淺談樹根樁加固鐵路隧道基底

劉巖松（中鐵十五局集團(tuán)第五工程有限公司，河南　洛陽　471000）

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淺談樹根樁加固鐵路隧道基底

劉巖松
（中鐵十五局集團(tuán)第五工程有限公司，河南洛陽471000）

摘要：地基不均勻沉降將直接影響到線路的使用效果。介紹了樹根樁加固地基的發(fā)展情況、樹根樁的優(yōu)點(diǎn)及適用范圍、樹根樁加固地基的加固機(jī)理，采用樹根樁加固隧道基底，可以有效地降低地基的沉降量，提高地基的承載力，將此法用于陜西省神木縣紅柳林至神木西新建鐵路專用線駱駝場隧道，取得了良好的效果，為以后同類隧道的施工提供參考。

關(guān)鍵詞：地基；沉降；樹根樁；加固機(jī)理；承載力

樹根樁因其施工簡便，成樁效果好等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用，國內(nèi)外使用樹根樁對軟土地基加固的實(shí)例也為數(shù)不少，但在隧道工程應(yīng)用樹根樁進(jìn)行隧道基底軟土的處理并不多，因而將樹根樁推廣應(yīng)用到隧道工程中，對于隧道的設(shè)計(jì)施工等將是一個(gè)新的發(fā)展研究方向。

樹根樁是一種用壓漿成樁的小直徑鉆孔灌注樁，樁徑通常在70～250mm，有時(shí)也采用300mm，長徑比大于30。通常先利用鉆機(jī)鉆孔，再放入鋼筋籠，碎石，注漿管，經(jīng)壓力注漿成樁。其長度一般為6～20m，國外最長達(dá)30m。又稱為小直徑鉆孔灌注樁、鉆孔噴灌微型樁，由于成樁后的形狀如同“樹根”而得名。根據(jù)設(shè)計(jì)需要，樹根樁的形式可以多種多樣，傾斜或豎直，單根或成排，可以是摩擦樁也可以是端承樁。當(dāng)以一種獨(dú)特的方式布置成交錯(cuò)的三維系統(tǒng)的網(wǎng)狀體系時(shí)，則稱之為網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)樹根樁[1]。

樹根樁最初主要應(yīng)用于古建筑的整修、加固，隨著房屋修繕擴(kuò)建工程的增多、城市建設(shè)地下工程的增加、及城市地鐵交通的發(fā)展，作為地基加固和托換工程應(yīng)用的樹根樁，對原有建筑物的影響面和深度越來越大，開始顯示出它的重要性和優(yōu)越性。特別是1972年首批專利期滿后，樹根樁在世界各國得到了迅速的推廣和應(yīng)用。近年來，樹根樁的應(yīng)用范圍已拓展到邊坡的穩(wěn)定加固、地下工程的擋土墻、高聳建構(gòu)筑物交替荷載基礎(chǔ)、工業(yè)交替荷載設(shè)備基礎(chǔ)、池型構(gòu)筑物抗浮基礎(chǔ)、深基坑開挖的支護(hù)以及城市改、擴(kuò)建工程的基礎(chǔ)加固中。截止至20世紀(jì)80年代末，僅北京地區(qū)，樹根樁施工總進(jìn)尺就近10萬延長米。當(dāng)前隨著城市基礎(chǔ)設(shè)施和城市改造、隧道及地鐵盾構(gòu)等工程的增多，必然會(huì)有更多的房屋和結(jié)構(gòu)設(shè)施要進(jìn)行加固，樹根樁工藝將在今后的地基基礎(chǔ)加固等工程中發(fā)揮它獨(dú)特的作用[2]。

1　樹根樁的優(yōu)點(diǎn)及適用范圍

1.1樹根樁的優(yōu)點(diǎn)

