旋噴樁加固軟土隧道地基力學(xué)特性分析

曹寧全

摘要：為分析旋噴樁對軟土隧道地基的加固效果，基于某軟土隧道工程，采用現(xiàn)場監(jiān)測手段對加固后隧底力學(xué)特征進(jìn)行分析。結(jié)果表明：樁頂應(yīng)力與樁間土壓力呈現(xiàn)出較明顯的兩階段變化，在前45天的應(yīng)力值增長較快，并且完成了近90%的增量，之后逐漸趨于穩(wěn)定；邊墻圍巖壓力在2個月左右逐漸趨于穩(wěn)定，整體處于25～100kPa之間；隧道基底附加應(yīng)力呈直線均勻穩(wěn)定增大，整個監(jiān)測過程中的數(shù)據(jù)波動比較小。加固后的軟土地基的受力特征得到了較明顯的改善，樁與土能夠良好的發(fā)揮其承載力。

關(guān)鍵詞：隧道工程；地基加固；現(xiàn)場監(jiān)測；旋噴樁

1引言

隨著我國基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的發(fā)展，修建的隧道工程越來越多，其中，軟土隧道工程也逐漸增多。然而，以往的施工經(jīng)驗(yàn)表明軟土隧道施工會遇到較多的問題：其中有些隧道地基土質(zhì)松散或含水量較大，導(dǎo)致隧道仰拱難以施作；同時，還有較多的隧道地基遇水產(chǎn)生不均勻沉降導(dǎo)致襯砌結(jié)構(gòu)開裂，嚴(yán)重威脅到隧道的安全；此外部分隧道隆起過大，仰拱曲率難以保證[1-4]。因此，在實(shí)際的施工過程中遇到上述軟弱地基時應(yīng)當(dāng)采取一定的加固方案避免隧道出現(xiàn)不可控制的不均勻沉降從而威脅隧道結(jié)構(gòu)的安全。

目前對于隧底加固研究從建筑地基加固吸取經(jīng)驗(yàn)已經(jīng)取得了較豐富的成果。其中，旋噴樁憑借其成本低、效率高、擾動小以及適用范圍廣而成為最主要的加固方式并逐漸得到了發(fā)展，在軟弱公路隧道中也開始逐漸得到應(yīng)用[5-7]。本文基于某軟土大斷面公路隧道工程，結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，對采用高壓旋噴樁加固后的隧底力學(xué)特征規(guī)律進(jìn)行分析，從而進(jìn)一步加深對于軟土隧道地基加固的理解。

2工程概況

依托隧道工程隧道圍巖級別為V級，隧道圍巖全段較軟弱。隧道單線長度在600m左右，最大埋深達(dá)到102m。為三車道大斷面隧道，掌子面的開挖寬度達(dá)到16m，深度達(dá)到10m。隧道內(nèi)富水情況較弱，隧道路面高程高于含水層，圍巖較干燥，局部深度為內(nèi)稍濕。

施工過程圍巖變形較大，基底隆起也較大，為了保證隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定與安全，需要對隧道基底采用一定的加固方案。結(jié)合隧道施工現(xiàn)場情況，最終確定采用旋噴樁對基底進(jìn)行加固，加固示意圖見圖1，設(shè)計(jì)參數(shù)：旋噴樁直徑為0.6m，樁基礎(chǔ)長度介于6m到7.2m之間，在隧道中心線處為6m，且向外逐漸增大；樁基礎(chǔ)采用梅花形布置，樁心距為1.2m。由于隧道全段圍巖較差，在隧道全段采用中隔壁法進(jìn)行施工，且當(dāng)開挖完上部導(dǎo)坑后進(jìn)行旋噴樁施工，從而減小下部開挖時的隧道基底的隆起變形。

3監(jiān)測方案

施工現(xiàn)場考慮到樁間距比較小，所以樁頂與樁間土壓力盒的埋設(shè)是每間隔一根樁埋設(shè)一個測點(diǎn)。監(jiān)測儀器的埋設(shè)具有一定的對稱性，在隧道底部采用7個監(jiān)測點(diǎn)對樁頂土壓力進(jìn)行監(jiān)測，而樁間土壓力的監(jiān)測儀器埋設(shè)與樁基礎(chǔ)旁邊，共計(jì)6個監(jiān)測點(diǎn)；

進(jìn)一步在左右側(cè)埋設(shè)土壓力盒對加固后的圍巖壓力進(jìn)行監(jiān)測，左右兩側(cè)分別在受力較大的拱腳與拱腰的過渡段布置3個監(jiān)測點(diǎn)；對于加固后的隧道地基的附加應(yīng)力，我們通過埋設(shè)土壓力盒進(jìn)行監(jiān)測，一共對稱設(shè)置9個監(jiān)測位置，每個監(jiān)測位置每土壓力盒埋設(shè)間隔深度為2m。施工現(xiàn)場埋設(shè)監(jiān)測儀器后，對各測點(diǎn)進(jìn)行了為期半年的監(jiān)測。監(jiān)測前期1個半月左右每天讀取一次數(shù)據(jù)，之后一個半月每隔3天讀取一次，最后3個月時間每周讀取一次。

