掘支通过。

注浆材料的选择选用水泥～水玻璃双液浆，采用普硅525#水泥，工业用水玻璃(45Be’)，封孔及止浆墙后注浆可考虑拌入适量的木屑以防止跑浆。

2、C:S值、水灰比、水玻璃使用浓度的选择

(1)本次初选的水玻璃浓度为35B'；

(2)止浆墙壁后注浆要求在60s内凝胶，采用水泥～水玻璃体积比(C:S)为1:0.5，水灰比为0.75:1，必要时可加一部分木屑。

(3)正常凿孔注浆时，为加大扩散半径，要求浆液在60-120s之内凝胶，选用水灰比为1:1，C:S值为1:0.6，如发生跑浆，可适当调整水玻璃量。

(4)施工时可根据现场配比的结果，及时进行调整。

3、注浆压力的选择

(1)止浆墙后注浆时，终孔压力为4MPa;(2)正常注浆时，终孔压力为6MPa。

四、结论

按照以上施工方案精心组织施工，历时四个月，完成了对该隧道特大塌方区的高压劈裂注浆施工任务，共注入水泥浆520m3，开挖后，原塌落的泥石流状态的松散层形成了以注浆脉为骨架的结石体，呈半干燥状态，在完全没有支护的情况下，隧道能自稳，成功地通过了塌方区，达到了预期的目的。

该段隧道经过三年的使用及位移监测，没有发生位移，表明该方案的具体实施及其产生的工程效果，证明高压劈裂注浆对于治理特大塌方区不仅在理论上而且在实际应用中都是成立的，是一种安全、合理、经济效益和社会效益均十分显著的方法，值得进一步推广与应用。