鋼管樁加固隧道仰拱軟弱地基施工技術(shù)

李新榮

摘要：本文結(jié)合貴陽樞紐龍洞堡隧道仰拱地基加固工程，闡述了鋼管樁加固隧道洞內(nèi)仰拱軟弱地基及高塑性紅粘土地基的施工工藝原理和施工技術(shù)。

關(guān)鍵詞：鋼管樁；加固；地基

中圖分類號：U455.4文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1674-3024（2017）01-70-02

引言

隨著城市建設(shè)和交通的發(fā)展，隧道的施工條件日益復(fù)雜，在處理隧道地基時(shí)，傳統(tǒng)的旋噴樁、樹根樁等方法由于操作空間和人員分配的限制難以在城市地下隧道內(nèi)進(jìn)行施工且其在施工后無法對某些計(jì)算進(jìn)行驗(yàn)證。而鋼管樁加固城市隧道洞內(nèi)的仰拱軟弱地基具有一定的優(yōu)勢，其利用鍍鋅鋼管和潛孔沖擊鉆頭及偏心鉆頭構(gòu)成隧道洞內(nèi)軟基處理系統(tǒng)，在近幾年的發(fā)展中引起了眾多施工技術(shù)人員的關(guān)注。由于隧道洞內(nèi)空間狹小，鋼管樁長度較大，不宜施工的問題，如何探索合理的鋼管樁施工工藝，是面臨的一項(xiàng)新的挑戰(zhàn)。

1.項(xiàng)目概況

新建貴陽樞紐白云至龍里北鐵路工程站前1標(biāo)龍洞堡機(jī)場隧道主要地質(zhì)為軟弱人工填土，以喀斯特地貌的紅粘土（主要由碳酸鹽巖系形成）為主，紅粘土是一種區(qū)域性特殊土，具有表面收縮、上硬下軟、裂隙發(fā)育的特征。這類地層雖然具有較高的天然含水率及孔隙比大的弱點(diǎn)，但也具有較高的地基強(qiáng)度與較低的地基壓縮性。洞身全部位于高塑性紅粘土中，仰拱基底紅粘土深約7～20m，洞頂覆蓋層厚約30m。

基于本隧道仰拱軟弱地基，采用群樁鋼管樁施工技術(shù)，控制隧道洞內(nèi)不均勻沉降，有效發(fā)揮高強(qiáng)度單樁或群樁的承載能力，使其受力均勻，提高地基的穩(wěn)定性。

2.隧道地基鋼管樁注漿加固

2.1施工工藝流程

2.2施工準(zhǔn)備

鋼管樁施工前，除了做好仰拱開挖及鋼管樁孑L位布置測量放線和專項(xiàng)施工方案外，還需要對洞身四周及地表建構(gòu)筑進(jìn)行調(diào)查，形成地質(zhì)水文及地表情況調(diào)查報(bào)告，做好施工過程污水處理通道，鉆機(jī)施鉆需在仰拱初期支護(hù)成環(huán)封閉后進(jìn)行，保證初期支護(hù)表面平順、干燥、無積水。

2.3仰拱開挖

高塑性紅粘土是一種區(qū)域性特殊土，具有表面收縮、上硬下軟、裂隙發(fā)育的特征，洞身全部位于高塑性紅粘土中，仰拱基底紅粘土深約7～20m，為了達(dá)到仰拱快速封閉及方便機(jī)械作業(yè)，主要采用“3個3米”的原則進(jìn)行仰拱開挖，即開挖3米封閉成環(huán)3米鋼管樁施作3米，仰拱澆筑控制在6米內(nèi)，襯砌澆筑控制在4～6米，有效控制了沉降和變形。仰拱初期支護(hù)采用弧形I20b工字鋼與拱墻初期支護(hù)I20b工字鋼連接，φ22鋼筋進(jìn)行縱向連接；根據(jù)測量放樣預(yù)埋φ250PVC管按照0.5m*0.6m布孔間距進(jìn)行孔位布置，并噴射混凝土，完成初期支護(hù)封閉成環(huán)施工。

