山嶺鐵路隧道淺埋段基底加固方式的探討

徐樹斌 許偉宏

隨著我國鐵路的高速發展,對鐵路線形要求更加嚴格,造成了鐵路隧道數量日益增多,有些鐵路工程的隧線比甚至超過50%,受鐵路線位影響,一些隧道基底的地質條件比較差。此外,根據隧道“早進晚出、保護環境”的原則,隧道明洞應盡可能加長,這就增加了隧道存在軟弱地基的幾率。在隧道設計過程中,我們經常需要處理一些隧道基底的軟弱地層(如黏土層),以提高隧道基底地層承載力,滿足隧道襯砌設計要求。

1 山嶺隧道基底加固

1.1 基底換填

隧道基底換填是一種比較簡便、快速的隧道軟弱基底處理措施,在隧道洞口及洞身淺埋段中應用比較廣泛,一般鐵路隧道采用C20片石混凝土換填軟弱地基(黏土等),換填應深入基巖不小于0.5 m。但基底換填有一定的局限性,當隧道基底軟弱基礎層較厚,基底換填量就會比較大,有時開挖基底邊坡需要采用臨時防護措施,從安全性和經濟性考慮,換填就不太合適。一般情況下,當隧道基底黏土層換填深度為2.0 m～5.0 m為宜。隧道基底換填設計見圖1。

1.2 小導管(鋼花管)注漿

小導管(鋼花管)注漿是利用導管導入漿液,注漿孔均勻分布,高壓漿液強行擠壓孔周,使黏土層劈裂成縫并充填凝結于其中,從而對黏土層起到擠壓加固和增加高強夾層加固作用(稱為“劈裂注漿”)。在軟弱黏土層中增加的高強夾層,將黏土分割加固,使其整體性和強度大幅提高。

小導管(鋼花管)注漿適合于隧道基底黏土層或全風化巖層厚(地下水不發育地層)大于5.0 m地段,小導管(鋼花管)注漿對于隧道洞身段小型滑坡體也有很好的加固作用。小導管(鋼花管)注漿在黏土層地段有很好的加固效果,加固深度相對基底換填較深,操作方便,地層強度提高大。但是在地下水發育地段效果較差,漿液流失嚴重,固結較慢,根據工程經驗,一般鋼花管注漿加固深度在10 m左右為宜,鋼花管注漿加固基底設計見圖2。

小導管(鋼花管)注漿一般采用φ 42或φ 50鋼花管,平面采用梅花形布置,橫縱向間距為1.5 m～2.5 m;水泥漿液水灰比常采用1∶1.0～ 1∶1.5(或根據現場試驗確定),注漿壓力為 0.5 MPa～1.2 MPa。單根鋼花管注漿量可參考下式計算:

其中,Rk為漿液擴散半徑,取 Rk=0.6Lo,m;Lo為鋼花管中心間距,m;L為鋼花管長,m;ξ為注漿飽滿系數,取0.85;η為空隙率,巖石破碎帶取 5%～8%、砂土取 40%～60%、黏土取20%～40%計算。

1.3 旋噴樁加固

旋噴樁是利用鉆機將旋噴注漿管及噴頭鉆置于樁底設計高程,將預先配制好的漿液通過高壓發生裝置使液流獲得巨大能量后,從注漿管邊的噴嘴中高速噴射出來,形成一股能量高度集中的液流,直接破壞土體,噴射過程中,鉆桿邊旋轉邊提升,使漿液與土體充分攪拌混合,在土中形成一定直徑的柱狀固結體,從而使地基達到加固。

旋噴樁加固對處理淤泥、淤泥質土、黏性土、粉土、砂土、人工填土和碎石土等有良好的效果,而且施工簡便、漿液集中(流失較少)、價格低廉。適合于山嶺鐵路隧道加固層較深、地下水發育地段。山嶺鐵路隧道基底采用旋噴樁加固,樁直徑一般為0.6 m～0.8 m,樁間距一般取 L=(2～3)d(d為旋噴樁設計直徑),噴射漿液水灰比一般為1∶1～1.5∶1。

旋噴樁的復合地基承載力可根據現場荷載試驗確定,當無試驗條件時,也可按照下式計算且結合當地情況與其土質相似工程經驗確定。

其中,fsp,k為復合地基承載力標準值,kPa;Ae為1根樁承擔的處理面積,m2;Ap為樁的平均截面積,m2;fs,k為樁間天然地基土承載力標準值,kPa;β為樁間天然地基土承載力折減系數,可根據實驗確定,在無實驗資料時,可取0.2～0.6;當不考慮樁間軟土的作用時,可取0;Rdk為單樁豎向承載力標準值,kN。

1.4 地表注漿

地表注漿是在地面修建一定厚度注漿平臺,然后向下鉆孔至設計深度,插入孔口管,通過靜壓注漿的一種加固地表和地基方法。當隧道洞口段為松散堆積體或可治理的小型滑坡體,隧道洞頂覆蓋層有一定厚度,明洞難以施工時,通過地表注漿能很好的改善地層條件,增加隧道基底承載力,降低暗洞施工難度及施工風險,加快施工進度。地表注漿平臺厚度一般約為30 cm,以保證注漿過程中漿液不溢出地表。注漿孔口管為φ 89(φ 50)鋼管,注漿孔平面采用梅花形布置,橫縱向間距為1.0 m～2.5 m;水泥漿液水灰比常采用1∶1.0～1∶1.5(或根據現場試驗確定),注漿壓力為0.5 MPa～1.2 M Pa。單根管注漿量根據現場試驗確定,當無試驗條件時可采用式(1)計算。

2 體會

1)在山嶺鐵路隧道設計過程中,隧道洞口及淺埋段基底加固采用上述方法一般能達到很好的效果,我們可以根據實際地質情況,有針對性的采用單一加固方法或幾種加固方法同時使用。

2)隧道設計過程為動態設計過程,山嶺隧道基底加固方式選擇很大程度取決于地質條件,在加固施工前,應根據現場試驗結果對設計參數進行驗證,并根據現場實驗結果對設計參數進行適當的調整,以保證最佳加固效果。

3)由于我國幅員遼闊,地質條件千差萬別,特殊地質地層很多,處理隧道加固措施也很多,例如隧道穿越灰巖地區溶洞,先采用鉆孔灌注樁,再采用地梁承載襯砌;當隧道洞身穿越斷層破碎帶,涌水、涌泥規模較大時,就需要采用帷幕注漿等加固圍巖及基底。在實際設計過程中,應根據具體地質條件,有針對性的進行隧道基底加固,以保證隧道設計“經濟、合理、安全、環保”。

[1] TB 1003-2005,鐵路隧道設計規范[S].

[2] GB 50007-2002,建筑地基基礎設計規范[S].

[3] 鐵道部第二勘測設計院.隧道[M].北京:中國鐵道出版社,2006.

[4] 李相然.地下與基礎工程防滲加固技術[M].北京:中國建筑工業出版社,2005:121-122.