泡沫混凝土力学特性分析及其空洞充填应用

摘 要：以新疆EH工程5#支洞工程为依托，对V类围岩隧道衬砌背后空洞的形成的原因进行分析，对衬砌背后空洞处置采用新型材料泡沫混凝土进行处置，其具有轻质、整体性能好、低弹减震性好等特点，保证了处置拱架的受力安全。通过对不同位置进行普通混凝土以及泡沫混凝土注浆充填，发现泡沫混凝土注浆处理后的初支结构累计沉降值更低，说明其能够有效降低垂直荷载，保证初支整体结构的稳定，结果为类似施工提供技术参考。

关键词：衬砌空洞;泡沫混凝土;力学特性;施工工艺;

随着水利工程建设的发展，水利隧道的数量越来越多，而隧道病害、质量及安全隐患问题也引起了广泛的关注。尤其隧道围岩是较为破碎的软岩时，极易出现塌方、渗漏水以及衬砌的背后空洞等问题。其中衬砌背后出现空洞是隧洞主要安全问题之一。针对衬砌背后空洞对隧道的结构造成的安全问题，现场工程技术人员和专家学者开展了大量的研究工作。张素磊[1]等根据大量隧道衬砌资料对衬砌背后空洞的形貌特征进行分析，总结出空洞位置主要分布在衬砌拱部及围岩条件较差的IV级、V级围岩段的结论。黄锋[2]等基于物理模型试验方法，模拟了衬砌背后多空洞、单空洞及无空洞三种不同工况，对比分析得出上覆荷载作用下衬砌轴力以及围岩压力的变化规律。刘华荣[3]等采用数值模拟的方法，对具有拱顶空洞的隧道和初支结构进行内力分析，总结出拱顶空洞对隧道围岩及初支结构的影响。

在隧道施工过程中，经常会遇到隧道衬砌出现空洞，其不仅会导致隧道施工无法进行，还会给施工人员带来极大的安全隐患，同时增加了施工进度、经济成本、社会不利影响及后期运营的风险。对衬砌背后空洞进行恰当的处置，不仅会减小隧洞后期的运营风险，还能保证施工人员的安全。泡沫混凝土是一种轻质多孔混凝土。其主要胶凝材料为水泥，在水泥中加入骨料、水和外加剂，并引入气泡，搅拌后浇筑、养护成型[4,5,6]。由于泡沫混凝土具有较小的重度、高流动性、良好的性能及较强的工程耐久性等特点，其常用于道路桥台背路基回填[7,8],可使桥台与路基结合部附近沉降曲线的梯度变化更加缓慢，降低填土荷载，减小地基附加应力，使路基与桥台间的过度段材料性能不至于突变。在铺设管道后，使用泡沫混凝土充填，解决了路面施工后沉降的问题，也对管道起到了保温作用[9,10]。而现在采用泡沫混凝土在隧洞背后空洞充填领域的研究较少。因此，本文采用泡沫混凝土对衬砌背后空洞进行充填，探究细骨料对于泡沫混凝土力学性能的影响，且对泡沫混凝土回填施工工艺做出了介绍，并对普通混凝土与泡沫混凝土充填空洞的沉降量进行对比，得出不同细骨料掺量的泡沫混凝土对隧道空洞充填效果的影响规律。

以新疆EH工程SSIV标线路水利隧洞为例，全长37.355 km, 主要包括36.855 km的主洞(由18.970 km盾构段和17.885 km人工、机械开挖段及钻爆段构成)和0.5 km隧洞出口埋涵段。其中5#支洞及主洞其围岩岩性为上侏罗纪细砂岩、粉砂岩，局部夹泥岩，属极软岩，岩石存在微裂隙发育，均为V类围岩。地下水均为碎屑岩类孔隙裂隙水，属于层间承压水。支洞为缓斜井，长度635 m。施工过程中拱顶出现小面积掉块现象，对拱顶进行喷混并将拱架立起后，拱部出现大面积塌方，发现衬砌背后存在空洞。

在施工过程中，地质条件在不断发生改变，对掌子面进行爆破后大部分围岩暴露在外且暴露时间过长，局部产生岩体掉落与剥落现象。暴露部分的岩体呈碎裂与松散结构，其节理裂隙发育且大多数为张开节理，围岩的完整性与稳定性很差，岩体表面有渗水散流出现，极易出现扰动。由于岩体性质与结构较为脆弱，导致塌方现象发生，衬砌背后出现空洞，从而形成隧洞病害。