2.3鉆機(jī)工作平臺

在鉆機(jī)就位后，為確保隧道上臺階正常施工，先選擇線路左、右側(cè)進(jìn)行施鉆，線路左、右側(cè)各設(shè)2根長5-6m槽鋼縱向搭設(shè)簡易工作平臺，仰拱棧橋放置中間合理位置，以便上臺階施工機(jī)械通行，然后根據(jù)工序安排選擇棧橋中間鋼管樁施工，保證上臺階施工通車與仰拱鋼管樁施工互不影響。因上臺階施工采用大拱腳弧形導(dǎo)坑法施工，主要存在超前管棚、超前小導(dǎo)管、大拱腳開挖、左右側(cè)導(dǎo)坑開挖及其他初期支護(hù)等施工，施工工序較為復(fù)雜，現(xiàn)場合理調(diào)整施工工序，在上臺階掌子面進(jìn)行超前管棚或注漿工序施工時(shí)，及時(shí)調(diào)整鉆機(jī)進(jìn)行仰拱中部鋼管樁施鉆。（鉆機(jī)工作平臺布設(shè)見圖2）

2.4鋼管加工及鋼筋籠制作

鋼管樁采用鍍鋅鋼管，壁厚6.5mm，導(dǎo)管上鉆設(shè)注漿孔，孔徑10-16mm，孔縱向間距15-20cm，呈梅花型布置，尾部留不小于100cm的不鉆孔的止?jié){段。

為了提高鋼管樁的承載能力，在鋼管內(nèi)增設(shè)鋼筋籠，鋼筋籠由四根直徑為16mm主筋構(gòu)成，每隔50cm設(shè)一道箍筋，以保證鋼筋籠的整體性，避免下放鋼筋籠時(shí)主筋扭曲。

2.5鉆進(jìn)施工

隧道仰拱基底巖層為紅粘土，深度在7～20m，根據(jù)PVC管布孔位置定位鉆機(jī)后，選用φ230偏心鉆頭施鉆，每鉆進(jìn)1.5-2m提升一次清理鉆頭，反復(fù)施鉆，根據(jù)鉆渣情況及偏心鉆頭無法鉆進(jìn)來確定是否進(jìn)入基巖，進(jìn)一步將偏心鉆頭及鉆桿提升，將鉆頭更換為沖擊鉆頭，進(jìn)行基巖部分鉆設(shè)，鋼管樁入巖深度不小于1.1m，沖擊鉆頭鉆設(shè)基巖部分一次成型。

2.6頂管措施

由于鋼管樁深度較深，且孔內(nèi)為紅粘土，φ219鋼管無法利用鋼管本身自重下管，需利用破碎錘頂進(jìn)下管。將鋼管進(jìn)行焊接連接，破碎錘頂端安裝套管插入鋼管內(nèi)進(jìn)行直接頂進(jìn)。（見圖3）

2.7曲線段施工

鋼管樁施作位于仰拱弧形拱腳處，存在鉆設(shè)孔位偏差及成孔難以控制問題。

2.7.1弧形段鉆機(jī)就位難度較大。施鉆時(shí)需將鉆孔方向垂直于初期支護(hù)表面，必然存在鉆機(jī)與初期支護(hù)結(jié)合不密貼，從而導(dǎo)致鉆孔過程孔位偏差較大：可采取在仰拱開挖后兩側(cè)端頭作為基點(diǎn)，制作簡易鉆孔平臺，簡易工作平臺采用槽鋼搭設(shè)，將鉆機(jī)滑架固定于槽鋼之間，保證鉆機(jī)滑架端頭與初期支護(hù)表面密貼，鉆進(jìn)過程由測量技術(shù)人員現(xiàn)場監(jiān)測指導(dǎo)施工，發(fā)現(xiàn)微小偏位及時(shí)對其進(jìn)行調(diào)整，避免偏位較大無法調(diào)整。如此保證了成孔質(zhì)量，也保證了鉆機(jī)的就位偏差。

2.7.2弧形段裝管及下鋼筋籠施工，裝管及下鋼筋籠均存在角度問題，角度成35°，因角度問題，受力不勻，容易造成折管或鋼筋籠扭曲，鋼管采用短節(jié)下管及焊接，將長3m鋼管更改為1.5-2m長度，分節(jié)頂進(jìn)及焊接：鋼筋籠箍筋間距調(diào)整為20～30cm，每節(jié)長度調(diào)整為1.5～2m。

2.8頂力控制

2.8.1注漿減阻

頂管外徑比鋼管外徑大2cm，鋼管在機(jī)頭形成的通道中頂進(jìn)，外壁與土層之間形成環(huán)形間隙，環(huán)形間隙必須及時(shí)進(jìn)行壁后注漿填充，形成泥漿套。

