高壓旋噴樁施工參數(shù)對(duì)隧道圍巖力學(xué)響應(yīng)的影響研究

關(guān)鍵詞：高壓旋噴樁；數(shù)值模擬；加固效果；沉降；圍巖應(yīng)力

中圖分類號(hào)：U457+.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOl：10.13282/j.cnki.wccst.2025.03.053

文章編號(hào)：1673-4874（2025）03-0187-04

0 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，對(duì)交通運(yùn)輸?shù)男枨笾鹉暝黾樱犯采w區(qū)域也越來(lái)越廣泛，而我國(guó)國(guó)土面積大，地域遼闊，修建隧道時(shí)不可避免會(huì)遇到軟巖等不良地質(zhì)，需要對(duì)其采用特殊加固措施，一般的管棚支護(hù)，超前小導(dǎo)管注漿等難以滿足工程實(shí)際需求，有諸多弊端。高壓旋噴樁超前預(yù)支護(hù)技術(shù)在土層加固方面具有很好的效果，可有效地控制支護(hù)范圍和質(zhì)量，對(duì)土層進(jìn)行加固，提供可靠的支護(hù)措施。許勁松等1依托云南某工程基于解析計(jì)算、數(shù)值模擬及現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)方法探究了水平高壓旋噴樁對(duì)軟弱圍巖的加固效果，并給出了樁體的取值參數(shù)建議。李滿強(qiáng)[2基于元墩隧道對(duì)高壓旋噴樁的加固效果進(jìn)行了分析，結(jié)果表明采用高壓旋噴樁后隧道的抗?jié)B性等都有所提高。歐陽(yáng)林等[3以福州地鐵1號(hào)線為工程依托，建立數(shù)值模型，分析了高壓旋噴樁聯(lián)合袖閥管注漿等加固措施的加固效果。任鵬[4結(jié)合實(shí)際工程，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)、數(shù)值模擬等探究了高壓旋噴樁對(duì)軟弱圍巖的加固效果。林目國(guó)等5以實(shí)際工程為依托探究了高壓旋噴樁在具有溶洞等復(fù)雜地質(zhì)條件下的隧道加固效果。

本文基于某隧道工程，采用數(shù)值模擬方法探究了高壓旋噴樁施工參數(shù)（樁徑、樁長(zhǎng)、樁間距）對(duì)隧道圍巖力學(xué)響應(yīng)的影響，研究結(jié)果可為工程施工提供參考依據(jù)。

1高壓旋噴樁增強(qiáng)機(jī)理分析

高壓旋噴樁的加固機(jī)理主要包括噴射壓實(shí)作用、土體固化作用、土體摩擦力增加以及地下水位控制作用。通過(guò)高壓注漿形成的堅(jiān)實(shí)樁體，增加土體的密實(shí)度和穩(wěn)定性，提高土體的承載力和抗剪強(qiáng)度，從而改善軟弱圍巖地質(zhì)條件，保障地下工程的安全性和穩(wěn)定性。具體加固機(jī)理如下：

（1）噴射壓實(shí)作用：高壓旋噴樁通過(guò)高壓注漿技術(shù)將水泥漿或其他適當(dāng)?shù)臐{料以高速和高壓噴射到地下，形成一個(gè)環(huán)形的樁體。在這一過(guò)程中，漿液的高速噴射能夠促使土體顆粒的重新排列和土體內(nèi)部孔隙的減少，從而實(shí)現(xiàn)土體的局部密實(shí)和固結(jié)。

（2）土體固化作用：在高壓注漿的過(guò)程中，漿液滲透到土體中，與土體內(nèi)部的顆粒發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成水泥石，從而加固土體。此外，噴入的漿液填滿了土體中的孔隙和裂隙，形成了堅(jiān)實(shí)的樁體，提高了土體的整體強(qiáng)度和穩(wěn)定性。

