高壓旋噴樁在大跨徑隧道明洞基底處理中的應用

蒲研

（蘭州市城市建設設計院，甘肅蘭州 730030）

0 引言

處理軟土地基的幾種常用方法有：換填法、強夯法、擠密法、排水固結法、高壓噴射注漿法、深層攪拌法。其中高壓旋噴樁是利用鉆機將噴射注漿管置于加固處理深度，在鉆桿旋轉上升時，將預先配置好的漿液，用一定壓力從噴嘴中噴出，沖切土體，把土和漿液強制拌和，凝聚固結后，形成具有一定強度的混合樁體，并通過設置褥墊層使樁和樁間土共同作用，形成具有一定強度的人工復合地基，從而提高地基承載力和減小沉降。

1 工程概況

九州隧道工程為蘭州市北環(huán)路工程中的重要節(jié)點工程，為上、下行分離式雙向6車道隧道，隧道開挖寬度達16.4 m。隧道明洞段原設計基底為砂巖，經現(xiàn)場開挖揭示，部分明洞段基底以下為軟弱地基，需進行地基處理后方可進行隧道的明洞施工。針對基底地基土的土質特點，經CFG樁、深層攪拌樁和高壓旋噴樁多樁現(xiàn)場試樁比選后，最終決定采用高壓旋噴樁對本段軟弱地基進行加固。

2 工程地質條件

補充勘察資料揭示，隧道右線YK2+920 m～YK2+940.8m明洞段和左線ZK2+833m～ZK2+916.2m明洞段原為山溝，后經回填而成。在勘探范圍內，地層自上而下為雜填土層、粉土層、砂礫巖層，各層巖土特征描述如表1。

表1 基底地層巖土特征表

3 高壓旋噴樁復合地基設計

3.1 總體設計

九州隧道明洞基底以下雜填土層和粉土層的承載力不能滿足設計的要求，本次設計要求將基礎以下雜填土層和粉土層采用人工地基處理方法，并要求處理后的復合地基承載力特征值fspk≥300 kPa，壓縮模量Es≥18 MPa。樁頂設置25 cm厚褥墊層，材料采用碎石，粒徑分布8～20 mm為宜，最大粒徑不大于20 mm，褥墊層鋪設宜采用靜力壓實法，夯實度不得大于0.9。

3.2 計算參數(shù)

（1）地層參數(shù)

樁頂以上設置25 cm厚級配碎石褥墊層，各地層參數(shù)按表1中鉆探參數(shù)選取。

（2）復合地基承載力

高壓旋噴樁設計復合地基承載力特征值按300 kPa控制。

（3）樁徑確定

根據(jù)所采用的XL-50型履帶式旋噴鉆機等主要設備以及本地區(qū)類似工程的施工經驗，本次設計旋噴樁樁徑（d）確定為60 cm。

3.3 單樁豎向承載力特征值計算

初步設計時計算采用《建筑地基處理技術規(guī)范》(JGJ 79-2012)中式（9.2.6），進行單樁豎向承載力特征值Ra估算，計算參數(shù)采用經驗值及地勘鉆探。

式中：Ra為單樁豎向承載力特征值，kN；up為樁的周長，m；n為樁長范圍內所劃分的土層數(shù)；li為樁穿越第i層土厚度，m；qsi為樁周第i層土（巖）的側阻力特征值，kPa；qp為樁端端阻力特征值，kPa；αp為樁端端阻力發(fā)揮系數(shù)，取0.6；Ap為單樁截面積，m2。

樁周長：

單樁截面積：

根據(jù)各土層地勘資料數(shù)據(jù)以及樁身長度，分段選取各計算參數(shù)，先計算YK2+920 m～YK2+940.8 m段如下：

第一層雜填土層厚7 m，qs1=18 kPa；

第二層粉土層厚6.5 m，qs2=20 kPa；

第三層砂礫巖層厚 0.5m，qs2=100 kPa，qp=400 kPa。

則有，單樁豎向承載力特征值：

同時，樁體試塊抗壓強度平均值應滿足下式要求：

本次設計要求混合料試塊標準養(yǎng)護28 d抗壓強度平均值不小7.0 MPa。

3.4 復合地基樁間距、面積置換率計算

高壓旋噴樁復合地基的承載力特征值應通過現(xiàn)場單樁或多樁復合地基載荷試驗確定，設計中按照以下公式計算：

式中：fsp,k為復合地基承載力特征值（取設計值300 kPa）；λ為單樁承載力發(fā)揮系數(shù)（取1.0）；fs,k為樁間土承載力特征值（取100 kPa）；m為復合地基中樁體面積置換率；Rp為單樁豎向承載力特征值（取644.33 kPa）；Ap為單樁截面積；β為樁間土承載力折減系數(shù)（取0.3）。

復合地基置換率按下列公式計算：

擬采用等邊三角形布置，復合地基置換率由公式m=d2/de2計算（其中d為樁身平均直徑，m；de為一根樁分擔的處理地基面積的等效圓直徑，m）；采用等邊三角形布置時de=1.05 d0，d0為樁間距，則有：