2.8.2漿液配比

按照設(shè)計(jì)建議配比現(xiàn)場進(jìn)行工藝試驗(yàn)，采用水灰比為0.4～0.6，水泥漿注漿壓力1.0-1.5MPa。

2.8.4注漿孔及鋼管樁設(shè)置

鋼管樁間距0.6（縱）×0.5（橫）梅花型布設(shè)，鋼管樁嵌入初期支護(hù)不小于10cm，嵌入基巖深度不小于1.1m。

鋼管樁采用鍍鋅鋼管，壁厚6.5mm。導(dǎo)管上鉆注漿孔，孑L徑10～16mm，孔縱向間距15～20cm，呈梅花型布置，尾部留有不小于100cm的不鉆孔的止?jié){段。采用水泥砂漿注漿加固，建議水灰比0.4～0.6，建議注漿壓力1.0～1.5MPa，為提高鋼管樁的承載能力，在鋼管內(nèi)增設(shè)鋼筋籠，鋼筋籠有四根直徑為16mm的主筋構(gòu)成。鋼管樁孔位布置見圖4。

2.8.5注漿壓力控制

注漿壓力是給予漿液擴(kuò)散充填、壓實(shí)的能量。在保證注漿質(zhì)量的前提下，壓力大，擴(kuò)散的距離大，有助于提高土體強(qiáng)度：但當(dāng)壓力超過受注土層的自重和強(qiáng)度時(shí)，可能導(dǎo)致其上部構(gòu)造物的破壞。所以在施工中，一般都以不使地層破壞或僅發(fā)生局部和少量破壞作為確定容許注漿壓力的基本原則。注漿壓力值與地層的結(jié)構(gòu)、初始注漿的位置和注漿序次、方式等因素有關(guān)，有些因素較難準(zhǔn)確地獲取，在注漿處理前通過現(xiàn)場注漿試驗(yàn)來確定壓力注漿各項(xiàng)參數(shù)。進(jìn)行注漿試驗(yàn)時(shí)，采取逐步提高壓力的辦法，求得注漿壓力與注漿量的關(guān)系曲線，當(dāng)壓力升高至某一數(shù)值，而注漿量突然增大時(shí)表明地層結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞或空隙尺寸已被擴(kuò)大，因而可把此時(shí)的壓力值作為確定容許注漿壓力的依據(jù)。

2.8.6注漿質(zhì)量控制

注漿施工前對現(xiàn)場土層的物理力學(xué)性能進(jìn)行試驗(yàn)，準(zhǔn)確掌握現(xiàn)場所加固土層的含水率、孔隙率等指標(biāo)，為注漿方案設(shè)計(jì)提供依據(jù)。鉆孔施工開鉆前按照施工布置圖布好孔位，鉆機(jī)準(zhǔn)確定位，對開鉆前的鉆頭點(diǎn)位與布孔點(diǎn)進(jìn)行核對，注漿孔的數(shù)量、位置、間距、鉆孔深度及角度要符合要求。注漿施工結(jié)合工程實(shí)際制定注漿方案，注漿施工時(shí)根據(jù)現(xiàn)場試驗(yàn)進(jìn)行參數(shù)調(diào)整和工藝完善，漿液配合比經(jīng)過現(xiàn)場試驗(yàn)確定，以保證注漿效果。注漿過程中做好施工記錄，注漿結(jié)束后對注漿鉆孔和檢查孔封填密實(shí)：注漿結(jié)束條件以定量定壓相結(jié)合的原則進(jìn)行控制，注漿完成后，關(guān)閉止?jié){閥保證注漿不溢漿、跑漿。加強(qiáng)監(jiān)控量測和洞內(nèi)外觀察，當(dāng)圍巖或支護(hù)結(jié)構(gòu)發(fā)生較大變形、竄（跑）漿、地表等異常情況時(shí)，采取應(yīng)急處理措施。漿液配制采用準(zhǔn)確的計(jì)量工具，按照設(shè)計(jì)配方配料施工；漿液隨配隨用，配置好的漿液在規(guī)定時(shí)間內(nèi)注完：按照規(guī)定的順序注漿，注漿壓力要符合設(shè)計(jì)要求，使?jié){液充滿鋼管及其周圍的空隙。

2.8.7注漿效果檢驗(yàn)

注漿結(jié)束后，采用分析法、鉆孔取芯法和CT物探法對注漿效果進(jìn)行檢驗(yàn)，如果注漿效果未達(dá)到設(shè)計(jì)要求時(shí)，重新鉆孔再補(bǔ)充注漿。

