山嶺鐵路隧道淺埋段基底加固方式的探討

徐樹斌 許偉宏

隨著我國鐵路的高速發(fā)展,對(duì)鐵路線形要求更加嚴(yán)格,造成了鐵路隧道數(shù)量日益增多,有些鐵路工程的隧線比甚至超過50%,受鐵路線位影響,一些隧道基底的地質(zhì)條件比較差。此外,根據(jù)隧道“早進(jìn)晚出、保護(hù)環(huán)境”的原則,隧道明洞應(yīng)盡可能加長,這就增加了隧道存在軟弱地基的幾率。在隧道設(shè)計(jì)過程中,我們經(jīng)常需要處理一些隧道基底的軟弱地層(如黏土層),以提高隧道基底地層承載力,滿足隧道襯砌設(shè)計(jì)要求。

1 山嶺隧道基底加固

1.1 基底換填

隧道基底換填是一種比較簡(jiǎn)便、快速的隧道軟弱基底處理措施,在隧道洞口及洞身淺埋段中應(yīng)用比較廣泛,一般鐵路隧道采用C20片石混凝土換填軟弱地基(黏土等),換填應(yīng)深入基巖不小于0.5 m。但基底換填有一定的局限性,當(dāng)隧道基底軟弱基礎(chǔ)層較厚,基底換填量就會(huì)比較大,有時(shí)開挖基底邊坡需要采用臨時(shí)防護(hù)措施,從安全性和經(jīng)濟(jì)性考慮,換填就不太合適。一般情況下,當(dāng)隧道基底黏土層換填深度為2.0 m～5.0 m為宜。隧道基底換填設(shè)計(jì)見圖1。

1.2 小導(dǎo)管(鋼花管)注漿

小導(dǎo)管(鋼花管)注漿是利用導(dǎo)管導(dǎo)入漿液,注漿孔均勻分布,高壓漿液強(qiáng)行擠壓孔周,使黏土層劈裂成縫并充填凝結(jié)于其中,從而對(duì)黏土層起到擠壓加固和增加高強(qiáng)夾層加固作用(稱為“劈裂注漿”)。在軟弱黏土層中增加的高強(qiáng)夾層,將黏土分割加固,使其整體性和強(qiáng)度大幅提高。

小導(dǎo)管(鋼花管)注漿適合于隧道基底黏土層或全風(fēng)化巖層厚(地下水不發(fā)育地層)大于5.0 m地段,小導(dǎo)管(鋼花管)注漿對(duì)于隧道洞身段小型滑坡體也有很好的加固作用。小導(dǎo)管(鋼花管)注漿在黏土層地段有很好的加固效果,加固深度相對(duì)基底換填較深,操作方便,地層強(qiáng)度提高大。但是在地下水發(fā)育地段效果較差,漿液流失嚴(yán)重,固結(jié)較慢,根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn),一般鋼花管注漿加固深度在10 m左右為宜,鋼花管注漿加固基底設(shè)計(jì)見圖2。

小導(dǎo)管(鋼花管)注漿一般采用φ 42或φ 50鋼花管,平面采用梅花形布置,橫縱向間距為1.5 m～2.5 m;水泥漿液水灰比常采用1∶1.0～ 1∶1.5(或根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)確定),注漿壓力為 0.5 MPa～1.2 MPa。單根鋼花管注漿量可參考下式計(jì)算:

其中,Rk為漿液擴(kuò)散半徑,取 Rk=0.6Lo,m;Lo為鋼花管中心間距,m;L為鋼花管長,m;ξ為注漿飽滿系數(shù),取0.85;η為空隙率,巖石破碎帶取 5%～8%、砂土取 40%～60%、黏土取20%～40%計(jì)算。

1.3 旋噴樁加固

旋噴樁是利用鉆機(jī)將旋噴注漿管及噴頭鉆置于樁底設(shè)計(jì)高程,將預(yù)先配制好的漿液通過高壓發(fā)生裝置使液流獲得巨大能量后,從注漿管邊的噴嘴中高速噴射出來,形成一股能量高度集中的液流,直接破壞土體,噴射過程中,鉆桿邊旋轉(zhuǎn)邊提升,使?jié){液與土體充分?jǐn)嚢杌旌?在土中形成一定直徑的柱狀固結(jié)體,從而使地基達(dá)到加固。