取高壓旋噴樁樁間距為d0=1.5 m，按等邊三角形布樁。

綜上所述，根據(jù)不同樁長對隧道明洞段分段計算，計算成果見表2。

處理后的地基變形計算按照《建筑地基處理技術規(guī)范》（JGJ79-2012）進行計算，復合地基的壓縮模量等于原地基壓縮模量的ξ倍，則有：

根據(jù)本地區(qū)施工經驗，處理后的樁間土Es取7.0MPa，則復合地基壓縮模量Es=3.0×7.0=21MPa＞18 MPa，滿足設計要求。

4 高壓旋噴樁復合地基處理要求

4.1 成樁工藝

根據(jù)現(xiàn)場地質情況和工程需要，設計采用單管法成樁工藝。

4.2 材料要求

水泥：水泥采用強度等級為42.5級的硅酸鹽水泥或普通硅酸鹽水泥，其性能必須符合《硅酸鹽水泥、普通硅酸鹽水泥》（GB175-1999）的規(guī)定。使用前報監(jiān)理工程師批準。

水：宜采用飲用水。

水泥漿的水灰比為0.8～1.2，應提前做水泥土配合比試驗，確定水泥土的配合比。要求混合料試塊標準養(yǎng)護28 d抗壓強度平均值不小7.0 MPa。

4.3 成樁試驗

施工前應根據(jù)本段軟弱地基層厚變化情況分段進行成樁工藝性試驗，確定合理的施工工藝參數(shù)。

表2 不同樁長高壓旋噴樁設計參數(shù)

（1）試樁

選取有代表性路段進行不同樁長的成樁試驗，通過高壓旋噴樁成樁試驗復核地質情況，確定水泥漿水灰比、氣流壓力、提升速度和水泥摻量等各項參數(shù)和施工工藝。

（2）試驗檢測

待試樁成形28 d齡期后，進行樁體試件抗壓強度、樁體低應變動力試驗，以檢測成樁質量及樁身完整性；對不同樁長的試驗段進行單樁及單樁復合地基載荷試驗，以確定實際承載力，修正設計參數(shù)。

5 質量檢驗

5.1 高壓旋噴樁質量檢驗

旋噴樁可根據(jù)工程要求和當?shù)亟涷灢捎瞄_挖檢查、鉆孔取芯、標準貫入試驗、動力觸探和靜載荷試驗等方法進行檢驗。

5.2 檢驗要求

（1）必須由專門的檢測單位進行質量檢測。

（2）成樁7 d后，采用淺部開挖樁頭（灰面下0.5 m），目測檢查樁身的均勻性，測量成樁直徑。

（3）鉆孔位置的允許偏差應為±50 mm，垂直度允許偏差應為±1%，樁體有效直徑不得小于設計值，樁身中心允許偏差≤0.2D。檢驗數(shù)量按成樁總數(shù)的5%抽樣檢驗，且每檢驗批不少于5根。

（4）抽芯檢驗

抽芯檢驗主要用于評價樁身質量，如樁身完整性、無側限抗壓強度、含灰量、堅硬程度、攪拌均勻性等。樁完工28 d后，在每根檢測樁樁徑方向1/4處、樁長范圍內垂直鉆孔取芯，取上、中、下不同深度的3個試樣作無側限抗壓強度試驗。抽芯檢驗的數(shù)量為總樁數(shù)的1%，且每個施工作業(yè)點不少于6根。一般應按比例隨機抽取，且分布基本均勻。

（5）單樁靜載荷試驗

用于單樁靜載荷試驗樁的數(shù)量不低于總樁數(shù)的1%，且每個施工作業(yè)點不少于3根。一般應按比例隨機抽取，且分布基本均勻，試驗得到的單樁承載力不得低于設計要求。

（6）復合地基靜載荷試驗

用于復合地基靜載荷試驗樁的數(shù)量不低于總樁數(shù)的1%，且每個施工作業(yè)點不少于3根。一般應按比例隨機抽取，且分布基本均勻，試驗得到的復合地基承載力不得低于設計要求。

（7）單樁靜載荷試驗和復合地基靜載荷試驗按《建筑地基處理技術規(guī)范》（JGJ79-2012）附錄A“復合地基載荷試驗要點”及《公路橋涵地基與基礎設計規(guī)范》（JTG D63-2007）附錄D“淺層平板載荷試驗要點”進行。

通過現(xiàn)場載荷試驗的數(shù)據(jù)分析，該工程高壓旋噴樁單樁承載力特征值、復合地基承載力特征值和復合地基壓縮模量均大于設計值，滿足設計地基承載力和變形要求。

6 結論

從設計計算及復合地基檢測結果看，該工程所采用的高壓旋噴樁復合地基處理明洞基底雜填土層和粉土層時，漿液與土體可形成強度較高的混合樁體，使復合地基承載力得到大幅度的提高，地基變形得以控制，從而滿足隧道明洞地基承載力和變形的要求。