樁筏結(jié)構(gòu)在隧道基底巖溶處理中的應(yīng)用及效果分析

齊鵬飛

中鐵十八局集團第一工程有限公司 河北 涿州 072750

在隧道施工過程中，不可避免地要穿越一些復(fù)雜地質(zhì)帶，而巖溶是西南地區(qū)一種常見的不良地質(zhì)，對于隧道工程的施工安全和穩(wěn)定運營具有重要影響[1-3]。無砟軌道對路基沉降的要求較高，在這些巖溶隧道段就需要進行特殊的基底處理。樁筏結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)是目前較為常用的一種施工技術(shù)，其整體性好，能很好地抵抗基礎(chǔ)的不均勻沉降[4-6]。

云桂鐵路東風隧道為全線Ⅱ級風險隧道，全長11 296 m，全隧突水涌泥風險為中度，巖溶較發(fā)育，對隧道施工影響較大。在前人研究理論和經(jīng)驗的基礎(chǔ)上[7-8]，以東風隧道DK643+366～DK643+415段基底巖溶處理為例，介紹了樁筏結(jié)構(gòu)在隧道這一特殊環(huán)境中的施工技術(shù)，并采用數(shù)值分析法，對基底有、無樁筏基礎(chǔ)處理的沉降變形和振動響應(yīng)特征進行了對比分析，探討加固措施的合理性和可行性，可為類似隧道工程的設(shè)計、施工提供借鑒。

1 工程概況

DK643+366～DK643+415段隧道拱墻及基底發(fā)育一充填型溶洞：拱墻溶洞長約49 m，拱頂以上最高8 m，橫向最大寬度20 m，橫向超出開挖輪廓線最大7 m；基底溶洞最深位于基底以下22.8 m，縱向長約31.8 m，橫向最大寬度17 m。上臺階掌子面DK643+368巖性為灰?guī)r溶蝕破碎帶，圍巖軟弱不均，溶腔充填物為流塑-半干硬黏土狀，整體圍巖呈土夾塊石狀，自穩(wěn)性極差。現(xiàn)場拱頂溶洞充填物局部滑塌，形成8.0 m×4.0 m×3.5 m空腔。DK643+368下臺階溶腔強烈發(fā)育，基底為填充型溶腔，填充物為粉質(zhì)紅黏土，巖體潮濕。地質(zhì)雷達顯示：此段基底圍巖上部0～6 m為土體結(jié)構(gòu)，巖體濕潤；6～18 m為碎石夾泥，局部為強風化，節(jié)理裂隙強發(fā)育，巖質(zhì)軟弱松弛，巖體濕潤。

2 樁筏施工工藝

2.1 基底施工措施

根據(jù)隧底巖溶發(fā)育規(guī)模、充填物性質(zhì)，對隧底DK643+366～DK643+400段基底溶洞采取了如下措施：

1）DK643+366～DK643+415段采用大拱腳臺階法開挖，上臺階預(yù)留核心土，取消該段內(nèi)系統(tǒng)錨桿。

2）對DK643+366～DK643+391段基底以下深度大于5.0 m的充填溶洞采用樁板結(jié)構(gòu)進行處理；對DK643+391～DK643+400段基底以下深度小于5.0 m的充填溶洞采用C25混凝土換填。

3）鉆孔樁樁徑1.0 m，樁長5～25 m，樁間距縱向4.0 m，橫向3.8 m，共24根，采用C35鋼筋混凝土，樁底嵌入基巖深度不小于2 m，樁頂鋼筋伸入筏板1 m，樁長從筏板底面處算起。

4）樁頂施作C35鋼筋混凝土現(xiàn)澆板，板厚1.50 m，寬14.02 m，長32 m；筏板厚1.50 m，寬14.12 m，長24 m。

5）灌注樁正式施工前，應(yīng)先打1根試樁。本次試樁不做破壞性試驗，根據(jù)試樁資料驗證設(shè)計采用的地質(zhì)參數(shù)，判定成孔、成樁工藝方法是否適宜，并根據(jù)試樁結(jié)果確定是否調(diào)整樁基設(shè)計。試樁所用的設(shè)備與方法，應(yīng)與實際成孔成樁所用者相同，試樁的截面、長度與11#樁設(shè)計相同。試樁成孔后，灌注C35混凝土至筏板底部。

6）鉆孔樁施工過程中，應(yīng)充分利用鉆孔對基底溶洞的發(fā)育范圍及充填物性質(zhì)進一步探測，若與設(shè)計圖不一致，應(yīng)及時上報參建各方，并根據(jù)探測結(jié)果優(yōu)化調(diào)整樁長及樁設(shè)置范圍，鉆孔樁嵌入基巖不得小于2.0 m。

