高速鐵路隧道工程洞口區(qū)域地基加固技術(shù)研究

賈曉龍

（北京鐵城建設(shè)監(jiān)理有限責(zé)任公司，北京 100855）

0 引言

洞口是整個(gè)隧道工程的入口，是隧道工程中最易受到地質(zhì)災(zāi)害和環(huán)境影響的區(qū)域，如出現(xiàn)地面沉降、巖體裂隙、土層不穩(wěn)定等問(wèn)題，都會(huì)對(duì)隧道的穩(wěn)定性造成不良影響，因此對(duì)隧道洞口區(qū)域地基進(jìn)行加固處理，是隧道工程中至關(guān)重要的一項(xiàng)工作，具有提高隧道口的承載能力和穩(wěn)定性的作用。因此，本文對(duì)高速鐵路隧道工程洞口區(qū)域地基加固技術(shù)進(jìn)行研究，為高速鐵路工程實(shí)踐提供更加可靠的技術(shù)支持。

1 工程概況

案例工程為高速鐵路隧道工程洞口區(qū)域的地基加固工程。該隧道位于一條山區(qū)線路上，隧道設(shè)計(jì)類型為雙線隧道，隧道總長(zhǎng)約10.9km，設(shè)計(jì)列車通過(guò)速度為360km/h。該隧道為拱形洞口，高度為22.5m，寬度為29m。隧道洞口區(qū)域地表覆蓋Q4al+1 粉質(zhì)黏土，厚度約4.5～6.5m，層理不明顯，顏色呈現(xiàn)黃褐色，韌性中等，含石英、砂礫、姜石等，粉質(zhì)黏土以下為花崗片麻巖，質(zhì)地較為堅(jiān)硬[1]。此次工程洞口區(qū)域的地基加固面積為2000m2左右，洞口區(qū)域地表下2.5m 處為地下水位，地表土體遇水后十分軟弱，該區(qū)域土體的塑限、液限和塑性指數(shù)分別為24.8%、38.8%和14.0%。

加固施工之前，該隧道洞口區(qū)域地基存兩大問(wèn)題：其一，由于該隧道建設(shè)地區(qū)地質(zhì)條件復(fù)雜，如巖石、土層、地下水位等變化，導(dǎo)致地基穩(wěn)定性降低、隧道洞口的結(jié)構(gòu)變形；其二，隧道洞口區(qū)域地下水位較高，如果不進(jìn)行地基加固，可能會(huì)引發(fā)洞口周邊土體流失或坍塌，進(jìn)而導(dǎo)致洞口塌陷。

2 隧道工程洞口區(qū)域地基加固施工工藝流程

高速鐵路隧道工程洞口區(qū)域地基加固施工工藝流程包括以下6個(gè)步驟，具體如圖1所示。

圖1 地基加固施工工藝流程

（1）地質(zhì)勘察：需對(duì)洞口區(qū)域的地質(zhì)情況進(jìn)行勘察，確定土層結(jié)構(gòu)和性質(zhì)、巖體裂隙等信息，并根據(jù)地質(zhì)勘察的結(jié)果，設(shè)計(jì)最適合的地基加固方案。

（2）地面準(zhǔn)備：清理洞口區(qū)域的雜物和泥沙等不良物質(zhì)，確保施工場(chǎng)地平整。

（3）灌注樁鉆孔施工：根據(jù)設(shè)計(jì)方案，進(jìn)行灌注樁鉆孔施工，為注漿施工奠定基礎(chǔ)。

（4）高壓旋噴注漿：在灌注樁鉆孔施工完成后進(jìn)行注漿，注漿可以加固土層，增加土層的強(qiáng)度和穩(wěn)定性。

（5）樁頭鋸齒處理：對(duì)于鉆孔灌注樁，需對(duì)樁頭進(jìn)行鋸齒處理，增加樁體與土體的摩擦力，提高加固效果。

（6）加固養(yǎng)護(hù)：定期進(jìn)行檢查維護(hù)，確保隧道口區(qū)域地基加固的穩(wěn)定性。

需要注意，洞口區(qū)域地基加固的具體實(shí)施步驟，需根據(jù)不同的地質(zhì)情況或工程要求進(jìn)行選擇和調(diào)整，以確保加固效果和施工安全[2]。