配合试验通过掺入对不同泡沫掺量、水胶比、细砂掺量方式等因素对泡沫混凝土的影响，最后根据抗压强度与经济因素综合分析，选取了较优的配合比方案。

表1 泡沫混凝土试验配合比及强度 导出到EXCEL

掺入细砂对于泡沫混凝土有减少收缩、增加强度的作用，在泡沫混凝土中掺加少量的细砂，试验结果如图1所示。

图1 泡沫混凝土28 d抗压强度 下载原图

未掺细砂的情况下，当水胶比从0.5增至0.65时，泡沫混凝土的28 d抗压强度随着水胶比的增大而增大，呈正相关关系。当水胶比从0.5增至0.55、0.6和0.65时，其抗压强度分别增长9.1%、12.5%和70.4%,在水胶比从0.5增至0.6的过程中，其强度增幅并不显著，但水胶比增至0.65时，其抗压强度有明显的提高，强度增长达到70.4%;掺入细砂后，其抗压强度增长趋势与未掺细砂时相似，呈正相关趋势。当水胶比从0.5增至0.55、0.6和0.65时，其抗压强度分别增长8%、14.8%和132.3%,当水胶比从0.6增至0.65时，其抗压强度增幅高达132.3%。

在水胶比不变的情况下，掺入2.5 kg细砂后，泡沫混凝土抗压强度随之增加。当水胶比分别为0.5、0.55、0.6和0.65时，掺入细砂的混凝土抗压强度比未掺入细砂的分别增长13.6%、12.5%、14.8%、54.3%,在水胶比为0.65时，掺入细砂后混凝土抗压强度提升最为显著，增长了54.3%;泡沫混凝土中细砂掺量过高可能会导致泡沫混凝土的强度降低，以水胶比0.65为例，细砂掺量为2.5 kg时，其抗压强度为7.2 MPa, 细砂掺量为5 kg时，其抗压强度为7.0 MPa, 强度相比细砂掺量2.5 kg时降低了0.2 MPa。根据上述分析，最终选择编号为8的配合比方案。

(1)启动发泡机，将水泥用传送带运输到搅拌机内开始搅拌，制作泡沫混凝土。

(2)启动泡沫输送系统和高压泵输送系统，根据雷达扫描确定空洞的面积，将混合均匀的混凝土复合材料输送到雷达确定空洞位置进行注浆，灌注压力不大于0.3 MPa。注入孔位纵向间距为5 m, 环向间距为1.5 m。

(3)标记钻孔位置进行钻眼，钻透初支后，注浆管进入背后空洞长度距空洞顶部围岩3～5 cm。结合钻孔情况核查空洞位置。注浆时临近的上方注浆孔可作为排气孔和检查孔。

(4)施工按由下向上、由少水处向多水处、先两端后中间顺序施工；在地下水富集、有水压的段落，先设置泄水孔排水，再进行灌注。

(5)注浆施工时，注浆泵的技术性能应与混凝土(浆液)的类型、浓度相适应。当环向高处注浆孔孔有浆液流出时，可停止注浆，当初次注浆强度达到设计强度的90%后，再进行第2层注浆，以此类推，直至空洞全部封满。

(6)当注入混凝土量明显减少，压力表读数增加较快时，要立即停止注浆，对注浆孔进行封闭，并及时将注浆闸阀进行清洗。

为比较普通混凝土注浆与泡沫混凝土注浆对初支结构的影响，根据雷达扫描确定两处空洞面积大小相似处进行监控两侧数据分析。对5#支洞桩号K0 352处采用普通混凝土注浆，K0 390处采用泡沫混凝土注浆，并对两处沉降数据进行分析。对比可知，泡沫混凝土填充的累计沉降值相比于普通混凝土填充的累计沉降值更低，如图2所示。

图2 不同混凝土充填累计沉降值 下载原图

(1)随着水胶比的增大，未掺入细砂以及掺入细砂后其泡沫混凝土的抗压强度变化均表现为增长趋势，呈正相关关系，其最大增幅均体现在水胶比从0.6增至0.65时，其增幅分别达到70.4%以及132.4%,增长最为显著。最终选择水胶比为0.65、细砂掺量为2.5 kg的方案。

(2)在水胶比不变的情况下，泡沫混凝土掺入细砂后的抗压强度比未掺入细砂的抗压强度高，其中水胶比为0.65时其增幅最大，达到54.3%。

(3)根据其监控量测数据，与普通混凝土注浆相比，使用泡沫混凝土注浆的位置其累计沉降值更低，优势更加明显。试验表明泡沫混凝土能够有效降低垂直荷载，保证初支整体结构的稳定，使填充材料与围岩、喷射混凝土密贴共同受力，而且可以填塞由于混凝土不密实或开裂形成的缝隙。

[1] 张素磊，齐晓强，刘昌，等.公路隧道衬砌背后空洞分布特征及其对衬砌结构的影响[J].建筑科学与工程学报，2020,37(2):62-70.

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[3] 刘华荣，钟祖良.拱顶空洞对隧道围岩及初期支护结构稳定性影响[J].地下空间与工程学报，2014,10(3):619-623 640.

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[5] 聂金龙，李广，刘兴峰.泡沫轻质混凝土在桥台背填筑施工的应用[J].建筑技术开发，2019,46(8):54-56.

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[9] 蒋晓曙，李莽.泡沫混凝土的制备工艺及研究进展[J].混凝土，2012(1):142-144.

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