濕陷性黃土鐵路隧道水泥土擠密樁基底加固施工技術(shù)

范森

摘要：通過水泥土擠密樁在濕陷性砂質(zhì)新黃土隧道隧底加固中的應(yīng)用，分析了濕陷性砂質(zhì)新黃土隧道的地質(zhì)特征，闡述了水泥土擠密樁的施工工藝和控制要點(diǎn)，總結(jié)了地基承載力檢測項(xiàng)目、方法，驗(yàn)證了地基處理效果，證明水泥土擠密樁對濕陷性砂質(zhì)新黃土隧道基底加固是一種可行、有效的方法，能夠消除砂質(zhì)新黃土濕陷性、提高密實(shí)度，提高黃土隧道地基承載力，滿足隧道結(jié)構(gòu)沉降的要求。為類似地質(zhì)的隧道施工提供借鑒。

Abstract： Through the application of cement-soil compaction pile in the reinforcement of the tunnel bottom of collapsible sandy loess， this paper analyzes the geological characteristics of collapsing sandy loess tunnel， expounds the construction technology and control points of the cement-soil compaction pile， summarizes test items and methods of foundation bearing capacity and verifies the effect of foundation treatment. It proves that the cement-soil compaction pile is a feasible and effective method to reinforce the foundation of collapsing sandy loess tunnel， which can eliminate the collapsibility of new sandy loess， improve the compactness， improve the bearing capacity of loess tunnel foundation， and meet the requirement of tunnel structure settlement， and it provides reference for similar geological tunnel construction.

關(guān)鍵詞：砂質(zhì)新黃土；濕陷性；水泥土擠密樁

Key words： new sandy loess；collapsibility；cement-soil compaction pile

中圖分類號：U457+.3 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-4311（2018）16-0116-03

0 引言

我國黃土分布廣泛，面積約64萬平方公里，其中濕陷性黃土約占75%，西北地區(qū)和黃河中游地區(qū)最為發(fā)育，主要在山西、陜西、甘肅等地區(qū)，黃土按照形成時(shí)代劃分包括早更新近世的午成黃土、中更新世的離石黃土、晚更新世的馬蘭黃土、全新世的新近堆積黃土、黃土狀黃土。Q3、Q4砂質(zhì)新黃土，土質(zhì)均勻或者較均勻、結(jié)構(gòu)疏松，具有大孔隙、滲透性強(qiáng)、具有垂直節(jié)理、具有強(qiáng)烈濕陷性等特征。隨著國家“一帶一路”理念的逐步實(shí)施，西部、西北地區(qū)基建規(guī)模不斷擴(kuò)大，其中鐵路建設(shè)規(guī)模也逐年增加，在濕陷性黃土地區(qū)建設(shè)鐵路隧道成為一項(xiàng)不可避免的工程，如何解決濕陷性黃土鐵路隧道基底承載不足成為擺在鐵路建設(shè)者面前的一道難題。

1 工程概況

蒙華鐵路陽城隧道位于陜西省靖邊縣境內(nèi)，起訖里程為DK242+044.57～DK249+157.82，全長7108.25m，隧道地區(qū)位于毛烏素沙漠和黃土高原過渡區(qū)，地形較為復(fù)雜，為典型的黃土高原侵蝕性梁峁溝谷地貌類型。隧址區(qū)廣泛分布第四系上更新統(tǒng)風(fēng)積砂質(zhì)新黃土，淺黃色，稍密～密實(shí)，稍濕，砂感較強(qiáng)，土粒成份以粉粒為主，垂直節(jié)理，大孔隙，濕陷性，濕陷系數(shù)δs=0.021～0.059，屬中等濕陷性黃士，Ⅳ（很嚴(yán)重）自重濕陷場地，濕陷深度0.00～23.80m。陽城隧道里程DK249+027～DK249+152段洞身位于濕陷性砂質(zhì)新黃土地層，地基承載力不滿足設(shè)計(jì)要求，需要進(jìn)行加固處理。

2 砂質(zhì)新黃土的特點(diǎn)及危害

Q3、Q4砂質(zhì)新黃土淺黃色～褐黃色、稍密～密實(shí)、稍濕、呈松散狀。具體特點(diǎn)如下：

①承載力低，蒙華鐵路陽城隧道DK249+027～DK249+152段濕陷性砂質(zhì)新黃土地層承載力σ0=130～150kPa，不滿足設(shè)計(jì)要求。初支鋼架拱腳易沉降，隧道仰拱及二襯易產(chǎn)生不均勻沉降及開裂。②多孔性、垂直節(jié)理發(fā)育、層理不明顯、透水性強(qiáng)、具有濕陷性。③干密度小、孔隙比大、壓縮性高、滲透性強(qiáng)、抗剪強(qiáng)度低。④自穩(wěn)能力差，開挖后隧道掌子面易坍塌、產(chǎn)生溜塌體、初期支護(hù)變形大。