1）較小的施工場地及操作空間。一般在0.6m× 1.8m的平面尺寸、2.1～2.7m的凈空即可施工，可靠近原有建筑物施工，甚至在建構(gòu)筑物內(nèi)部也能施工，對不具備大中型打樁機(jī)械設(shè)備進(jìn)場施工的建構(gòu)筑物，完全可以采用小型鉆機(jī)進(jìn)行樹根樁施工。

2）對原有地基擾動(dòng)小。由于樁徑通常小于300mm，所以樁的成孔及灌注幾乎不會(huì)產(chǎn)生任何應(yīng)力，對原有地基土不會(huì)產(chǎn)生太大的擾動(dòng)，不破壞原有建筑物力的平衡，能夠在滿足不影響建筑物使用和原貌的情況下進(jìn)行施工[3]。

3）適用范圍廣。可適用于除粒徑較大的卵石層以外的各類土層，能對新建建筑物的地基加固，也能穿過原有基礎(chǔ)對地基加固，既能在水位以上干作業(yè)成孔，也可在有地下水的情況下成孔成樁，即能在地基加固中使用，也能用于邊坡加固。

4）布樁形式的多樣性。即可垂直成樁，也可以傾斜成樁，還可以將兩者結(jié)合起來組成密集的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。

5）施工引起的噪聲和振動(dòng)均很小。對噪音控制有要求的城市地區(qū)施工有著良好的效果。

6）樁體沉降小。處于設(shè)計(jì)荷載下的樁沉降很小，能滿足建筑物對沉降限制較嚴(yán)的工程。

7）從受力機(jī)理看，因樁的長徑比甚大，單位樁體積的承載力遠(yuǎn)大于其他樁型。

8）對樁體周圍土體的改良。壓力注漿使水泥漿或水泥砂漿對樁周圍土壤有一定的滲入作用，改變了樁周圍土壤的物理力學(xué)性能，使樁周地基土的承載力得到提高。

9）能獲得較好的樁土接觸作用。采用壓力注漿，使樁與土體結(jié)合緊密，樁土表面摩擦力較大，因而樹根樁具有較高的承載能力。成樁質(zhì)量也比較可靠，一般不會(huì)發(fā)生夾泥、斷樁等質(zhì)量事故。

10）成樁形式多樣性。樹根樁可以是水泥漿成樁，也可以是碎石水泥砂漿成樁，可以在樁內(nèi)放置鋼筋籠，也可以放置單根鋼筋甚至不需要鋼筋。

1.2樹根樁加固的適用范圍

樹根樁可用于雜填土、素填土、碎石土、砂土、粉土、粘性土、濕陷性黃土、膨脹土等各種不同地質(zhì)條件及喀斯特巖溶地區(qū)，既能用于地下水位以上，也可用于地下水位以下。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，樹根樁的適用范圍越來越廣，如危房加固處理、房屋加層或接建、池型構(gòu)筑物抗浮加固及深基坑支護(hù)等方面[4]、擋土墻滑移加固或土坡、石坡穩(wěn)定加固、基礎(chǔ)托換[5]和地下結(jié)構(gòu)基底及周邊環(huán)境處理等。

2　樹根樁加固機(jī)理

樹根樁系通過一定的方法或手段在地基中先成孔，再在孔中下入設(shè)計(jì)所要求的鋼筋籠和注漿用的注漿管，經(jīng)清孔后在孔中投入一定規(guī)格的石料或細(xì)石硅，再用水泥漿液替代出孔中的水（投細(xì)石硅時(shí)無此工序）進(jìn)行壓力注漿，形成的直徑90～300mm的同徑或異徑的灌注樁。樹根樁加固時(shí)由于漿液的滲透作用，將會(huì)對樁間土進(jìn)行改良，形成的復(fù)合地基是改良后的土與樹根樁樁體組成的人工“復(fù)合地基”。并且由于樹根樁樁體本身有一定的強(qiáng)度，在荷載要求不高的情況下，也可以按剛性樁或半剛性樁進(jìn)行考慮[6]。

