CFG樁和微型鋼管樁在高鐵隧道巖溶地基處理中的應用

路美麗

(中鐵第五勘察設計院集團有限公司 北京市 102600)

0 引言

巖溶尤其是大型溶洞是隧道施工中對安全影響最大、最常見的風險,建設者們對巖溶處理的關注點也主要集中在隧道內大型溶洞的處理方面,而對充填粉質黏土且基巖面起伏較大的隧道巖溶處理關注較少。文章結合已開通的安九高鐵某隧道洞口段基巖面起伏較大的巖溶基底處理實踐,對隧底不同區域、不同段落提出了C25混凝土換填、CFG樁復合地基加固和微型鋼管樁注漿加固的綜合處理方案。

1 工程概況

安九高鐵某隧道全長805m,隧道設計時速350km,線間距5m,內軌頂面以上凈空面積100m2,隧道最大埋深約48m。勘測階段進口段采用物探貫通,結合鉆探物探資料推測進口段43m為石灰巖地區,發育巖溶,基底位于粉質粘土地層,承載力σ0=150kPa。

施工開挖后經基底巖溶探測,揭示巖溶分布范圍和粉質粘土厚度均較原設計有較大變化,隧道基底基巖面起伏較大且巖溶分布已進入隧道設計的暗洞范圍。基巖面起伏較大給整個地基處理增加了難度,同時給埋深較淺、地層條件較差的隧道洞口暗洞段基底處理也帶來了較大的困難。

由此,針對巖溶分布的不同程度選擇針對性的基底處理方案對降低隧道施工風險、提高施工工期至關重要。

2 洞口段基底巖溶分布特征

本隧道洞口開挖后,通過采取隧底地質雷達普查、鉆探和開挖(旋挖設備或釬探)核查等方法開展了綜合勘察工作,先采用地質雷達普查巖性分界情況,再布置鉆探或者釬探核查驗證,查明了巖性分界情況、土石界線起伏變化的特性及石灰巖表層溶蝕發育的特點。如圖1～圖2所示,本段基底巖溶分布具有以下特征:(1)隧底頁巖與石灰巖交替呈條帶狀分布,且與線路小角度斜交,造成隧底巖性變化大且工程性質差異較大;(2)石灰巖表層溶蝕較發育,石灰巖受溶蝕影響基巖面起伏較大,充填物為硬塑粉質黏土,粉質粘土中夾含較多石灰巖碎塊,充填的粉質粘土厚度從0到9m不等,粉質黏土地基承載力低,為150kPa;(3)粉質粘土縱向分布范圍較長,從明挖段延伸至暗挖段共計84m。其中明挖段長52m,粉質黏土厚度約4～8m;暗挖段長32m,粉質黏土厚度約0～9m,本段隧道最大埋深約8.5m,屬超淺埋暗挖段。

圖1 工程地質縱斷面圖

圖2 工程地質典型橫斷面圖

3 洞口段巖溶基底處理方案

3.1 常用的巖溶基底處理方案

依據《鐵路工程地基處理技術規程》[6]和類似工程實例,巖溶地基內充填硬塑粉質黏土時,地基處理一般可采用換填墊層法、水泥粉煤灰碎石樁(即CFG樁)復合地基和微型鋼管樁注漿加固。

換填墊層法主要用于淺層軟弱地基及不均勻地基的處理,處理的深度一般控制在3m以內。CFG樁復合地基是由水泥、粉煤灰、碎石等混合料加水拌合在土中灌注形成豎向增強體的復合地基,具有地基承載力高、變形小、穩定快、施工簡單易行等特點[7-9],且工程造價低,經濟效益和社會效益明顯。微型鋼管樁具有[1-5]需要空間小、施工干擾小、施工速度快、造價較低、可滿足基底承載力和工后沉降要求等優點,根據《建筑地基處理技術規范》[10]:微型鋼管樁加固后的地基,當樁與承臺整體連接時,可按樁基礎設計;樁與基礎不整體連接時,可按復合地基設計。本隧道基底鋼管樁加固方案中鋼管樁與基礎不采用整體連接,考慮按復合地基設計。

