軟弱黃土隧道地基加固技術(shù)研究

陶云平

（中鐵十七局集團(tuán) 第五工程有限公司，山西 太原 030032）

0 引言

隨著國(guó)家公路網(wǎng)建設(shè)的不斷完善及中西部開發(fā)戰(zhàn)略的逐步實(shí)施，黃土地區(qū)交通建設(shè)迅猛發(fā)展，黃土公路隧道建設(shè)規(guī)模越來越大。當(dāng)隧道穿越軟弱黃土地層時(shí)，由于黃土顆粒組成以粉粒為主，同時(shí)含有砂粒和黏粒，其結(jié)構(gòu)疏松，孔隙較發(fā)育，受地下水影響程度較大，且部分黃土地層濕陷性極為明顯，因此在軟弱黃土隧道施工過程中極易產(chǎn)生基底失穩(wěn)、襯砌開裂、大變形、塌方等病害。目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)軟弱黃土隧道地基加固問題開展了一系列的研究。郭軍等人[1]結(jié)合鄭西客專隧道的工程實(shí)例，提出了水泥擠密樁的處理措施，并采用三維有限差分法對(duì)加固效果進(jìn)行評(píng)價(jià)。王洪坤[2]結(jié)合寶蘭客專王家岔隧道的工程實(shí)例，闡述了洞口和洞內(nèi)水泥土擠密樁施工方案，分析了其施工振動(dòng)對(duì)初支結(jié)構(gòu)和圍巖穩(wěn)定的危害，提出了有效的控制措施。張建林[3]對(duì)黃土隧道地基的高壓旋噴樁的加固處理方法概述與探討，并提出了高壓旋噴樁施工中應(yīng)注意的問題。

本文以丹東至拉薩國(guó)道主干線西寧過境公路西段大有山隧道為工程實(shí)例，結(jié)合其水文地質(zhì)、氣象、施工工藝等因素，總結(jié)分析其變形特征，在此基礎(chǔ)上研究其地基加固措施，并利用數(shù)值模擬手段對(duì)其加固效果進(jìn)行全面評(píng)價(jià)，以期為類似工程提供技術(shù)支持及實(shí)踐指導(dǎo)。

1 工程概況

大有山隧道為分離式雙向四車道隧道，其左洞長(zhǎng)度為2 560 m，右洞長(zhǎng)度為2 535 m，行車道凈寬為2×3.75 m，建筑界限為高5.5 m，寬10.75 m。隧址區(qū)位于祁、呂、賀“山”字型構(gòu)造體系的西翼弧形褶皺帶部位，該褶皺形態(tài)表現(xiàn)為復(fù)式向斜構(gòu)造，其地貌單元屬于黃土塬。隧道進(jìn)口端為河谷階地地貌，地形呈階梯狀，臺(tái)面平整；隧道出口端屬黃土塬地貌，坡面較陡，斜坡深切溝谷；尤其在K2+960—K3+180洞身段為深切“U”溝谷，地形寬緩，溝床有較厚素土碾壓夯實(shí)墊層。隧址區(qū)內(nèi)黃土性質(zhì)屬濕陷性黃土，土體呈低含水量、大孔隙、高壓縮性等特點(diǎn)，尤其在隧道進(jìn)洞口處，其土體為坡洪積的嚴(yán)重濕陷性黃土，呈褐黃色，其成分以亞黏土、亞砂土為主，其蟲孔、孔隙較為發(fā)育。

大有山隧道采用新奧法原理設(shè)計(jì)，采用鋼拱架與格柵鋼架相結(jié)合的柔性支護(hù)體系復(fù)合式襯砌。鋼拱架采用I20a型，其沿隧道軸向間距為65 cm，連接鋼筋采用φ8鋼筋，其環(huán)向間距為1 m。鋼筋網(wǎng)片采用φ8鋼筋，間距設(shè)置為20×20 cm（雙層）。系統(tǒng)錨桿采用中空注漿錨桿，其直徑為22 mm，長(zhǎng)度為3.5 m，間距設(shè)置為100 cm×65 cm。噴射混凝土采用C25型早強(qiáng)混凝土，厚度為24 cm；二次襯砌采用C25鋼筋混凝土，厚度為50 cm；在Ⅴ級(jí)圍巖中，應(yīng)設(shè)置仰拱，其厚度為50 cm。

