某高速公路頂管施工誘發(fā)路基塌陷成因分析及處治設(shè)計(jì)

盧波 劉光彬

作者簡介：盧?波（1987—），工程師，研究方向：巖土工程勘察設(shè)計(jì)。

文章以桂林某高速公路頂管施工誘發(fā)路基塌陷搶險(xiǎn)處治工程為實(shí)例，采用微型樁復(fù)合地基方案進(jìn)行加固處理，具有施工程序簡單、快速，對(duì)土層適用性強(qiáng)，可在較小施工區(qū)域施作的特點(diǎn)，與同體積灌注樁相比，具有承載力高的優(yōu)勢(shì)［1］，取得了良好的加固處治效果，安全、經(jīng)濟(jì)、高效地解決了地基加固問題［2］，對(duì)類似工程項(xiàng)目有借鑒意義。

微型樁；路基塌陷；頂管施工；搶險(xiǎn)處治

U418.5A120443

0?引言

隨著我國高速公路建設(shè)的快速發(fā)展，路網(wǎng)不斷完善，因施工誘發(fā)路基塌陷問題日益凸顯。在交通量日益增長的當(dāng)下，對(duì)出現(xiàn)的路基塌陷問題需要及時(shí)快速搶險(xiǎn)處治，同時(shí)要確保道路交通不中斷。采用傳統(tǒng)的大型機(jī)械加固處治方案顯然很難適應(yīng)道路恢復(fù)通行的迫切需求，因此亟須找到既能快速施工，又能保道路暢通，同時(shí)能適應(yīng)狹小空間施工的方法，本文提出的承載力高的微型樁復(fù)合地基加固處治方案，可為類似工程提供參考和借鑒。

1?工程簡介

桂林某引水工程采用頂管施工，下穿某高速公路，由6#頂管井頂進(jìn)至7#接收井，頂管施工采用泥水平衡法，雙管下穿高速路，頂管管材為混凝土管，內(nèi)徑為2.4 m，管道凈間距為2.94 m，埋深約13 m。在左側(cè)管道順利頂進(jìn)穿過高速公路，右側(cè)管道頂至高速公路右幅路肩時(shí)，發(fā)生了右幅路面應(yīng)急車道和行車道下沉塌陷，路面裂縫沿左右管道外側(cè)至快車道形成了圈椅狀裂縫，裂縫寬度5～10 mm，沉降高差達(dá)32.86 cm，如圖1所示。

2?工程地質(zhì)條件簡述

2.1?地層巖性

根據(jù)地質(zhì)調(diào)查、鉆探揭示及室內(nèi)土工試驗(yàn)結(jié)果，場(chǎng)地內(nèi)地層主要由第四系堆積層（Qml）、第四系殘坡積層（Qel+dl）、石炭系下統(tǒng)巖關(guān)階（C1y）地層組成。

2.1.1?第四系人工堆積層（Qml）

素填土：褐黃色，稍密-中密狀，主要成分為黏性土及碎石，土質(zhì)不均勻，為高速公路路基填土，堆填年限約9年，表層0.90 m為路面結(jié)構(gòu)層，已完成自重固結(jié)，揭示厚度4.00～5.00 m。

2.1.2?第四系殘坡積層（Qel+dl）

（1）黏土：褐黃、褐灰色，可塑-硬塑狀，土質(zhì)較均勻，局部夾灰黑色泥炭、泥煤，韌性及干強(qiáng)度高，揭示厚度5.20～9.00 m。

（2）頂管施工擾動(dòng)土層：該層成分主要為流塑狀黏土及頂管施工置換的泥漿，褐黃色，很濕-飽和，流塑，土質(zhì)較均勻，韌性及干強(qiáng)度高，揭示厚度2.10～3.20 m。屬高壓縮性土。具含水量高、孔隙比大、高壓縮性、承載力低、變形持續(xù)時(shí)間長等特點(diǎn)。

2.1.3?石炭系下統(tǒng)巖關(guān)階（C1y）

中風(fēng)化灰?guī)r：灰色，隱晶質(zhì)結(jié)構(gòu)，中厚層狀構(gòu)造，節(jié)理裂隙稍發(fā)育，裂隙多為方解石脈充填，巖體較破碎，巖質(zhì)較堅(jiān)硬，巖芯多呈短柱狀，少量呈塊狀、長柱狀。局部溶蝕裂隙發(fā)育，裂隙多無充填或泥質(zhì)充填，巖芯多呈碎塊狀，巖體基本質(zhì)量等級(jí)為Ⅳ級(jí)，最大揭示厚度6.80 m。

2.2?巖土力學(xué)參數(shù)取值

巖土層各力學(xué)參數(shù)根據(jù)原位測(cè)試成果、室內(nèi)試驗(yàn)成果，結(jié)合有關(guān)規(guī)范綜合確定，巖土層物理力學(xué)及巖土參數(shù)建議值見表1。

