客專隧道病害處理基底加固施工技術(shù)與管理

譚 兵

(中鐵二局工程有限公司， 四川成都 610300)

客專隧道病害處理基底加固施工技術(shù)與管理

譚 兵

(中鐵二局工程有限公司， 四川成都 610300)

蘭新鐵路張家莊隧道因受山體地質(zhì)災(zāi)害影響，隧道DK120+360-DK120+960段部分二襯結(jié)構(gòu)受損，無砟軌道發(fā)生位移，需進(jìn)行搶險(xiǎn)加固。根據(jù)張家莊隧道搶險(xiǎn)工程總體處治方案，洞內(nèi)基底施作φ310 mm鋼筋混凝土鉆孔樁加固。受洞內(nèi)場地限制、與洞內(nèi)二襯拆換作業(yè)交叉施工影響，物流組織困難，工期緊。文章提出一套較完整的仰供基礎(chǔ)加固施工工藝和搶險(xiǎn)施工組織設(shè)計(jì)對以后類似工程有借鑒意義。

運(yùn)營高鐵隧道； 地質(zhì)災(zāi)害； 基底加固； 施工技術(shù)

1 工程概況

1.1 工程簡介

蘭新客專張家莊隧道位于青海省樂都縣境內(nèi)，洞身穿越一低中山山體和虎狼溝、雙塔溝高階地段，地形起伏大，地面高程為1 993～2 279 m。隧道起訖里程為DK118+595～DK122+364，全長3 769 m，為雙線隧道，洞內(nèi)縱坡為4.0 ‰的單面上坡。隧道最大埋深約為300 m，通過淺埋溝處理深約50 m。2016年1月18日，因受山體地質(zhì)災(zāi)害影響，隧道DK120+360-DK120+960段部分二襯結(jié)構(gòu)受損，無砟軌道發(fā)生位移，動車停運(yùn)，需進(jìn)行搶險(xiǎn)加固。

隧道搶險(xiǎn)工程總體處治方案，DK120+344～DK121+015段671 m仰拱施作φ310 mm深度8～22 m鋼筋混凝土鉆孔樁加固，需與洞內(nèi)二襯拆換、增設(shè)套拱等作業(yè)交叉施工，場地狹窄施工干擾大，物流組織困難，工期緊。

1.2 地質(zhì)情況

經(jīng)地質(zhì)鉆孔揭示，DK120+344～DK120+500段仰拱基底上部為灰黃色粉砂質(zhì)泥巖，下部為棕紅色泥巖。粉砂質(zhì)泥巖，天然含水率22.6 %～24.9 %，巖質(zhì)軟，Ⅲ級硬土，σ=250 kPa。棕紅色泥巖，Ⅳ級軟石，σ=400 kPa，具膨脹性。

DK120+500～DK121+015段仰拱基底為棕紅色泥巖。Ⅳ級軟石，σ=400 kPa，具膨脹性。

2 研究內(nèi)容、目的和意義

2.1 課題主要研究內(nèi)容

2.1.1 快速施工的施工組織設(shè)計(jì)

仰供基礎(chǔ)加固樁數(shù)量多，樁長較長，考慮隧道交叉施工的特點(diǎn)和隧道凈空尺寸，同時(shí)考慮黃土地層對鉆機(jī)鉆進(jìn)性能的影響，對鉆機(jī)機(jī)身大小、鉆孔深度和效率進(jìn)行綜合分析，根據(jù)工期配置型號合理、數(shù)量合適的鉆機(jī)設(shè)備，同時(shí)根據(jù)鉆機(jī)設(shè)備參數(shù)配置相應(yīng)的出砟、鋼筋籠加工及安裝、混凝土灌注等施工資源。

2.1.2 鉆孔樁快速施工技術(shù)

2.1.2.1 混凝土、鋼筋及工字鋼鉆進(jìn)技術(shù)

仰供及填充混凝土厚度約2 m，仰供內(nèi)有雙層鋼筋，初支內(nèi)有加密的工字鋼，潛孔沖擊鉆對這些剛度較大的結(jié)構(gòu)鉆進(jìn)十分困難。采用巖心套管取芯進(jìn)度又較慢，對鉆機(jī)沖擊器和鉆頭進(jìn)行技術(shù)改革，對動力空壓機(jī)的空氣壓力進(jìn)行計(jì)算，確保對混凝土、鋼筋、工字鋼的鉆進(jìn)能力。