2 軟弱黃土隧道圍巖變形特征

大有山隧道洞口段屬于淺埋，在其開挖10 d后，地表出現(xiàn)裂縫，并從拱腳開始以一定角度延伸至地表處，該裂縫主要分布在隧道軸線兩側(cè)位置，并隨著隧道掌子面的不斷向前開挖而向前延伸；而在隧道洞身段，開挖30 d后，地表處隧道軸線位置兩側(cè)各出現(xiàn)一縱向裂縫，且該裂縫隨掌子面的開挖而逐步向前延伸，并逐漸超前于掌子面，且該裂縫的寬度和深度逐漸增大。由于大有山隧道洞口處存在一定程度的偏壓地形，偏壓側(cè)隧道初期支護(hù)拱肩處產(chǎn)生了一條大致平行于隧道軸向的裂縫，在偏壓較嚴(yán)重的隧道段，其初期支護(hù)甚至出現(xiàn)錯(cuò)臺(tái)現(xiàn)象。同時(shí)，在隧道洞口淺埋偏壓段，其開挖后地表出現(xiàn)裂縫，其裂縫走向與隧道軸向基本平行，部分嚴(yán)重段甚至出現(xiàn)錯(cuò)臺(tái)現(xiàn)象，其高度達(dá)5 cm，寬度達(dá)10 cm，現(xiàn)場(chǎng)具體情況如圖1所示。

圖1 大有山隧道地表裂縫

由于軟弱黃土隧道洞口段通常存在破碎圍巖，其承載力較低，自穩(wěn)時(shí)間短，在掌子面開挖過程中土體極易被擾動(dòng)而產(chǎn)生下沉，因此該部位的隧道圍巖壓力為松散壓力，土體極易沿節(jié)理張開，無法形成承載拱，導(dǎo)致塌方、冒頂、大變形等病害的發(fā)生；同時(shí)，該處地表極易產(chǎn)生較大拉應(yīng)力，進(jìn)而產(chǎn)生地表縱向、環(huán)向裂縫。

3 軟弱黃土隧道地基加固措施

3.1 高壓旋噴樁加固機(jī)理

高壓旋噴樁是利用專業(yè)鉆機(jī)將注漿管打設(shè)入土體的設(shè)計(jì)深度，隨后利用高壓噴嘴將配合好的水泥漿液以一定壓力噴射到地基土體內(nèi)，隨著漿液的不斷沖擊，在原土體內(nèi)形成一定空間，并使得原土體置換成新的凝固體，進(jìn)而達(dá)到提高土體性能的目的[4]。在高壓旋噴樁施工過程中，可實(shí)現(xiàn)邊噴射、邊旋轉(zhuǎn)鉆桿，使得高壓水泥漿液直接沖擊土體，并與土體均勻拌合后形成強(qiáng)度較好的混合體，從而大幅提高軟弱黃土隧道地基的抗剪強(qiáng)度，從根本上改善土體性質(zhì)。

由于高壓旋噴樁對(duì)軟弱黃土的加固效果較好，且其具有設(shè)備簡(jiǎn)單、工期較短、操作方便等優(yōu)點(diǎn)，因此在大有山隧道地基處理中選用高壓旋噴樁法。

3.2 高壓旋噴樁施工工藝

根據(jù)本項(xiàng)目的實(shí)際情況，大有山隧道地基處理所采用的高壓旋噴樁樁徑為60 mm，長(zhǎng)度為7.5 m，其分布間距為1.2×1.2 m，呈梅花型布設(shè)，主要分布在隧道仰拱部位。同時(shí)，為增強(qiáng)隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性，應(yīng)在隧道拱腳部位增設(shè)鎖腳錨管，其管徑為75 mm，長(zhǎng)度為4.5 m，其施作角度應(yīng)與水平線成30°。

高壓旋噴樁注漿材料選用PO.42.5普通硅酸鹽水泥漿，其水灰比為質(zhì)量比W∶C=0.75∶1，其初凝時(shí)間不大于16 h，終凝時(shí)間不大于24 h，28 d齡期的抗壓強(qiáng)度應(yīng)不小于9 MPa。根據(jù)高壓旋噴樁的施工現(xiàn)場(chǎng)情況，其鉆桿提升速度為15 cm/min，注漿速度為90 L/min，具體情況如圖2所示。

圖2 高壓旋噴樁現(xiàn)場(chǎng)情況

4 軟弱黃土隧道地基加固效果分析

本文采用大型有限元軟件建立二維模型，對(duì)比分析未采用高壓旋噴樁（工況1）和采用高壓旋噴樁（工況2）兩種工況下初期支護(hù)結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能，從而全面評(píng)價(jià)高壓旋噴樁在軟弱黃土隧道地基加固中的處理效果。首先應(yīng)假設(shè)模型分析為平面應(yīng)變問題，隧道圍巖變形是各向同性的[5]。在邊界條件方面，水平方向隧道兩側(cè)各取兩倍的隧道凈寬，模型底部取至仰拱下30 m的范圍，模型上方取地表實(shí)際情況，其具體網(wǎng)格劃分情況如圖3所示。