2.1樁周土摩阻力及樁端阻力的提高

依據(jù)注漿工法、樁基工法的施工工藝，樹根樁在最后成樁前要進(jìn)行靜壓注漿，壓力一般控制在0.3～0.8Mpa，并采取了表層封閉、節(jié)長控制、時(shí)間控制、二次注漿和進(jìn)行穩(wěn)壓工作等一系列施工措施，使得漿液滲透到樁周及樁底土體中，通過壓密、填充、固結(jié)、置換等作用改善土體的物理化學(xué)性質(zhì)，使得原來樁壁與周圍土層接觸不好的地方被強(qiáng)行壓入的水泥漿強(qiáng)制充填加密，從而使得樁側(cè)與樁周土體緊密接觸，增大樁土接觸面積。同時(shí)在水泥漿的水解、水化作用下，粘土顆粒與水泥水化物作用、碳酸鹽化作用下，更加增強(qiáng)了樹根樁與其樁周土之間的膠結(jié)力，大大提高了樹根樁與樁周土的摩阻力，同時(shí)樁底土體的改良使得樁端阻力也得到提高。

2.2樁間土的改良

通過靜力壓漿和二次注漿以后，大部分漿液會(huì)被壓入到樁間土體的孔隙中去，在一定的壓力下，漿液會(huì)沿阻力最小的方向，也就是土體縫隙較大的方向，強(qiáng)力滲透至周圍土層，使樁體與周圍土層在注漿壓力作用下形成不規(guī)則的圓狀水泥漿包裹混合層，注漿后，在樁土交界面形成了材料和物理力學(xué)性質(zhì)變化的漿液擴(kuò)散區(qū)，漿液擴(kuò)散區(qū)沿樁體環(huán)向分布。如圖1所示。

圖1　樹根樁復(fù)合地基和剛性樁復(fù)合地基

由圖1可知，一般剛性樁復(fù)合地基由樁體和天然土體兩部分組成，共同作用承擔(dān)上部荷載。而注漿樁復(fù)合地基由樁體，漿液擴(kuò)散區(qū)和天然土體三部分組成，共同作用提供復(fù)合地基的承載力。經(jīng)過漿液在樁土交界面的膠結(jié)，注漿樁能全長發(fā)揮樁側(cè)的摩阻力，將荷載傳遞給較深的土層，樁間土荷載相應(yīng)減小；另一方面漿液提高了樁周一定范圍內(nèi)天然土體的性質(zhì)，相應(yīng)提高了樁間土的平均模量，從而提高復(fù)合地基的復(fù)合模量，最終降低復(fù)合地基的沉降。

樹根樁的特殊形式，大大增加了樁的摩阻力和抗水平荷載的能力，同時(shí)改善了鄰近土層的結(jié)構(gòu)，使模量增大，土體整體性能改善，承載力提高。這對砂土和人工填土尤為明顯，根據(jù)對已有工程的實(shí)踐資料分析后認(rèn)為，經(jīng)樹根樁處理后的地基樁間土的強(qiáng)度一般會(huì)提高10%～30%。

2.3樁體的作用

由于注漿樹根樁是一種半剛性樁或剛性樁，樁體的變形模量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于樁間土的變形模量，當(dāng)注漿樹根樁樁體與周圍土體共同承擔(dān)上部基底荷載時(shí)，基底的荷載會(huì)向樹根樁樁體集中，靜載荷試驗(yàn)資料表明，僅占承壓板面積約10%的樹根樁承擔(dān)了總載荷的50%～60%，而占承壓板面積約90%的樁間土僅承擔(dān)了總載荷的40%～50%，因此，樹根樁降低了基底下一定深度范圍內(nèi)土層中的附加應(yīng)力，從而減少了持力層內(nèi)可能產(chǎn)生的較大的壓縮變形。同時(shí)，成樁后的樹根樁對樁間土具有側(cè)向約束作用，限制了樁間土的側(cè)向位移，四周被約束的情況下，樁間土的變形受到限制，在相同的荷載作用下，沉降自然減少，因而地基土的承載力自然也就提高了。