3 隧道工程洞口區(qū)域地基加固技術(shù)要點(diǎn)

3.1 鉆孔施工

鉆孔是隧道口區(qū)域地基加固施工中非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，通過(guò)提供適合的孔徑和深度，為高壓旋噴注漿的加固施工提供基礎(chǔ)。該工程施工面積在2000m2左右，實(shí)際施工過(guò)程工作量較大，因此采用全輪驅(qū)動(dòng)底盤、較為輕便和易挪動(dòng)的高氣壓環(huán)型潛孔鉆機(jī)，型號(hào)為T-150,鉆頭直徑254mm，最大鉆孔深度50m，間距為1.5m×1.5m梅花型布置，具體施工布置圖如圖2所示。

圖2 施工布置圖

進(jìn)行鉆孔施工時(shí)，首先應(yīng)結(jié)合實(shí)際巖層的孔隙大小和分布密度及漿液粘聚力，進(jìn)行漿液擴(kuò)散半徑計(jì)算，計(jì)算公式如式（1）所示：

式中：r——漿液的擴(kuò)散半徑，m；

z——常數(shù)，取值范圍為0.6～0.8；

ds——漿液的擴(kuò)散系數(shù)，m2/s；

t——時(shí)間，s。

進(jìn)行漿液擴(kuò)散半徑計(jì)算的主要目的是為了確定注漿鉆孔時(shí)漿液的擴(kuò)散范圍，從而合理控制注漿的位置和孔位數(shù)量[3]。為防止鉆孔施工時(shí)出現(xiàn)方向偏差，應(yīng)進(jìn)行鉆孔精度計(jì)算，計(jì)算公式如式（2）所示：

式中：Z——鉆孔位置精度；

Xi、Yi和Zi——分別為鉆孔位置的坐標(biāo)軸的X、Y和Z方向偏差系數(shù)。

鉆孔施工過(guò)程還需確定鉆孔的直徑，以保證鉆孔施工的質(zhì)量和進(jìn)度，鉆孔直徑的計(jì)算公式如式（3）所示：

式中：D——鉆孔直徑，m；

R——鉆孔半徑，m；

Q——鉆進(jìn)排土量，m3；

U——土壤的單位體積重量，kg/m3；

N——鉆頭每分鐘轉(zhuǎn)速，r/min。

此外，在進(jìn)行鉆孔施工時(shí)，需及時(shí)排出巖土屑石，保持鉆孔機(jī)的清潔，確保地基加固的施工進(jìn)程。通過(guò)鉆孔施工可以有效去除軟土、泥巖和松散地層等不穩(wěn)定的土層，提高地基的承載力和穩(wěn)定性，為下一步的注漿施工奠定基礎(chǔ)。

3.2 旋噴注漿量確定及注漿漿液配制

高壓旋噴注漿技術(shù)是隧道工程洞口區(qū)域地基加固施工中最常用的一種技術(shù)，利用高壓注漿機(jī)將水泥漿料、砂漿和其他添加劑注入地下，形成一定直徑和長(zhǎng)度的注漿樁，改善土壤和巖石的力學(xué)性質(zhì)，增加地基的承載力和抗沉降能力。在使用高壓旋噴注漿技術(shù)進(jìn)行地基加固施工時(shí)，對(duì)注漿量的控制尤為重要。首先，設(shè)注漿壓力為P，計(jì)算公式如式（4）所示：