（3）土體摩擦力增加：高壓旋噴樁的形成增加了土體顆粒間的摩擦力，通過(guò)漿液填充和固化，形成一個(gè)堅(jiān)實(shí)的樁體，增加土體內(nèi)部的內(nèi)摩擦角，從而提高土體的承載力和抗剪強(qiáng)度。

（4）地下水位控制作用：高壓旋噴樁在施工中常常伴隨著高壓注漿，這種高壓漿液的注入能夠?qū)Φ叵滤黄鸬揭欢ǔ潭鹊目刂谱饔?，減小地下水對(duì)軟弱圍巖的侵蝕和沖刷，進(jìn)一步加強(qiáng)軟弱圍巖地質(zhì)的穩(wěn)定性。

2 工程概況及施工問(wèn)題

某公路隧道左幅長(zhǎng)2030m，洞頂最大埋深為135m；右幅長(zhǎng)2 2041m ，洞頂最大埋深為 132m. 隧道采用鉆爆法施工。隧道襯砌形式為：以錨噴混凝土和長(zhǎng)管棚、小導(dǎo)管注漿、超前錨桿配合型鋼、格柵鋼架作為初期支護(hù)，內(nèi)層用模注混凝土作為二次襯砌的復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)。格柵鋼架主筋采用HRB335鋼筋，箍筋采用R235鋼筋；型鋼鋼架采用I18工字鋼。洞內(nèi)系統(tǒng)錨桿采用普通水泥砂漿錨桿和WTD中空注漿錨桿，WTD中空注漿錨桿用在裂隙發(fā)育的地區(qū)。

施工過(guò)程中發(fā)現(xiàn)圍巖自穩(wěn)性差，開挖后拱頂及側(cè)壁易坍塌，初期支護(hù)變形速率快，最大累計(jì)沉降達(dá)7.81cm，遠(yuǎn)超規(guī)范限值。同時(shí)，裂隙水滲透導(dǎo)致圍巖軟化，承載力顯著降低，而原設(shè)計(jì)超前小導(dǎo)管注漿配合型鋼拱架支護(hù)因注漿范圍不可控、漿液擴(kuò)散不均，加固效果不佳。為此選擇高壓旋噴樁加固，其噴射壓實(shí)作用可密實(shí)裂隙巖體并形成連續(xù)帷幕，樁體固化后增強(qiáng)圍巖抗剪強(qiáng)度。

3不同高壓旋噴樁參數(shù)取值對(duì)隧道圍巖影響分析

3.1數(shù)值模型的建立

根據(jù)圣維南原理，數(shù)值模型的計(jì)算邊界為隧道開挖斷面的3～5倍洞徑，計(jì)算模型的具體尺寸如圖1所示，模型的長(zhǎng)、寬、高分別為 100m.20m.80m

3.2 計(jì)算工況

為探究高壓旋噴樁施工參數(shù)（樁徑、樁長(zhǎng)、樁間距）對(duì)隧道圍巖力學(xué)響應(yīng)的影響，建立工況數(shù)值模型進(jìn)行探究，具體工況如表1所示。計(jì)算方法以工況3為基本參數(shù)，而后采用變量法計(jì)算不同工況下不同位置處的沉降和豎向圍巖壓力，而后對(duì)比不同工況下的圍巖應(yīng)力的變化情況。

3.3計(jì)算結(jié)果分析

3.3.1樁徑

如圖2所示，不同位置處隨著高壓旋噴樁樁徑的增大，沉降逐漸減小，拱頂、拱肩、拱腰及拱底處最大沉降分別為5 5.34mm.5.31mm.5.21mm≈5.03mm， 即拱頂沉降要大于其他部位。如圖3所示，不同位置圍巖應(yīng)力隨著高壓旋噴樁樁徑的增大并無(wú)明顯增大或減小，還可以看出不同位置處圍巖壓力大小排序?yàn)椋汗暗?gt; 拱腰 gt; 拱肩 gt; 拱頂。

