黃土隧道地基鋼管樁處理技術(shù)總結(jié)

■申星宇 ■中鐵二局第四工程有限公司，四川 成都 610306

1 工程概況

(1)工程概況。新儀張隧道區(qū)段(DK601 +090～DK601 +400)勘探深度范圍內(nèi)地層為第四系上更新統(tǒng)坡洪(Q3dl+pl)新黃土與(Q2pl)老黃土，具有濕陷性，采用鋼管樁加固，樁徑50mm，間距1.0mX1.0m，梅花形布置。

(2)水文地質(zhì)特征。勘探深度范圍內(nèi)未見地下水。(3)主要工程數(shù)量。DK601+090～DK601+400 隧道地基φ50 鋼管樁總長度為48580m。

2 適用范圍

本工點微型鋼管樁施工方法適用于臺階法隧道開挖時先施作仰拱初期支護，使初支封閉成環(huán)，保證圍巖穩(wěn)定，再進行軟弱地基加固。

3 施工工藝流程及操作要點

3.1 施工工藝流程

3.2 施工準(zhǔn)備

3.2.1 技術(shù)準(zhǔn)備

繪制鋼管樁樁位布置圖，并注明樁位編號及施工說明。

3.2.2 測量放樣

根據(jù)施工圖紙要求，通過預(yù)埋PVC 膠管布置樁位圖，并用紅油漆作好記號。

3.2.3 材料配置

(1)鋼管。新儀張隧道基底鋼管樁采用Φ50 無縫鍍鋅鋼管，壁厚6mm。鋼管樁上鉆注漿孔，孔徑10mm～20mm，孔間距150～300mm，呈梅花形布置，尾部留不鉆孔的止?jié){段100cm，見下圖1 所示。

圖1 鋼管樁構(gòu)造示意圖

(2)水泥漿。鋼管樁注漿所用水泥漿液施工配比由試驗確定，現(xiàn)場使用砂漿攪拌機拌制。

3.2.4 機械、人員配置

本工程主要施工機械為XL-40 旋噴鉆機2 臺，4 人作業(yè);KBY-50砂漿攪拌機1 臺，2 人作業(yè);注漿機1 臺，2 人作業(yè)。

3.3 施工工藝及操作要點

3.3.1 鋼管樁加固作用機理

鋼管本身具有較大的抗壓強度，同時水泥漿液在壓力作用下能和地基土之間緊密結(jié)合并在樁周圍的土質(zhì)中擴散，填充了土顆粒間的空隙。通過水泥漿體的摩擦力產(chǎn)生的張拉和壓縮力能轉(zhuǎn)移至土中，提供了土的徑向摩擦力和彎曲硬度，而且起到防腐的作用，使鋼管樁與地基土之間有更好的摩阻力并滿足設(shè)計使用年限，改善了濕陷性黃土的土質(zhì)力學(xué)性能，滿足承載后的地基沉降要求。

3.3.2 鋼管樁加固措施

為了增加地基的承載力，消除濕陷性，新儀張隧道暗挖段基底濕陷性黃土采用Φ50 鋼管樁(鋼管樁內(nèi)注入水泥漿)加固處理。

3.3.3 鉆孔施工

(1)施工方法。①鉆孔宜在仰拱初期支護閉合成環(huán)后施作。一是為了盡早封閉圍巖保證圍巖的穩(wěn)定，二是施作仰拱初期支護后鉆孔機械能置于堅硬的基面上，更宜施工。②為降低揚塵，鉆孔的同時需在孔眼處灑水降塵。

(2)質(zhì)量控制。①鉆孔前復(fù)核樁孔中心位置，如偏差大于50mm 則應(yīng)調(diào)整預(yù)埋管道位置或重新選點鉆孔。②樁孔時應(yīng)垂直于基面，鉆孔的垂直度偏差不大于1.5%。可采用在鉆機行走輪胎旁噴油漆的方法進行觀察，如發(fā)現(xiàn)鉆機偏移量超過允許值時必須馬上停止鉆孔作業(yè)，待調(diào)整鉆機位置至原油漆處后才能重新鉆進。③成孔直徑不小于60mm，并滿足設(shè)計孔深。④成孔滿足要求后使用高壓風(fēng)管將孔中的土屑等雜物清理干凈，然后使用土工布條堵塞孔眼，以避免土屑等雜物進入孔中。

3.3.4 安裝鋼管

(1)施工方法。①由于鋼管樁較長，鋼管采用分段接長的方法安裝至設(shè)計長度，節(jié)段間采用內(nèi)連接套的方法連接。②鋼管樁安裝完成后將孔口處鋼管與孔壁之間的縫隙填塞封閉，保證后續(xù)的注漿質(zhì)量。

