軟弱黃土隧道地基加固技術研究

陶云平

（中鐵十七局集團 第五工程有限公司，山西 太原 030032）

0 引言

隨著國家公路網建設的不斷完善及中西部開發戰略的逐步實施，黃土地區交通建設迅猛發展，黃土公路隧道建設規模越來越大。當隧道穿越軟弱黃土地層時，由于黃土顆粒組成以粉粒為主，同時含有砂粒和黏粒，其結構疏松，孔隙較發育，受地下水影響程度較大，且部分黃土地層濕陷性極為明顯，因此在軟弱黃土隧道施工過程中極易產生基底失穩、襯砌開裂、大變形、塌方等病害。目前國內外學者針對軟弱黃土隧道地基加固問題開展了一系列的研究。郭軍等人[1]結合鄭西客專隧道的工程實例，提出了水泥擠密樁的處理措施，并采用三維有限差分法對加固效果進行評價。王洪坤[2]結合寶蘭客專王家岔隧道的工程實例，闡述了洞口和洞內水泥土擠密樁施工方案，分析了其施工振動對初支結構和圍巖穩定的危害，提出了有效的控制措施。張建林[3]對黃土隧道地基的高壓旋噴樁的加固處理方法概述與探討，并提出了高壓旋噴樁施工中應注意的問題。

本文以丹東至拉薩國道主干線西寧過境公路西段大有山隧道為工程實例，結合其水文地質、氣象、施工工藝等因素，總結分析其變形特征，在此基礎上研究其地基加固措施，并利用數值模擬手段對其加固效果進行全面評價，以期為類似工程提供技術支持及實踐指導。

1 工程概況

大有山隧道為分離式雙向四車道隧道，其左洞長度為2 560 m，右洞長度為2 535 m，行車道凈寬為2×3.75 m，建筑界限為高5.5 m，寬10.75 m。隧址區位于祁、呂、賀“山”字型構造體系的西翼弧形褶皺帶部位，該褶皺形態表現為復式向斜構造，其地貌單元屬于黃土塬。隧道進口端為河谷階地地貌，地形呈階梯狀，臺面平整；隧道出口端屬黃土塬地貌，坡面較陡，斜坡深切溝谷；尤其在K2+960—K3+180洞身段為深切“U”溝谷，地形寬緩，溝床有較厚素土碾壓夯實墊層。隧址區內黃土性質屬濕陷性黃土，土體呈低含水量、大孔隙、高壓縮性等特點，尤其在隧道進洞口處，其土體為坡洪積的嚴重濕陷性黃土，呈褐黃色，其成分以亞黏土、亞砂土為主，其蟲孔、孔隙較為發育。

大有山隧道采用新奧法原理設計，采用鋼拱架與格柵鋼架相結合的柔性支護體系復合式襯砌。鋼拱架采用I20a型，其沿隧道軸向間距為65 cm，連接鋼筋采用φ8鋼筋，其環向間距為1 m。鋼筋網片采用φ8鋼筋，間距設置為20×20 cm（雙層）。系統錨桿采用中空注漿錨桿，其直徑為22 mm，長度為3.5 m，間距設置為100 cm×65 cm。噴射混凝土采用C25型早強混凝土，厚度為24 cm；二次襯砌采用C25鋼筋混凝土，厚度為50 cm；在Ⅴ級圍巖中，應設置仰拱，其厚度為50 cm。

2 軟弱黃土隧道圍巖變形特征

大有山隧道洞口段屬于淺埋，在其開挖10 d后，地表出現裂縫，并從拱腳開始以一定角度延伸至地表處，該裂縫主要分布在隧道軸線兩側位置，并隨著隧道掌子面的不斷向前開挖而向前延伸；而在隧道洞身段，開挖30 d后，地表處隧道軸線位置兩側各出現一縱向裂縫，且該裂縫隨掌子面的開挖而逐步向前延伸，并逐漸超前于掌子面，且該裂縫的寬度和深度逐漸增大。由于大有山隧道洞口處存在一定程度的偏壓地形，偏壓側隧道初期支護拱肩處產生了一條大致平行于隧道軸向的裂縫，在偏壓較嚴重的隧道段，其初期支護甚至出現錯臺現象。同時，在隧道洞口淺埋偏壓段，其開挖后地表出現裂縫，其裂縫走向與隧道軸向基本平行，部分嚴重段甚至出現錯臺現象，其高度達5 cm，寬度達10 cm，現場具體情況如圖1所示。

圖1 大有山隧道地表裂縫

由于軟弱黃土隧道洞口段通常存在破碎圍巖，其承載力較低，自穩時間短，在掌子面開挖過程中土體極易被擾動而產生下沉，因此該部位的隧道圍巖壓力為松散壓力，土體極易沿節理張開，無法形成承載拱，導致塌方、冒頂、大變形等病害的發生；同時，該處地表極易產生較大拉應力，進而產生地表縱向、環向裂縫。

3 軟弱黃土隧道地基加固措施

3.1 高壓旋噴樁加固機理

高壓旋噴樁是利用專業鉆機將注漿管打設入土體的設計深度，隨后利用高壓噴嘴將配合好的水泥漿液以一定壓力噴射到地基土體內，隨著漿液的不斷沖擊，在原土體內形成一定空間，并使得原土體置換成新的凝固體，進而達到提高土體性能的目的[4]。在高壓旋噴樁施工過程中，可實現邊噴射、邊旋轉鉆桿，使得高壓水泥漿液直接沖擊土體，并與土體均勻拌合后形成強度較好的混合體，從而大幅提高軟弱黃土隧道地基的抗剪強度，從根本上改善土體性質。

