軟塑黃土隧道基底漿固碎石樁加固技術(shù)研究

趙斌洲

（中鐵二十二局集團(tuán)第五工程有限公司，重慶 400700 ）

0 引言

近年來關(guān)于大斷面黃土隧道的研究，國內(nèi)學(xué)者取得了大量的寶貴成果，成功解決了其修建過程中面臨的一系列難題，標(biāo)志著我國大斷面黃土隧道建設(shè)水平取得了長足發(fā)展和巨大進(jìn)步。但是，已有的研究成果對(duì)隧道穿越長段落軟塑性黃土理論研究、施工工藝技術(shù)、控制變形及基底處理方面的研究較少，已經(jīng)成為制約軟塑性黃土隧道安全施工和運(yùn)營的關(guān)鍵技術(shù)難題，很有必要開展深入研究。針對(duì)隧道基底軟塑黃土工程問題，目前國內(nèi)外主要的處治方法有：墊層換填法、強(qiáng)夯和強(qiáng)夯置換法、碎石樁法、加筋法、排水固結(jié)法以及水泥攪拌法等。漿固碎石樁復(fù)合地基屬于剛性樁復(fù)合地基的范疇。到目前為止，國家標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范中，還沒有正式提出有關(guān)漿固碎石樁的計(jì)算方法，也沒有具體的應(yīng)用到大斷面黃土隧道范例，本文結(jié)合新建銀川至西安鐵路上閣樁隧道展開相關(guān)研究工作。

1 工程概況

新建銀川至西安鐵路甘寧段站前工程YXZQ-2 標(biāo)段上閣村隧道位于甘肅省慶陽市寧縣焦村鄉(xiāng)境內(nèi)，屬黃土臺(tái)塬區(qū)，以董志塬為主體，地形平坦開闊，由塬面中心向四面緩傾，西高東低，地面高程1030m～1280m，相對(duì)高差250m。塬邊溝壑發(fā)育，支溝下切較深，多為“V”字形，兩岸邊坡高陡，多發(fā)育滑坡、錯(cuò)落、溜坍和黃土陷穴等不良地質(zhì)現(xiàn)象，重力地貌特征明顯。隧道進(jìn)口位于焦村鄉(xiāng)各店三隊(duì)西北側(cè)約650m 的“V”字形深切溝谷陡峻斜坡上，交通不便；出口下穿焦村鄉(xiāng)，位于街上村黃土塬頂，地勢(shì)平坦，農(nóng)田、道路、房屋遍布，交通便利。起訖里程為DK207+517.55～DK214+300，全長6782.45m，隧道最大埋深102m，為單洞雙線隧道。隧道縱坡為25‰的上坡，除洞身2140.643m 和出口段610.663 位于直線上外，其他分別位于R-8000 和R-7000的曲線上，為確保整體施工工期，結(jié)合隧道所處地形、地質(zhì)條件，本隧設(shè)1#斜井和2#斜井工程輔助正洞施工，其中1#斜井承擔(dān)正洞進(jìn)口方向長度1400m,承擔(dān)正洞出口方向長度1080m；2#斜井承擔(dān)正洞進(jìn)口方向長度1295m。本隧重難點(diǎn)控制工程主要為洞身穿越軟塑黃土底層、基底膨脹性地層沉降變形控制、底鼓變形及突泥塌方風(fēng)險(xiǎn)的處治。見圖1。

2 漿固碎石樁施工工藝

2.1 漿固碎石樁施工機(jī)械改良

2.1.1 上閣村隧道預(yù)實(shí)驗(yàn)

上閣村隧道一號(hào)斜井銀川端施工時(shí)，隧底黃土含水率高（約23%～27%），仰拱底開挖后有滲、出水現(xiàn)象。對(duì)基底進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)鉆探取樣化驗(yàn)，為軟塑、硬塑互層。

（1）2017年12月5日開始在DK211+350～DK211+361.9 段仰拱封閉成環(huán)的初支面上進(jìn)行鋼管樁試樁施工，處理深度13m，現(xiàn)場(chǎng)利用多功能液壓鉆機(jī)KR805-1 施工，軟塑層夾層厚度較厚，鉆進(jìn)過程扭矩大，鉆速慢，成孔出渣困難，且受仰拱曲面結(jié)構(gòu)影響，和棧橋、鉆孔機(jī)械設(shè)備占位影響，泥渣只能依靠人工清理、工作難度大，效率低。截止2017年12月18日，完成31根樁，平均6.5h/根。另外，由于孔內(nèi)地下水位較高，距孔口30cm，管內(nèi)灌注混凝土無法保證質(zhì)量。

（2）施工過程中先擴(kuò)孔開挖至230mm 后，進(jìn)行Φ194mm 鋼管樁下管，下管后管內(nèi)很快充滿水，后期管內(nèi)混凝土灌注質(zhì)量難以保障。