(2)質(zhì)量控制。①為保證鋼管間的連接質(zhì)量，首先需要保護鋼管樁的管端(即套口端)，防止有損傷和變形。②連接前，應(yīng)檢查鋼管樁的管口有無變形和損傷，如發(fā)現(xiàn)有局部變形應(yīng)進行修復(fù)或替換。③孔口處鋼管與孔壁之間的縫隙需保證填塞密實，以保證注漿壓力的控制。

3.3.5 確定注漿參數(shù)

(1)理論注漿量計算。計算理論注漿量一是可以避免材料的浪費，二是可以防止注漿量過多引起壓力過大，進而影響地基結(jié)構(gòu)。

每延米鋼管樁的理論注漿量計算公式為:

式中:β 為實際測定的基底圍巖孔隙率;r 為實際測定的基底圍巖擴散半徑(m);D1為鋼管外徑(m);D2為鋼管的內(nèi)徑(m)。

經(jīng)測定新儀張隧道暗洞段地基軟弱圍巖空隙率β=0.18，擴散半徑r=1m，鋼管外徑D1=0.05m，鋼管內(nèi)徑D2=0.044m，代入公式得出V0=0.567m3。

單根鋼管樁的理論注漿量計算公式為:

式中:L 為單根鋼管樁長度;V0為每延米鋼管樁理論注漿量。試驗段單根鋼管樁設(shè)計長度為9m，代入公式得出V=5.01m3。

(2)試驗方法:選定3 跟鋼管樁，分別使用水灰比0.8:1、水灰比1:1和水灰比1.2:1 這三種配合比注漿。注漿時當(dāng)壓力達(dá)到0.5Ma 時停止注漿，間隔10min 后再持續(xù)注漿，這就是“間隔注漿”。當(dāng)注漿量達(dá)到理論注漿量時，同時記錄注漿終壓。同時通過監(jiān)控量測觀察基底變形情況，以確定注漿終壓，防止基底鼓漲，導(dǎo)致破壞結(jié)構(gòu)。

(3)注漿參數(shù)的選定。經(jīng)過試驗，發(fā)現(xiàn)使用水灰比0.8:1 的水泥漿注漿達(dá)到理論注漿量時的注漿終壓為1.7Ma，通過監(jiān)控量測觀測基底有較小變形現(xiàn)象發(fā)生;使用水灰比1:1 的水泥漿注漿達(dá)到理論注漿量時的注漿終壓為1.3Ma，并且通過監(jiān)控量測觀測基底無變形現(xiàn)象發(fā)生;使用水灰比1.2:1 的水泥漿注漿時，通過監(jiān)控量測觀測基底雖無變形現(xiàn)象發(fā)生，但是達(dá)到理論注漿量時的壓力僅為0.9Ma，不滿足設(shè)計要求。因此最終選定使用1:1 水泥漿，注漿終壓控制為1.3Ma。

3.3.6 拌制水泥漿液

水泥漿液要嚴(yán)格按照水灰比為1:1 的比例配置，配置時水泥以每袋50Kg 計算，用水通過事先計量過的容量為50Kg 的水桶加入攪拌桶。水泥漿在攪拌桶內(nèi)至少攪拌3 分鐘后才可以使用，從而達(dá)到攪拌均勻。水泥漿需隨拌隨用，如果遇設(shè)備故障或其他原因致使水泥漿液擱置時間超過20min，應(yīng)將漿液廢棄。

3.3.7 注漿

(1)施工方法。①注漿過程中要合理安排注漿順序，采取先中間，后兩邊的間隔注漿順序(見下圖2)。這樣做一是擠壓地下軟弱圍巖中的地下水向兩邊“流動”，避免在注漿加固體中產(chǎn)生“囊狀飽和水圍巖”，使注漿獲得更好的效果。二是可以減小注漿壓力擴散面，減小對地基的擾動，確保施工質(zhì)量和安全。②注漿時安排專人負(fù)責(zé)記錄注漿量和注漿壓力，注漿量通過在攪拌桶內(nèi)畫刻度線的方法計算，注漿壓力從壓力表上讀取。設(shè)定當(dāng)壓力達(dá)到0.5Ma 時要暫停注漿，間隔10min 后再持續(xù)注漿，這就是“間隔注漿”。因為此時注漿孔附近漿液比較集中，在同等壓力下漿液擴散較慢，所以間隔10min 再注漿是為了讓漿液適當(dāng)擴散，提高注漿效果。③注漿結(jié)束后用高一等級的水泥漿填塞孔眼。

