淺談黃土地基隧道工程的鋼管樁加固施工技術(shù)

■張磊

（中鐵十八局集團(tuán)第一工程有限公司，河北 涿州 072750）

鋼管樁加固施工技術(shù)具有貫入能力強(qiáng)、抗彎曲剛度強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，被廣泛應(yīng)用在黃土地基處理中。鋼管樁打入底層中端部，既可以敞開也可以封閉，如有必要還可以在鋼管樁內(nèi)部填充混凝土，雖然造價(jià)略高，但自身性能比較優(yōu)越，受到隧道工程黃土地基處理時(shí)的廣泛青睞。在新工藝、新技術(shù)、新材料、新機(jī)械設(shè)備不斷涌現(xiàn)的時(shí)代，鋼管樁加固施工技術(shù)在工程中的應(yīng)用日益增加，且應(yīng)用效果顯著。但也容易受到很多因素的影響，如遇黃土地基時(shí)，極易發(fā)生質(zhì)量問題如：鋼管樁頂變形、沉樁達(dá)不到設(shè)計(jì)要求等，如果遇到了堅(jiān)硬的障礙物或者樁頂?shù)臏p振材料墊得過薄等問題，需嚴(yán)格按照相應(yīng)的規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行施工，并做好施工處理措施，可有效降低質(zhì)量問題發(fā)生的概率，降低不良影響。基于此，開展黃土地基隧道工程的鋼管樁加固施工技術(shù)的研究就顯得尤為必要。

一、工程概述

圖1 鋼管樁布置橫斷面

王家灣隧道位于陜西省延安市安塞縣王家灣鄉(xiāng)，隧道最大埋深約220m，進(jìn)口里程DK266+945，出口里程DK274+233，全長(zhǎng) 7288m。DK266+947～DK266+961隧道洞身地層為砂質(zhì)新黃土，稍密，具濕陷性，呈松軟結(jié)構(gòu)。勘測(cè)期間勘探深度范圍內(nèi)未見地下水，隧道圍巖等級(jí)為Ⅴ級(jí)，開挖易發(fā)生坍塌。該段長(zhǎng)度86m，基底采用φ89鋼管樁處理，DK266+947～DK266+955該段長(zhǎng)度8米，樁長(zhǎng)1～6m；DK266+955～DK266+961該段長(zhǎng)度6m,樁長(zhǎng)2～6m，樁底伸入土石界面不小于0.5m，基底位于土石分界附近，該段長(zhǎng)度8m，基底采用φ89鋼管樁加固，L=1～6m，樁底伸入土石界面以下不下于0.5m。具體鋼管樁布置橫斷面見圖1。

二、鋼管樁加固施工技術(shù)的特點(diǎn)

（一）承載能力比較大

在本工程施工中，選擇的鋼管樁由低碳鋼制成，抗壓能力、抗剪切能力都非常高，并且具有良好的抗彎能力。將其應(yīng)用在黃土地基處理中，可充分發(fā)揮鋼管樁的受力特性，提升地基承載力，滿足施工需求[1]。

（二）規(guī)格種類多樣化

目前，可進(jìn)行批量生產(chǎn)的鋼管樁有數(shù)十種規(guī)格，壁厚在5～25mm，在具體應(yīng)用時(shí)，可以按照實(shí)際情況，綜合使用多種規(guī)格的鋼管樁，從而滿足黃土地基施工對(duì)經(jīng)濟(jì)性和安全性的要求。多數(shù)情況下，在相同鋼管樁施工中，要盡量選擇壁厚均勻的鋼管樁，以保證受力的均勻性。本工程選擇了直徑為89mm、壁厚為5mm的鋼管。

（三）樁長(zhǎng)可及時(shí)調(diào)整

通常情況下，鋼管樁每節(jié)長(zhǎng)度為6m，通過焊接的方法連接每節(jié)鋼管，如果黃土地基比較深，可按照沉樁實(shí)際情況，及時(shí)調(diào)整長(zhǎng)度，可進(jìn)行任意切割和焊接，切割之后的鋼管柱也可以焊接在其他鋼管樁上，不會(huì)造成任何浪費(fèi)，并且施工標(biāo)高可控，便于施工[2]。

（四）施工速度比較快

鋼管樁通過焊接方法逐節(jié)連接，焊接完成后1～3min就可以使用，具有連接方便、間歇時(shí)間短、樁身強(qiáng)度高等優(yōu)勢(shì)。無論是黃土地基還是相對(duì)堅(jiān)硬的土層，都可以良好地應(yīng)用。當(dāng)鋼管柱樁就位之后，就可以進(jìn)行壓樁操作，可有效節(jié)約施工費(fèi)用，因此鋼管樁加固施工技術(shù)還具有較高的經(jīng)濟(jì)效益。

三、鋼管樁加固施工技術(shù)在黃土地基隧道工程中的應(yīng)用要點(diǎn)

（一）鋼管樁加固施工技術(shù)參數(shù)

