微型鋼管樁在某隧道病害處治中的應用

王 勇

（山西路橋集團榆和高速公路有限公司，山西 太原 030001）

1 工程概況

某隧道設計為左右線分離式。左線洞體全長964.0 m，進口段里程樁號為ZK22+898，洞口底板設計高程為682.879 m；出口段里程樁號為ZK23+862，洞口底板設計高程為692.211 m；洞體最大埋深102.140 m，位于ZK22+546。右線洞體全長939.0 m，進口段里程樁號為K14+911，洞口底板設計高程為683.131 m；出口段里程樁號為K23+850，洞口底板設計高程為692.162 m；洞體最大埋深101.098 m，位于K15+556；隧道總體走向呈東西向為81°。

2 隧道病害現狀

2.1 隧道病害現狀

某高速公路2015年建成通車，2016年6月中旬發現左線ZK23+380-ZK23+450段路面中線附近斷斷續續出現裂縫，裂縫寬度為1～5 mm，裂縫兩側局部有輕微的錯臺。此時該段襯砌上未發現裂縫。

2.2 隧道病害監測

為了判斷裂縫發展情況，采取了3種監測方案：a）路面裂縫采用了石膏封閉；b）兩側拱腳設置沉降監測點；c）該段襯砌做周邊收斂測量。

2.3 隧道病害監測結果

2016年7月中旬隧道養護人員發現涂抹的石膏均已不同程度地開裂，且原本沿隧道中線附近斷斷續續分布的裂縫已發展形成一條長約70 m的連續裂縫。隧道兩側邊墻上出現了環向裂縫，裂縫的范圍開始擴大。監測結果表1顯示，隧道左側拱腳平均下沉5.18 mm，最大下沉6.4 mm，右側拱腳下沉5.56 mm，最大7.3 mm。周邊收斂變化較小。

表1 變形監測數據一覽表 mm

3 隧道病害勘察

經過1個月的監測，監測數據顯示隧道仍在下沉，病害仍在發展，急需對隧道病害進行處治。處治前對病害進行了勘察。

3.1 鉆探設備及孔位布置

本次采用干鉆的方式進行取芯，儀器設備為XY-150型+取土器。鉆孔位置在某隧道左線ZK23+453、ZK23+438、ZK23+423、ZK23+408、ZK23+393、ZK23+378處路面中線的右側，距離隧道中心線1.20 m。

3.2 鉆探結果

根據鉆孔芯樣顯示（見圖1所示）：a）路面下0～0.8 m為瀝青路面及混凝土；b）路面下 0.8～1.35 m為碎石土層，成分為石灰巖，次棱角狀；c）路面下1.35～2.50 m為基巖層，泥巖，磚紅色，巖芯呈短柱狀，強度極低。

圖1 某隧道左線ZK23+408（行車道）處芯樣照片

3.3 地質概況

隧址區地下水類型主要有松散層孔隙水、基巖裂隙水及巖溶裂隙水。

松散層孔隙水，以上層滯水為主，由于二疊系地層之上覆蓋有第四系中更新統（Q2apl）沖積形成粉質黏土層，該層構成局部隔水層，地表接受大氣降水補給，在有局部隔水層處形成上層滯水，沒有隔水層的地方則直接下滲進入二疊系地層中。該上層滯水含水層規模極有限，徑流途徑短易于排泄，故富水性差。

二疊系基巖裂隙水，該地下水含水層主要為砂巖裂隙水，富水性較差，主要補給通道為上部第四系覆蓋層下滲，加之局部有采空區存在，故地下水多匯集至采空區，對隧道影響較小。

石炭系巖溶裂隙水含水層主要為石炭系上統太原組（C3t）灰巖，富水性差，上部補給有限，不易形成積水，對隧道影響較小。

4 病害原因

某隧道ZK23+380—ZK23+450段設計為五級圍巖，設計有仰拱。鉆探的結果分析，路面產生的原因如下：

a）仰拱下部浮渣（碎石土）過多。推測是在施工過程中，現場管理不到位，仰拱澆筑前，未將仰拱底部的浮渣清除干凈。

b）浮渣遇水軟化。某隧道的裂隙水主要為地表水，2016年進入夏季后，雨期較長，且雨水較多，大量的地表水下滲進入了隧道，導致仰拱下部的浮渣軟化，承載力降低。

c）本段圍巖主要為泥巖，強風化，強度低，遇水后強度更低。由于以上原因，隧道的底部承載力過低，導致隧道不均勻沉降。

5 病害處治總體方案

在綜合考慮某隧道病害特點、產生原因及危害程度的基礎上，考慮所要采取治理工程措施的合理性、經濟性、可實施性等方面因素后，對某隧道病害路段基底采用豎向微型鋼管樁加固。豎向鋼管樁采用梅花狀布置，隧道路面中心線兩側各縱向布置3列，分別距路面中心線1.2 m、2.2 m、3.2 m，縱向間距1.0 m，樁長6.0 m（圖2）。此外，采用斜向微型鋼管樁對隧道兩側拱腳處圍巖進行加固，斜向鋼管樁與最外側豎直微型鋼管樁交叉布置，縱向間距1.0 m，樁長9.0 m。微型鋼管樁鉆孔直徑146 mm，采用40號鋼管，壁厚6 mm；注漿料為M35純水泥漿。

