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摘要：在公路隧道施工过程中，由于受到不良地质或复杂地质等地质因素的的影响，会导致隧道施工遭受地质灾害，若公路隧道施工时遇到空洞会影响到隧道掘进的正常进行。为确保公路隧道的正常建设，需要工作人员及时对不良地质进行地质勘探和地质超前预报，以确定施工所在的位置可能发生的地质灾害，并做出相应的处理预案。
关键词：公路隧道；空洞；判断处理
1前言
公路隧道上所出现的问题对驾驶的安全性存在着严重威胁，而空洞则是公路隧道灾害问题中最典型、最常见的形式。由于受到隧道施工或者其他因素的影响，一般情况下很难保证空洞回填充分。空洞的存在将严重影响围岩之间的相互作用，导致衬砌结构产生不均匀受力的现象，这样一来极易使二次衬砌产生裂缝，导致钢筋腐蚀等一系列的灾害，还有可能诱发土质疏松或不稳定围岩脱落等问题。空洞的存在不仅对于公路隧道有着严重的影响，也对人们的生命安全构成了严重威胁。
图 1 隧道衬砌背后空洞照片
2计算模型及其试验的方案
2.1几何模型
在有限元分析模型中，采用平面二维模型，在不考虑周围的岩石和衬里的情况下，进行数值计算和模型试验，然后比较和分析数值计算的结果。有限元模型的大小是根据物理模型的大小然后在试验隧道中放大了80倍所得，这样可以减少不利于二维有限元模型计算的因素，还可以减少所得的结果的误差。计算模型的地层范围由以下原则决定：水平方向的距离约为隧道直径7倍，范围约90米；垂直方向的距离约为隧道直径的6倍，范围约80米。在数值分析中，采用不同的加载方式模拟不同的压力场，以及不同的侧压力系数，如（0.5，1.0和1.5），并观察空洞回填前后的内衬的压力。
2.2模拟过程说明
在本文的数值分析中，我们认为隧道围岩的性质是均匀弹塑性体，并假定隧道的力学性质遵循德鲁克的屈服准则。在这种情况下隧道的应力和变形是平面应变。在计算模型中，利用4个节点模拟了平面上的围岩。这两个节点，如BEAM3，被用来模拟衬里。第二次衬里用4个节点的PLANE42模拟。
2.3参数的选择
数值的计算一般采用单元模拟的计算方式。钢拱和喷射混凝土的复合模量，约为喷混凝土模量的1.2倍，在荷载作用下，轴向力和弯矩下采用单元分析；二维平面应变单元模拟了周围的岩石和固体。
2.4模型试验方案
通过实验研究了隧道空洞结构对不同应力场下隧道安全的影响。实验已经建立了两组实验，分别位于拱门的后面和墙上。每个模型分别装入分别为0.5、1.0和1.5的应力场，进行了6个实验。
3地质空洞处理方案的确定
3.1确定施工准备阶段空洞的情况
空洞加固方案：空洞内有很多的泥土块，但是考虑到泥块可以很小，很难形成强度高的固结体，而且洞底泥浆液的固结体和上腔形成的纯泥浆固结之间的硬度差会引起界面结合强度不均匀，加上水泥浆不均匀沉降和短钢筋加固效果，将施工钻孔和灌浆的间距控制在1.2米，在液压切割冲洗后产生淤泥和高压泥浆，将形成的空洞内部的泥浆和少量的泥沙清除，使空洞形成一个干净的高压灌浆，填入纯水泥砂浆，空洞内部形成一个纯水泥砂浆固结体，使固结体与岩面充分接触，对空洞进行填充。填充所用的纯水泥淤泥质土样要优质。进行填充时，首先确定的是采用水泥浆或者按照0.5：1的比例进行纯水泥砂浆的固结灌浆解决方案，在固结后再用水泥砂浆进行充填性灌浆补上空洞。
4.2根据检测空洞尺寸大小确定处理方案：
如果空洞尺寸小，一般采用地面压水泥浆或水泥砂浆；如果空洞很大，通常用混凝土进行回填处理。
