隧道巖溶地基高壓旋噴樁處治效果模擬分析

作者簡介：

梁 佳（1983—），工程師，主要從事高速公路建設(shè)管理方面的工作。

摘要：為研究高速公路隧道巖溶地基高壓旋噴樁處治效果，文章根據(jù)隧道巖溶路段工程地質(zhì)與水文地質(zhì)情況，制定高壓旋噴樁處治方案并確定施工參數(shù)，同時(shí)采用ANSYS軟件對處治前后隧道巖溶地基的應(yīng)力和變形進(jìn)行模擬分析。結(jié)果表明：處治后該路段地基土應(yīng)力、應(yīng)變和位移均得到了有效控制，地基土抗變形性能和承載能力得到了明顯提升，達(dá)到了預(yù)期處治效果。

關(guān)鍵詞：隧道；巖溶地基；高壓旋噴樁；處治效果

中圖分類號：U457+.2 A 42 133 3

0 引言

隧道巖溶路段穩(wěn)定性差，開挖后隧道圍巖自穩(wěn)能力差，常常引起隧道結(jié)構(gòu)出現(xiàn)較大變形，造成圍巖局部坍塌、掉塊，甚至出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象。而巖溶路段涌水不僅會影響隧道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，還會危害施工人員和設(shè)備的安全，如處治不當(dāng)在隧道運(yùn)營期間還會出現(xiàn)掉拱、滲漏水等病害，影響隧道安全運(yùn)營［1］。因此，隧道巖溶路段處治效果不僅會影響施工過程中的施工質(zhì)量和安全，還會影響隧道的正常運(yùn)營［2］。本文以某高速公路隧道巖溶路段處治工程為研究背景，根據(jù)施工現(xiàn)場工程地質(zhì)與水文地質(zhì)情況，擬采用高壓旋噴樁對該路段充填型巖溶地基進(jìn)行處治，并在處治后采用ANSYS軟件對該巖溶路段處治前后的應(yīng)力、應(yīng)變、位移進(jìn)行模擬分析，以確定巖溶路段處治效果。

1 工程概況

某高速公路隧道設(shè)計(jì)全長為2.652 km，主洞凈寬為10.75 m，凈高為5 m，其中緊急停車帶段凈寬為3.75 m；車行橫洞凈寬為4.5 m，凈高為5 m；人行橫洞凈寬為2.0 m，凈高為2.5 m，行車道寬度為3.75 m。該隧道內(nèi)部分布有多處巖溶路段，其中有大型溶洞路段8處，充填型巖溶路段4處，隱伏溶洞多處。該隧道穿越路段為溶蝕低山峽谷地貌，地表起伏大，最大相對高差達(dá)到385 m。隧道進(jìn)出口均有基巖出露和少量危石。隧道圍巖主要為灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r，節(jié)理發(fā)育，質(zhì)地堅(jiān)硬，完整性較好。地表水主要為大氣降水，地下水包括裂隙水和巖溶水，巖溶地下水發(fā)育。巖溶路段填充物主要為軟塑-硬塑狀土體或泥石混合體，總影響長度約為300 m。該隧道巖溶路段以充填型溶洞為主，施工難度大，且隧底穩(wěn)定性較差，承載能力不足，擬對該路段隧底采用高壓旋噴樁進(jìn)行加固處理。為控制圍巖變形、保證隧道施工安全，在開挖前采用超前小導(dǎo)管、超前鉆孔預(yù)注漿進(jìn)行加固處理。