綜合不同樁徑下不同位置處的沉降及圍巖應(yīng)力來(lái)看，雖然不同樁徑下沉降值有所變化，但是變化較小。以拱頂處沉降差值為例，不同樁徑下差值僅為 0.29mm ，且不同樁徑下不同位置圍巖應(yīng)力也無(wú)明顯的改變。因此，通過(guò)改變高壓旋噴樁的樁徑對(duì)公路隧道的加固效果并不明顯，且考慮到經(jīng)濟(jì)性，因此不推薦通過(guò)采用改變樁徑的方式來(lái)改善高壓旋噴樁改的加固效果。

3.3.2樁長(zhǎng)

如圖4所示，不同位置處隨著高壓旋噴樁樁長(zhǎng)的增大，沉降逐漸減小，且在樁長(zhǎng) lt;12 m時(shí)的沉降速率要明顯大于樁長(zhǎng) gt; 12m時(shí)的沉降速率。以拱頂位置處的沉降為例，樁長(zhǎng)從 8m 變?yōu)?2m時(shí)，沉降值由5.34cm變?yōu)?.51cm ，差值為 0.83cm ，當(dāng)樁長(zhǎng)從12m變?yōu)?6m時(shí)，沉降值由4.51cm變?yōu)?.43cm，差值僅為0.08cm，即可根據(jù)變化速率將其分為快速變化與區(qū)域穩(wěn)定階段。此外，拱頂沉降要大于其他部位。如圖5所示，不同位置圍巖應(yīng)力隨著高壓旋噴樁樁長(zhǎng)的增大明顯減小。以拱底為例，樁長(zhǎng)為8m時(shí)，圍巖應(yīng)力為 128.7kPa ，樁長(zhǎng)為16m時(shí)，圍巖應(yīng)力為 106.3kPa 。此外，還可以著出不同位置處圍巖壓力大小排序?yàn)椋汗暗?gt; 拱腰 gt; 拱肩 gt; 拱頂。

綜合不同樁長(zhǎng)下不同位置處沉降及圍巖應(yīng)力來(lái)看，不同樁長(zhǎng)下沉降值有所變化，且變化較大，在樁長(zhǎng)12m之前沉降下降較快。而不同樁長(zhǎng)下不同位置圍巖應(yīng)力也有了明顯了改變。因此，通過(guò)改變高壓旋噴樁的樁長(zhǎng)對(duì)公路隧道的加固效果明顯，且在樁長(zhǎng)為12m時(shí)加固效果較好，在樁長(zhǎng)超過(guò)12m之后，雖然從沉降及應(yīng)力來(lái)看有所改變但變化較小，因此不推薦通過(guò)采用超過(guò)12m的樁長(zhǎng)來(lái)改善高壓旋噴樁的加固效果。

3.3.3樁間距

如圖6所示，不同位置處隨著高壓旋噴樁樁間距的增大，沉降逐漸增大，且隨著樁間距的不斷增大，沉降速率也逐漸增大。拱頂、拱肩、拱腰及拱底處最大沉降分別1 1.6.57mm.6.51mm.6.24mm 及6. 17mm ，即拱頂沉降要要大于其他部位。且隨著樁間距的增大沉降不斷增大并未出現(xiàn)明顯的穩(wěn)定趨勢(shì)。如圖7所示，不同位置圍巖應(yīng)力隨著高壓旋噴樁樁間距的增大明顯增大，還可以看出不同位置處圍巖壓力大小排序?yàn)椋汗暗?gt; 拱腰 gt; 拱肩 gt; 拱頂。

綜合不同樁間距下不同位置處沉降及圍巖應(yīng)力來(lái)看，不同樁間距下沉降值有所變化，且變化較大。以拱頂處沉降差值為例，不同樁間距下差值較大，且不同樁間距下不同位置圍巖應(yīng)力變化也較為明顯。因此，通過(guò)改變高壓旋噴樁的樁間距對(duì)公路隧道的加固效果明顯。