遂2018年1月11-12日，進(jìn)行漿固碎石樁試樁施工，處理深度15m，現(xiàn)場(chǎng)利用小型旋挖鉆機(jī)進(jìn)行施工。試樁鉆孔時(shí)間為3.5h；繼而，投放石料、注漿完成整根樁的施工。后續(xù)，正式施工時(shí)，鉆孔、投放石料、注漿，三道主要工序采用流水作業(yè)；鉆孔施工時(shí)間為主控環(huán)節(jié)，整體施工進(jìn)度約為4h/根。

現(xiàn)場(chǎng)試樁發(fā)現(xiàn)的問題：

1）施工場(chǎng)地作業(yè)面較小，施工機(jī)械布置在半幅隧道內(nèi)，只能施工2 排樁（按設(shè)計(jì)要求，半幅隧道需要打設(shè)3 排樁）。因此，保證棧橋通行的情況下，半幅場(chǎng)地只能施工2 排樁。即一塊工作面（12m 長）施工中，需要分3個(gè)縱斷面進(jìn)行施工，移動(dòng)一次棧橋、去掉一次棧橋

2）現(xiàn)場(chǎng)鉆孔過程中遇到石塊，部分石塊直徑大于15cm，影響現(xiàn)場(chǎng)鉆孔效率。

3）現(xiàn)場(chǎng)鉆孔中，在施工作業(yè)面以下3.5m 及11m 附近處，遇到硬塑夾層、硬塑夾層厚度在1-2m 之間。

2.2 漿固碎石樁施工工藝方法

2.2.1 施工準(zhǔn)備

組織人員、設(shè)備、材料進(jìn)場(chǎng)，進(jìn)行施工技術(shù)與安全交底。根據(jù)設(shè)計(jì)要求和地質(zhì)條件，進(jìn)行試打樁，確定施工工藝參數(shù)。并確定施工方案或施工組織設(shè)計(jì)，分段、半幅隧道進(jìn)行施工。

2.2.2 場(chǎng)地平整

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況，將隧道基底場(chǎng)地進(jìn)行平整，清除表面障礙物。

2.2.3 定位放線

根據(jù)設(shè)計(jì)圖，確定樁位軸線和樁位點(diǎn)，用?12 鋼筋插在樁位中心點(diǎn)上，并噴涂油漆做明顯標(biāo)記。樁位偏差小于±2mm。

2.2.4 護(hù)筒埋設(shè)

護(hù)筒作用為保護(hù)孔口，隔離上部雜填松散物，是防止孔口塌陷的必要措施，也是控制定位，標(biāo)高控制的基準(zhǔn)點(diǎn)。護(hù)筒選用60cm 的鋼制護(hù)筒，埋入深度以滿足隔離雜填土，防止孔口塌陷為準(zhǔn)，護(hù)筒外周間隙用黏土回填并搗實(shí)，以確保護(hù)筒穩(wěn)定牢靠且防止混凝土回灌。

2.2.5 樁機(jī)就位、鉆進(jìn)成孔

根據(jù)樁放樣點(diǎn)位，進(jìn)行樁機(jī)就位，鉆頭中心對(duì)準(zhǔn)樁位中心。鉆機(jī)就位后應(yīng)調(diào)整平穩(wěn)，施工作業(yè)人員應(yīng)從正面與側(cè)面兩個(gè)相互垂直方向，采用吊錐線或利用鉆機(jī)平臺(tái)用水平尺進(jìn)行垂直檢查，及時(shí)調(diào)整鉆機(jī)水平度，保證機(jī)具垂直，并將對(duì)準(zhǔn)樁位中心點(diǎn)。

采用輕便取土鉆機(jī)掏土鉆進(jìn)成孔，取土鉆機(jī)掏土作業(yè)是利用套在鉆桿上的螺旋套筒的部分刃片旋轉(zhuǎn)切削土層，并使土層切入套筒內(nèi)，待鉆入一定深度，提出套筒，清除筒內(nèi)泥土，再放下套筒取土，如此反復(fù)進(jìn)行操作。一節(jié)鉆桿鉆完后，可接上第二節(jié)鉆桿，直到鉆至設(shè)計(jì)要求的深度。

圖2 機(jī)移位及鉆孔取土

2.2.6 下注漿管

注漿管采用直徑25mm、長度3～6m 的鍍鋅鐵管，采用絲扣分段連接下放。安裝注漿管前應(yīng)清除管內(nèi)雜物，防止堵塞，注漿管底部與孔底之間的距離應(yīng)小于30 ㎝。

2.2.7 投放碎石

在鉆孔完成后，要分兩次進(jìn)行洗孔。然后投放碎石。粗骨料一般采用空隙率較大的16～40cm 級(jí)配的潔凈碎石。用翻斗車裝載投料，投料時(shí)，孔口放置投料漏斗，緩緩倒入孔內(nèi)，連續(xù)投料，直至填滿至樁頂標(biāo)高以上1m 為止。碎石投入量不應(yīng)小于樁孔體積。

