隧道拱底軟弱地基沉降處治措施探討

作者簡介：

林運(yùn)飛（1978—），碩士，高級(jí)工程師，主要從事高速公路建設(shè)管理工作。

文章以大新至憑祥高速公路上降隧道為例，對其左線進(jìn)洞口段軟弱地基沉降進(jìn)行研究，結(jié)合現(xiàn)場情況和監(jiān)控量測結(jié)果，分析拱底地基沉降原因，制定鋼管樁支撐加固隧道拱底地基的處治方案。拱底地基處理后隧道位移明顯減小，基本趨于穩(wěn)定，驗(yàn)證了該方案的合理性，為今后類似隧道拱底軟弱地基處理提供參考。

軟弱底層；隧道拱底地基；地基沉降；鋼管樁；監(jiān)控量測

中圖分類號(hào)：U457+.2 A 32 101 3

0 引言

軟弱地基主要是由強(qiáng)度較低的軟土構(gòu)成，其承載力低，極大地影響隧道的正常施工。為了解決此類問題，國內(nèi)眾多學(xué)者提煉總結(jié)了許多方案。徐良［1］對軟弱地基換填處理進(jìn)行了研究，提出采用“碎石鋪設(shè)+強(qiáng)夯”的方法處治淺層軟弱地基。韓振軍［2］對軟弱地基加固處理施工中強(qiáng)夯法的運(yùn)用進(jìn)行了研究，提出采用“換填墊層+分層機(jī)械碾壓”的方法，提高夯擊能量，實(shí)現(xiàn)對超靜水壓力的高效消散，有效解決了軟弱地基地下水位較高的問題。李開軍［3］在對清水隧道軟弱地基處理中指出，傳統(tǒng)的處理方法“上斷面開挖支護(hù)+隧道邊墻開挖支護(hù)+分段挖除底部軟弱圍巖+回填片石混凝土”存在邊墻拱腳處懸空隱患，并提出相應(yīng)解決方法。本文結(jié)合大新經(jīng)龍州至憑祥高速公路上降隧道實(shí)際情況，綜合分析其地質(zhì)條件及監(jiān)控量測數(shù)據(jù)，對隧道洞口段軟弱地基沉降提出合理的處治方案。

1 工程概況

1.1 工程概述

上降隧道為小凈距+分離式隧道，進(jìn)洞方式采用自進(jìn)式管棚30 m+小導(dǎo)預(yù)管支護(hù)，進(jìn)口段隧道左右洞口設(shè)計(jì)高程分別為292.656 m、292.654 m，設(shè)計(jì)洞門形式為削竹式。

隧址區(qū)特殊性巖土主要為紅黏土。在隧道進(jìn)口處，紅黏土呈可塑及硬塑狀，層厚不均，具有高液限、膨脹性、透水性差、遇水變軟、抗剪強(qiáng)度低等不良地質(zhì)特性。紅黏土地層對地基穩(wěn)定性影響較大。

上降隧道左線進(jìn)口里程樁號(hào)為ZK273+718，設(shè)計(jì)20 m明洞，明暗交界處里程樁號(hào)為ZK273+738。洞口段設(shè)計(jì)為Ⅴ級(jí)圍巖，洞口段圍巖為殘坡積紅黏土，洞身段以三疊系下統(tǒng)強(qiáng)-中風(fēng)化凝灰熔巖為主，巖體破碎，呈碎裂

狀結(jié)構(gòu)，裂隙發(fā)育，具有一定的溶蝕現(xiàn)象，穩(wěn)定性極差。

1.2 隧道洞口段沉降狀況

上降隧道左線進(jìn)口進(jìn)洞前邊仰坡支護(hù)、管棚均已完成。進(jìn)洞開挖方法采用環(huán)形開挖留核心土方法，預(yù)留變形量30 cm進(jìn)行洞口段初支開挖。

2個(gè)月后，隧道上臺(tái)階已開挖32.5 m，下臺(tái)階已跟進(jìn)26 m，仰拱施工32 m（含明洞16 m）。隧道進(jìn)口共布設(shè)4個(gè)沉降觀測斷面，左線縱向里程樁號(hào)分別為ZK273+740、ZK273+745、ZK273+755、ZK273+763。監(jiān)控量測反饋結(jié)果顯示，洞口段ZK273+755斷面拱頂累計(jì)下沉為167.4 mm；ZK273+763斷面拱頂累計(jì)下沉為93.1 mm。結(jié)合最近的量測數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，拱頂下沉雖未侵限但并不穩(wěn)定，有繼續(xù)下沉的趨勢，兩側(cè)收斂也不穩(wěn)定。上降隧道進(jìn)口端ZK273+718～ZK273+760段、K273+728～K273+775段地基原處治方案采用樹根樁加固，但根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙及現(xiàn)場勘察情況，樹根樁施工難度較大，且施工質(zhì)量難以保證，嚴(yán)重影響隧道進(jìn)洞后的施工進(jìn)度，已無法滿足當(dāng)前施工需求。