圖2 鋼管樁注漿順序示意圖

(2)質(zhì)量控制。①注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn):注漿過程中，壓力逐漸上升，流量逐漸減小，當(dāng)壓力達(dá)到注漿終壓，注漿量達(dá)到設(shè)計注漿量的80%以上，可結(jié)束該孔注漿;注漿壓力未能達(dá)到設(shè)計終壓，注漿量已達(dá)到設(shè)計注漿量，并無漏漿現(xiàn)象，也可以停止該孔灌注。②注漿壓力與基底圍巖、圍巖孔隙率、地下水發(fā)育情況等都有關(guān)系，存在不確定性，同時壓力過大會對隧道基底產(chǎn)生破壞，所以實際施工中以控制注漿量來控制注漿壓力，以評定注漿量是否達(dá)到理論注漿量來判斷是否完成注漿。③達(dá)到注漿結(jié)束條件后不要立即拆除注漿管路，應(yīng)穩(wěn)壓至少3min 觀察壓力表的變化，如壓力下降過多，需再次注漿，確保基底圍巖達(dá)到“飽和水泥漿”狀態(tài)。

4 總結(jié)

4.1 注漿壓力的有效控制

通過注漿記錄的分析，當(dāng)壓力達(dá)到0.5Ma 時注漿量一般為理論注漿量的60%，如持續(xù)注漿，則壓力持續(xù)上升，達(dá)到理論注漿量時壓力可達(dá)到1.6Ma～2.0Ma，同時通過監(jiān)控檢測發(fā)現(xiàn)基底圍巖有變形現(xiàn)象的發(fā)生。而通過“間隔注漿”，當(dāng)壓力達(dá)到0.5Ma，停止10min 后再持續(xù)注漿直至理論注漿量的壓力一般為1.1～1.3Ma，基底圍巖無變形現(xiàn)象。說明通過控制理論注漿量和采用“間隔注漿”的方法來避免因注漿壓力過大而引起地基仰拱變形的措施是可行的。

4.2 地基鋼管樁加固效果檢測

4.2.1 樁間土擠密效果檢測

按設(shè)計要求沿線路縱向連續(xù)每50m 抽樣檢驗4 個點，在孔之間形心點附近，成孔擠密深度內(nèi)，每1m 取樣測定其干密度、擠密系數(shù)和濕陷系數(shù)。經(jīng)檢測樁間土最小擠密系數(shù)為0.90，平均擠密系數(shù)0.95，平均濕陷系數(shù)為0.009，滿足設(shè)計要求。

4.2.2 樁基承載力檢驗

設(shè)計要求檢測數(shù)量為總樁數(shù)的2‰，且不小于3 根。新儀張隧道鋼管樁共4340 根，所以沿縱向每35m 檢測一根，共9 根。經(jīng)平板荷載試驗，單樁復(fù)合地基承載力為190～210Ma 之間，符合設(shè)計要求大于180Ma。

4.3 質(zhì)量控制要點

通過新儀張隧道鋼管樁加固黃土隧道地基的施工中可以得出，保證鋼管樁加固的作用效果，需要控制以下內(nèi)容:

鋼管樁質(zhì)量控制要點表

其中特別需要的注意的是防止注漿壓力過大對圍巖地基產(chǎn)生破壞，所以準(zhǔn)確計算理論注漿量和準(zhǔn)確記錄實際注漿量就顯得特別重要。

4.4 施工改進措施

新儀張隧道屬于Ⅴb 圍巖，要求仰拱與掌子面距離不得大于35m，這就要求鋼管樁需要及時迅速的施作。通過上訴施工方法，在新儀張隧道地基鋼管樁施工中雖然基本能夠滿足施工進度的要求，但是由于與棧橋的“交叉”阻礙，會影響鉆機的鉆孔作業(yè)。因此建議改進鉆孔機具，向更加輕便、靈活的方向發(fā)展。二是鋼管樁注漿以控制注漿量來控制注漿壓力，因此注漿量的準(zhǔn)確性就顯得特別重要。本隧道注漿量是通過在制漿桶上劃線來確定，存在較大誤差，因此建議使用能準(zhǔn)確記錄注漿量的注漿機具。

5 結(jié)束語

在新儀張隧道暗洞段(DK601 +090～DK601 +400)的地基處理施工中，經(jīng)過以上過程的控制，在減小對初期支護不良影響的同時，通過后期的監(jiān)控量測證明實現(xiàn)了隧道軟弱地基的零沉降。說明隧道地基鋼管樁注漿加固從圍巖孔隙率和地下水發(fā)育情況著手，計算理論注漿量，通過控制注漿量和注漿順序，來避免出現(xiàn)因壓力過大引起地基變形的措施是切實可行的。

隨著我國鐵路的跨越式發(fā)展，為了確保工程質(zhì)量，確保運營安全，對隧道軟弱地基的處理要求將會更加嚴(yán)格。因鋼管樁注漿加固在隧道地基處理中有著諸多優(yōu)點，應(yīng)用將會更加廣泛。