隧道洞口擋土墻穩(wěn)定性及其加固技術(shù)研究

黃建秋，向征華，張 泉，李春霖，吳 鋼

（1.中鐵五局集團(tuán)第一工程有限責(zé)任公司，長沙 410117；2.長沙理工大學(xué) 汽車與機(jī)械工程學(xué)院，長沙 410114）

作為隧道施工中的關(guān)鍵工序，隧道洞口擋土墻的穩(wěn)定性對隧道施工及后續(xù)運(yùn)營有著重要影響[1-2]。針對諸如隧道洞口坍塌這一類突發(fā)且棘手的問題，學(xué)者們已經(jīng)開展了廣泛的研究，并得到了許多可喜的成果[3-4]。鄔龍剛等[5]結(jié)合工程實(shí)際，采用“半明洞+半護(hù)拱”的半明半暗結(jié)構(gòu)形式入洞，并配合數(shù)值模擬進(jìn)行了分析。王琳等[6]以在建的福州董奉山隧道為依托，以正交試驗(yàn)法和數(shù)值模擬相結(jié)合的手段，研究了隧道洞口淺埋段鎖腳錨管參數(shù)對施工變形的影響。丁廣煒等[7]以拉林鐵路米林隧道為實(shí)例，對隧道洞口段的加固方案進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計。李卓軍[8]依托重慶市某在建隧道，對軟弱泥巖下的淺埋隧道進(jìn)行了技術(shù)研究。本文以前人研究經(jīng)驗(yàn)為依據(jù)，結(jié)合某工程實(shí)際，對該實(shí)際情況下的擋土墻穩(wěn)定性進(jìn)行了定量分析。通過本研究旨在為今后擋土墻加固提供一個新的思路。

1 工程概述

某隧道工程所在地，地表巖層以花崗巖為主，地質(zhì)條件極其復(fù)雜。考慮到施工需要，要修筑一個寬約20 m的施工平臺，該施工平臺地址選在隧道橫洞洞口外側(cè)堆積物上，此外，采用C30 混凝土澆筑的衡重式路堤擋土墻收坡位于該施工平臺外圍（該收坡長度90 m 左右，高度13.2 m 左右）。

2 擋土墻失穩(wěn)監(jiān)測與原因分析

2.1 失穩(wěn)監(jiān)測

為了確定合理的預(yù)防和治理方案，需要分析造成擋土墻失穩(wěn)的原因。在本研究中，18 個監(jiān)測點(diǎn)被設(shè)置在了隧道橫向隧道進(jìn)口擋土墻內(nèi)。從2022 年1 月25日開始，對洞口處擋土墻的位移和沉降進(jìn)行監(jiān)測。截至2022 年3 月13 日，監(jiān)測結(jié)果如圖1 和表1 所示。通過觀察圖1（a）中擋土墻的位移監(jiān)測曲線和圖1（b）中的沉降監(jiān)測曲線，可以發(fā)現(xiàn)，在近50 d 的監(jiān)測期內(nèi)，所有監(jiān)測點(diǎn)中，監(jiān)測點(diǎn)號6 的位移和沉降同時達(dá)到最大值，分別達(dá)到179 mm 和89 mm。因此，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注監(jiān)測點(diǎn)號6，采取措施，以確保擋土墻在該監(jiān)測點(diǎn)號附近的安全。

表1 擋土墻位移及沉降監(jiān)測統(tǒng)計表 mm

圖1 失穩(wěn)監(jiān)測曲線

2.2 失穩(wěn)原因分析

施工平臺位于強(qiáng)風(fēng)化花崗巖上，由于施工原因，增加了巖堆體上的載荷，導(dǎo)致?lián)跬翂Πl(fā)生顯著的沉降和位移。造成這一現(xiàn)象的原因可能有以下幾點(diǎn)：①擋土墻修筑在強(qiáng)風(fēng)化花崗巖上，在施工完成后，由于人工和天氣的影響，墻后土壤受到施工用水和雨水的浸泡，導(dǎo)致堆積密度增加，增加了墻體所承受的壓力；②在土壤回填過程中，由于沒有進(jìn)行分層碾壓并每層鋪設(shè)人工格柵，所以回填的土壤壓實(shí)度不夠，導(dǎo)致更多的雨水滲透進(jìn)了土壤中，顯著影響了巖堆體的穩(wěn)定性，導(dǎo)致墻體發(fā)生形變，甚至出現(xiàn)裂縫。擋土墻裂縫現(xiàn)場勘查圖如圖2 所示。