2 巖溶地基高壓旋噴樁處治方案

本文以K36+526～K36+585段充填性巖溶地基處治為例。該路段填充物主要為軟塑狀黏土和塊碎石土夾碎石土，隧底地基承載力不足，擬采用高壓旋噴樁進(jìn)行加固處治，兩側(cè)邊墻外側(cè)基底采用75 mm斜向鋼花管樁注漿加固。現(xiàn)場加固布置如圖1所示。K36+526～K36+585段充填性巖溶地基處治深度根據(jù)填充物厚度確定，該路段隧底填充物厚度為5～26 m。高壓旋噴樁設(shè)計(jì)樁徑＞450 mm，樁孔為70 mm，樁間距為100 cm，相鄰兩排間距為100 cm，0～3 m注漿壓力為27 MPa，3 m以下為25 MPa。兩側(cè)邊墻鋼花管樁采用75 mm鋼花管，布置間距為100 cm，與高壓旋噴樁交錯(cuò)布置，排間距為6.5 m，注漿壓力為2～3 MPa。施工設(shè)備選用GQ-76型振動鉆機(jī)、GXP-20低架旋噴鉆機(jī)、DS150-50型高壓泥漿泵、空氣壓縮機(jī)、高壓水泵和泥漿攪拌機(jī)等設(shè)備。高壓旋噴樁注漿材料選用P.O325型普通硅酸鹽水泥，速凝早強(qiáng)劑選用CaCl2，摻量為3%，水灰比按1∶1～1.5∶1控制［3］。

3 隧道巖溶地基高壓旋噴樁處治效果模擬分析

3.1 建立計(jì)算模型與三維有限元網(wǎng)格

為了分析隧道巖溶段地基高壓旋噴樁處治效果，采用ANSYS軟件建立模型，進(jìn)行有限元模擬分析。K36+526～K36+585段隧底巖溶地基處治計(jì)算范圍以隧道軸線為中心，左右兩側(cè)邊界面形狀相同，計(jì)算范圍為108 m×110 m×459 m。K36+526～K36+585巖溶路段填充物厚度為5～26 m，最低底部標(biāo)高為528.54 m。隧道計(jì)算模型與網(wǎng)格劃分如圖2所示，隧道巖溶路段計(jì)算模型與網(wǎng)格劃分如圖3所示。

K36+526～K36+585段隧道網(wǎng)格采用六面體八節(jié)點(diǎn)塊體單元，共計(jì)劃分為18 368個(gè)單元，21 568個(gè)節(jié)點(diǎn)。由于高壓旋噴樁樁徑＞450 mm，而樁間距僅有100 cm，因此將樁體和樁間土看作復(fù)合土體，將處治后的隧底區(qū)域看作均質(zhì)的復(fù)合層，以簡化計(jì)算過程［4］。隧道巖溶路段地基土設(shè)定為SOLID 45單元，隧道襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)定為SOLID 185單元。

3.2 巖溶路段處治前后位移分布模擬分析

為了確定處治前后隧底地基土體中各點(diǎn)的位移分布情況，按照上述參數(shù)，利用有限元軟件進(jìn)行模擬分析［5］。結(jié)果顯示，在該段充填型巖溶地基中，處治前后x向位移和y向位移曲線分別如圖4和圖5所示。

分析圖4曲線變化趨勢可知，巖溶路段處治前不同深度x向位移變化較大，其中深度0～16 m范圍內(nèi)為-x方向位移，深度16 m以上為+x方向位移。而在處治后曲線近似于一條直線，也呈現(xiàn)淺部為-x方向位移，深部為+x方向位移。處治前土體x向位移遠(yuǎn)高于處治后，且不同深度位移也有較大區(qū)別，而處治后不同深度位移相差較小，說明處治后地基土抗變形性能得到了有效提升。

分析圖5曲線變化趨勢可知，巖溶路段處治前沿長度方向y向位移變化較大，且均為-y方向的位移，各長度方向處治前y向位移均高于處治后；處治后沿長度方向y向位移曲線近似于一條直線，說明高壓旋噴樁處治后有效提高了該路段巖溶地基抗變形性能。這是由于水泥旋噴樁中摻入了水泥，水泥水化后使樁體剛度不斷提高，提高了復(fù)合地基的抗變形性能，從而降低了豎向變形。由于高壓旋噴樁處治后地基土變形模量有所提高，因此處治后復(fù)合土體中各點(diǎn)在x向和y向的位移近似于一條曲線。

