客專隧道病害處理基底加固施工技術與管理

譚 兵

(中鐵二局工程有限公司， 四川成都 610300)

客專隧道病害處理基底加固施工技術與管理

譚 兵

(中鐵二局工程有限公司， 四川成都 610300)

蘭新鐵路張家莊隧道因受山體地質災害影響，隧道DK120+360-DK120+960段部分二襯結構受損，無砟軌道發生位移，需進行搶險加固。根據張家莊隧道搶險工程總體處治方案，洞內基底施作φ310 mm鋼筋混凝土鉆孔樁加固。受洞內場地限制、與洞內二襯拆換作業交叉施工影響，物流組織困難，工期緊。文章提出一套較完整的仰供基礎加固施工工藝和搶險施工組織設計對以后類似工程有借鑒意義。

運營高鐵隧道； 地質災害； 基底加固； 施工技術

1 工程概況

1.1 工程簡介

蘭新客專張家莊隧道位于青海省樂都縣境內，洞身穿越一低中山山體和虎狼溝、雙塔溝高階地段，地形起伏大，地面高程為1 993～2 279 m。隧道起訖里程為DK118+595～DK122+364，全長3 769 m，為雙線隧道，洞內縱坡為4.0 ‰的單面上坡。隧道最大埋深約為300 m，通過淺埋溝處理深約50 m。2016年1月18日，因受山體地質災害影響，隧道DK120+360-DK120+960段部分二襯結構受損，無砟軌道發生位移，動車停運，需進行搶險加固。

隧道搶險工程總體處治方案，DK120+344～DK121+015段671 m仰拱施作φ310 mm深度8～22 m鋼筋混凝土鉆孔樁加固，需與洞內二襯拆換、增設套拱等作業交叉施工，場地狹窄施工干擾大，物流組織困難，工期緊。

1.2 地質情況

經地質鉆孔揭示，DK120+344～DK120+500段仰拱基底上部為灰黃色粉砂質泥巖，下部為棕紅色泥巖。粉砂質泥巖，天然含水率22.6 %～24.9 %，巖質軟，Ⅲ級硬土，σ=250 kPa。棕紅色泥巖，Ⅳ級軟石，σ=400 kPa，具膨脹性。

DK120+500～DK121+015段仰拱基底為棕紅色泥巖。Ⅳ級軟石，σ=400 kPa，具膨脹性。

2 研究內容、目的和意義

2.1 課題主要研究內容

2.1.1 快速施工的施工組織設計

仰供基礎加固樁數量多，樁長較長，考慮隧道交叉施工的特點和隧道凈空尺寸，同時考慮黃土地層對鉆機鉆進性能的影響，對鉆機機身大小、鉆孔深度和效率進行綜合分析，根據工期配置型號合理、數量合適的鉆機設備，同時根據鉆機設備參數配置相應的出砟、鋼筋籠加工及安裝、混凝土灌注等施工資源。

2.1.2 鉆孔樁快速施工技術

2.1.2.1 混凝土、鋼筋及工字鋼鉆進技術

仰供及填充混凝土厚度約2 m，仰供內有雙層鋼筋，初支內有加密的工字鋼，潛孔沖擊鉆對這些剛度較大的結構鉆進十分困難。采用巖心套管取芯進度又較慢，對鉆機沖擊器和鉆頭進行技術改革，對動力空壓機的空氣壓力進行計算，確保對混凝土、鋼筋、工字鋼的鉆進能力。

2.1.2.2 黃土地層成孔技術

黃土地區地質酥松，鉆孔時容易塌孔，采取的方法宜用干鉆法，鉆孔深度、坍孔程度與鉆機空氣動力密切相關并呈矛盾關系，壓力計算與控制對鉆孔速度與成孔質量極為關鍵。

2.1.2.3 地下水對成孔的影響

在特殊段落，黃土層含水量豐富，鉆孔不能成孔，先采取深孔注漿預加固，潛孔鉆改螺旋動力鉆，增加泥漿護壁等措施，提高成孔率。

2.1.3 小孔徑樁混凝土灌注技術

樁深度較深，灌注樁采用水下混凝土灌注工藝，由于樁徑31cm，導管直徑、導管連接的加工工藝復雜，混凝土的粗骨料粒徑和和易性要求嚴格，現場灌注的質量是確保成樁完整性的關鍵。