本工程黃土地基面積比較大，并且對(duì)處理效果的要求比較高，經(jīng)過土質(zhì)勘探，決定采用鋼管樁加固施工技術(shù)，其施工技術(shù)參數(shù)為：鋼管樁采用直徑為89mm、壁厚為5mm的鋼管；平面間距為1m×1m，呈現(xiàn)梅花樁布置；鋼管樁加固施工長(zhǎng)度在1～6m之間，進(jìn)入土石界面深度不小于0.5m[3]。為達(dá)到這一目標(biāo)，要切實(shí)做好鋼管樁施工測(cè)量工作，保證進(jìn)入土石界深度達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

圖2 鋼管樁加固施工布置示意圖

（二）注漿材料選擇

在本工程鋼管樁加固施工注漿時(shí)，采用了純水泥漿液，水灰比為0.5∶1～2∶1之間，為避免發(fā)生鋼管樁偏移或者傾斜，需要嚴(yán)格控制注漿壓力，控制在0.5～1.5MPa為最佳。在具體施工之前，需要進(jìn)行多次注漿參數(shù)試驗(yàn)，以確定最佳的注漿參數(shù)。本工程鋼管樁加固布置圖如圖2所示。

（三）明確施工工藝流程

鋼管樁加固施工技術(shù)對(duì)鋼管放樣的精度要求比較高，需要按照工程特性，放出具體的樁位，確定中心位置；然后將選擇好的鋼管打入樁位中，達(dá)到設(shè)計(jì)要求之后再進(jìn)行壓漿操作；接著進(jìn)行仰拱開挖操作，切除初期支護(hù)以上部分；最后進(jìn)行仰拱施工。鋼管樁加固施工技術(shù)具體流程圖如圖3所示。

圖3 鋼管樁加固施工工藝流程圖

在鋼管樁施工中遇到施工難點(diǎn)包括：遇到了堅(jiān)硬的障礙物、樁頂?shù)臏p振材料墊得過薄、打樁錘選擇不佳，打樁順序不合理、穩(wěn)樁校正不嚴(yán)格、場(chǎng)地平整度偏差過大等。為解決這些問題，可從以下幾個(gè)方面同時(shí)入手：

（1）根據(jù)地質(zhì)的復(fù)雜程度進(jìn)行詳細(xì)勘察，加密探孔。

（2）放樁位時(shí)，先探查再放樁。

（3）打樁前，樁帽內(nèi)墊上合適的減振材料。

（4）打壞變形的樁頂，接樁時(shí)應(yīng)割除掉，以便順利接樁。

（5）施打超長(zhǎng)又直徑較大的樁時(shí)，應(yīng)選用大能量的液壓打樁錘，以重錘低擊為佳。

（四）測(cè)量就位

在進(jìn)行鋼管樁支護(hù)施工時(shí)，需要嚴(yán)格按照實(shí)際設(shè)計(jì)要求，合理精準(zhǔn)地測(cè)量樁位，并按照1m×1m的原則布置成梅花樁。鉆進(jìn)需要布置在相對(duì)穩(wěn)定的地基之上，就位時(shí)要保證鉆機(jī)底部平穩(wěn)有效，支撐體系必須牢固，進(jìn)而避免在鉆進(jìn)過程中發(fā)生不均勻沉降，影響鋼管樁加固施工精度和總體施工質(zhì)量[4]。

（五）鉆孔操作

本工程在鋼管樁加固施工時(shí)，選擇了機(jī)械鉆孔，孔徑控制在110mm左右。但其中一段工程地質(zhì)條件復(fù)雜，施工比較困難，為保證施工質(zhì)量和效率，采取了套管跟進(jìn)施工方法。具體操作為：在鉆孔施工時(shí)，低速低壓鉆進(jìn)，鉆進(jìn)到一定深度之后，在按照地質(zhì)條件，合理調(diào)整鉆進(jìn)的速度和壓力。整個(gè)鉆進(jìn)操作中，每個(gè)階段鉆進(jìn)過程，要保持勻速一致。一旦遇到夾泥、夾砂或者破碎程度比較嚴(yán)重的土層，要及時(shí)調(diào)整鉆進(jìn)的速度，避免發(fā)生卡鉆、掉鉆等問題。在整個(gè)鉆進(jìn)過程中，要邊鉆進(jìn)，邊檢查垂直度，如果超過允許偏差，要及時(shí)做糾偏處理，并對(duì)各項(xiàng)鉆進(jìn)的施工工藝參數(shù)及時(shí)記錄。

（六）清孔和制備注漿鋼管

當(dāng)鉆孔深度達(dá)到設(shè)計(jì)要求之后，還要對(duì)鉆孔質(zhì)量進(jìn)行全面檢查，等各項(xiàng)參數(shù)達(dá)到設(shè)計(jì)要求和標(biāo)準(zhǔn)之后，再進(jìn)行清孔操作。本工程清孔方式為：采用高壓風(fēng)從孔底向孔口清理鉆渣。本工程選擇的鋼管樁為直徑89mm、壁厚為5mm的熱軋無縫鋼管，鋼管柱前端為尖狀，在尾部設(shè)置50cm注漿段[5]。在鋼管樁周圍設(shè)置四排注漿孔，孔徑在6mm～8mm，注漿孔間距控制在15cm左右，同樣呈現(xiàn)梅花樁布置（具體見圖4）。鋼管的單根長(zhǎng)度按照現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際要求和測(cè)量結(jié)果合理配置及調(diào)整，但要和鉆孔的深度相互匹配，保證鋼管可以順利進(jìn)入鉆孔中。