3.3 巖溶路段處治前后豎向應(yīng)力分布模擬分析

為了確定處治前后隧底地基土體中各點(diǎn)的應(yīng)力分布情況，同樣按照上述參數(shù)，利用有限元軟件進(jìn)行模擬分析。結(jié)果顯示，在該段充填型巖溶地基中，處治前后不同深度豎向應(yīng)力的變化曲線分別如圖6和圖7所示。

分析圖6和圖7所示的曲線變化趨勢可知，處治前和處治后隨深度增加，豎向應(yīng)力均不斷下降。地基高壓旋噴樁處治前，在K36+535處豎向下降幅度最小，達(dá)到20 m底部應(yīng)力約為頂部應(yīng)力的60%左右，而在K36+575處豎向下降幅度最大，達(dá)到20 m底部應(yīng)力僅為頂部應(yīng)力的15%左右。地基高壓旋噴樁處治后，地基土豎向應(yīng)力向樁體周圍集中，主要集中在淺部，且淺部應(yīng)力較大，隨深度增加不斷下降。與處治前相比，地基土應(yīng)力區(qū)域范圍有一定幅度下降，處治后地基土的附加應(yīng)力也大幅下降。在K36+535處和K36+575處平均豎向應(yīng)力僅為處治前的0.002倍。因此，處治后該段充填型巖溶地基土豎向應(yīng)力大幅下降，可有效控制地基沉降變形。

3.4 巖溶路段處治前后應(yīng)變分布模擬分析

為了確定處治前后隧底地基土體中各點(diǎn)的應(yīng)變分布情況，同樣按照上述參數(shù)，利用有限元軟件進(jìn)行模擬分析。結(jié)果顯示，在該段充填型巖溶地基中，處治前后不同深度豎向應(yīng)變變化曲線分別如圖8和圖9所示。

分析圖8和圖9所示的曲線變化趨勢可知，處治前豎向應(yīng)變主要為壓應(yīng)變，且隨著深度的增加應(yīng)變不斷下降，最大應(yīng)變出現(xiàn)在深度8 m位置。處治后豎向應(yīng)變主要為拉應(yīng)變，也呈現(xiàn)隨深度增加應(yīng)變不斷下降的趨勢。與處治前相比，應(yīng)變值下降明顯，其應(yīng)變值僅為處治前的10-4倍。說明高壓旋噴樁處治后，地基土豎向應(yīng)變得到了有效控制，地基承載力得到了明顯提升［6］。

4 結(jié)語

本文以某高速公路隧道K36+526～K36+585段隧底充填型溶洞高壓旋噴樁處治為研究背景，根據(jù)施工現(xiàn)場實(shí)際情況制定處治方案、確定施工參數(shù)，利用軟件建立有限元模型，進(jìn)行三維彈塑性有限元模擬計(jì)算，對處治前后巖溶路段位移、應(yīng)力和應(yīng)變進(jìn)行模擬計(jì)算，分析計(jì)算結(jié)果得出以下結(jié)論：

（1）通過對比分析，得出巖溶路段處治后x向位移和y向位移均遠(yuǎn)低于處治前，說明采用高壓旋噴樁處治后有效提高了地基土抗變形性能，降低了土體中各點(diǎn)的位移。

（2）處治前后地基土豎向應(yīng)力均隨深度增加不斷下降，且處治后地基土豎向應(yīng)力較處治前有大幅下降，應(yīng)力主要集中在淺部，應(yīng)力區(qū)域范圍有一定下降，能有效降低地基沉降變形。

（3）處治前后豎向應(yīng)變均呈現(xiàn)隨深度增加而下降的趨勢，處治前地基土豎向應(yīng)變?yōu)閴簯?yīng)變，處治后為拉應(yīng)變，且應(yīng)變值遠(yuǎn)低于處治前，說明采用高壓旋噴樁處治后有效控制了地基土豎向應(yīng)變，地基承載力得到了明顯提升。

參考文獻(xiàn)

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收稿日期：2022-10-09