式中：hj——注漿點(diǎn)以上土的厚度，m；

fj——地層性質(zhì)系數(shù)，取值范圍為0.9～2.5；

yj——注漿點(diǎn)上覆土層重度，kN/m3；

ρ——與土層性質(zhì)有關(guān)的系數(shù)，取值范圍為0.6～1.6；

h——注漿段高度，m；

mi——樁底樁側(cè)注漿每加深1m 容許增加壓力值，kPa/m。

應(yīng)根據(jù)注漿壓力將旋噴注漿量控制在一定范圍內(nèi)，注漿壓力越高，所需的注漿量和漿液濃度就越大，隧道地基的加固效果就越好，具體關(guān)系曲線如圖3所示。

圖3 注漿壓力與注漿量之間的關(guān)系曲線圖

在基于一定的壓力控制后，采用體積法計(jì)算出旋噴注漿量，計(jì)算公式如式（5）所示：

式中：Q——注漿漿量，m；

De——旋噴體直徑，m；

a——損失系數(shù)，取值范圍為0.15～0.25；

h——旋噴長(zhǎng)度，m；

k——填充率，取值范圍為0.65～0.85；

β——折減系數(shù)，取值范圍為0.7～1.2。

在注漿過(guò)程中，需要確保漿液能夠均勻覆蓋孔壁，并且充分填充空隙，保證注漿樁的密實(shí)性。進(jìn)行注漿漿液的配制時(shí)，應(yīng)盡量去除灰塵、油脂、污漬等雜質(zhì)，保證配制容器的干燥、平整與清潔；其次，注漿漿液采用標(biāo)號(hào)P·O32.5的國(guó)標(biāo)硅酸鹽水泥，流動(dòng)性好，有利于漿液向縫隙擴(kuò)散，注漿漿液的配比見(jiàn)表1。

表1 注漿漿液配比

需要注意，注漿漿液須在2h內(nèi)使用，且必須一次性使用完畢，否則時(shí)間過(guò)長(zhǎng)會(huì)導(dǎo)致漿液凝固而無(wú)法使用。注漿漿液的使用溫度應(yīng)在5～30℃之間，當(dāng)溫度過(guò)低時(shí)，漿液的初凝時(shí)間會(huì)延長(zhǎng)，使得漿液的成型時(shí)間變長(zhǎng)，對(duì)施工進(jìn)度產(chǎn)生影響；而在高溫環(huán)境下，漿液的流動(dòng)性和黏度會(huì)發(fā)生變化，可能會(huì)導(dǎo)致加固效果不好。可利用賓漢漿體流動(dòng)方程測(cè)試配置漿液的流變性，設(shè)τ為拉剪強(qiáng)度，計(jì)算公式如式（6）所示：

式中：τ1——沖擊韌性，Pa；

η——塑性粘度，Pa/s；

注漿施工后需等待2～3d 時(shí)間，進(jìn)行注漿材料的固化，在此過(guò)程中，注漿材料中的水分逐漸蒸發(fā)，同時(shí)材料中的化學(xué)物質(zhì)逐漸反應(yīng)生成更為穩(wěn)定的化合物，從而使加固材料變得更加堅(jiān)固和耐用[4]。此外，為保證漿液的加固效果，可在注漿施工前進(jìn)行小范圍試驗(yàn)，并根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)施工情況進(jìn)行及時(shí)調(diào)整。

3.3 樁頭鋸齒處理

樁頭鋸齒處理的目的是提高注漿樁的灌漿質(zhì)量和灌漿密實(shí)度，提升注漿樁體的承載能力和抗傾倒能力，進(jìn)一步增強(qiáng)樁體的整體力學(xué)性能，但須遵從具體的處理步驟。

（1）對(duì)樁身進(jìn)行準(zhǔn)備工作，包括清理樁身表面的泥土和雜物，對(duì)樁身進(jìn)行檢查，確認(rèn)樁身沒(méi)有明顯的損傷。

（2）使用鑿子或電鋸在樁頭處進(jìn)行鋸齒處理，使樁身表面產(chǎn)生一定的粗糙度，增加其表面的摩擦系數(shù)，摩擦系數(shù)計(jì)算公式如式（7）所示。