圖3 模型網(wǎng)格劃分圖

在圖3隧道模型中，初期支護(hù)采用梁?jiǎn)卧˙eam3）模擬，二次襯砌及圍巖采用二維平面單元（Plane42）模擬。按照上述高壓旋噴樁加固軟弱黃土隧道地基的具體施工步驟，進(jìn)行全面的工序模擬，所得兩種工況下初期支護(hù)結(jié)構(gòu)的軸力及豎向位移情況如圖4、圖5所示。

圖4 初期支護(hù)結(jié)構(gòu)軸力圖

圖5 初期支護(hù)結(jié)構(gòu)豎向位移圖

從圖4中可以看出，未采取高壓旋噴樁處治措施的工況下，隧道初期支護(hù)結(jié)構(gòu)軸力較大值主要分布在兩側(cè)邊墻處，其最大值達(dá)1.1×104kN/m2，而仰拱處軸力值最小，其值僅為5.4×103kN/m2；而采用高壓旋噴樁對(duì)隧道地基進(jìn)行加固處理后，初期支護(hù)結(jié)構(gòu)軸力最大值主要分布在兩側(cè)邊墻處，其值為6.7×103kN/m2，相比未處治工況其降低幅度達(dá)39.1%，軸力最小值分布在仰拱部位，其值僅為0.7×103kN/m2，且軸力較小值分布范圍明顯較大。

從圖5中可以看出，未采取高壓旋噴樁處治措施的工況下，隧道初期支護(hù)結(jié)構(gòu)豎向位移較大值主要分布在拱頂及仰拱部位，其最大位移值達(dá)16.5 cm，豎向位移最小值主要分布在拱肩及邊墻處，其值為6.37 mm；采用高壓旋噴樁進(jìn)行加固后，拱頂最大位移值為2.74 cm，最小位移值僅為0.79 mm。由此可見，采用高壓旋噴樁加固措施使得隧道初期支護(hù)豎向位移得到有效控制。

5 結(jié)論

本文以丹東至拉薩國(guó)道主干線西寧過境公路西段大有山隧道作為工程案例，結(jié)合其水文地質(zhì)、氣象、地形地貌等情況，總結(jié)分析其變形特征，在此基礎(chǔ)上研究其地基加固措施，并利用數(shù)值模擬手段對(duì)其加固效果進(jìn)行全面評(píng)價(jià)，得出以下幾點(diǎn)結(jié)論：

a）由于軟弱黃土隧道圍巖承載力低，自穩(wěn)時(shí)間短，在掌子面開挖過程中土體極易被擾動(dòng)，隧道圍巖壓無法形成承載拱，導(dǎo)致塌方、冒頂、大變形等病害的發(fā)生，因此在施工過程中應(yīng)采取有效措施對(duì)其地基進(jìn)行加固。

b）在高壓旋噴樁施工過程中，可實(shí)現(xiàn)邊噴射、邊旋轉(zhuǎn)鉆桿，使得高壓水泥漿液直接沖擊土體，并與土體均勻拌合后形成強(qiáng)度較好的混合體，從而大幅提高軟弱黃土隧道地基的抗剪強(qiáng)度，且其具有設(shè)備簡(jiǎn)單、工期較短、操作方便等優(yōu)點(diǎn)。

c）利用數(shù)值模擬手段對(duì)比分析有無采用高壓旋噴樁加固隧道地基的情況后可知，采用高壓旋噴樁加固措施后，隧道初期支護(hù)結(jié)構(gòu)軸力值大幅減小，且仰拱處軸力值明顯減?。凰淼莱跗谥ёo(hù)豎向位移得到有效控制。參考文獻(xiàn)：

[1] 郭軍，王明年，李寧，等.大斷面黃土隧道地基處理的沉降計(jì)算分析與討論[J].鐵道建筑，2007（4）：81-83.

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[3] 張建林.黃土隧道地基的高壓旋噴法處理措施[J].公路交通科技（應(yīng)用技術(shù)版），2013（5）：233-236.

[4]賈金生，李華.旋噴樁在黃土隧道地基加固中的應(yīng)用[J].青海交通科技，2010（S）：102-103.

[5] 王夢(mèng)恕.地下工程淺埋暗挖技術(shù)通論[M].合肥：安徽教育出版社，2004.