3?病害路段成因機(jī)理分析

3.1?路基病害成因分析

綜合鉆探和物探等成果，場(chǎng)地地質(zhì)條件復(fù)雜。右幅路基下伏基巖面附近溶蝕裂縫發(fā)育，地下水的補(bǔ)給排泄通道較多，水位波動(dòng)變化較大。頂管下穿高速公路右幅路基段屬半巖半土區(qū)域，即從位于巖面附近溶蝕裂隙發(fā)育區(qū)掘進(jìn)，上半部分為黏土，下半部分為中風(fēng)化灰?guī)r，且?guī)r面附近黏土具有較強(qiáng)水敏性，在頂管泥水平衡法盾構(gòu)施工過程中，存在上軟下硬的地質(zhì)條件。在鉆頭掘進(jìn)時(shí)，上半部分土體切削快于下半部分巖石，但為維持掘進(jìn)平衡及內(nèi)部泥漿壓力平衡，上半部土體會(huì)被不斷軟化、擾動(dòng)形成泥漿充填，且范圍會(huì)隨著掘進(jìn)速度而增大。同時(shí)因該段溶蝕裂縫發(fā)育，地下水補(bǔ)給排泄通道較多，使得頂管鉆進(jìn)過程中會(huì)消耗更多的泥漿水來維持泥漿壓力平衡，因此在該段鉆進(jìn)過程出現(xiàn)泥漿流失的情況，使得泥漿壓力失衡，為路基塌陷創(chuàng)造了有利條件。隨著頂管施工的進(jìn)程，泥漿不斷循環(huán)置換，管道附近區(qū)域土體軟化范圍不斷增大，形成了結(jié)構(gòu)性破壞土體（頂管施工擾動(dòng)土層），即形成了路基軟弱下臥層，失去了原有土體結(jié)構(gòu)的受力平衡，當(dāng)達(dá)到路基及其下土層自重和車輛荷載作用極限時(shí)，發(fā)生了路面塌陷變形破壞。

3.2?路基下臥層承載力和沉降變形驗(yàn)算

3.2.1?路基軟弱下臥層承載力驗(yàn)算

根據(jù)《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG 3363-2019）第5.2.6條軟弱下臥層承載力驗(yàn)算公式［3］，計(jì)算參數(shù)按表1選??；

軟弱下臥層（流塑狀黏土）修正后的地基承載力特征值fa=20+（19.8×5+19.2×6.2）/（5+6.2）×（5+6.2-3）=179.64 kPa。

在不考慮附加應(yīng)力，僅考慮自重應(yīng)力作用下，軟弱下臥層頂部自重應(yīng)力為：

可見，軟弱下臥層承載力在自重應(yīng)力作用下不能滿足要求，再加上車荷載作用，會(huì)更進(jìn)一步加劇路基的變形破壞。

3.2.2?路基沉降變形驗(yàn)算

利用GEO5 2022版軟件中地基固結(jié)沉降分析模塊，采用壓縮模量法計(jì)算路基沉降變形情況，計(jì)算參數(shù)按表1選取，計(jì)算模型及結(jié)果見圖2。

通過計(jì)算分析，路基下伏軟弱下臥層流塑狀黏土未能滿足承載力和沉降變形要求，路面已出現(xiàn)塌陷破壞，最大沉降變形量達(dá)34.37 cm，與路面沉降變形監(jiān)測(cè)成果相吻合。

4?處治方案

4.1?加固處治方案

根據(jù)病害路段場(chǎng)地工程地質(zhì)條件和路基病害變形發(fā)展特點(diǎn)，結(jié)合場(chǎng)地條件，該病害路段治理需解決路基下伏巖面及管道頂部2.10～3.20 m范圍流塑狀黏土形成的軟弱下臥層，同時(shí)考慮管道頂部跨越問題，以及交通通行要求，主要加固處治方案有：

方案1：注漿加固方案。該方案屬傳統(tǒng)的地基加固處治方案，優(yōu)點(diǎn)在于注漿加固設(shè)備簡單，占用空間小，具有較強(qiáng)的靈活性和適應(yīng)性，是較為有效的地基加固處治方案。結(jié)合場(chǎng)地條件，主要有以下兩方面原因?qū)υ摲桨覆焕?，?）場(chǎng)地覆蓋層主要為粉質(zhì)黏土，具有較小的孔隙比，對(duì)注漿擴(kuò)散很不利，同時(shí)下伏為灰?guī)r，具備巖溶發(fā)育的條件，亦會(huì)對(duì)注漿造成流失，注漿效果不理想；（2）該場(chǎng)地病害主要由頂管盾構(gòu)下穿，且尚未完成該區(qū)段盾構(gòu)施工，如果采用注漿加固方案勢(shì)必會(huì)對(duì)該段頂管進(jìn)行加固而無法進(jìn)行下一步施工，造成巨大損失，同時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)注漿涌入頂管段而出現(xiàn)注漿無效的情況，因此排除該方案。