2 隧道的開挖方式及洞口段沉降成因分析

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查與考察，并結(jié)合地質(zhì)勘察資料和施工過程資料，總結(jié)該隧道沉降成因有以下幾點(diǎn)：

（1）上降隧道進(jìn)口端進(jìn)洞段為殘坡積紅黏土，地質(zhì)條件差，地基承載力不足。

（2）洞口段處于淺埋段，圍巖自穩(wěn)能力差。

（3）遇上雨天開挖時(shí)，土體濕度較大，對圍巖本身承載力造成影響。

（4）進(jìn)洞30 m未能及時(shí)施做鋼管樁、仰拱閉合成環(huán)。

（5）由于軟弱圍巖承載力較低，不能滿足初期支護(hù)結(jié)構(gòu)的基底承載力要求，支護(hù)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)圍巖產(chǎn)生壓縮或沉降變形，導(dǎo)致隧道拱腳圍巖出現(xiàn)下沉變形現(xiàn)象［4］。

3 隧道洞口段地基沉降的處理方案與效果

3.1 軟弱地基沉降處理方案的確定

鋼管樁施工工藝較為簡單，其注漿效果更佳，能有效地對地基進(jìn)行處治。根據(jù)專家評(píng)審確認(rèn)，綜合現(xiàn)場實(shí)際情況，決定采用“鋼管樁支撐加固隧道拱底地基”處治方案：

（1）立即停止掌子面掘進(jìn)，并噴射厚度≥10 cm的混凝土封閉掌子面，盡可能地減少掌子面暴露時(shí)間，以防止隧道開挖初期掌子面圍巖松弛甚至崩塌，從而控制掌子面的擠出［5］。

（2）及時(shí)封閉成環(huán)，同時(shí)施作樹根樁，嚴(yán)格執(zhí)行注漿工藝。鋼管樁施工設(shè)計(jì)如圖1～6所示。

①鋼管樁注漿時(shí)應(yīng)控制注漿壓力，使其均勻上冒。

鋼管樁施工采用后壓漿成樁工藝，施工時(shí)先采用MC20超細(xì)水泥進(jìn)行注漿加固樁周巖土，然后注入M30水泥砂漿填充鋼花管及碎石。注漿時(shí)應(yīng)控制注漿壓力，注漿壓力從1 MPa開始加壓使?jié){液均勻上冒，直至泛出樁頭，最終壓力≤2.5 MPa。

②108×6 m、42×4 m注漿鋼花管采用熱軋無縫鋼管，橫向間距為80 cm，縱向排距為100 cm，矩形布設(shè)，樁底延伸至基巖面以下1 m，樁長最短均≥4.5 m。

③明洞段的鋼管樁頂部采用C25混凝土基礎(chǔ)承臺(tái)，基礎(chǔ)厚度≥80 cm，承臺(tái)下設(shè)置30 cm厚級(jí)配碎石墊層，鋼管樁頂部深入混凝土承臺(tái)40 cm，基底兩側(cè)橫向范圍超出明洞外50 cm。暗洞段的鋼管樁樁頭隔榀焊接于初期支護(hù)鋼拱架外緣。鋼管樁加固工程數(shù)量匯總?cè)绫?所示。

（3）采用M30水泥砂漿將裂縫及兩側(cè)30 cm地表封閉，并用土工布將整個(gè)裂縫區(qū)域覆蓋。

（4）將已開挖的中臺(tái)階底腳鋼板以下松土全部清除，清除后用木板、鋼板或混凝土塊等將底腳下墊，并采用噴射混凝土補(bǔ)噴密實(shí)。要求兩側(cè)底腳不能對稱處理，需左右側(cè)分開處理，處理時(shí)分段錯(cuò)開。

（5）已施工的上、中臺(tái)階在拱腳處兩側(cè)分別補(bǔ)打鎖腳鋼管，鎖腳鋼管與鋼拱架采用型鋼筋焊接。鋼管焊接前需先用風(fēng)鎬將噴射混凝土部分鑿除，確保焊接牢固。鎖腳鋼管架設(shè)完畢后進(jìn)行補(bǔ)噴平整。