依據(jù)子L內(nèi)CT層析成像探測隧道該段注漿效果，探測采用的硬件包括主機(jī)（HSP聲波儀）、發(fā)射機(jī)（ZDF-3型直流電火花震源）、集成高靈敏度檢波器、大功率超聲發(fā)射換能器等。

本段測試主機(jī)采用中鐵西南研究院研制的HSP聲波儀及ZDF一3型直流電火花震源，系統(tǒng)最小分辯時(shí)間500ns，幅度分辯24Bit，記錄長度32K，八通道。體積小，重量輕，低溫特性好，使用方便。發(fā)射、同步接收、量程等參數(shù)調(diào)節(jié)、數(shù)據(jù)傳輸?shù)热坑蒆SP實(shí)施控制。

根據(jù)聲波CT測試及實(shí)際注漿分析結(jié)果，得出結(jié)論：巖土體性質(zhì)不利于注漿漿液的滲透，注漿效果主要體現(xiàn)在鋼管內(nèi)部，鋼管深部漿液離散，但可以達(dá)到漿液加固效果。

2.9監(jiān)控量測

隧道軟弱地基施工中，監(jiān)控量測是至關(guān)重要的，量測項(xiàng)目主要有洞內(nèi)外觀察、凈空水平收斂量測、拱頂下沉量測以及淺埋隧道地表下沉量測四個必測項(xiàng)目。監(jiān)控量測是為了能準(zhǔn)確掌握隧道圍巖地質(zhì)變形、穩(wěn)定情況，為隧道施工提供可靠依據(jù)。掌握圍巖動態(tài)，對圍巖穩(wěn)定性提出評價(jià)，確定支護(hù)結(jié)構(gòu)形式、支護(hù)參數(shù)和支護(hù)時(shí)間，了解結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)，評價(jià)結(jié)構(gòu)的合理性和安全性。監(jiān)控量測量測頻率見表1。

3.施工注意事項(xiàng)

3.1施工前需對現(xiàn)場填土的物理力學(xué)性能進(jìn)行試驗(yàn)，掌握了現(xiàn)場加固體的孔隙率和含水率。注漿工藝和注漿參數(shù)根據(jù)現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)和現(xiàn)場注漿結(jié)果作相應(yīng)的動態(tài)調(diào)整，注漿過程中，切實(shí)加強(qiáng)施工監(jiān)督管理，嚴(yán)格按照施工規(guī)范和設(shè)計(jì)要求進(jìn)行。

3.2仰拱初期支護(hù)施作時(shí)，嚴(yán)格按照施工布置圖，預(yù)埋好孔位。鉆機(jī)定位要準(zhǔn)確，開鉆前的鉆頭點(diǎn)位與布孔點(diǎn)進(jìn)行核對，鉆桿垂直度應(yīng)符合設(shè)計(jì)及驗(yàn)標(biāo)要求。

3.3現(xiàn)場采用準(zhǔn)確的計(jì)量工具（量筒），嚴(yán)格按照配合比施工。水灰比要根據(jù)現(xiàn)場試驗(yàn)及進(jìn)展情況，經(jīng)核對后進(jìn)行動態(tài)調(diào)整。

3.4注漿嚴(yán)格按程序施工，注漿采用進(jìn)漿量、注漿壓力雙控。注漿由專人操作，當(dāng)壓力突然上升或從孔壁溢漿，立即停止注漿，每段注漿量嚴(yán)格按設(shè)計(jì)要求進(jìn)行，溢漿時(shí)，采取措施確保注漿量滿足設(shè)計(jì)要求。

3.5注漿完成后，將注漿孔及時(shí)封填密實(shí)，保證不溢漿。

3.6注漿過程中做好安全防護(hù)措施，尤其是注漿難度較大的

4.結(jié)語

鋼管樁加固隧道洞內(nèi)仰拱軟弱地基及高塑性紅粘土地基施工，適用于狹小空間條件下富含水淤泥質(zhì)粘土層、回填土層等軟弱復(fù)雜地層中地下工程地基處理，大大減少對其他工序施工的影響及人員的浪費(fèi)，具有施工速度快，費(fèi)用低，成樁質(zhì)量高等優(yōu)點(diǎn)。有良好的社會和經(jīng)濟(jì)效益，對今后類似工程的施工提供了相應(yīng)的借鑒經(jīng)驗(yàn)。