2.2 施工注意事項

施工中應(yīng)結(jié)合基底鉆孔情況進一步探明基底溶洞的發(fā)育形態(tài)，利用確定的加固措施進一步探明隧底地質(zhì)情況，若與設(shè)計不符，應(yīng)及時提出，以便及時調(diào)整整治措施。加強巖溶段施工組織，在鉆孔樁施作之前，對隧道周邊的圍巖應(yīng)做好加固處理，并做好漿液引排，嚴禁基底漫水。應(yīng)嚴格控制進尺，擴挖后及時噴混凝土封閉，加強監(jiān)控量測，及時分析監(jiān)控量測數(shù)據(jù)，并根據(jù)監(jiān)控量測規(guī)范分級管理，及時采取措施確保對變形的控制。筏板混凝土體積較大，施工時應(yīng)采取措施防止由于混凝土收縮及內(nèi)外溫差過大造成的混凝土開裂，有關(guān)施工要求如下：采用低發(fā)熱量的水泥，基礎(chǔ)混凝土按60 d達到后期強度配制；采用以連續(xù)級配的粗骨料配制混凝土；施工期間對混凝土的溫度變化進行測定，其內(nèi)外溫差應(yīng)控制在規(guī)范要求內(nèi)，采取措施降低底板內(nèi)部溫度，必要時采用施工措施降低混凝土的入模溫度；加強振搗，提高混凝土的密實性和均勻程度；加強養(yǎng)護，注意混凝土表面的保溫和潮濕養(yǎng)護，嚴禁表面出現(xiàn)干燥和較大溫差變化的情況。

3 應(yīng)用效果分析

3.1 模型概況及測點布置

巖溶鐵路隧道在高速列車通行過程中將經(jīng)受動荷載作用，因而基底的穩(wěn)定性直接關(guān)系著列車通行安全。為了檢驗樁筏結(jié)構(gòu)在隧道基底巖溶處理中的應(yīng)用效果，擬對工后巖溶基底開展動力響應(yīng)數(shù)值模擬分析，分析不同頻率下有、無樁筏結(jié)構(gòu)處理的沉降和振動速度。

計算模型尺寸為84 m×75 m，切向和法向均設(shè)置為自由的阻尼器，對所有y軸方向的單元施加法向自由邊界，模型的左右兩側(cè)以及底部均施加法向靜態(tài)約束，模型上部設(shè)置為自由邊界；采用六面體單元來模擬圍巖和初期支護，單元數(shù)量為2 618個；將圍巖視為摩爾庫倫理想彈塑性體（彈性模量為120 MPa，泊松比0.4，容重18 kN/m3，內(nèi)聚力為20 kPa，摩擦角為29°，剪脹角為5°）；將初期支護視為理想彈性體（彈性模量32 121 MPa，泊松比0.2，容重25 kN/m3）；樁體彈性模量為30 000 MPa，泊松比0.2，容重25 kN/m3；筏板彈性模量為32 121 MPa，泊松比0.2，容重25 kN/m3。計算模型如圖1所示。

測點布置：沿著隧道底部筏板橫斷面從左至右依次布設(shè)1～5個測點，如圖2所示。

圖1 計算模型示意

圖2 測點布置示意

動力荷載：加載波形選擇余弦波形，動荷載幅值為30 kPa，激振頻率為5.40、12.15 Hz。

3.2 沉降分析

模擬得到了不同頻率下巖溶隧道有、無樁筏處理時的沉降變形對比情況（圖3）。從圖3中可以對比看到：當頻率一定時，在隧道中線處的沉降值最大，并沿兩側(cè)呈對稱分布；相同頻率下，有樁筏的沉降值明顯低于無樁筏時的沉降值，無樁筏時最大沉降值分別為5.46 mm和5.38 mm，大于5 mm的設(shè)計要求，有樁筏時的沉降值較無樁筏時降低約40%，平均沉降值降至3 mm左右；頻率對于基底沉降量的影響不大，低激振頻率時的沉降量略大于高激振頻率時的沉降量，表明低頻率對于軌道建筑物的損害程度大于高頻率，但影響程度十分有限；當樁筏結(jié)構(gòu)施工后，隧道基底的左、中、右三線的沉降值逐漸趨于平均，即減少了軌道的不均勻沉降。

3.3 振動速度分析

模擬得到了不同頻率下巖溶隧道有、無樁筏處理時的測點振動速度對比情況（圖4）。從圖4中可以看到：當沒有進行樁筏施工時，不同測點處的振動速度相差較大（在32～57 mm/s之間變化），并且也是呈左右對稱分布；當進行樁筏施工后，不同測點處的振動速度基本趨于穩(wěn)定，且均集中于13.0～14.5 mm/s之間，而相關(guān)規(guī)范要求的安全許可范圍值為30～40 mm/s，表明樁筏結(jié)構(gòu)對于隧道基底的振動響應(yīng)具有很好的減振穩(wěn)定作用；有樁筏結(jié)構(gòu)時的基底測點振動速率較無樁筏時降低約68%；同樣的，低頻率時的測點振動速度略大于高頻率時的振動速度，再次表明低頻率對于軌道建筑物的損害程度大于高頻率。

圖3 不同頻率、有無樁筏 處理時沉降值對比

圖4 不同頻率、有無樁筏 處理時振動速度對比

4 結(jié)語

巖溶不良地質(zhì)強烈發(fā)育地質(zhì)，對隧道工程施工和運行安全具有重要影響。采用大拱腳臺階法開挖方式，對隧道進行開挖，然后對基底進行樁筏施工加固處理，并對不同頻率下巖溶隧道有、無樁筏處理時的沉降變形和振動速度進行了模擬分析。結(jié)果顯示：頻率越小，不同測點的沉降變形和振動速度越大，頻率對振動速度的影響程度大于對沉降量的影響程度，低頻率對于軌道建筑物的損害大于高頻率；進行樁筏基礎(chǔ)施工后的沉降量和振動速度較無樁筏施工時降低約40%和68%，表明樁筏結(jié)構(gòu)在隧道基底巖溶處理中能夠較好地控制不均勻沉降及實現(xiàn)減振穩(wěn)定效果。