血小板計數是出血、血栓疾病的重要診斷指標。雖然關于兒童血小板參數參考范圍的報道已有很多,但一直一來,我院檢驗科都是以(100-300)×109/L作為血小板計數的參考范圍,但實際檢測過程中卻發現一部分兒童血小板計數高于此范圍,而且普遍高于成人,臨床醫生對此也存有疑問。因此,作者對我院同一臺儀器上健康體檢的兒童和成人的靜脈血血小板計數結果進行分組調查分析,得出結論。現報告如下:

3.2 巖溶基底處理方案的選擇

在進行巖溶隧道基底處理方案選擇時,應根據基底巖溶的分布特點和巖溶充填物的工程性質,在保證施工安全的前提下,兼顧經濟性與可靠性,制定針對性的處理方案。

根據本隧道洞口段基底巖溶分布特征可以看到:充填物主要為硬塑粉質黏土,地基承載力較低,不滿足設計要求;粉質黏土分布深度不一,容易引起基底不均勻沉降和工后沉降超出設計要求;由此洞口段基底處理的目的主要是提高地基承載力和減少地基沉降量,以滿足高鐵隧道的運營安全。

考慮到本段巖溶基底粉質黏土厚度從0到9m不等,且暗洞段和明洞段施工空間不同等因素,提出本隧道巖溶基底應采取“分區分段”的處理原則,即區分隧道明挖段和暗挖段、區分粉質黏土不同充填物厚度段落。根據以上原則,隧道進口52m明挖段粉質黏土厚度達4～8m且施工空間開闊,可選擇CFG樁復合地基處理措施;隧道32m暗洞段粉質黏土厚度達0～9m,考慮到洞內施工空間狹小不具備采用CFG樁復合地基的施工機具施工的條件,且隧道埋深淺、地層條件差等因素,考慮粉質黏土厚度小于1m段采用C25混凝土換填措施,大于1m段考慮微型鋼管樁注漿加固措施。

3.3 復合地基設計原則

本隧道巖溶基底處理的目的主要是提高地基承載力和減少地基沉降量,CFG樁復合地基加固處理方案和微型鋼管樁注漿加固方案均為復合地基,設計參數的確定應依據復合地基承載力[7]和沉降計算[8,10]驗證。

3.4 CFG樁加固設計

CFG樁復合地基設計參數有樁徑及樁間距、樁長、樁頂頂帽、樁頂褥墊層及成樁工藝等。CFG樁一般采用長螺旋鉆孔、管內泵壓混合料灌注成樁施工工藝,因本隧道基底基巖面起伏較大,充填的粉質黏土厚度不均且夾較多石灰巖溶蝕殘留巖塊,長螺旋鉆孔工藝較難實施,因此調整為采用旋挖鉆成孔工藝。基于規范要求并根據復合地基承載力和地基沉降公式檢算,得到如下設計參數,如圖3和圖4所示。

圖3 CFG樁加固設計縱斷面圖

圖4 CFG樁施工現場

(1)樁徑及樁間距:結合現場旋挖鉆機的類型,樁徑選擇600mm。根據規范[10]規定,樁間距宜為3～6倍樁徑,即(3～6)×0.6=1.8～2.2m。設計取1.8m,按正方形布置。

(2)樁頂頂帽:CFG樁加固地段樁頂設1.0m×1.0m×0.3m正方形樁帽,樁帽頂面鋪設雙向鋼筋網片,鋼筋采用HPB300級,直徑10mm,間距10cm,末端設180°彎鉤,鋼筋保護層厚度50mm,施工樁頂標高宜高出設計樁頂標高不少于0.5m,清土和截樁時,不得造成樁頂標高以下樁身斷裂和擾動樁間土。