3.3.4施工參數(shù)取值及效果分析

根據(jù)以上各小節(jié)的分析內(nèi)容，選取高壓旋噴樁的參數(shù)為樁徑0.6m、樁長(zhǎng) 12m. 間距 1.4m ，其加固效果如圖8所示。由圖8可知，采用高壓旋噴樁加固后，不同位置的沉降均明顯減小。以拱頂位置處沉降為例，加固前沉降為 7.81cm ，而加固后沉降為 5.34cm_c 。不同位置的圍巖應(yīng)力也在高壓旋噴樁加固后有所減小，以拱頂位置處圍巖應(yīng)力為例，加固前圍巖應(yīng)力為143. 1kPa ，而加固后圍巖應(yīng)力則變?yōu)?121kPa 。綜上所述，在采用高壓旋噴樁加固后，無(wú)論是從沉降還是圍巖應(yīng)力都有了明顯的減小。

4結(jié)語(yǔ)

（1）拱頂沉降要大于其他部位。不同位置圍巖應(yīng)力隨著高壓旋噴樁樁徑的增大并無(wú)明顯增大或減小，不同位置處圍巖壓力大小排序?yàn)椋汗暗?gt; 拱腰 gt; 拱肩 gt; 拱頂。通過(guò)改變高壓旋噴樁的樁徑對(duì)公路隧道的加固效果并不明顯。

（2）通過(guò)改變高壓旋噴樁的樁長(zhǎng)對(duì)公路隧道的加固效果明顯，且在樁長(zhǎng)為12m時(shí)加固效果較好，在樁長(zhǎng)超過(guò)12m之后，雖然從沉降及應(yīng)力來(lái)看有所改變但變化較小，不推薦通過(guò)采用 gt;12m 的樁長(zhǎng)來(lái)改善高壓旋噴樁改的加固效果。

（③）不同樁間距下沉降值有所變化，且變化較大。以拱頂處沉降差值為例，不同樁間距下差值較大，且不同樁間距下不同位置圍巖應(yīng)力變化也較為明顯。

（4）高壓旋噴樁通過(guò)噴射壓實(shí)、土體固化、增加土體摩擦力及控制地下水位等機(jī)理，改善軟弱圍巖地質(zhì)條件。采用樁徑 0.6m 、樁長(zhǎng) 12m 、間距1.4m的高壓旋噴樁加固后，隧道不同位置沉降和圍巖應(yīng)力顯著減小，拱頂沉降從7.81cm減至 5.34cm ，圍巖應(yīng)力從 143.1kPa 降至121kPa_o W

參考文獻(xiàn)

[1]許勁松，徐華，張海濤，等.第三系半成巖富水砂巖隧道水平高壓旋噴樁加固機(jī)理及參數(shù)分析[J].巖土工程學(xué)報(bào)，2024，46（12）：2259-2569.

[2李滿強(qiáng).隧道淺埋段地表高壓旋噴樁加固施工技術(shù)分析J].工程技術(shù)研究，2023，8（4）：75-77.

[3]歐陽(yáng)林，楊雙發(fā)，張東明.高壓旋噴樁聯(lián)合袖閥管注漿加固法下盾構(gòu)隧道施工過(guò)程路基沉降影響分析[J」.鐵道勘察，2016，42（4）：64-67.

[4]任鵬.水平高壓旋噴樁在隧道軟弱圍巖加固中的應(yīng)用研究[D].成都：西南交通大學(xué)，2017.

[5]林目國(guó)，李明華.高壓旋噴樁復(fù)合地基在整治隧道溶洞中的應(yīng)用[J].鐵道工程學(xué)報(bào)，2006（2）：64-66，99.

[6]王凱.富水砂層高壓旋噴成樁機(jī)理及工程應(yīng)用研究[D].北京：北京交通大學(xué)，2023.

收稿日期：2024-12-12