2.2.8 壓力注漿

水泥采用42.5 號(hào)普通硅酸鹽水泥，砂為細(xì)砂。水泥砂漿的水灰比控制在0.5～0.6，并適當(dāng)使用堿水劑、粉煤灰等外加劑。施工前應(yīng)做好水泥砂漿配合比試驗(yàn)。

注漿前先拌制0.3 m3～0.5m3純水泥濃漿注入孔內(nèi)，充填孔底約2m 骨料間隙，并潤滑注漿管道。注漿是利用注漿泵的壓力，把水泥砂漿壓入注漿管中從孔底逐漸上升充填到碎石孔隙中，采用連續(xù)分段注漿。

3 漿固碎石樁加固效果評(píng)價(jià)與監(jiān)測(cè)

3.1 監(jiān)測(cè)內(nèi)容

為驗(yàn)證漿固碎石樁的加固效果，需根據(jù)相關(guān)規(guī)范規(guī)定對(duì)加固效果進(jìn)行驗(yàn)證。根據(jù)漿固碎石樁軟基處理的特點(diǎn)及科研實(shí)施方案本科研項(xiàng)目在試驗(yàn)路段進(jìn)行了以下項(xiàng)目的測(cè)試：

(1)土壓力監(jiān)測(cè):了解復(fù)合地基中水泥漿膠結(jié)碎石樁與樁間土的荷載分擔(dān)情況;

(2)孔隙水壓力試驗(yàn):了解路堤荷載作用下灌漿膠結(jié)碎石樁加固區(qū)路基土孔隙水壓力的變化規(guī)律;

根據(jù)上述監(jiān)測(cè)內(nèi)容本次觀測(cè)工作采用的觀測(cè)儀器和元件有：土壓力計(jì)、表面沉降板、孔隙水壓力計(jì)等。

3.2 儀器的布置及埋設(shè)

為推進(jìn)《銀西高鐵黃土塬區(qū)隧道修建技術(shù)研究》科學(xué)研究，并根據(jù)2018年1月13-14日組織召開的銀西鐵路（甘寧段）黃土隧道軟塑段施工、設(shè)計(jì)聯(lián)席會(huì)議意見，相關(guān)專業(yè)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)施工情況，認(rèn)真研究后，對(duì)驛馬一號(hào)隧道軟塑黃土段DK257+466～DK257+478 采取漿固碎石樁基底加固。12 米長試驗(yàn)段內(nèi)，漿固碎石樁施工布置、測(cè)試元期間布置等如圖1 所示。

圖1 儀器布設(shè)圖

在示范樁周邊設(shè)置兩個(gè)儀器孔，儀器孔內(nèi)沿著深度，間隔兩米布置一只豎向放置的土壓力盒，共放置6 個(gè)土壓力盒；在儀器孔中間深度各放置1 個(gè)孔壓計(jì)，共計(jì)2 個(gè)土壓力盒，用于測(cè)量施工過程中孔壓的變。且在仰拱下不同位置放置3 個(gè)土壓力盒、樁頂放置一個(gè)土壓力盒，用于測(cè)量不同位置的樁土應(yīng)力比。具體儀器布設(shè)見上圖。

3.3 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理

由各儀器的頻率測(cè)值根據(jù)其對(duì)應(yīng)的率定系數(shù)計(jì)算出每個(gè)元件的壓力值，并繪制相應(yīng)土壓力、孔隙水壓力隨荷載的變化曲線圖。

圖2 不同間距測(cè)量示范樁的側(cè)向壓力變化值

由上圖可以看出：在1 倍樁徑處測(cè)量成樁的過程中有土壓力大于1.5 倍樁徑處，且呈現(xiàn)有規(guī)律的變化，且在注漿過程紅側(cè)向土壓力變化峰值值r/dc=1.0 是r/dc=1.5 的1.6 倍。說明在成樁過程中對(duì)土體有加密作用，同時(shí)在注漿的過程中有加密作用，說明漿固碎石樁在處理隧道基地軟塑黃土的中，不僅能夠起到豎向的承載作用，同時(shí)能夠起到側(cè)向的擠壓加密作用。

4 結(jié)論

通過對(duì)漿固碎石樁進(jìn)行室內(nèi)外試驗(yàn)、施工工藝、施工機(jī)械、檢測(cè)方法等方面進(jìn)行深入研究，形成了漿固碎石樁在黃土隧道黃土軟塑地基條件下的加固方法。漿固碎石樁作為一種新型樁基，在黃土隧道軟土地基加固方面有其特殊優(yōu)點(diǎn)：加固效果好，質(zhì)量可靠；處理深度大；施工效率高；施工質(zhì)量易于保證；質(zhì)量檢測(cè)簡(jiǎn)單快捷；經(jīng)濟(jì)性優(yōu)越；綜合上述分析，選其作為加固方案在技術(shù)上是可行的、經(jīng)濟(jì)上是合理的。