在某高速公路隧道在由西向東掘進過程中，遇到斷裂帶，發(fā)生了大規(guī)模塌方。隨后采取了各種支護措施，共耗資數(shù)百萬元，運出塌落巖土近14000m3，經(jīng)過數(shù)月工作，該隧道不僅沒有延伸，反而倒退了4m，并最終在地表形成一直徑30m、深20m的陷坑，施工開挖工作被迫中斷。
該隧道掘進工作的順利實施與否關(guān)系到高速公路能否按期通車，出現(xiàn)如此大規(guī)模的塌方并且多種支護方案均告失敗在國內(nèi)外是比較少見的，針對上述復雜情況，專門就該隧道的工程地質(zhì)條件、水文地質(zhì)條件、塌方原因、支護方案的選擇與確定、支護機理及效果分析等多方面進行充分的分析和研究，在此基礎(chǔ)上，確定了一套實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。但對于塌方治理的研究僅限于具體的工程實錄和經(jīng)驗總結(jié)，而對于各種方法的理論分析比較少，主要是憑經(jīng)驗估計各種治理手段的合理性、可靠性和經(jīng)濟性。上述各種施工方法的施工過程、效果與可靠性比較如下：
插板法：施工過程為從工作面向斜前方圍巖打入中空錨桿，注入化學漿液，錨桿的超前支護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、簡便，施工性能良好；壓入漿液可以改良圍巖，錨桿超前支護，對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，施工難度很大。
冷凍法：運用制冷機凍結(jié)塌方段，從中掘進支護；冷凍法費用很高，施工周期長，工作環(huán)境要求高；在礫石塌方中無法施工。
錨桿法：運用鑿巖機鉆孔，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；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，對于埋深較大的地下塌方難以實施。
注漿管棚法：注漿管棚法從工作面鉆孔，打入管棚，實施注漿；此法利用管棚的超前支承作用及注漿的改良圍巖作用來加固圍巖，效果顯著。
注漿法：通過灌注水泥漿液或化學漿液改善圍巖性質(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，主要因為：由于大量粘土的存在無法直接采用常規(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)驗公式計算，在粘土沒有擾動的情況下直接注漿，有效擴散半徑約200mm，即使是松散粘土擠實后其有效擴散半徑也不超過1m；粘土及其夾石的流動性、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。
針對上述情況，確定利用兩項技術(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)”實施高壓注漿，擴大有效注漿半徑，同時采用特殊工藝安裝、連接超前長錨桿使之與高壓劈裂注漿加固體成為一有機整體，最大程度地發(fā)揮其支護效果，保證塌方區(qū)的安全順利通過。
高壓劈裂注漿加固機理
注漿結(jié)石體強度增長機理；
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)，其化學機理包括如下三個方面：
(1)化學膠結(jié)作用：無論是水泥漿還是化學漿液的灌注，都伴隨著產(chǎn)生膠結(jié)力的化學反應(yīng)，使巖土的整體結(jié)構(gòu)得到加強；
(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：被灌漿液在化學反應(yīng)過程中，某些化學成分能與巖土中的元素進行離子交換，從而形成具有更加理想性質(zhì)的新材料。
高壓劈裂注漿力學機理分析
該隧道塌方區(qū)巖土主要為粘土夾雜著碎石，對于此類物質(zhì)而言，在一定的注漿壓力下，能使其得到不斷的固結(jié)和強化，當注漿壓力達到某一臨界值后，粘土顆粒間由于結(jié)合水膜適當，聯(lián)結(jié)力減弱而使土粒易于移動，達到最好的壓實效果。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到加固和漿液有效擴散的目的。高壓下，可使粘土層擠密、脫水和壓實。從理論上說，壓力越大，擠密效果越好。由于通過孔壁向四周傳遞的壓力的不均勻性，孔數(shù)越密，則土層壓實越均勻，就越有利于達到有效加固的目的。
