鋼管樁地基加固與排水系統(tǒng)改造在富水黃土隧道中的應(yīng)用技術(shù)研究

孫照玉　左魯

【摘要】甜永高速公路五子山2號(hào)隧道全長1424米，地下水位高程位于隧道洞室附近，局部段落高于隧道洞身，建設(shè)期間洞內(nèi)出現(xiàn)滲水現(xiàn)象，建成后出現(xiàn)了仰拱填充層開裂等病害。為徹底解決仰拱填充層裂縫病害，依據(jù)地質(zhì)補(bǔ)充勘察資料，采取了鋼管樁地基加固與排水系統(tǒng)改造技術(shù)，通過對(duì)隧道拱腳基底圍巖加固，優(yōu)化結(jié)構(gòu)受力體系，通過對(duì)排水系統(tǒng)改造，降低隧道洞室附近地下水位，及時(shí)將圍巖滲水引排至洞外。為使裂縫加固處治方案達(dá)到良好預(yù)期效果，分別從鋼管樁與滲水盲溝作用機(jī)理、主要影響因素、關(guān)鍵控制技術(shù)等方面詳細(xì)分析施工應(yīng)用技術(shù)。結(jié)合鋼管樁試樁試驗(yàn)、監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)、現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)等分析，處治效果良好，為同類型隧道病害加固方案施工提供借鑒參考作用。

【關(guān)鍵詞】高速公路;黃土隧道;仰拱開裂;鋼管樁;監(jiān)控量測(cè)

：TU753.3

富水黃土隧道是指隧道洞室范圍內(nèi)黃土含水量較大的隧道。一般地表沖溝、陷穴較多的黃土山體，其山體內(nèi)部黃土含水量普遍較高。國內(nèi)眾多研究學(xué)者對(duì)造成濕陷性黃土隧道仰拱開裂的機(jī)理作用進(jìn)行了大量研究，分別通過現(xiàn)場(chǎng)浸水試驗(yàn)、裂縫現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查、模型計(jì)算仿真分析，得出隧道仰拱基底黃土圍巖含水量較高造成仰拱基底圍巖軟化，引起左、右側(cè)拱腳不均勻沉降，最終導(dǎo)致仰拱受彎拉作用，產(chǎn)生拉裂破壞。

本文通過以甜永高速公路五子山2號(hào)隧道仰拱填充層病害為工程案例，詳細(xì)介紹仰拱裂縫病害處治方案關(guān)鍵施工技術(shù)控制點(diǎn)，為相似隧道病害處治方案加固施工提供相關(guān)經(jīng)驗(yàn)與參考。

1 ?工程案例

甜永高速公路五子山2號(hào)隧道位于甘肅省慶陽市環(huán)縣環(huán)城鎮(zhèn)環(huán)江河岸一側(cè)的黃土山體內(nèi)，隧道全長1424米，隧道位于侵蝕堆積黃土地貌區(qū)，山體植被稀少，主要以地方野生雜草為主，山體地表廣泛分布雞爪狀沖溝、黃土陷穴，溝谷內(nèi)無常流水，雨季時(shí)伴隨短暫流水，拱頂最大埋深約150m，現(xiàn)場(chǎng)為進(jìn)、出口雙向掘進(jìn)施工。

2 ?病害基本情況

現(xiàn)場(chǎng)施工至樁號(hào)YK88+640處時(shí)（距離洞口540米），上臺(tái)階右側(cè)拱腳附近出現(xiàn)兩處泉眼不斷涌水，出水量約為15m3/h，經(jīng)地質(zhì)預(yù)報(bào)探測(cè)，泉眼位置處下方1.4m為砂層，砂層整體向掌子面上方發(fā)展。經(jīng)采用Φ42打孔鋼花管對(duì)拱腳、仰拱基底、上臺(tái)階進(jìn)行注漿加固，對(duì)土體進(jìn)行固結(jié)施工。經(jīng)過一個(gè)多月，隧道整體貫通后，發(fā)現(xiàn)仰拱填充層中間位置出現(xiàn)縱向裂縫，裂縫最大寬度約2.0cm，裂縫處最大錯(cuò)臺(tái)高度約0.5cm，并伴有持續(xù)發(fā)展跡象。