圖2 擋土墻裂縫現(xiàn)場勘查圖

3 擋土墻加固方案

3.1 方案概況

①為了保證施工平臺機(jī)械安全穩(wěn)定運(yùn)行及施工人員的生命安全，卸載擋土墻頂高度約5 m、寬度約4 m的填土，靠近橫洞側(cè)的墻體按1∶1.25坡率放坡。②為加固擋土墻，對其基底進(jìn)行灌漿，在擋土墻外側(cè)底部斜向用風(fēng)鉆鉆2排間距為2 m，以梅花形布置的Ф50 mm孔。將直徑為42 mm的無縫鋼花管作為灌漿管（壁厚4 mm）。③將直徑89 mm，壁厚4.5 mm的豎向鋼花管作為灌漿管對擋土墻墻體內(nèi)側(cè)進(jìn)行灌漿加固，鋼花管以1 m的間距呈正方形布置成2排，2排鋼花管管長并不相等，分別為16 m和14 m。在操作中，要將鋼花管插入至少3 m深的穩(wěn)定巖層中，擋土墻與灌漿位置之間至少保證3 m的安全距離。選用3根直徑為28 mm的HRB400鋼筋插入鋼花管中。采用氣動干鉆法，要求鉆孔直徑為Ф130 mm，孔深50 cm以上。④完成上述施工后，為避免雨水浸泡，要進(jìn)行封閉措施，故而鋪設(shè)Φ8 mm@20 cm×20 cm鋼筋網(wǎng)片加10 cm噴射土進(jìn)行封閉。⑤2個監(jiān)測斷面被設(shè)置，以加強(qiáng)安全監(jiān)測。坡面位移監(jiān)測樁和監(jiān)測釘也同時被采用，以加強(qiáng)墻體和邊坡的整體監(jiān)測。⑥在完成上述操作后，如果擋土墻上存在不均勻沉降和水平位移不收斂的情況，應(yīng)在擋土墻上施加寬度至少為3 m、高度至少為2 m的格賓石籠反壓。⑦考慮到雨水的截排，應(yīng)當(dāng)在施工平臺靠內(nèi)側(cè)設(shè)置不小于0.3 m×0.3 m的矩形排水溝。

3.2 方案實(shí)施

清方卸載。拆除擋土墻頂部約寬5m、長50m 的填土。

管樁加固。鋼花管灌漿順序：放線→鉆機(jī)就位→鉆孔→清孔→插入鋼花管→管內(nèi)植入鋼筋→灌漿。具體內(nèi)容如下。

放線。根據(jù)設(shè)計要求的間距、排距及標(biāo)高進(jìn)行測量放線。

鉆機(jī)定位。在鋼管樁已經(jīng)定好位的基礎(chǔ)上，將鉆機(jī)水平放置在樁孔位置，防止傾斜，確保鉆機(jī)的穩(wěn)定性。

鉆孔。鋼花管成孔采用風(fēng)動干鉆施工法，鉆機(jī)采用ZGYX430 潛孔鉆機(jī)，鉆孔孔徑為Ф130 mm，孔深超鉆50 cm；由于為巖堆體，易塌孔，采用跟管鉆進(jìn)法，邊鉆孔邊下鋼套管。將鉆桿吊至鉆機(jī)一側(cè)，啟動鉆機(jī)，慢慢鉆入。每隔2 m 深須連接一次鉆桿，直至達(dá)到鋼管樁所需深度。為防止相鄰鉆孔的干擾，應(yīng)采用間隔鉆孔的方法。鉆孔完成后及時采用高壓送風(fēng)進(jìn)行清孔，以確?？變?nèi)清潔。

鋼花管制作。鋼花管需在鉆孔前準(zhǔn)備好。按照設(shè)計圖紙，以直徑89 mm，壁厚4.5 mm 的無縫管作為材料來制作鋼花管，在頂端設(shè)置自由段，長度為3 m，在該自由段不鉆孔，剩余部分需要沿管軸線10 cm、管徑向每旋轉(zhuǎn)45°鉆設(shè)孔徑為8 mm 的灌漿孔。同一截面處的鋼管接頭數(shù)量不得超過總數(shù)的50%。以厚度為5 mm的鋼板通過焊接密封鋼管底部，選擇直徑為16 mm 的鋼筋，為鋼管焊制一個底部支架，并在鋼花管上每隔3.0 m 設(shè)一道對中環(huán)。

注漿機(jī)安裝。在施工現(xiàn)場尋找合適位置安裝灌漿機(jī)及攪拌機(jī)，做好灌漿前的準(zhǔn)備工作。

清孔。當(dāng)所鉆的鉆孔深度達(dá)標(biāo)并按要求安裝鋼套管后，清理孔中雜物。

安放鋼花管。清孔完畢后，即可開始安裝制作好的鋼花管，在安裝過程中應(yīng)確保連接牢固，強(qiáng)度滿足施工要求。校準(zhǔn)后，拆除套管，移動鉆機(jī)，進(jìn)行下一步的鉆孔施工。

