工程实况

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

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。

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