3 ?隧道加固施工方案選擇

為確定合理病害處治方案，綜合全面對(duì)五子山2號(hào)隧道水文地質(zhì)情況、水流來源、分布范圍、流向等情況進(jìn)行詳細(xì)補(bǔ)充勘察，依據(jù)補(bǔ)充勘察資料，分析水流對(duì)隧道穩(wěn)定性的影響，準(zhǔn)確確定處治范圍，完善隧道綜合處治方案，確保方案的合理性和經(jīng)濟(jì)性。

根據(jù)地質(zhì)補(bǔ)充勘察資料，隧道洞室穿越巖層主要以風(fēng)積新黃土、老黃土為主，黃土含水率較大，仰拱基底下伏巖層為泥質(zhì)粉砂巖。由于黃土結(jié)構(gòu)疏松，孔隙比較大，洞室開挖后，形成負(fù)壓區(qū)，黃土內(nèi)水分聚集，形成浸水反應(yīng)，導(dǎo)致隧道基底黃土軟化，承載力下降，仰拱中心處起拱彎拉，產(chǎn)生拉裂破壞。

為解決上述問題，結(jié)合類似黃土隧道病害處治方案，最終采用“Φ108打孔注漿鋼管樁+滲水盲溝排水系統(tǒng)改造”處治方案，徹底解決富水黃土隧道拱腳基底軟化與黃土滲水問題，加固方案如圖1所示。

4??鋼管樁地基加固與排水系統(tǒng)改造技術(shù)施工應(yīng)用

4.1主要作用機(jī)理

Φ108打孔注漿鋼管樁的主要作用機(jī)理就是通過加壓灌注水泥漿液，使鋼管樁對(duì)拱腳下軟基進(jìn)行加固，形成支撐體系，改善襯砌結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)，同時(shí)水泥漿液在高壓作用下向通過Φ108鋼管預(yù)留孔道向周圍土體擴(kuò)散，可有效填充黃土中滲水空隙，形成樹根狀的加固土體效果。為確保拱腳加固效果，依據(jù)地質(zhì)補(bǔ)勘資料，每個(gè)斷面上設(shè)置鋼管樁4 根，當(dāng)隧道仰拱底部黃土深度大于等于8m時(shí)，鋼管樁單根長度按8m控制，當(dāng)隧道仰拱底部黃土深度小于8m時(shí)，Φ108鋼管打設(shè)至中風(fēng)化巖層以下0.5m。每根Φ108鋼管內(nèi)置三根φ22 鋼筋籠用于提高單樁承載力和鎖定仰拱二襯，先下鋼筋籠后注漿，鋼管樁注漿完成后，樁頭上部澆筑鋼筋混凝土縱梁，縱梁與隧道二襯采用植筋連接，最終形成統(tǒng)一整體，參與結(jié)構(gòu)受力。

新增滲水盲溝的主要作用機(jī)理：（1）通過降低地下水位高程，收集隧道洞室上部黃土滲水，有效解決黃土滲水聚集在拱腳位置的不利影響;（2）與中心排水溝形成上、下立體雙層排水系統(tǒng)，補(bǔ)充完善中心排水溝無法排出拱腳下圍巖滲水的缺點(diǎn)。

4.2影響鋼管樁地基加固與排水系統(tǒng)改造技術(shù)的主要因素

由于隧道整體已施工完畢，鋼管樁地基加固與排水系統(tǒng)改造技術(shù)需破壞原有隧道結(jié)構(gòu)，影響加固效果的主要因素有：（1）鋼管樁的定位與偏角控制;（2）水泥漿液注漿壓力與注漿量控制;（3）縱梁植筋施工控制;（4）滲水盲溝施工質(zhì)量;（5）破拆電纜溝槽、仰拱填充層、仰拱二襯、仰拱初支時(shí)隧道整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性觀測(cè)。

4.3關(guān)鍵控制技術(shù)