2.1.4 狹小空間內空氣質量保證技術

長大隧道洞內通風效果差，鉆機、空壓機為內燃機，加之洞內的挖掘機、裝載機和發電機等設備，平均每天柴油消耗6 t以上，洞內燃燒不充分，空氣污染嚴重。惡劣的施工環境對洞內300名施工人員的身心健康影響極大，對機械設備造成較高故障，對行車和施工安全造成影響。空氣質量的改善關系到搶險工程的進度與安全，采取技術革新對設備尾氣進行凈化，加強人員防護加強后勤保障，切實確保健康作業環境。

2.1.5 多工種交叉作業環境下暢通物流措施

洞內交叉施工，都在為搶工期而爭先恐后，物流矛盾和施工作業面沖突十分突出，影響施工順利進行。施工計劃、行車要點、洞內指揮等成為物流暢通管理的重點。

2.2 研究的目的和意義

隧底基礎的穩定性對隧道結構安全與運營安全至關重要，位移變化是一個極其復雜的物理、力學過程，它與隧道圍巖性質、應力狀態及地質結構密切相關。長期以來，對隧道底板穩定性問題的研究相對隧道工程的其他方面比較薄弱，致使對隧底降起的一些原因至今認識不清，采取措施時存在著較大的盲目性。如何針對病因，采取“對癥下藥”的預防和控制技術措施，以便在隧道的規劃、設計、施工和運營各環節得到及時貫徹和落實，采取何種有效措施目前仍是一項亟待解決的課題。

在多數情況下，仰供基礎位移是通過軌道位移監測出來，在運營中才發現問題，導致仰供基礎處治設計方案受要點施工、洞內無砟軌道及接觸網線的限制，方案執行難、整治質量和進度無法保障。形成一套較完整的仰供基礎加固施工工藝和搶險施工組織設計對以后類似工程有借鑒意義。

3 搶險工程基底加固樁的特點

3.1 工期緊任務重

為了確保2016年5月1日開通，2016年2月22日至2016年3月20日，全部完成張家莊隧道仰供φ310 mm加固樁1 192根，計12 240 m，以及仰供基底注漿工作。

3.2 仰拱鉆孔困難

基底加固段仰拱設有工字鋼及鋼筋，潛孔鉆鉆頭碰到工字鋼或鋼筋不能穿過并且造成鉆頭損壞或卡鉆。

3.3 大功率內燃設備使用造成洞內空氣質量差

潛孔鉆機需要2.5 MPa壓力以上的高壓空壓機，柴油消耗量大，洞內作業臺車多空氣流動性差，導致油料燃燒不充分，空氣質量差，洞內溫度高。

3.4 多單位交叉施工組織困難

洞內中鐵隧道局、中鐵一局、中鐵二局、中交一航局等單位均在同一場面施工，需要和其他單位形成流水線施工，施工排序和交叉干擾大。

3.5 鉆孔樁灌注困難

為了確保樁身完整，采用水下混凝土灌注工藝，鉆孔樁孔徑φ310 mm,直徑較小，混凝土上翻極為困難。

4 仰拱基底加固技術研究

4.1 提前做好技術研究和準備

(1)與設計院聯系，了解設計初步方案和工程量，便于做好機械設備和專業人員配置計劃。

(2)掌握洞內仰拱基底地質鉆勘情況，弄清地質鉆孔穩定性和地下水位情況，為鉆孔成孔難易程度和效率做好考慮。

根據現場情況和上莊隧道施工工藝，制定了混凝土采用地質鉆機取芯混凝土層，下方土層采用大型潛孔鉆機沖擊成孔。

4.2 科學配足機械設備

由于樁徑310 mm，水井鉆機和錨桿鉆機一般施工φ220 mm孔，橋梁鉆機因隧道凈空高度受限不能使用。

經聯系共組織了5臺鉆機、7臺取芯機進入施工現場。

根據以往經驗，1個深6 m孔1 h完成，深20 m孔4 h完成，平均1臺機1天完成10個孔，5臺機1天完成50個孔，按計劃能夠完成。

4.3 鉆孔方案研究及調整

為了減小對松動圍巖和襯砌結構的震動影響，仰拱混凝土采用地質巖芯鉆機鉆取，鉆孔時采用水鉆，需用水車送水。在碰到仰拱鋼筋、工字鋼等情況下，可以通過高速旋轉直接將其截斷。取芯完成后對仰拱下方土層采用高壓潛孔鉆機沖擊土層成孔。1臺取芯鉆機5 h取一個孔，與1臺潛孔鉆機1 h能完成1個深6 m孔，取芯進度明顯偏慢。同時取芯鉆機采用水鉆需設置泥漿池，占地面積大，經研究決定每2排樁只鉆1個芯，僅用于試探仰拱下方工字鋼存在位置，其它孔直接用潛孔鉆沖擊鉆土。對于鉆混凝土層灰塵極大的問題，采用噴水降塵的措施。