圖4 鋼管樁注漿成孔圖

（七）鋼管樁下孔和連接

在鋼管樁連接時(shí)，采用了直徑為79mm、壁厚為5mm的鋼管作為接長(zhǎng)鋼管，總長(zhǎng)度控制在1.2m左右，套與兩根直徑為89mm、壁厚為5mm的鋼管樁之間。并且兩頭的搭接長(zhǎng)度不能低于60cm，通過焊接的方法相互連接，但為保證焊接的牢固性，需要嚴(yán)格按照焊接相關(guān)規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，保證焊縫的光滑度，避免增加下管的難度。

（八）漿液配制和灌注

當(dāng)鋼管樁入孔就位之后，需要立即進(jìn)行灌漿操作，本工程灌漿材料為普通純水泥，在漿液配制時(shí)，要將水灰比控制在0.5∶1～2∶1。以50kg為一袋水泥進(jìn)行計(jì)算，配制水的用量，需要在水箱刻度線上，先放水，然后加入水泥，充分?jǐn)嚢?，攪拌時(shí)間不能低于3min。如果因?yàn)樵O(shè)備故障，攪拌完成后30min內(nèi)沒有使用，則要做廢棄處理，避免水泥漿液影響鋼管樁總體施工質(zhì)量。此外，為最大限度地保證注漿的飽和度，要采用孔底管灌漿法，將灌漿管插入距離孔底5～10cm的位置，從下往上倒灌，待孔口返漿之后，進(jìn)行孔口密封操作，持續(xù)增加注漿壓力，當(dāng)注漿壓力達(dá)到設(shè)計(jì)要求后之后，穩(wěn)定10～15min，當(dāng)注漿量達(dá)到設(shè)計(jì)量80%時(shí)，可結(jié)束注漿，并作封孔處理[6]。進(jìn)行下一根鋼管樁施工，重復(fù)上述步驟，直到完成全部鋼管樁施工。

（九）鋼管樁沉樁施工中的質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)

第一，施工采用機(jī)械成孔，成孔操作時(shí)要盡量采用隔樁成孔技術(shù)，孔徑控制在110mm，如果成孔難度比較大，可采用套管跟進(jìn)施工法。鋼管樁結(jié)合初期支護(hù)仰拱鋼架合理布置，盡量和仰拱架焊接成整體結(jié)構(gòu)，保證二者能夠同時(shí)受力。

第二，當(dāng)注漿壓力達(dá)到設(shè)計(jì)壓力之后，需要維持10～15min，當(dāng)注漿量達(dá)到設(shè)計(jì)漿量80%時(shí)，才能結(jié)束注漿。

第三，注漿順序?yàn)椋合葍蓚?cè)后中間，隔孔注漿。注漿配制漿液，要先稀后濃，注漿壓力從大到小。

四、施工體會(huì)

在應(yīng)用鋼管樁加固施工技術(shù)時(shí)，為保證總體施工質(zhì)量，必須高度重視以下幾點(diǎn)：

第一，在鉆孔成孔之前要保證鋼管樁的垂直度，通過高精度水平尺及時(shí)調(diào)整鉆機(jī)的水平度，并用先進(jìn)的檢測(cè)儀器，精確確定樁位位置。在每個(gè)樁位上插上木樁，開始鉆孔之前，要保證鉆頭中心對(duì)準(zhǔn)鋼管樁中心點(diǎn)。

第二，注漿管采用了直徑為89mm、壁厚為5mm的無縫鋼管，本工程鋼管樁的長(zhǎng)度為6m，為滿足施工要求，需要焊接加長(zhǎng)，在焊接位置通過3根長(zhǎng)度為20cm、直徑為12mm的鋼管綁扎焊接。

第三，施工過程中發(fā)現(xiàn)地基土質(zhì)與勘查資料不符，應(yīng)立即停止施工，并詳細(xì)記錄鉆出土的土質(zhì)情況[7]。

五、結(jié)束語

綜上所述，本文結(jié)合工程實(shí)例分析了黃土地基隧道工程的鋼管樁加固施工技術(shù)，分析結(jié)果表明，黃土地基是隧道工程施工中比較常見的地基基礎(chǔ)，具有含水量大、承載力低等特性，無法滿足各項(xiàng)施工要求，需要進(jìn)行全面合理的加固處理。鋼管樁加固施工技術(shù)，具有施工范圍廣、施工工藝靈活、占地空間比較小等優(yōu)勢(shì)，將其應(yīng)用到黃土地基隧道工程施工中，可有效提升地基強(qiáng)度，為各道工序的高效開展奠定扎實(shí)基礎(chǔ)。