基于這些特點(diǎn)，在這種地質(zhì)中修建鐵路隧道，地基承載力不能滿足要求、隧道工后沉降不能滿足要求，無法保證工程質(zhì)量，無法保證鐵路運(yùn)營安全。鋼管樁適用于非濕陷性新黃土地層以及基底位于土石分界地層，水泥土擠密樁采用改良的水泥土通過擠密能夠提高地基承載力及消除砂質(zhì)新黃土的濕陷性。

3 水泥土擠密樁方案設(shè)計(jì)

水泥土擠密樁是利用錘沖擊成孔（非排土成孔）或洛陽鏟成孔（排土成孔），采用集料站集中拌制的水泥土分層回填夯實(shí)擠密成樁，從而達(dá)到提高地基土的承載力、增強(qiáng)其水穩(wěn)性、消除濕陷性、降低壓縮性和控制地基沉降變形的目的。

3.1 設(shè)計(jì)參數(shù)

①擠密樁按梅花型布置、樁間距一般采用1.0m，擠密樁直徑為0.4m。②加固深度至濕陷層分界線下0.5m、最長不超過12m、最小不低于6m。

3.2 材料要求

樁身材料一般采用水泥土，水泥采用42.5級及以上的普通硅酸鹽水泥，水泥摻量為土體質(zhì)量的12%～20%。土體有機(jī)質(zhì)含量必須小于5%，土塊粒徑不得大于15mm，不得含有膨脹土、凍土、磚頭、瓦片、石塊及雜土。

3.3 檢查項(xiàng)目及標(biāo)準(zhǔn)

①樁孔和樁位檢驗(yàn)：樁孔中心點(diǎn)的偏差不大于樁間距設(shè)計(jì)值的5%，且小于50mm，樁孔的垂直度偏差不大于1.5%，樁孔直徑、樁孔深度不小于設(shè)計(jì)值。②復(fù)合地基承載力不小于200kPa。采用平板載荷法實(shí)驗(yàn)檢測。③樁間土平均擠密系數(shù)不小于0.93，最小擠密系數(shù)不小于0.88。④樁間土消除濕陷性，濕陷性系數(shù)不大于0.015。

3.4 設(shè)備選型

水泥土擠密樁因成孔方式不同，主要有也下幾種方案。

①柴油錘錘擊沉管成孔法：利用燃油爆炸推動活塞往復(fù)運(yùn)動而錘擊沉管成孔，活塞重量從幾百公斤到數(shù)噸。優(yōu)點(diǎn)，功率大，施工效率高。缺點(diǎn)是震動強(qiáng)，設(shè)備塔架高，空氣污染，不適合在隧道內(nèi)施工。②柱錘沖擴(kuò)樁法：通過電動卷揚(yáng)機(jī)反復(fù)將柱狀重錘提到高處使其自由落下沖擊成孔，柱錘為圓柱體，自重一般為3.5T。優(yōu)點(diǎn)，夯擊能量大、成樁速度快、施工效率高。缺點(diǎn)是震動強(qiáng)，設(shè)備塔架高，不適合在隧道洞內(nèi)施工。③洛陽鏟成孔法：利用電動卷揚(yáng)機(jī)提升洛陽鏟到高處使其自由落，洛陽鏟下落過程取土、提升過程棄土。不受地形條件限制，施工方便、施工進(jìn)度快、對地層及周邊結(jié)構(gòu)物震動較小，避免了環(huán)境的污染。

根據(jù)砂質(zhì)新黃土隧道地質(zhì)特點(diǎn)及施工安全等方面因素綜合考慮，本隧道水泥土擠密樁施工采用洛陽鏟成孔。

4 工藝性試驗(yàn)

試樁采用4孔按照設(shè)計(jì)布置，電動卷揚(yáng)機(jī)配合洛陽鏟取土成孔，通過土工試驗(yàn)，砂質(zhì)新黃土水泥土最佳含水量14%（誤差控制±2%），最大干密度1.80g/cm3，普通硅酸鹽水泥（PO42.5）參入量16%。水泥土回填分層夯實(shí)，每層厚度控制250～300mm，夯錘長度為2m，重量為500kg，落錘高度控制在2m。每層錘擊次數(shù)不小于8次。經(jīng)試驗(yàn)檢測各項(xiàng)指標(biāo)均滿足設(shè)計(jì)及驗(yàn)標(biāo)要求。

5 水泥土擠密樁施工工藝

以陽城隧道出口DK249+027～DK249+152段水泥土擠密樁施工為例，對水泥土擠密樁施工工藝進(jìn)行總結(jié)。樁長6m，樁徑0.4m，樁間距1m，梅花形形布置，1375根，共計(jì)8250延米。

5.1 工藝流程

水泥土擠密樁采用洛陽鏟取土成孔，水泥土采用集料拌和站集中拌制，分層回填，夯錘夯實(shí)。（見圖1工藝流程圖）

5.2 施工準(zhǔn)備

①水泥土集料拌合站建設(shè)及驗(yàn)收，根據(jù)項(xiàng)目部整體施工組織設(shè)計(jì)，選取合適場地，按程序進(jìn)行驗(yàn)收。