2.1.2.2 黃土地層成孔技術(shù)

黃土地區(qū)地質(zhì)酥松，鉆孔時(shí)容易塌孔，采取的方法宜用干鉆法，鉆孔深度、坍孔程度與鉆機(jī)空氣動力密切相關(guān)并呈矛盾關(guān)系，壓力計(jì)算與控制對鉆孔速度與成孔質(zhì)量極為關(guān)鍵。

2.1.2.3 地下水對成孔的影響

在特殊段落，黃土層含水量豐富，鉆孔不能成孔，先采取深孔注漿預(yù)加固，潛孔鉆改螺旋動力鉆，增加泥漿護(hù)壁等措施，提高成孔率。

2.1.3 小孔徑樁混凝土灌注技術(shù)

樁深度較深，灌注樁采用水下混凝土灌注工藝，由于樁徑31cm，導(dǎo)管直徑、導(dǎo)管連接的加工工藝復(fù)雜，混凝土的粗骨料粒徑和和易性要求嚴(yán)格，現(xiàn)場灌注的質(zhì)量是確保成樁完整性的關(guān)鍵。

2.1.4 狹小空間內(nèi)空氣質(zhì)量保證技術(shù)

長大隧道洞內(nèi)通風(fēng)效果差，鉆機(jī)、空壓機(jī)為內(nèi)燃機(jī)，加之洞內(nèi)的挖掘機(jī)、裝載機(jī)和發(fā)電機(jī)等設(shè)備，平均每天柴油消耗6 t以上，洞內(nèi)燃燒不充分，空氣污染嚴(yán)重。惡劣的施工環(huán)境對洞內(nèi)300名施工人員的身心健康影響極大，對機(jī)械設(shè)備造成較高故障，對行車和施工安全造成影響?？諝赓|(zhì)量的改善關(guān)系到搶險(xiǎn)工程的進(jìn)度與安全，采取技術(shù)革新對設(shè)備尾氣進(jìn)行凈化，加強(qiáng)人員防護(hù)加強(qiáng)后勤保障，切實(shí)確保健康作業(yè)環(huán)境。

2.1.5 多工種交叉作業(yè)環(huán)境下暢通物流措施

洞內(nèi)交叉施工，都在為搶工期而爭先恐后，物流矛盾和施工作業(yè)面沖突十分突出，影響施工順利進(jìn)行。施工計(jì)劃、行車要點(diǎn)、洞內(nèi)指揮等成為物流暢通管理的重點(diǎn)。

2.2 研究的目的和意義

隧底基礎(chǔ)的穩(wěn)定性對隧道結(jié)構(gòu)安全與運(yùn)營安全至關(guān)重要，位移變化是一個(gè)極其復(fù)雜的物理、力學(xué)過程，它與隧道圍巖性質(zhì)、應(yīng)力狀態(tài)及地質(zhì)結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。長期以來，對隧道底板穩(wěn)定性問題的研究相對隧道工程的其他方面比較薄弱，致使對隧底降起的一些原因至今認(rèn)識不清，采取措施時(shí)存在著較大的盲目性。如何針對病因，采取“對癥下藥”的預(yù)防和控制技術(shù)措施，以便在隧道的規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)營各環(huán)節(jié)得到及時(shí)貫徹和落實(shí)，采取何種有效措施目前仍是一項(xiàng)亟待解決的課題。

在多數(shù)情況下，仰供基礎(chǔ)位移是通過軌道位移監(jiān)測出來，在運(yùn)營中才發(fā)現(xiàn)問題，導(dǎo)致仰供基礎(chǔ)處治設(shè)計(jì)方案受要點(diǎn)施工、洞內(nèi)無砟軌道及接觸網(wǎng)線的限制，方案執(zhí)行難、整治質(zhì)量和進(jìn)度無法保障。形成一套較完整的仰供基礎(chǔ)加固施工工藝和搶險(xiǎn)施工組織設(shè)計(jì)對以后類似工程有借鑒意義。

3 搶險(xiǎn)工程基底加固樁的特點(diǎn)