4.4 施工位置設計

隧道施工長度670 m，隧道局洞內有6臺襯砌臺車和6臺鋼筋臺架，加之隧道局還有換拱作業，洞內全是交叉作業，由于移動一次鉆機和空壓機至少2 h，需同時能結合隧道套襯施工進度與方向，合理布置鉆機位置，最大限度減少移機次數。同時對于DK120+415～+485段分布216根16～22 m長樁，集中4臺鉆機施工。

4.5 質量把關的主要措施

搶險加固工程的施工質量對于后期結構的安全十分重要，同時也是體現搶險單位是否具備高度的社會責任感息息相關，保證施工質量義不容辭。

(1)原材料合格；

(2)鋼筋加工規范，鋼筋搭接長度滿足要求，焊接規范；

(3)鉆孔孔底殘留沉渣厚度滿足要求，絕不允許以增加樁長代替沉渣厚度；

(4)成孔后1 h內下鋼筋籠和灌注混凝土，防止塌孔；

(5)灌注工藝采用水下混凝土灌注方式，孔口4 m混凝土加強搗固。

4.6 物流暢通的措施

(1)與隧道局溝通，將原來進洞的單車道(在線間距上)變成了雙車道(在左右幅軌道板中間分別占用)行駛，減少行車干擾，加快洞內物資設備運輸。

(2)資源共享。對于隧道內施工大電、施工用水實行共享模式。

(3)進入洞內車輛實行統一調度命令，按先急后緩的原則，也按出多少進多少的原則，防止洞內交通堵塞。

(4)隧道局臺車拆除期間實行0:00～8:00斷道施工，我部樁基施工所需的鋼筋籠、混凝土提前就位。

4.7 仰拱加固樁施工關鍵技術研究

4.7.1 高動力設備穿透工字鋼

φ310 mm鉆孔直徑較大，需要大型空壓機(27 m3/min、2.4 MPa壓力以上)，這種設備使用率低，11臺高壓空壓機從北京、山東、西安等地租賃而來。為了解決穿透鋼筋和工字鋼，將鉆機鉆頭改合金鉆。

4.7.2 不良通風條件下設備故障完好率保障

洞內空間小，內燃機械多(洞內每天用柴油5t)，空氣質量差，導致鉆機、空壓機故障頻率高，9臺鉆機有時只有2臺正常運轉。采用了排污凈化、安裝通風機、每天更換空氣濾芯、請專業修理人員駐現場修理、備用4套鉆機和空壓機隨時更換鉆機和空壓機等措施確保機械正常運轉。

4.7.3 鉆孔樁灌注工藝改進

鉆孔樁孔徑較小，采用水下混凝土灌注混凝土工藝極為困難，導管直徑φ125 mm，導管每節長2 m，絲扣連接套筒處外徑150 mm，將鋼筋籠直徑由設計的φ17 cm加大為φ25 cm確保導管插入，同時對混凝土配合比進行了優化，φ16～φ25 mm粒徑碎石用量適當減少，混凝土坍落度200～230 mm，孔口4 m高度混凝土采用φ50 mm搗固器振搗。

4.7.4 大陽山隧道砂質黃土成樁困難土層預加固技術

大陽山隧道仰拱基底的粉細砂質黃土穩定性差，沖擊鉆孔采用高壓吹土，黃土受擾動坍塌嚴重；部分段落仰拱基底出水，根本不能成孔；根據設計要求樁底要進入砂礫層，高壓風在即將進入砂層界面時因砂礫層空隙大而高壓風泄露不能吹土出孔，樁底進入砂層也十分不易。坍孔總量達到30 %。現場采取了深孔預注漿(注快硬水泥、水泥-水玻璃雙液漿)、泥漿護壁水鉆法等措施對坍孔段進行處理。注漿時引進北京中鐵瑞威專業隊伍提高注漿質量，經過注漿預加固后，成孔率大大提高。

5 總結

5.1 小結

通過基底加固樁施工技術研究，解決了過程中存在的各類難題，按期完成施工任務，樁基施工質量樁身完整，按25 %頻率抽檢全為Ⅰ類樁。

(1)XK-400等型號的地質鉆機對仰拱的填充混凝土及鋼筋層取芯進度偏慢，1天只能取2個孔，遠遠小于每天需成樁50根以上的搶險工程施組計劃，對鉆孔鉆機及鉆頭改造和選用高壓空壓機通過潛孔鉆鉆進混凝土層速度快。