圖2 微型樁橫斷面布置圖（單位：cm）

6 施工方案

6.1 處治范圍

某隧道路面開裂段起訖樁號為ZK23+380-ZK23+450，為保證處治效果，微型鋼管樁處治時沿隧道縱向兩側各延伸10 m，即處治范圍為ZK23+370-ZK23+460。

豎直向鉆孔沿隧道縱向共布設6列，橫向間距1.0 m，縱向間距1.0 m，梅花型布設，共544個鉆孔，2 176延米。斜向鉆孔與兩側最外側豎向鉆孔同列交叉布置，縱向間距1.0 m，共180個鉆孔，1 080延米。

6.2 施工工藝

6.2.1 銑刨路面

銑刨隧道路面層15 cm。

6.2.2 放線定位

采用全站儀將設計孔位放樣在銑刨后的路面上，用油漆標記，孔位放樣偏差不超過10 cm。

6.2.3 成孔

采用液壓風動潛孔鉆機配合空壓機成孔，成孔口徑150 mm以上，鉆桿垂直度偏差不大于1%；鉆進至設計深度，經現場工程師確認后方可終孔，鉆孔施工質量驗收實測項目見表2。

表2 鉆孔施工質量驗收實測項目

6.2.4 鋼管制安

鋼管焊接采用兩面幫焊，焊接要飽滿、穩固，型鋼連接要筆直，不得彎曲。制作完成的鋼管樁采用鉆機沉入鉆孔，注漿管沿鋼管樁安設并一同沉入孔內。

6.2.5 注漿

6.2.5.1 注漿材料

注漿材料采用325硅酸鹽水泥及35～40 Be的中性水玻璃。漿液為水泥+水玻璃的雙液漿，可加入適量抗滲劑，當遇到注漿量較大時，可先用粗骨料填充。根據壓水試驗，適當選擇漿液的濃度及水玻璃的用量。水灰比采用1∶0.75～1，水玻璃用量一般是水泥漿重量的25%～30%，這樣就控制了凝膠時間。具體水玻璃的用量可在施工中根據實際情況進行調整。

注漿施工質量驗收實測項目見表3。

表3 注漿施工質量驗收實測項目

6.2.5.2 注漿壓力

由孔底慢慢注漿，控制注漿壓力在0.5 MPa以內。當漿液返出孔口時，停止注漿；漿液初凝后，對管內和外側人工徐徐補漿，使管內外漿液充填飽滿[1]。中線兩側的微型注漿管壓力不宜過大，防止其進入中央排水管。

6.2.6 路面恢復

按照原設計指標恢復路面。

6.2.7 施工要求

a）注漿孔按設計位置放線，利用鉆機成孔，成孔與注漿應間隔1孔進行。注漿漿液配合比嚴格按設計的要求進行。施工過程中嚴格控制注漿壓力，注漿壓力不大于0.5 MPa。

b）充填注漿的關鍵首先是對漿液配合比現場的調整及注漿技術，這些環節的處理好壞直接影響注漿及堵水的質量。

c）控制單位注入量，當遇到注漿量較大時，可先用粗骨料填充再用漿液加固。

d）控制注漿壓力及漿液擴散半徑，能確保原澆筑混凝土質量，有效達到充填密實之作用。

e）鉆孔注漿結束后，待漿液凝固后，切除外漏注漿管，并用高強抗滲水泥漿封孔、并振搗密實、與洞壁齊平。

f）微型鋼管樁的直徑、壁厚等必須滿足設計要求。對于長度9 m的鋼管樁需兩根鋼管焊接時，鋼管的焊接必須滿足相關技術規范的要求，同時焊接完后，經過現場監理工程師的確認后才能下管。

g）注漿全部完成后，漏在外部的鋼管必須完全切除，再重新鋪設瀝青混凝土。

7 結論及建議

a）某隧道病害段采用微型鋼管樁進行處治，經過近半年的監測，路面未再出現裂縫，襯砌上的裂縫未再繼續發展。

b）本方案可在同類隧道病害中進行應用，但是鋼管樁的直徑、現場布置應根據病害的實際情況進行確定。

c）隧道設計、施工階段對隧址區存在膨脹巖、遇水巖石強度降低的區域，開挖后，建議對隧道底部的巖體進行注漿加固或者加深仰拱的厚度，防止運營期隧道下沉，導致襯砌開裂等病害的發生。