3.1 工期緊任務(wù)重

為了確保2016年5月1日開通，2016年2月22日至2016年3月20日，全部完成張家莊隧道仰供φ310 mm加固樁1 192根，計(jì)12 240 m，以及仰供基底注漿工作。

3.2 仰拱鉆孔困難

基底加固段仰拱設(shè)有工字鋼及鋼筋，潛孔鉆鉆頭碰到工字鋼或鋼筋不能穿過并且造成鉆頭損壞或卡鉆。

3.3 大功率內(nèi)燃設(shè)備使用造成洞內(nèi)空氣質(zhì)量差

潛孔鉆機(jī)需要2.5 MPa壓力以上的高壓空壓機(jī)，柴油消耗量大，洞內(nèi)作業(yè)臺車多空氣流動性差，導(dǎo)致油料燃燒不充分，空氣質(zhì)量差，洞內(nèi)溫度高。

3.4 多單位交叉施工組織困難

洞內(nèi)中鐵隧道局、中鐵一局、中鐵二局、中交一航局等單位均在同一場面施工，需要和其他單位形成流水線施工，施工排序和交叉干擾大。

3.5 鉆孔樁灌注困難

為了確保樁身完整，采用水下混凝土灌注工藝，鉆孔樁孔徑φ310 mm,直徑較小，混凝土上翻極為困難。

4 仰拱基底加固技術(shù)研究

4.1 提前做好技術(shù)研究和準(zhǔn)備

(1)與設(shè)計(jì)院聯(lián)系，了解設(shè)計(jì)初步方案和工程量，便于做好機(jī)械設(shè)備和專業(yè)人員配置計(jì)劃。

(2)掌握洞內(nèi)仰拱基底地質(zhì)鉆勘情況，弄清地質(zhì)鉆孔穩(wěn)定性和地下水位情況，為鉆孔成孔難易程度和效率做好考慮。

根據(jù)現(xiàn)場情況和上莊隧道施工工藝，制定了混凝土采用地質(zhì)鉆機(jī)取芯混凝土層，下方土層采用大型潛孔鉆機(jī)沖擊成孔。

4.2 科學(xué)配足機(jī)械設(shè)備

由于樁徑310 mm，水井鉆機(jī)和錨桿鉆機(jī)一般施工φ220 mm孔，橋梁鉆機(jī)因隧道凈空高度受限不能使用。

經(jīng)聯(lián)系共組織了5臺鉆機(jī)、7臺取芯機(jī)進(jìn)入施工現(xiàn)場。

根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)，1個(gè)深6 m孔1 h完成，深20 m孔4 h完成，平均1臺機(jī)1天完成10個(gè)孔，5臺機(jī)1天完成50個(gè)孔，按計(jì)劃能夠完成。

4.3 鉆孔方案研究及調(diào)整

為了減小對松動圍巖和襯砌結(jié)構(gòu)的震動影響，仰拱混凝土采用地質(zhì)巖芯鉆機(jī)鉆取，鉆孔時(shí)采用水鉆，需用水車送水。在碰到仰拱鋼筋、工字鋼等情況下，可以通過高速旋轉(zhuǎn)直接將其截?cái)?。取芯完成后對仰拱下方土層采用高壓潛孔鉆機(jī)沖擊土層成孔。1臺取芯鉆機(jī)5 h取一個(gè)孔，與1臺潛孔鉆機(jī)1 h能完成1個(gè)深6 m孔，取芯進(jìn)度明顯偏慢。同時(shí)取芯鉆機(jī)采用水鉆需設(shè)置泥漿池，占地面積大，經(jīng)研究決定每2排樁只鉆1個(gè)芯，僅用于試探仰拱下方工字鋼存在位置，其它孔直接用潛孔鉆沖擊鉆土。對于鉆混凝土層灰塵極大的問題，采用噴水降塵的措施。

4.4 施工位置設(shè)計(jì)

隧道施工長度670 m，隧道局洞內(nèi)有6臺襯砌臺車和6臺鋼筋臺架，加之隧道局還有換拱作業(yè)，洞內(nèi)全是交叉作業(yè)，由于移動一次鉆機(jī)和空壓機(jī)至少2 h，需同時(shí)能結(jié)合隧道套襯施工進(jìn)度與方向，合理布置鉆機(jī)位置，最大限度減少移機(jī)次數(shù)。同時(shí)對于DK120+415～+485段分布216根16～22 m長樁，集中4臺鉆機(jī)施工。