4.3根据地质空洞和隧道的位置关系
空洞处理方案包括两种情况：若空洞位于隧道中央拱顶上，那么空洞处理的目的是改善和保证隧道开挖的安全，填充介质的选择主要是要考虑围岩的稳定性。在负荷相对较小的地面上灌水泥浆，把水泥浆填充到位于隧道墙体上部的空洞中，填充材料应满足围岩稳定性的需要，若荷载较大，应该采用地面注水泥砂浆或回填混凝土处理的方法；若空洞位于隧道仰拱底，填充物不仅需要满足围岩的稳定性的需要，也要满足在隧道基底的长期稳定、强度高、变形小等需求，所以采用回填混凝土处理。
图 2 双空洞影响下隧道结构安全系数分布规律
5地质空洞处理施工方案
5.1空洞的处理原则
空洞加固是采用压力浆料通过外部进行填充的方式，填充物对散裂层及土粒周围的空隙起到密实作用，以便增加围岩稳定性。
5.2空洞的处理方案
5.2.1表面压力注水泥浆充填
注水泥浆填充是在地面钻探孔下，把周围区域封闭，然后填充泥浆，直至空洞填满。填充物选择的是普通的硅酸盐水泥浆，水泥标号为32.5 R，泥浆混合比为W：C =（0.8～1）：1，采用双液灌浆处理方案较为合适，且效率相对较高。注浆压力为0.5 MPa～0.8 MPa，采用bw - 250 / 50注浆机。如果是小型空洞，且位于隧道侧壁的中间采用表面压力注水泥浆，直到灌满为止。表面压力注浆的空洞深度较浅，且空洞尺寸较小。
5.2.2地面压力注水泥浆处理
用水泥砂浆填充空洞并且对填充物进行浓缩，以提高强度，操作过程和表面注浆处理的过程基本上是相同的，只是在空洞注射填充水泥砂浆时应注意以下两点：（1）水泥砂浆应该根据填充物的强度要求进行比例调配；当沙子无法自然流入洞内时，可以采用高压将沙子注入洞中。（2）当空洞位于隧道侧壁下部时，需要的填充材料就强度较高，那么需要采用地面压力注混凝土处理。
5.2.3混凝土的回填处理
当空洞位于隧道底部时，若空洞较大时采用回填混凝土的方案。混凝土的回填是在地面进行还是在空洞里进行，这主要取决于隧道开挖时是否已经出现空洞。如果隧道开挖时已经出现空洞，可将空洞周边进行适当加固，在保证安全的条件下直接在空洞内填筑混凝土。如果隧道开挖未出现空洞，即使空洞离隧道有一定距离，但依然可能存在安全隐患，此类安全隐患需在地面钻孔施工，孔直径为400mm。当钻头到达空洞顶部时，应减慢钻进速度，防止钻头从顶部断裂。并且增加钻转矩，以较小的速度快速形成一个完整的圆孔，这样操作易下放钢管。钻孔完成后，拆下钻具，降低钢管的高度。钢管被安装在桁架上，然后在管口安装漏斗。使用输送泵向空洞中不断地输入混凝土，直到完全填满为止。采用C20混凝土作为填充物，混凝土坍落度控制在16～22cm之间，以保证混凝土的流动性。一旦在一个位置填满了混凝土，就不能再填充，将设备移动到另一个合适的位置，然后继续填充，直到填满整个空间。
6结束语
本文通过工程实例证明，当公路隧道遇到空洞问题时，应首先明确空洞的大小，埋深、位置等问题，再根据施工准备阶段空洞填充物的条件来确定灌浆方案，然后才能加以实施，而且对不同的空洞情况应该采取不同的措施，灵活应用从而达到安全、经济、合理的效果。
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论文作者:葛宏亮1,贾铮2
论文发表刊物:《基层建设》2017年第31期
论文发表时间:2018/1/29
标签：空洞论文; 隧道论文; 泥浆论文; 混凝土论文; 围岩论文; 砂浆论文; 模型论文; 《基层建设》2017年第31期论文;