管內(nèi)植筋。鋼化管內(nèi)插入3 根Ф28 mm 鋼筋。

灌漿。以（0.6～0.8）∶1 的水和水泥比，并摻入少量早強(qiáng)高效減水劑（約水泥的5%）制作漿液。漿液以壓漿的形式通過孔徑22 mm 的PVC 管進(jìn)行壓入，為在保證安全的前提下順利實(shí)現(xiàn)灌漿，將灌漿壓力設(shè)為2～3 MPa。在灌漿過程中，當(dāng)觀察到有漿液從孔中流出時，即可停止灌漿，當(dāng)漿液由于凝固收縮而回落到孔口以下時，應(yīng)及時補(bǔ)漿，直至注滿。鋼管底設(shè)封底鋼板防止注漿進(jìn)入鋼管。

施工平臺封閉。平臺鋼管樁施工完成后，為防止雨水進(jìn)入，擋土墻平臺采用10 cm 厚噴射混凝土封閉。

4 擋土墻加固分析

4.1 變形及沉降監(jiān)測

沿?fù)跬翂w布置間距為5 m 的監(jiān)測點(diǎn)和測量斷面，若期間出現(xiàn)斷面變化，則在該處增設(shè)。為便于觀察，在擋土墻頂部設(shè)置觀測點(diǎn)。

測量點(diǎn)的埋設(shè)應(yīng)牢固可靠，且埋設(shè)后應(yīng)當(dāng)做上記號。垂直沉降測量的監(jiān)測點(diǎn)采用Ф22 mm 鋼筋制作，并在埋設(shè)時要借助鉆孔，測點(diǎn)通過錨固劑錨固在不小于20 cm 的混凝土中，端部至少露出混凝土5 cm。

位移監(jiān)測測點(diǎn)埋設(shè)：選擇直徑為22 mm 的螺紋鋼筋，將其埋入墻體內(nèi)，入墻長度至少20 cm，隨后將其進(jìn)行錨固，錨固后用厚度大約為3 mm 的鋼板加工一個邊長為6 cm 的正方形，將該正方形焊接在螺紋鋼筋端部，用透明膠帶包裹該正方形鋼板，并貼上反射片作為量測點(diǎn)位。

水平位移監(jiān)測：水平位移的監(jiān)測通常要借助全站儀。該儀器通常先安置在某一個已知的點(diǎn)，后視另一個已知點(diǎn)，站點(diǎn)調(diào)整合適后，通過對準(zhǔn)反光片中心與點(diǎn)的位置即可得到相應(yīng)的坐標(biāo)。通過收集的數(shù)據(jù)計算出水平位移的大小。而沉降量的大小一般則需要用電子水準(zhǔn)儀來測量。該儀器對于安裝位置有著一定的考究（通常要在水準(zhǔn)點(diǎn)和基準(zhǔn)點(diǎn)之間選擇一個合適位置）。測量時，在基巖設(shè)置2 個基準(zhǔn)點(diǎn)，通過測量監(jiān)測點(diǎn)與基準(zhǔn)點(diǎn)的高度差，即可計算出沉降量的大小。

4.2 結(jié)果分析

在對墻體進(jìn)行加固后，對擋土墻位移和沉降進(jìn)行了監(jiān)測。結(jié)果如圖3 和表2 所示。通過分析圖3（a）的位移曲線、圖3（b）的沉降曲線及表2 的監(jiān)測結(jié)果，可以看出，經(jīng)過加固防治后，擋土墻的位移和沉降均大幅減小。與加固前一樣，加固后墻體位移和沉降的最大值依然都發(fā)生在監(jiān)測點(diǎn)號6 處，但其值的大小均發(fā)生了大幅下降：最大位移值為25 mm，最大沉降值為32 mm，相比于加固前分別降低了154 mm 和57 mm，降低率分別達(dá)到了86%和64%。這表明，本文所采用的鋼花管灌漿加固擋土墻墻體及其外圍土體的方法，在提高擋土墻墻體的穩(wěn)定性的同時，也增加了外圍土體的強(qiáng)度，從而大幅改善了擋土墻位移和沉降的問題。

表2 加固后擋土墻的位移及沉降值 mm

圖3 加固后擋土墻的監(jiān)測曲線

5 結(jié)論

依據(jù)某隧道橫洞施工背景，在洞口擋土墻中布置18 個監(jiān)測點(diǎn)，借助相關(guān)的監(jiān)測儀器，對擋土墻墻體及其外圍土體加固前后的位移和沉降情況進(jìn)行了量化分析，根據(jù)測量結(jié)果顯示，加固前后的擋土墻最大位移和沉降均發(fā)生在監(jiān)測點(diǎn)號6 處。與加固前相比，最大位移減少了86%，最大沉降減少了64%。擋土墻的位移和沉降得到了有效控制。