（6）增設(shè)橫撐、斜撐及豎撐。上臺(tái)階和中臺(tái)階每2 m均增設(shè)1道工字鋼橫撐、斜撐和豎撐，橫撐兩端緊頂兩側(cè)拱架拱腳，斜撐和豎撐頂部緊頂拱部初支。橫撐、斜撐和豎撐與初支拱架相連，連接前需將拱架表面初噴混凝土鑿除，并焊接牢固。中臺(tái)階每道橫撐處加設(shè)斜撐、豎撐數(shù)量≥7根，上臺(tái)階≥3根。

（7）洞頂如果出現(xiàn)裂縫立即采用水泥漿封堵密實(shí)，兩側(cè)采用彩條布覆蓋，防止雨水下滲。

3.2 鋼管樁施工工藝

鋼管樁施作每3 m一循環(huán)，每一循環(huán)的施工工序?yàn)椋?/p>

（1）從拱腳標(biāo)高處鉆孔。鉆孔應(yīng)根據(jù)布孔平面與現(xiàn)有地面的鉆孔關(guān)系進(jìn)行放樣鉆孔。

（2）投放鋼花管。鋼花管長度應(yīng)達(dá)到二襯仰拱最低點(diǎn)以下80 cm，鋼花管底部制作螺紋，且與相應(yīng)直徑的PNC管通過螺紋連接。

（3）在鋼花管外側(cè)投擲碎石。投擲碎石前應(yīng)將碎石洗凈，一次性投擲困難時(shí)可以分次投擲，碎石應(yīng)投擲至二襯仰拱底以下80 cm，投擲碎石的總體積不應(yīng)小于計(jì)算體積的0.9倍。

（4）碎石投擲完畢后進(jìn)行注漿。注漿過程中應(yīng)記錄注漿壓力的變化。注漿時(shí)先采用MC20超細(xì)水泥漿進(jìn)行注漿加固樁網(wǎng)土，加固區(qū)擴(kuò)散半徑≥0.5 m，然后注入M30水泥砂漿填充鋼花管及鋼花管外側(cè)碎石成樁。

（5）開挖仰拱。開挖深度應(yīng)達(dá)到二襯仰拱最低點(diǎn)以下80 cm，檢查鋼花管樁頭是否達(dá)到設(shè)計(jì)位置。

（6）鋪設(shè)碎石墊層，澆筑墊臺(tái)混凝土保護(hù)層，鋪設(shè)底層鋼筋網(wǎng)，澆筑墊臺(tái)混凝土，鋪設(shè)上層鋼筋網(wǎng)，澆筑墊臺(tái)上層保護(hù)層。

（7）澆筑仰拱及仰拱填充。

（8）對該段進(jìn)行逐榀換拱。

（9）重復(fù)步驟（1）～（8），進(jìn)行下一循環(huán)施工。

3.3 軟弱地基處理效果

使用鋼管樁進(jìn)行處理后，根據(jù)監(jiān)測量測數(shù)據(jù)顯示，洞口段ZK273+755斷面拱頂累計(jì)下沉241.9 mm，日沉降量為1.1 mm；ZK273+763斷面拱頂累計(jì)下沉212.4 mm，日沉降量為0.5 mm。結(jié)合最近的監(jiān)測數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)目前沉降、收斂基本趨于穩(wěn)定。設(shè)計(jì)斷面與實(shí)測斷面對比如圖7～9所示。

4 結(jié)語

本文分析采用鋼管樁加固隧道洞口軟弱地基的應(yīng)用情況，驗(yàn)證了該方法能夠有效地解決隧道拱底軟弱地基的施工難題。此方案有效減少了對其他工序的影響及人員材料的浪費(fèi)，具有良好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益，也為今后類似工程的地基沉降處理提供了相應(yīng)的借鑒經(jīng)驗(yàn)。

參考文獻(xiàn)

［1］徐 良.軟弱地基處理中換填法施工技術(shù)［J］.中國高新技術(shù)企業(yè)，2010（7）：132-133.

［2］ 韓振軍. 分析軟弱地基加固處理施工中強(qiáng)夯法的運(yùn)用［J］. 黑龍江交通科技，2019，42（11）：41-42.

［3］ 李開軍.鋼管樁注漿加固隧道地基技術(shù)［J］.四川建材，2010，36（3）：68-69.

［4］ 鄧勝強(qiáng).隧道軟弱圍巖變形特征及處治技術(shù)研究［J］.西部交通科技，2019（5）：125-127.

［5］ 李鵬飛，趙 勇，劉建友.隧道軟弱圍巖變形特征與控制方法［J］.中國鐵道科學(xué)，2014，35（5）：55-61.

收稿日期：2022-10-16