4監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

4.1樁頂應(yīng)力與樁間土壓力變化規(guī)律

下圖2為樁頂應(yīng)力的6個月內(nèi)的監(jiān)測數(shù)據(jù)變化規(guī)律。隨著隧道的開挖，樁頂應(yīng)力存在一定的波動變化，但曲線整體呈現(xiàn)出逐漸增大的趨勢，主要可以分為兩個較明顯的階段：階段1主要是在隧道施工的45天內(nèi)，該時間段內(nèi)的樁頂應(yīng)力近似直線快速增大，接近90%的樁頂應(yīng)力在該階段已經(jīng)完成。階段2為45天以后，該階段表現(xiàn)為逐漸區(qū)域穩(wěn)定的趨勢。此外，位于拱腳處的監(jiān)測測點(diǎn)a1的樁頂應(yīng)力值達(dá)到最大的296kPa，而中心位置出的監(jiān)測點(diǎn)a4應(yīng)力值最小，僅僅只有85kPa，其余測點(diǎn)的樁頂應(yīng)力基本高于150kPa，平均樁頂應(yīng)力值在180kPa左右。說明采用旋噴樁加固后的樁基礎(chǔ)承擔(dān)了一定的荷載，且位于外側(cè)的樁基礎(chǔ)承載力發(fā)揮程度較大。

圖3為樁間土壓力監(jiān)測結(jié)果，隧道基底樁間土壓力變化規(guī)律與樁頂應(yīng)力近似，樁間土壓力隨著施工過程逐漸增大，且也呈現(xiàn)出較明顯的兩個變化階段。具體地，樁間壓力值基本介于75kPa到115kPa之間，平均應(yīng)力值在100kPa左右，個別監(jiān)測點(diǎn)數(shù)據(jù)較大，最大值達(dá)到172kPa，最小土壓力值為51kPa

此外，樁間土壓力的變化過程存在一定的波動性，但整體受力比較均勻，且能后逐漸達(dá)到穩(wěn)定，平均樁土應(yīng)力比為1.8，說明加固后的軟土地基的受力特征得到了較明顯的改善，樁與土能夠發(fā)揮其承載力。

4.2邊墻圍巖壓力受力分析

整理監(jiān)測數(shù)據(jù)得到圍巖的壓力變化曲線見圖4。圍巖壓力的變化規(guī)律與之前分析的樁頂應(yīng)力與樁間土壓力有類似的階段增長規(guī)律，但圍巖壓力穩(wěn)定的時間較樁土應(yīng)力穩(wěn)定的時間長，圍巖壓力在施工后2個月時間左右基本穩(wěn)定，個別監(jiān)測點(diǎn)達(dá)到3個月。圍巖壓力的受到施工的影響，整體波動較大。此外，右邊墻的為壓力相對比較均勻，在30kPa左右波動，左邊墻自下而上圍巖壓力分別為98.6kPa、41.6kPa與22.9kPa，個別點(diǎn)數(shù)值較大。加固后的圍巖壓力數(shù)值較小，圍巖比較穩(wěn)定，整體處于25～100kPa之間，且拱腳處的壓力值較大。

（a）左邊墻

4.3樁底附加應(yīng)力受力分析

由圖5可知，隧道基底附加應(yīng)力整體近似直線緩慢增大，整個監(jiān)測過程中的數(shù)據(jù)波動比較小，變化曲線比較均勻穩(wěn)定。整個監(jiān)測過程中，各個監(jiān)測點(diǎn)的基底附加應(yīng)力的增幅都比較小，且部分曲線在后期有逐漸趨于穩(wěn)定的趨勢，說明加固后的地基比較穩(wěn)定，加固效果比較好。此外，中間部位附加應(yīng)力隨深度變化更加的均勻，應(yīng)力差值為2.33kPa，左邊仰拱與邊墻結(jié)合部位最大，應(yīng)力差值達(dá)到了71.14kPa，且越靠近中間部位差值越小，應(yīng)力更均勻。隧道基底附加應(yīng)力值在隧道橫斷面整體分布比較均勻，應(yīng)力監(jiān)測結(jié)果基本上介于10kPa到30kPa之間波動，可見加固后的各深度的附加應(yīng)力值比較小且很均勻穩(wěn)定。

5結(jié)論

（1）樁頂應(yīng)力與樁間土壓力呈現(xiàn)出較明顯的兩階段變化：在前45天左右的應(yīng)力值增長很快，并且完成了近90%的增量，之后逐漸趨于穩(wěn)定。此外，樁頂應(yīng)力與樁間土土壓力隨著距離隧道中心線的距離的增大而增大，變化過程均勻穩(wěn)定，旋噴樁對濕陷性地基的加固效果明顯。

（2）根據(jù)監(jiān)測結(jié)果，加固后的樁土應(yīng)力比介于1-2之間。加固后的軟土地基的受力特征得到了較明顯的改善，樁與土能夠發(fā)揮其承載力。

（3）邊墻圍巖壓力隨時間逐漸增大，在2個月左右逐漸趨于穩(wěn)定，部分測點(diǎn)需3個月才能穩(wěn)定。加固后的圍巖壓力數(shù)值較小，圍巖比較穩(wěn)定，且拱腳處的圍巖壓力值較大。

（4）隧道基底附加應(yīng)力隨時間呈直線均勻穩(wěn)定增大，整個監(jiān)測過程中的數(shù)據(jù)波動比較小。此外，中間部位附加應(yīng)力隨深度變化更加的均勻，應(yīng)力差值僅為2.33kPa，且越靠近中間部位差值越小。另一方面，隧道基底附加應(yīng)力值在隧道橫斷面方向分布整體比較均勻，基本在0～30kPa之間變化，可見加固后的各深度的附加應(yīng)力值比較小且很均勻穩(wěn)定。

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