式中：μ——摩擦系數(shù)；

τ——樁身表面與土壤間的剪應(yīng)力；

σ——垂直于樁身表面的有效應(yīng)力。

（3）當(dāng)樁身表面產(chǎn)生一定的粗糙度后，噴涂聚合物乳液附著劑提高樁頭與土壤之間的黏附力，當(dāng)樁頭與土壤之間的黏附力越大，樁在承受荷載或外力作用時(shí)的變形就越小，加固效果與穩(wěn)定性就越好。樁頭與土壤之間的粘附力計(jì)算公式如式（8）所示：

式中：F——樁頭與土壤之間的粘附力，N；

QS——土壤與樁身表面的黏著力，Pa；

AS——樁身表面與土壤接觸的面積，m2。

通過(guò)樁頭鋸齒處理，可以使樁身與土體形成更多的摩擦力，提高樁體的抗剪強(qiáng)度和抗拔能力，增加整個(gè)地基的穩(wěn)定性和承載能力[5]。在地基加固工程中，樁頭鋸齒處理是較為重要的環(huán)節(jié)，能夠有效地提高地基加固效果，保證隧道工程的安全性。

3.4 加固養(yǎng)護(hù)

（1）定期巡視：維護(hù)人員定期巡視隧道口區(qū)域地基加固情況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)和處理可能存在的問(wèn)題，如果該地區(qū)有較強(qiáng)的地震活動(dòng)或者洪水等災(zāi)害，應(yīng)增加巡視頻率。

（2）清潔維護(hù)：須及時(shí)清理積水、雜草等，保持地基加固區(qū)域的清潔，防止對(duì)地基加固材料的腐蝕和損壞。

（3）檢查維修：定期對(duì)加固區(qū)域進(jìn)行檢查和維修，查看加固材料是否出現(xiàn)老化、開(kāi)裂、松動(dòng)等問(wèn)題。

（4）防止外力破壞：維護(hù)人員可在隧道洞口區(qū)域周圍設(shè)置路障或護(hù)欄，防止車輛和行人損壞地基加固材料。

（5）做好記錄：對(duì)隧道口區(qū)域地基加固的維護(hù)進(jìn)行詳細(xì)記錄，包括巡視時(shí)間、維護(hù)情況、維護(hù)人員等，便于日后進(jìn)行追溯和管理。

后期的地基加固養(yǎng)護(hù)工作是非常重要的，對(duì)確保鐵路運(yùn)行安全、延長(zhǎng)地基使用壽命、降低維護(hù)成本和提高鐵路運(yùn)行效率具有重要意義。

經(jīng)過(guò)以上環(huán)節(jié)的加固施工，該隧道洞口區(qū)域的地基穩(wěn)定性及承載力得到顯著改善。加固之前，洞口區(qū)域的地面沉降量為13mm，隧道洞口區(qū)域的極限承載力為200kN/m2；加固后，地面沉降量變?yōu)?mm，隧道洞口區(qū)域的極限承載力達(dá)到400kN/m2。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文以某高速鐵路隧道工程洞口區(qū)域地基加固工程為例，詳細(xì)介紹地基加固工程的工藝流程，從鉆孔、旋噴注漿量確定、樁頭鋸齒處理以及后期加固養(yǎng)護(hù)等環(huán)節(jié)，探究了地基加固技術(shù)在實(shí)際隧道工程洞口區(qū)域加固工程中的應(yīng)用，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)沉降量及承載力的測(cè)量結(jié)果表明，以上技術(shù)的應(yīng)用，提高了隧道洞口區(qū)域地基的穩(wěn)定性和承載能力。后續(xù)還需對(duì)隧道工程洞口區(qū)域地基加固技術(shù)作進(jìn)一步研究，應(yīng)以精準(zhǔn)、環(huán)保、可持續(xù)發(fā)展、預(yù)防性和規(guī)范化為目標(biāo)，逐步提高隧道工程的安全性、可靠性和可持續(xù)性。