3　工程應(yīng)用及效果

3.1工程背景

陜西省神木縣紅柳林至神木西新建鐵路專用線駱駝場隧道全長1554m，設(shè)計(jì)時(shí)速為120km/h，單線隧道設(shè)計(jì)，洞身襯砌為曲墻式復(fù)合襯砌，設(shè)計(jì)軌面至道床底面設(shè)計(jì)高度為74cm。隧道進(jìn)口采用偏壓式洞門，出口采用對稱式洞門。隧道范圍內(nèi)地層主要為第四系全新統(tǒng)風(fēng)積細(xì)砂，上更新統(tǒng)風(fēng)積砂質(zhì)黃土，沖積細(xì)圓礫土，下伏基巖為侏羅系中統(tǒng)砂巖。隧道穿越風(fēng)積沙地層段屬Ⅵ級圍巖。隧道范圍內(nèi)地表水不發(fā)育，地下水為基巖裂隙水，水量匱乏，主要受大氣降水的補(bǔ)給，隧道處水位埋深高程為979～981m，水質(zhì)良好，對混凝土無侵蝕性。主體隧道設(shè)計(jì)安全等級一級，使用年限100年，抗震設(shè)防烈度為六度，結(jié)構(gòu)混凝土強(qiáng)度等級C30，抗?jié)B等級≥P6，混凝土抗凍等級（56d）≥F300，混凝土60天干燥收縮率不大于0.015%，不允許出現(xiàn)貫穿裂縫，表面裂縫寬度≤0.2mm。

3.2施工工藝

本隧道基底加固采用碎石注漿樁施工：人工使用洛陽鏟開挖成孔，利用狼牙棒擴(kuò)孔，采用碎石注漿法對樁體注漿成樁。施工工藝流程如圖2所示，現(xiàn)場澆筑前后如圖3，4所示。

圖2　樹根樁施工工藝流程圖

圖3　樹根樁注漿前

圖4　樹根樁成型后

3.3工程效果

經(jīng)對隧道內(nèi)碎石注漿樁進(jìn)行樁身完整性、單樁承載力、復(fù)合地基承載力進(jìn)行檢測，結(jié)果表明：

1)樁身完整性合格率99.7%，滿足設(shè)計(jì)要求。

2)單樁承載力平均為65.4kN，滿足要求。

3)復(fù)合地基承載力滿足設(shè)計(jì)要求。

4　結(jié)語

采用樹根樁加固隧道基底，可以有效地降低地基的沉降量，地基的承載力得到有效提高，可適用于除粒徑較大的卵石層以外的各類土層，能對新建建筑物的地基加固，也能穿過原有基礎(chǔ)對地基加固，既能在水位以上干作業(yè)成孔，也可在有地下水的情況下成孔成樁，即能在地基加固中使用，也能用于邊坡加固。壓力注漿使水泥漿或水泥砂漿對樁周圍土壤有一定的滲入作用，改變了樁周圍土壤的物理力學(xué)性能，使樁周地基土的承載力得到提高。將此法用于陜西省神木縣紅柳林至神木西新建鐵路專用線駱駝場隧道，取得了良好的效果，為以后同類隧道的施工提供參考。

參考文獻(xiàn)：

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[2]蔣續(xù)平.樹根樁在地基基礎(chǔ)加固中的作用[J].湖南地質(zhì)，2002，21(3).

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[4]戴建人.豎向樹根樁在基坑支護(hù)工程中的應(yīng)用實(shí)例[J].土工基礎(chǔ)，1996(4).

[5]葉書麟，汪益基，涂光扯，等.基礎(chǔ)托換技術(shù)[M].北京：中國鐵道出版社，1991.

[6]龐烈鑫.黃土地區(qū)樹根樁承載力的試驗(yàn)研究[J].路基工程，2007(4).

中圖分類號(hào)：U441.1