4.3.1 鋼管樁間距與傾斜角度控制

為控制好鋼管樁間距與傾斜角度，合理解決Φ108鋼管樁與初期支護(hù)連接鋼支撐位置沖突，現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)采用定點(diǎn)劃線施工方法，同時(shí)輔助采用傾角儀對(duì)鉆孔角度進(jìn)行有效控制。通過控制管樁間距與傾斜角度，使鋼管樁更好地參與結(jié)構(gòu)受力，有效承擔(dān)圍巖傳遞的荷載作用力。

4.3.2 注漿量與注漿壓力控制

注漿設(shè)計(jì)采用水灰比為1：1水泥漿液，注漿壓力1-2.0Mpa。為確保注漿加固效果，注漿順序按照“先兩側(cè)后中間”、“跳孔注漿”、“由稀到濃”的原則進(jìn)行施工，當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)出現(xiàn)串孔、壓力損失、水泥漿液擴(kuò)散質(zhì)量較差、鋼管樁內(nèi)泌水等情況時(shí)，立即暫停注漿，待漿液終凝后進(jìn)行反復(fù)注漿，直至漿液不在下滲、飽滿密實(shí)為止，直至達(dá)到注漿設(shè)計(jì)要求。通過控制注漿量與注漿壓力，使水泥漿液包裹Φ108鋼管，通過預(yù)留孔道并Φ108鋼管在周圍形成樹根狀的體系，填充周圍黃土空隙，形成有效的固結(jié)體。

4.3.3 縱梁施工控制

鋼管樁施工完成后拱腳位置采用縱梁進(jìn)行加固補(bǔ)強(qiáng)，通過植筋，使縱梁、鋼管樁、二襯混凝土形成整體，參與體系受力?？v梁施工時(shí)需格外控制縱梁主筋鋼筋間距、植筋施工定位，嚴(yán)禁破壞已施工完成的橫向排水管?？v梁鋼筋為注膠植筋（伸入不少于40cm），現(xiàn)場(chǎng)已施做完成后的植筋應(yīng)進(jìn)行拉拔試驗(yàn)，確保滿足鋼筋強(qiáng)度設(shè)計(jì)值的80%?？v梁混凝土澆筑前應(yīng)對(duì)槽內(nèi)雜物采用高壓風(fēng)清理、灑水濕潤，尤其注意縱梁澆筑前，對(duì)隧道原設(shè)計(jì)橫向排水管進(jìn)行恢復(fù)連接，確保橫向排水系統(tǒng)通暢。

4.3.4 滲水盲溝排水系統(tǒng)改造施工控制

仰拱基底滲水盲溝排水系統(tǒng)改造施工應(yīng)在鋼管樁地基加固全部完成后進(jìn)行，尤其注意以下幾點(diǎn)：（1）破拆二次襯砌及初支混凝土?xí)r不得采用大型機(jī)械，以免機(jī)械振動(dòng)較大對(duì)結(jié)構(gòu)造成破壞，應(yīng)采用人工風(fēng)鎬;（2）仰拱二次襯砌鋼筋切除后至少保留22cm以上的外露留茬，恢復(fù)仰拱二次襯砌時(shí)應(yīng)采用雙面焊接連接原有主筋及新加主筋;（3）破除仰拱回填層時(shí)注意橫向排水管的完整性，保證其不被壓碎和阻塞;（4）滲水盲溝縱向坡度與隧道相同，保證排水縱坡;（5）排水系統(tǒng)改造期間，加強(qiáng)監(jiān)控量測(cè)，每個(gè)斷面至少分別在左、右側(cè)墻及拱頂設(shè)置三處測(cè)點(diǎn)，嚴(yán)密監(jiān)控襯砌變形及沉降情況;（6）施工時(shí)應(yīng)對(duì)橫向排水管進(jìn)行有效防護(hù)，保證其不被壓碎和阻塞，以確保排水系統(tǒng)暢通無阻。

5??加固效果評(píng)價(jià)