由于高壓旋噴樁對軟弱黃土的加固效果較好，且其具有設備簡單、工期較短、操作方便等優點，因此在大有山隧道地基處理中選用高壓旋噴樁法。

3.2 高壓旋噴樁施工工藝

根據本項目的實際情況，大有山隧道地基處理所采用的高壓旋噴樁樁徑為60 mm，長度為7.5 m，其分布間距為1.2×1.2 m，呈梅花型布設，主要分布在隧道仰拱部位。同時，為增強隧道支護結構的整體穩定性，應在隧道拱腳部位增設鎖腳錨管，其管徑為75 mm，長度為4.5 m，其施作角度應與水平線成30°。

高壓旋噴樁注漿材料選用PO.42.5普通硅酸鹽水泥漿，其水灰比為質量比W∶C=0.75∶1，其初凝時間不大于16 h，終凝時間不大于24 h，28 d齡期的抗壓強度應不小于9 MPa。根據高壓旋噴樁的施工現場情況，其鉆桿提升速度為15 cm/min，注漿速度為90 L/min，具體情況如圖2所示。

圖2 高壓旋噴樁現場情況

4 軟弱黃土隧道地基加固效果分析

本文采用大型有限元軟件建立二維模型，對比分析未采用高壓旋噴樁（工況1）和采用高壓旋噴樁（工況2）兩種工況下初期支護結構的力學性能，從而全面評價高壓旋噴樁在軟弱黃土隧道地基加固中的處理效果。首先應假設模型分析為平面應變問題，隧道圍巖變形是各向同性的[5]。在邊界條件方面，水平方向隧道兩側各取兩倍的隧道凈寬，模型底部取至仰拱下30 m的范圍，模型上方取地表實際情況，其具體網格劃分情況如圖3所示。

圖3 模型網格劃分圖

在圖3隧道模型中，初期支護采用梁單元（Beam3）模擬，二次襯砌及圍巖采用二維平面單元（Plane42）模擬。按照上述高壓旋噴樁加固軟弱黃土隧道地基的具體施工步驟，進行全面的工序模擬，所得兩種工況下初期支護結構的軸力及豎向位移情況如圖4、圖5所示。

圖4 初期支護結構軸力圖

圖5 初期支護結構豎向位移圖

從圖4中可以看出，未采取高壓旋噴樁處治措施的工況下，隧道初期支護結構軸力較大值主要分布在兩側邊墻處，其最大值達1.1×104kN/m2，而仰拱處軸力值最小，其值僅為5.4×103kN/m2；而采用高壓旋噴樁對隧道地基進行加固處理后，初期支護結構軸力最大值主要分布在兩側邊墻處，其值為6.7×103kN/m2，相比未處治工況其降低幅度達39.1%，軸力最小值分布在仰拱部位，其值僅為0.7×103kN/m2，且軸力較小值分布范圍明顯較大。

從圖5中可以看出，未采取高壓旋噴樁處治措施的工況下，隧道初期支護結構豎向位移較大值主要分布在拱頂及仰拱部位，其最大位移值達16.5 cm，豎向位移最小值主要分布在拱肩及邊墻處，其值為6.37 mm；采用高壓旋噴樁進行加固后，拱頂最大位移值為2.74 cm，最小位移值僅為0.79 mm。由此可見，采用高壓旋噴樁加固措施使得隧道初期支護豎向位移得到有效控制。

5 結論

本文以丹東至拉薩國道主干線西寧過境公路西段大有山隧道作為工程案例，結合其水文地質、氣象、地形地貌等情況，總結分析其變形特征，在此基礎上研究其地基加固措施，并利用數值模擬手段對其加固效果進行全面評價，得出以下幾點結論：

a）由于軟弱黃土隧道圍巖承載力低，自穩時間短，在掌子面開挖過程中土體極易被擾動，隧道圍巖壓無法形成承載拱，導致塌方、冒頂、大變形等病害的發生，因此在施工過程中應采取有效措施對其地基進行加固。

b）在高壓旋噴樁施工過程中，可實現邊噴射、邊旋轉鉆桿，使得高壓水泥漿液直接沖擊土體，并與土體均勻拌合后形成強度較好的混合體，從而大幅提高軟弱黃土隧道地基的抗剪強度，且其具有設備簡單、工期較短、操作方便等優點。

c）利用數值模擬手段對比分析有無采用高壓旋噴樁加固隧道地基的情況后可知，采用高壓旋噴樁加固措施后，隧道初期支護結構軸力值大幅減小，且仰拱處軸力值明顯減小；隧道初期支護豎向位移得到有效控制。參考文獻：

[1] 郭軍，王明年，李寧，等.大斷面黃土隧道地基處理的沉降計算分析與討論[J].鐵道建筑，2007（4）：81-83.

[2] 王洪坤.高鐵濕陷性黃土隧道地基處理淺析[J].鐵道建筑技術，2013（12）：69-71.

[3] 張建林.黃土隧道地基的高壓旋噴法處理措施[J].公路交通科技（應用技術版），2013（5）：233-236.

[4]賈金生，李華.旋噴樁在黃土隧道地基加固中的應用[J].青海交通科技，2010（S）：102-103.

[5] 王夢恕.地下工程淺埋暗挖技術通論[M].合肥：安徽教育出版社，2004.