通過對圓孔擴張問題的研究，得知只有加大注漿壓力大于臨界值時，才能形成塑性區(qū)。當土層物理力學特性一定時，塑性區(qū)半徑b是一定的。因此所設(shè)計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連續(xù)的塑性壓實區(qū)。經(jīng)計算，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，開始沿注漿孔軸向發(fā)生劈裂，形成粘土與注漿體的互層，改變了孔壁周圍粘土層的物理力學性質(zhì)，從而達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參數(shù)計算出理論上注漿壓力不得低于4.5Mpa。
方案確定及實施
根據(jù)以上分析計算，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)計要點
(1)緊貼工作面施工一個止?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個鉆孔，以鉆機回轉(zhuǎn)點為中心外傾15°環(huán)形布置，孔徑φ75mm，孔深11.8m。
(3)鉆孔施工完成后，插入長錨桿，錨桿長度與孔深相同，錨桿選用φ25mm螺紋鋼，兩根并焊在一起。
(4)插入錨桿后，進行高壓注漿。
(5)全部施工任務(wù)完成并達到養(yǎng)護期后，掘支通過。
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，必要時可加一部分木屑。
(3)正常鑿孔注漿時，為加大擴散半徑，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，可適當調(diào)整水玻璃量。
(4)施工時可根據(jù)現(xiàn)場配比的結(jié)果，及時進行調(diào)整。
注漿壓力的選擇
(1)止?jié){墻后注漿時，終孔壓力為4MPa;(2)正常注漿時，終孔壓力為6MPa。
結(jié)論
按照以上施工方案精心組織施工，歷時四個月，完成了對該隧道特大塌方區(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)，在完全沒有支護的情況下，隧道能自穩(wěn)，成功地通過了塌方區(qū)，達到了預(yù)期的目的。
該段隧道經(jīng)過三年的使用及位移監(jiān)測，沒有發(fā)生位移，表明該方案的具體實施及其產(chǎn)生的工程效果，證明高壓劈裂注漿對于治理特大塌方區(qū)不僅在理論上而且在實際應(yīng)用中都是成立的，是一種安全、合理、經(jīng)濟效益和社會效益均十分顯著的方法，值得進一步推廣與應(yīng)用。
該隧道掘進工作的順利實施與否關(guān)系到高速公路能否按期通車，出現(xiàn)如此大規(guī)模的塌方并且多種支護方案均告失敗在國內(nèi)外是比較少見的，針對上述復雜情況，專門就該隧道的工程地質(zhì)條件、水文地質(zhì)條件、塌方原因、支護方案的選擇與確定、支護機理及效果分析等多方面進行充分的分析和研究，在此基礎(chǔ)上，確定了一套實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。但對于塌方治理的研究僅限于具體的工程實錄和經(jīng)驗總結(jié)，而對于各種方法的理論分析比較少，主要是憑經(jīng)驗估計各種治理手段的合理性、可靠性和經(jīng)濟性。上述各種施工方法的施工過程、效果與可靠性比較如下：
插板法：施工過程為從工作面向斜前方圍巖打入中空錨桿，注入化學漿液，錨桿的超前支護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、簡便，施工性能良好；壓入漿液可以改良圍巖，錨桿超前支護，對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，施工難度很大。
冷凍法：運用制冷機凍結(jié)塌方段，從中掘進支護；冷凍法費用很高，施工周期長，工作環(huán)境要求高；在礫石塌方中無法施工。
錨桿法：運用鑿巖機鉆孔，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；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，對于埋深較大的地下塌方難以實施。
注漿管棚法：注漿管棚法從工作面鉆孔，打入管棚，實施注漿；此法利用管棚的超前支承作用及注漿的改良圍巖作用來加固圍巖，效果顯著。
注漿法：通過灌注水泥漿液或化學漿液改善圍巖性質(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，主要因為：由于大量粘土的存在無法直接采用常規(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)驗公式計算，在粘土沒有擾動的情況下直接注漿，有效擴散半徑約200mm，即使是松散粘土擠實后其有效擴散半徑也不超過1m；粘土及其夾石的流動性、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。