4.5 質(zhì)量把關(guān)的主要措施

搶險(xiǎn)加固工程的施工質(zhì)量對于后期結(jié)構(gòu)的安全十分重要，同時(shí)也是體現(xiàn)搶險(xiǎn)單位是否具備高度的社會責(zé)任感息息相關(guān)，保證施工質(zhì)量義不容辭。

(1)原材料合格；

(2)鋼筋加工規(guī)范，鋼筋搭接長度滿足要求，焊接規(guī)范；

(3)鉆孔孔底殘留沉渣厚度滿足要求，絕不允許以增加樁長代替沉渣厚度；

(4)成孔后1 h內(nèi)下鋼筋籠和灌注混凝土，防止塌孔；

(5)灌注工藝采用水下混凝土灌注方式，孔口4 m混凝土加強(qiáng)搗固。

4.6 物流暢通的措施

(1)與隧道局溝通，將原來進(jìn)洞的單車道(在線間距上)變成了雙車道(在左右幅軌道板中間分別占用)行駛，減少行車干擾，加快洞內(nèi)物資設(shè)備運(yùn)輸。

(2)資源共享。對于隧道內(nèi)施工大電、施工用水實(shí)行共享模式。

(3)進(jìn)入洞內(nèi)車輛實(shí)行統(tǒng)一調(diào)度命令，按先急后緩的原則，也按出多少進(jìn)多少的原則，防止洞內(nèi)交通堵塞。

(4)隧道局臺車拆除期間實(shí)行0:00～8:00斷道施工，我部樁基施工所需的鋼筋籠、混凝土提前就位。

4.7 仰拱加固樁施工關(guān)鍵技術(shù)研究

4.7.1 高動力設(shè)備穿透工字鋼

φ310 mm鉆孔直徑較大，需要大型空壓機(jī)(27 m3/min、2.4 MPa壓力以上)，這種設(shè)備使用率低，11臺高壓空壓機(jī)從北京、山東、西安等地租賃而來。為了解決穿透鋼筋和工字鋼，將鉆機(jī)鉆頭改合金鉆。

4.7.2 不良通風(fēng)條件下設(shè)備故障完好率保障

洞內(nèi)空間小，內(nèi)燃機(jī)械多(洞內(nèi)每天用柴油5t)，空氣質(zhì)量差，導(dǎo)致鉆機(jī)、空壓機(jī)故障頻率高，9臺鉆機(jī)有時(shí)只有2臺正常運(yùn)轉(zhuǎn)。采用了排污凈化、安裝通風(fēng)機(jī)、每天更換空氣濾芯、請專業(yè)修理人員駐現(xiàn)場修理、備用4套鉆機(jī)和空壓機(jī)隨時(shí)更換鉆機(jī)和空壓機(jī)等措施確保機(jī)械正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

4.7.3 鉆孔樁灌注工藝改進(jìn)

鉆孔樁孔徑較小，采用水下混凝土灌注混凝土工藝極為困難，導(dǎo)管直徑φ125 mm，導(dǎo)管每節(jié)長2 m，絲扣連接套筒處外徑150 mm，將鋼筋籠直徑由設(shè)計(jì)的φ17 cm加大為φ25 cm確保導(dǎo)管插入，同時(shí)對混凝土配合比進(jìn)行了優(yōu)化，φ16～φ25 mm粒徑碎石用量適當(dāng)減少，混凝土坍落度200～230 mm，孔口4 m高度混凝土采用φ50 mm搗固器振搗。

4.7.4 大陽山隧道砂質(zhì)黃土成樁困難土層預(yù)加固技術(shù)