旋噴樁加固對(duì)處理淤泥、淤泥質(zhì)土、黏性土、粉土、砂土、人工填土和碎石土等有良好的效果,而且施工簡(jiǎn)便、漿液集中(流失較少)、價(jià)格低廉。適合于山嶺鐵路隧道加固層較深、地下水發(fā)育地段。山嶺鐵路隧道基底采用旋噴樁加固,樁直徑一般為0.6 m～0.8 m,樁間距一般取 L=(2～3)d(d為旋噴樁設(shè)計(jì)直徑),噴射漿液水灰比一般為1∶1～1.5∶1。

旋噴樁的復(fù)合地基承載力可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)荷載試驗(yàn)確定,當(dāng)無試驗(yàn)條件時(shí),也可按照下式計(jì)算且結(jié)合當(dāng)?shù)厍闆r與其土質(zhì)相似工程經(jīng)驗(yàn)確定。

其中,fsp,k為復(fù)合地基承載力標(biāo)準(zhǔn)值,kPa;Ae為1根樁承擔(dān)的處理面積,m2;Ap為樁的平均截面積,m2;fs,k為樁間天然地基土承載力標(biāo)準(zhǔn)值,kPa;β為樁間天然地基土承載力折減系數(shù),可根據(jù)實(shí)驗(yàn)確定,在無實(shí)驗(yàn)資料時(shí),可取0.2～0.6;當(dāng)不考慮樁間軟土的作用時(shí),可取0;Rdk為單樁豎向承載力標(biāo)準(zhǔn)值,kN。

1.4 地表注漿

地表注漿是在地面修建一定厚度注漿平臺(tái),然后向下鉆孔至設(shè)計(jì)深度,插入孔口管,通過靜壓注漿的一種加固地表和地基方法。當(dāng)隧道洞口段為松散堆積體或可治理的小型滑坡體,隧道洞頂覆蓋層有一定厚度,明洞難以施工時(shí),通過地表注漿能很好的改善地層條件,增加隧道基底承載力,降低暗洞施工難度及施工風(fēng)險(xiǎn),加快施工進(jìn)度。地表注漿平臺(tái)厚度一般約為30 cm,以保證注漿過程中漿液不溢出地表。注漿孔口管為φ 89(φ 50)鋼管,注漿孔平面采用梅花形布置,橫縱向間距為1.0 m～2.5 m;水泥漿液水灰比常采用1∶1.0～1∶1.5(或根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)確定),注漿壓力為0.5 MPa～1.2 M Pa。單根管注漿量根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)確定,當(dāng)無試驗(yàn)條件時(shí)可采用式(1)計(jì)算。

2 體會(huì)

1)在山嶺鐵路隧道設(shè)計(jì)過程中,隧道洞口及淺埋段基底加固采用上述方法一般能達(dá)到很好的效果,我們可以根據(jù)實(shí)際地質(zhì)情況,有針對(duì)性的采用單一加固方法或幾種加固方法同時(shí)使用。

2)隧道設(shè)計(jì)過程為動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)過程,山嶺隧道基底加固方式選擇很大程度取決于地質(zhì)條件,在加固施工前,應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行驗(yàn)證,并根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整,以保證最佳加固效果。

3)由于我國幅員遼闊,地質(zhì)條件千差萬別,特殊地質(zhì)地層很多,處理隧道加固措施也很多,例如隧道穿越灰?guī)r地區(qū)溶洞,先采用鉆孔灌注樁,再采用地梁承載襯砌;當(dāng)隧道洞身穿越斷層破碎帶,涌水、涌泥規(guī)模較大時(shí),就需要采用帷幕注漿等加固圍巖及基底。在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中,應(yīng)根據(jù)具體地質(zhì)條件,有針對(duì)性的進(jìn)行隧道基底加固,以保證隧道設(shè)計(jì)“經(jīng)濟(jì)、合理、安全、環(huán)保”。

[1] TB 1003-2005,鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[2] GB 50007-2002,建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[3] 鐵道部第二勘測(cè)設(shè)計(jì)院.隧道[M].北京:中國鐵道出版社,2006.

[4] 李相然.地下與基礎(chǔ)工程防滲加固技術(shù)[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2005:121-122.