(2)灌注導管設計成絲扣套筒，混凝土和易性性能優化是灌注樁完整性重要保障措施。

(3)洞內空氣質量差、鉆混凝土層時震動大，鉆機的故障率極大，鉆機加固和維修工作極為重要。

(4)空壓機等設備尾氣采用凈化裝置，有一定作用，但效果不明顯。

5.2 存在不足

5.2.1 作業環境改善效果差

隧道較長，作業面位于隧道中部，洞內隧道局6臺襯砌臺車作業，10臺空壓機和鉆機，柴油燃燒不充分，尾氣污染嚴重，受排風補償的影響，洞內能見度度低特別是凌晨至早上9:00，洞內空氣溫度高，對作業人員健康不利，同時設備故障率也高。

到后期，在隧道進口增設2-110 kW軸流通風機，空氣質量有所改善。

5.2.2 鉆機鉆頭損壞率高成本大

由于取消了地質鉆機鉆混凝土層，利用潛孔沖擊鉆機鉆混凝土，時常碰到工字鋼，對鉆頭的磨損大，加大了施工成本。

5.3 類似工程建議

(1)鉆孔樁不是太適用于砂質黃土、砂礫層地質，由于高壓空氣對土層擾動厲害，鉆孔時塌孔嚴重，出現廢孔較多導致土層酥松影響基底穩定性；即使能成孔，孔底虛渣厚度較大，樁的質量得不到保障，建議采用鋼管沉樁。

(2)鉆孔所需高壓空氣來自內燃空壓機，其缺點是功率大耗油量大，每天消耗柴油5 t以上，洞內空氣流動不暢燃油燃燒不充分對施工環境污染大。可以將空壓機在洞外建站，通過高壓風管送至洞內，減少環境污染。

(3)導管灌注混凝土操作性低。導管直徑φ120 mm，接頭套管直徑φ160 mm，鋼筋籠直徑φ240 mm，孔直徑φ310 mm，因孔徑小導管上翻混凝土十分困難，工人安裝和拆除工作也十分繁瑣，采用高流動性混凝土十分必要。

U457+.2

B

[定稿日期]2017-06-06

譚兵(1977～)，男，高級工程師，從事工程管理工作。

投稿須知

1.投稿文章論點明確，文字精練，數據可靠，每篇論文(含圖表)一般在4000字左右，包括：題目(中文一般不超過20個漢字)、作者姓名、作者單位及郵政編碼、中文摘要(100字～300字)、關鍵詞(3個～8個)、正文、參考文獻。

2.量和單位符號等必須符合國家標準規定。稿中外文字母、符號必須分清大、小寫，正、斜體，黑、白體，上、下角標的字母、符號，其位置高低應有明顯區別。

3.文中圖、表，隨文出現插圖，請用計算機繪圖。圖中文字符號應與正文一致，字體大小為六號宋體。照片要清晰、層次分明。

4.文中章節編號采用三級頂格排序：一級標題形如1、2、3、……排序，二級標題形如1.1、1.2、1.3……排序，三級標題形如1.1.1、2.2.2、3.3.3……排序。

5.參考文獻必須是公開發表且在文中確實引用的專著、期刊文章、學位論文、技術標準等，按文中引用的先后順序編寫，并在文中引用處標注文獻編號。參考文獻著錄格式如下：

專著：主要責任者.文獻題名[M].版本項(第一版不著錄).出版地：出版者，出版年： 引用頁碼.

連續出版物：主要責任者.文獻題名[J].刊名，出版年，卷(期)：引用頁碼.

論文集、會議錄：主要責任者.文獻題名[C].論文集編者名.論文集名稱.論文集出版地：出版者，出版年.

學位論文：主要責任者.文獻題名[D].學位論文申請地：學位論文申請學校，申請年.

技術標準：主要責任者.標準編號 標準名稱[S].出版地：出版者，出版年.

6.來稿請提供作者簡介，注明姓名、出生年月、性別、民族(漢族可以不注)、學位(或在讀學歷)、技術職稱、所從事的技術工作或者研究方向等。

7.來稿為科研基金項目的請注明項目名稱和項目編號。

8.投稿請將電子版發送到本刊投稿郵箱scjzbjb@vip.163.com。

《四川建筑》編輯部