大陽山隧道仰拱基底的粉細(xì)砂質(zhì)黃土穩(wěn)定性差，沖擊鉆孔采用高壓吹土，黃土受擾動坍塌嚴(yán)重；部分段落仰拱基底出水，根本不能成孔；根據(jù)設(shè)計(jì)要求樁底要進(jìn)入砂礫層，高壓風(fēng)在即將進(jìn)入砂層界面時(shí)因砂礫層空隙大而高壓風(fēng)泄露不能吹土出孔，樁底進(jìn)入砂層也十分不易。坍孔總量達(dá)到30 %?，F(xiàn)場采取了深孔預(yù)注漿(注快硬水泥、水泥-水玻璃雙液漿)、泥漿護(hù)壁水鉆法等措施對坍孔段進(jìn)行處理。注漿時(shí)引進(jìn)北京中鐵瑞威專業(yè)隊(duì)伍提高注漿質(zhì)量，經(jīng)過注漿預(yù)加固后，成孔率大大提高。

5 總結(jié)

5.1 小結(jié)

通過基底加固樁施工技術(shù)研究，解決了過程中存在的各類難題，按期完成施工任務(wù)，樁基施工質(zhì)量樁身完整，按25 %頻率抽檢全為Ⅰ類樁。

(1)XK-400等型號的地質(zhì)鉆機(jī)對仰拱的填充混凝土及鋼筋層取芯進(jìn)度偏慢，1天只能取2個(gè)孔，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于每天需成樁50根以上的搶險(xiǎn)工程施組計(jì)劃，對鉆孔鉆機(jī)及鉆頭改造和選用高壓空壓機(jī)通過潛孔鉆鉆進(jìn)混凝土層速度快。

(2)灌注導(dǎo)管設(shè)計(jì)成絲扣套筒，混凝土和易性性能優(yōu)化是灌注樁完整性重要保障措施。

(3)洞內(nèi)空氣質(zhì)量差、鉆混凝土層時(shí)震動大，鉆機(jī)的故障率極大，鉆機(jī)加固和維修工作極為重要。

(4)空壓機(jī)等設(shè)備尾氣采用凈化裝置，有一定作用，但效果不明顯。

5.2 存在不足

5.2.1 作業(yè)環(huán)境改善效果差

隧道較長，作業(yè)面位于隧道中部，洞內(nèi)隧道局6臺襯砌臺車作業(yè)，10臺空壓機(jī)和鉆機(jī)，柴油燃燒不充分，尾氣污染嚴(yán)重，受排風(fēng)補(bǔ)償?shù)挠绊?，洞?nèi)能見度度低特別是凌晨至早上9:00，洞內(nèi)空氣溫度高，對作業(yè)人員健康不利，同時(shí)設(shè)備故障率也高。

到后期，在隧道進(jìn)口增設(shè)2-110 kW軸流通風(fēng)機(jī)，空氣質(zhì)量有所改善。

5.2.2 鉆機(jī)鉆頭損壞率高成本大

由于取消了地質(zhì)鉆機(jī)鉆混凝土層，利用潛孔沖擊鉆機(jī)鉆混凝土，時(shí)常碰到工字鋼，對鉆頭的磨損大，加大了施工成本。

5.3 類似工程建議

(1)鉆孔樁不是太適用于砂質(zhì)黃土、砂礫層地質(zhì)，由于高壓空氣對土層擾動厲害，鉆孔時(shí)塌孔嚴(yán)重，出現(xiàn)廢孔較多導(dǎo)致土層酥松影響基底穩(wěn)定性；即使能成孔，孔底虛渣厚度較大，樁的質(zhì)量得不到保障，建議采用鋼管沉樁。

(2)鉆孔所需高壓空氣來自內(nèi)燃空壓機(jī)，其缺點(diǎn)是功率大耗油量大，每天消耗柴油5 t以上，洞內(nèi)空氣流動不暢燃油燃燒不充分對施工環(huán)境污染大。可以將空壓機(jī)在洞外建站，通過高壓風(fēng)管送至洞內(nèi)，減少環(huán)境污染。

(3)導(dǎo)管灌注混凝土操作性低。導(dǎo)管直徑φ120 mm，接頭套管直徑φ160 mm，鋼筋籠直徑φ240 mm，孔直徑φ310 mm，因孔徑小導(dǎo)管上翻混凝土十分困難，工人安裝和拆除工作也十分繁瑣，采用高流動性混凝土十分必要。

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[定稿日期]2017-06-06

譚兵(1977～)，男，高級工程師，從事工程管理工作。

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《四川建筑》編輯部