②配足水泥土擠密樁施工所需要機(jī)械設(shè)備。主要有洛陽鏟及夯實(shí)機(jī)。

③配比試驗(yàn)：對土源點(diǎn)的土樣，進(jìn)行配比試驗(yàn)，測定不同水泥摻入量時(shí)，水泥改良土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、最優(yōu)含水量及最大干密度。確定滿足設(shè)計(jì)要求的最經(jīng)濟(jì)水泥摻入量。

④隧道下臺階開挖支護(hù)完成后，平整場地。

⑤根據(jù)軟基檢測章程、設(shè)計(jì)圖紙、驗(yàn)標(biāo)編制隧道水泥土擠密樁專項(xiàng)施工組織設(shè)計(jì)及技術(shù)交底，并對施工班組進(jìn)行培訓(xùn)及交底。

⑥試驗(yàn)室對隧底砂質(zhì)新黃土進(jìn)行含水量檢測，若地基天然含水量普遍小于10%時(shí)采用增濕處理，增濕處理應(yīng)于地基處理前4～6天，通過一定數(shù)量及深度的滲水孔，均勻地將水浸入擬處理范圍內(nèi)的土層中。

5.3 成孔

按照1m的間隔，梅花形布置，精確測量樁位，成孔順序采用間隔跳打法，間隔1～2個(gè)孔跳打。樁機(jī)就位使洛陽鏟對準(zhǔn)樁中心，調(diào)平、固定樁機(jī)平臺，施工前在卷揚(yáng)機(jī)的鋼絲繩上標(biāo)出控制孔深的標(biāo)記，確保成孔深度。先采用小沖程進(jìn)行開孔，當(dāng)孔深超過2m后以正常速度成孔。洛陽鏟下落過程取土、提升過程棄土，將鏟中的土抖落至手推車中運(yùn)出。成孔后嚴(yán)格檢查孔位中心、孔徑、垂直度及孔深偏差。（見圖2洛陽鏟成孔）

5.4 水泥土生產(chǎn)

回填材料采用水泥土混合料，水泥采用42.5級普通硅酸鹽水泥。集料拌和站集中攪拌，嚴(yán)格控制水泥土的含水量（若含水量過大采用攤鋪晾曬）、水泥摻量，水泥土必須攪拌均勻。根據(jù)施工用量需求拌制，禁止使用被雨水淋濕、浸泡的水泥土。

5.5 回填孔樁

分層回填前，將夯錘放置孔底空夯最少8次，確保孔底夯實(shí)。水泥土分層回填，逐層夯實(shí)，每層回填虛鋪厚度為250～300mm，每層填料0.03m3（采用料斗定量），錘擊8次，落距2m，回填過程中杜絕間隔停頓時(shí)間過長。實(shí)際樁頂必須高出設(shè)計(jì)樁頂標(biāo)高50～70cm，隧底開挖時(shí)再將高出部分開挖掉。水泥土在現(xiàn)場放置時(shí)間不超過6h。（見圖3回填夯實(shí)）

6 效果分析

蒙華鐵路陽城隧道里程DK249+027～DK2249+152段，濕陷性砂質(zhì)新黃土隧底通過水泥土擠密進(jìn)行加固。取得如下效果：

①工期：平均每天完成28根（170m）水泥土擠密樁施工，經(jīng)濟(jì)效益較好，滿足隧道工序施工要求。②樁間土平均擠密系數(shù)達(dá)到0.95，最小擠密系數(shù)為0.92，滿足設(shè)計(jì)及驗(yàn)標(biāo)要求。③樁間土濕陷性系數(shù)介于0.000～0.006，表明隧道仰拱加固深度范圍內(nèi)樁間土濕陷性已經(jīng)基本消除。（見圖4土工試驗(yàn)報(bào)告）

④復(fù)合地基承載力超過200kPa，滿足設(shè)計(jì)要求。（見圖5復(fù)合地基靜載試驗(yàn)成果）

7 結(jié)束語

本項(xiàng)目共進(jìn)行了9座隧道，10個(gè)段落（1120延米），共計(jì)12323根（73943m）水泥土擠密樁的施工，復(fù)合承載力全部達(dá)到200kPa以上，滿足要求。說明在天然含水率不大于24%，飽和度Sr≤65%的濕陷性黃土隧道，采用水泥土擠密樁進(jìn)行地基加固，是一種可行的方案。

該方案可以提高施工效率，保障了水泥土擠密樁樁體質(zhì)量、樁間土擠密系數(shù)，基本消除了樁間土濕陷性，大大提高了復(fù)合地基承載力?？梢宰鳛樘幚頋裣菪渣S土隧道軟基加固工藝推廣。但也存在施工干擾大的問題。還需要研究在不同軟弱地質(zhì)條件下采用水泥土擠密樁施工的效果。

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