方案2：水泥攪拌樁或高壓旋噴加固方案。該方案是軟土路基加固處治較為有效的方案，加固處治深度亦在合理的范圍。主要缺點(diǎn)是機(jī)械設(shè)備較大，施工占用工作面多，既有路面結(jié)構(gòu)層需要破除后方可施工，不利于高速公路的搶險(xiǎn)處治施工，也不利于交通疏導(dǎo)，該路幅不能中斷施工，故未采用該方案。

方案3：微型樁面板跨越方案。該方案屬新型方案，采用微型樁做支承，利用鋼筋混凝土面板跨越，解決了頂管段頂部加固問題。同時(shí)微型樁起到使路面車輛振動(dòng)峰值加速度快速衰減的作用［4］，有效地傳遞豎向荷載，確保路基長期穩(wěn)定。方案利用微型樁穿過軟土區(qū)，進(jìn)入管道底部，嵌固于下部基巖中，形成支撐體系；在破除路面結(jié)構(gòu)層的微型樁頂部，設(shè)置鋼筋混凝土板跨越管道頂區(qū)域，起到有效控制路面變形的作用。具體參數(shù)為：微型樁（錨筋樁）間距為1.0 m×1.0 m，錨筋樁束由4C32鋼筋組成，樁長18 m，嵌入頂管管底約2.0 m，樁頂設(shè)置厚50 cm鋼筋混凝土面板跨越頂管段，形成錨筋樁支撐棚架結(jié)構(gòu)體系，上部按瀝青路面恢復(fù)。見圖3。

4.2?微型樁方案驗(yàn)算

4.2.1?整體穩(wěn)定性驗(yàn)算

利用GEO5 2022版中軟件群樁設(shè)計(jì)模塊，計(jì)算分析微型樁內(nèi)力變形情況，并驗(yàn)算單樁豎向承載力，計(jì)算參數(shù)按表1選取，計(jì)算模型見圖4，位移計(jì)算結(jié)果見圖5和表2。

最大位移沉降值滿足《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D30-2015）軟土路基變形工后沉降容許值≤100 mm的要求［5］。

4.2.2?微型樁承載力驗(yàn)算

利用GEO5 2022版軟件中微型樁模塊，根據(jù)地層剖面計(jì)算微型樁內(nèi)力及變形情況，計(jì)算參數(shù)按表1選取，計(jì)算模型及結(jié)果見圖6和表3。

通過上述計(jì)算分析，微型樁（錨筋樁）板式跨越方案，能滿足豎向承載力及路基變形控制要求。

5?結(jié)語

本文以桂林某頂管施工誘發(fā)高速公路路基塌陷搶險(xiǎn)處治工程為實(shí)例，根據(jù)路基病害發(fā)展及變形情況，結(jié)合場(chǎng)地工程地質(zhì)條件和周邊環(huán)境、道路交通疏導(dǎo)等，創(chuàng)新性地采用了微型樁面板跨越方案，取得了良好的處治效果，經(jīng)濟(jì)效益明顯，值得推廣應(yīng)用，同時(shí)也總結(jié)了以下幾點(diǎn)結(jié)論：

（1）采用微型樁面板跨越方案可以有效解決路基軟弱下臥層引起的路面沉降變形問題，支承作用效果明顯，能有效傳遞路面振動(dòng)峰值加速度至下部基巖，達(dá)到穩(wěn)定性較好的目的。

（2）與傳統(tǒng)注漿、水泥攪拌樁等方案相比，微型樁面板跨越方案具有施工質(zhì)量、工期及工程造價(jià)可控等優(yōu)勢(shì)，靈活性強(qiáng)，可靠度高。其施工簡便、快速，符合搶險(xiǎn)工程的實(shí)際需求，有利于生態(tài)環(huán)境保護(hù)。

參考文獻(xiàn)

［1］魯志強(qiáng)，帥品南.微型樁技術(shù)在施工中的應(yīng)用［J］.技術(shù)應(yīng)用，2021，28（9）：74-75.

［2］章裕雄，周?俊，王志龍.微型樁復(fù)合地基技術(shù)應(yīng)用［C］.第二十六屆華東六省一市土木建筑工程技術(shù)交流會(huì)論文集，2020.

［3］JTG 3363-2019，公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［4］董?捷，孫京華，戎賀偉.微型樁加固公路路肩數(shù)值模擬分析［J］.河北建筑工程學(xué)院學(xué)報(bào)，2019，37（2）：16-19.

［5］JTG D30-2015，公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.