針對上述情況，確定利用兩項技術(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)”實施高壓注漿，擴大有效注漿半徑，同時采用特殊工藝安裝、連接超前長錨桿使之與高壓劈裂注漿加固體成為一有機整體，最大程度地發(fā)揮其支護效果，保證塌方區(qū)的安全順利通過。
高壓劈裂注漿加固機理
注漿結(jié)石體強度增長機理；
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)，其化學機理包括如下三個方面：
(1)化學膠結(jié)作用：無論是水泥漿還是化學漿液的灌注，都伴隨著產(chǎn)生膠結(jié)力的化學反應(yīng)，使巖土的整體結(jié)構(gòu)得到加強；
(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：被灌漿液在化學反應(yīng)過程中，某些化學成分能與巖土中的元素進行離子交換，從而形成具有更加理想性質(zhì)的新材料。
高壓劈裂注漿力學機理分析
該隧道塌方區(qū)巖土主要為粘土夾雜著碎石，對于此類物質(zhì)而言，在一定的注漿壓力下，能使其得到不斷的固結(jié)和強化，當注漿壓力達到某一臨界值后，粘土顆粒間由于結(jié)合水膜適當，聯(lián)結(jié)力減弱而使土粒易于移動，達到最好的壓實效果。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到加固和漿液有效擴散的目的。高壓下，可使粘土層擠密、脫水和壓實。從理論上說，壓力越大，擠密效果越好。由于通過孔壁向四周傳遞的壓力的不均勻性，孔數(shù)越密，則土層壓實越均勻，就越有利于達到有效加固的目的。
通過對圓孔擴張問題的研究，得知只有加大注漿壓力大于臨界值時，才能形成塑性區(qū)。當土層物理力學特性一定時，塑性區(qū)半徑b是一定的。因此所設(shè)計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連續(xù)的塑性壓實區(qū)。經(jīng)計算，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，開始沿注漿孔軸向發(fā)生劈裂，形成粘土與注漿體的互層，改變了孔壁周圍粘土層的物理力學性質(zhì)，從而達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參數(shù)計算出理論上注漿壓力不得低于4.5Mpa。
方案確定及實施
根據(jù)以上分析計算，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)計要點
(1)緊貼工作面施工一個止?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個鉆孔，以鉆機回轉(zhuǎn)點為中心外傾15°環(huán)形布置，孔徑φ75mm，孔深11.8m。
(3)鉆孔施工完成后，插入長錨桿，錨桿長度與孔深相同，錨桿選用φ25mm螺紋鋼，兩根并焊在一起。
(4)插入錨桿后，進行高壓注漿。
(5)全部施工任務(wù)完成并達到養(yǎng)護期后，掘支通過。
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，必要時可加一部分木屑。
(3)正常鑿孔注漿時，為加大擴散半徑，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，可適當調(diào)整水玻璃量。
(4)施工時可根據(jù)現(xiàn)場配比的結(jié)果，及時進行調(diào)整。
注漿壓力的選擇
(1)止?jié){墻后注漿時，終孔壓力為4MPa;(2)正常注漿時，終孔壓力為6MPa。
結(jié)論
按照以上施工方案精心組織施工，歷時四個月，完成了對該隧道特大塌方區(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)，在完全沒有支護的情況下，隧道能自穩(wěn)，成功地通過了塌方區(qū)，達到了預(yù)期的目的。
該段隧道經(jīng)過三年的使用及位移監(jiān)測，沒有發(fā)生位移，表明該方案的具體實施及其產(chǎn)生的工程效果，證明高壓劈裂注漿對于治理特大塌方區(qū)不僅在理論上而且在實際應(yīng)用中都是成立的，是一種安全、合理、經(jīng)濟效益和社會效益均十分顯著的方法，值得進一步推廣與應(yīng)用。