5.1 鋼管樁效果驗(yàn)證

為驗(yàn)證Φ108鋼管樁加固效果，在隧道洞口路基處進(jìn)行試樁，采用分級(jí)慢速維持荷載法對(duì)Φ108鋼管試驗(yàn)樁進(jìn)行復(fù)合地基靜載試驗(yàn)檢測(cè)。為保證洞外試驗(yàn)樁盡可能接近隧道洞內(nèi)Φ108鋼管樁，采用同長度、同角度、同間距等布置，共設(shè)置試驗(yàn)樁11根，根據(jù)試驗(yàn)樁豎向抗壓靜載荷試驗(yàn)結(jié)果，鋼管樁試驗(yàn)樁復(fù)合地基承載力特征值為240KPa。

在洞內(nèi)Φ108鋼管樁注漿過程中，每根鋼管樁均可以達(dá)到注漿壓力2Mpa，并持壓10分鐘，單根注漿量為0.5m3，均滿足設(shè)計(jì)要求。注漿完成后在鋼管樁旁采用鉆心取樣檢查注漿效果，隨機(jī)選取了兩個(gè)位置，分別是 YK87+966、YK87+990，經(jīng)觀察，在仰拱初期襯砌與圍巖結(jié)合部有1cm厚的漿液，再向下1m范圍內(nèi)土體芯樣中有零星的水泥漿顆粒，取出芯樣含水率較高，最高33.3%，平均23.5%。

5.2?縱梁效果驗(yàn)證

縱梁施工控制關(guān)鍵在植筋與混凝土強(qiáng)度，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)隨機(jī)選定三根植筋進(jìn)行拉拔試驗(yàn)，實(shí)測(cè)拉拔力分別為132.55KN、134.11KN、130.0KN，均大于設(shè)計(jì)拉拔力為121.63KN。同時(shí)，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)混凝土28天強(qiáng)度，均滿足設(shè)計(jì)要求。

5.3 滲水盲溝排水系統(tǒng)改造效果驗(yàn)證

經(jīng)觀察洞外滲水盲溝出水口，可見盲溝內(nèi)有常流水，雨季時(shí)流水暫時(shí)增大，排水效果良好。

5.4 監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)側(cè)面驗(yàn)證加固效果

（1）正常施工期間：2017年7月至2018年10月，最大累計(jì)拱頂下沉34mm，平均每天拱頂下沉0.0767mm。（2）鋼管樁地基加固與排水系統(tǒng)改造施工實(shí)施期：2018年11月至2019年9月，最大累計(jì)拱頂下沉22mm，最大累計(jì)水平收斂12mm，平均每天拱頂下沉0.0756mm，水平收斂0.0412mm。（3）鋼管樁地基加固與排水系統(tǒng)改造施工完成后：2019年9月至2020年6月，最大累計(jì)拱頂下沉7mm，最大累計(jì)水平收斂6mm，平均每天拱頂下沉0.023mm，水平收斂0.023mm。根據(jù)監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)分析可得，鋼管樁地基加固與排水系統(tǒng)改造完成后，隧道洞室結(jié)構(gòu)已處于穩(wěn)定狀態(tài)。

6.?結(jié)語

（1）事實(shí)證明“鋼管樁地基加固與排水系統(tǒng)改造技術(shù)”在富水黃土隧道中的應(yīng)用是成功有效的，Φ108鋼管樁起到加固左、右拱腳基底圍巖，傳遞圍巖荷載作用，仰拱基底下滲水盲溝起到降低地下水位，及時(shí)將左、右拱腳下圍巖滲水排出，避免基底圍巖軟化。

（2）通過裂縫病害加固方案現(xiàn)場(chǎng)施工，表明Φ108鋼管樁間距、傾斜角度與注漿壓力是確保Φ108鋼管樁發(fā)揮作用的關(guān)鍵施工控制因素。

（3）在富水黃土隧道設(shè)計(jì)和施工中，特別注意圍巖滲水和左、右拱腳基底圍巖軟化的問題，及時(shí)將拱腳圍巖加固、仰拱基底地下水進(jìn)行引排、截流是保證隧道結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定的重要因素。

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