(3)樁頂褥墊層:CFG樁樁頂鋪0.5m碎石墊層,墊層內鋪設一層高密度(HDPE)聚乙烯單向土工格柵或雙線經編滌綸土工格柵,幅寬不小于6m,每側回折3m,其抗拉強度不小于200kN/m,延伸率不小于10%。

(4)樁長:考慮到本隧道明挖段基底粉質黏土厚約4～8m,為滿足基底承載力和基底沉降要求,樁端進入基巖層(灰巖層)不小于0.5m。

(5)樁基檢測:樁體質量檢驗應在成樁28天后進行,采用低應變動力試驗檢測CFG樁樁身完整性,抽檢率為樁數的10%;承載力采用單樁載荷試驗,抽檢率為樁數的0.2%,且不少于3根。經現場檢測,CFG樁復合地基加固巖溶地基后承載力超過220kPa,滿足設計要求。

3.5 微型鋼管樁加固設計

微型鋼管樁加固設計參數有微型鋼管樁樁徑、樁間距、樁長、注漿材料、注漿壓力和注漿量等。

(1)樁徑:結合現場既有的Φ127mm鉆孔機械,注漿鋼管選用Φ108mm(壁厚6mm)的鋼管。

(2)樁間距:考慮到本暗挖段初支仰拱鋼架間距為0.5m,為便于施工和確保鋼管樁注漿效果,選擇鋼管樁間距為0.5m×0.5m,梅花形布置。

(3)樁長:經復合地基承載力和地基沉降檢算及工程類比,本設計鋼管樁嵌入基巖不小于1m。

(4)注漿材料:根據規范[10]規定:對軟弱地基土處理,可選用以水泥為主劑的漿液及水泥和水玻璃的雙液型混合漿液。結合本隧道基底無地下水流動且對注漿材料的膠凝時間沒有特殊要求的情況選用水灰比為1:0.5～1:1的普通硅酸鹽水泥單液漿。

(5)注漿壓力:本隧道注漿加固處理的地層主要為粉質黏土,注漿長度較短,可采用全孔一次性注漿,結合注漿地層特征及注漿加固目的,確定注漿壓力為1.0～2.0MPa。注漿施工過程中,注漿壓力可結合現場地層情況和注漿深度動態調整。

單孔設計注漿量:采用式(1)進行計算:

Q=Anα(1+β)

(1)

式中:Q為總注漿量,單位m3;A為注漿范圍巖層體積,單位m3;n為圍巖空隙率,單位%;設計時暫按粉質黏土取30%、W4地層取10%、W2地層取2%;α為漿液充填系數,一般在0.7～0.9之間;β為注漿材料損耗系數,0.1～0.2。

圖5～圖6為暗挖段鋼管樁注漿加固縱斷面和典型橫斷面。暗洞段因場地條件所限且隧道最大埋深約8.5m,屬超淺埋暗挖段。為確保暗挖段隧道基底處理期間的施工安全,有效控制初支結構的收斂變形和拱頂沉降,應在隧道初支封閉成環后再進行地基處理,即隧道初支封閉成環后,回填土至仰拱填充面高度處平整后作為鉆孔施作平臺兼注漿止漿墻。

圖5 鋼管樁注漿加固設計縱斷面圖

圖6 鋼管樁注漿加固典型橫斷面

4 結論

(1)針對石灰巖受溶蝕影響基巖面起伏較大、巖溶內充填的粉質黏土厚度分布不均及分布范圍較大的特點,結合高鐵隧道洞口段的不同地形和不同結構型式,提出了“分區分段”的綜合處理原則。

(2)工程實踐證明,CFG樁復合地基和微型鋼管樁可分別解決明挖段和暗挖段硬塑粉質黏土填充的巖溶地基承載力和地基沉降問題。

(3)因巖溶發育的復雜性,目前的勘察手段難以準確查明巖溶的具體發育形態和規模,因此建設過程中應結合巖溶區的具體地質情況,因地制宜,進行動態設計和信息化施工,以保證隧道施工和運營安全。