旋噴樁加固軟土隧道地基力學特性分析

曹寧全

摘要：為分析旋噴樁對軟土隧道地基的加固效果，基于某軟土隧道工程，采用現場監測手段對加固后隧底力學特征進行分析。結果表明：樁頂應力與樁間土壓力呈現出較明顯的兩階段變化，在前45天的應力值增長較快，并且完成了近90%的增量，之后逐漸趨于穩定；邊墻圍巖壓力在2個月左右逐漸趨于穩定，整體處于25～100kPa之間；隧道基底附加應力呈直線均勻穩定增大，整個監測過程中的數據波動比較小。加固后的軟土地基的受力特征得到了較明顯的改善，樁與土能夠良好的發揮其承載力。

關鍵詞：隧道工程；地基加固；現場監測；旋噴樁

1引言

隨著我國基礎設施建設的發展，修建的隧道工程越來越多，其中，軟土隧道工程也逐漸增多。然而，以往的施工經驗表明軟土隧道施工會遇到較多的問題：其中有些隧道地基土質松散或含水量較大，導致隧道仰拱難以施作；同時，還有較多的隧道地基遇水產生不均勻沉降導致襯砌結構開裂，嚴重威脅到隧道的安全；此外部分隧道隆起過大，仰拱曲率難以保證[1-4]。因此，在實際的施工過程中遇到上述軟弱地基時應當采取一定的加固方案避免隧道出現不可控制的不均勻沉降從而威脅隧道結構的安全。

目前對于隧底加固研究從建筑地基加固吸取經驗已經取得了較豐富的成果。其中，旋噴樁憑借其成本低、效率高、擾動小以及適用范圍廣而成為最主要的加固方式并逐漸得到了發展，在軟弱公路隧道中也開始逐漸得到應用[5-7]。本文基于某軟土大斷面公路隧道工程，結合現場監測數據，對采用高壓旋噴樁加固后的隧底力學特征規律進行分析，從而進一步加深對于軟土隧道地基加固的理解。

2工程概況

依托隧道工程隧道圍巖級別為V級，隧道圍巖全段較軟弱。隧道單線長度在600m左右，最大埋深達到102m。為三車道大斷面隧道，掌子面的開挖寬度達到16m，深度達到10m。隧道內富水情況較弱，隧道路面高程高于含水層，圍巖較干燥，局部深度為內稍濕。

施工過程圍巖變形較大，基底隆起也較大，為了保證隧道支護結構的穩定與安全，需要對隧道基底采用一定的加固方案。結合隧道施工現場情況，最終確定采用旋噴樁對基底進行加固，加固示意圖見圖1，設計參數：旋噴樁直徑為0.6m，樁基礎長度介于6m到7.2m之間，在隧道中心線處為6m，且向外逐漸增大；樁基礎采用梅花形布置，樁心距為1.2m。由于隧道全段圍巖較差，在隧道全段采用中隔壁法進行施工，且當開挖完上部導坑后進行旋噴樁施工，從而減小下部開挖時的隧道基底的隆起變形。

3監測方案

施工現場考慮到樁間距比較小，所以樁頂與樁間土壓力盒的埋設是每間隔一根樁埋設一個測點。監測儀器的埋設具有一定的對稱性，在隧道底部采用7個監測點對樁頂土壓力進行監測，而樁間土壓力的監測儀器埋設與樁基礎旁邊，共計6個監測點；

進一步在左右側埋設土壓力盒對加固后的圍巖壓力進行監測，左右兩側分別在受力較大的拱腳與拱腰的過渡段布置3個監測點；對于加固后的隧道地基的附加應力，我們通過埋設土壓力盒進行監測，一共對稱設置9個監測位置，每個監測位置每土壓力盒埋設間隔深度為2m。施工現場埋設監測儀器后，對各測點進行了為期半年的監測。監測前期1個半月左右每天讀取一次數據，之后一個半月每隔3天讀取一次，最后3個月時間每周讀取一次。

4監測數據分析

4.1樁頂應力與樁間土壓力變化規律

下圖2為樁頂應力的6個月內的監測數據變化規律。隨著隧道的開挖，樁頂應力存在一定的波動變化，但曲線整體呈現出逐漸增大的趨勢，主要可以分為兩個較明顯的階段：階段1主要是在隧道施工的45天內，該時間段內的樁頂應力近似直線快速增大，接近90%的樁頂應力在該階段已經完成。階段2為45天以后，該階段表現為逐漸區域穩定的趨勢。此外，位于拱腳處的監測測點a1的樁頂應力值達到最大的296kPa，而中心位置出的監測點a4應力值最小，僅僅只有85kPa，其余測點的樁頂應力基本高于150kPa，平均樁頂應力值在180kPa左右。說明采用旋噴樁加固后的樁基礎承擔了一定的荷載，且位于外側的樁基礎承載力發揮程度較大。

圖3為樁間土壓力監測結果，隧道基底樁間土壓力變化規律與樁頂應力近似，樁間土壓力隨著施工過程逐漸增大，且也呈現出較明顯的兩個變化階段。具體地，樁間壓力值基本介于75kPa到115kPa之間，平均應力值在100kPa左右，個別監測點數據較大，最大值達到172kPa，最小土壓力值為51kPa

此外，樁間土壓力的變化過程存在一定的波動性，但整體受力比較均勻，且能后逐漸達到穩定，平均樁土應力比為1.8，說明加固后的軟土地基的受力特征得到了較明顯的改善，樁與土能夠發揮其承載力。

4.2邊墻圍巖壓力受力分析

整理監測數據得到圍巖的壓力變化曲線見圖4。圍巖壓力的變化規律與之前分析的樁頂應力與樁間土壓力有類似的階段增長規律，但圍巖壓力穩定的時間較樁土應力穩定的時間長，圍巖壓力在施工后2個月時間左右基本穩定，個別監測點達到3個月。圍巖壓力的受到施工的影響，整體波動較大。此外，右邊墻的為壓力相對比較均勻，在30kPa左右波動，左邊墻自下而上圍巖壓力分別為98.6kPa、41.6kPa與22.9kPa，個別點數值較大。加固后的圍巖壓力數值較小，圍巖比較穩定，整體處于25～100kPa之間，且拱腳處的壓力值較大。

（a）左邊墻

4.3樁底附加應力受力分析

由圖5可知，隧道基底附加應力整體近似直線緩慢增大，整個監測過程中的數據波動比較小，變化曲線比較均勻穩定。整個監測過程中，各個監測點的基底附加應力的增幅都比較小，且部分曲線在后期有逐漸趨于穩定的趨勢，說明加固后的地基比較穩定，加固效果比較好。此外，中間部位附加應力隨深度變化更加的均勻，應力差值為2.33kPa，左邊仰拱與邊墻結合部位最大，應力差值達到了71.14kPa，且越靠近中間部位差值越小，應力更均勻。隧道基底附加應力值在隧道橫斷面整體分布比較均勻，應力監測結果基本上介于10kPa到30kPa之間波動，可見加固后的各深度的附加應力值比較小且很均勻穩定。

5結論

（1）樁頂應力與樁間土壓力呈現出較明顯的兩階段變化：在前45天左右的應力值增長很快，并且完成了近90%的增量，之后逐漸趨于穩定。此外，樁頂應力與樁間土土壓力隨著距離隧道中心線的距離的增大而增大，變化過程均勻穩定，旋噴樁對濕陷性地基的加固效果明顯。

（2）根據監測結果，加固后的樁土應力比介于1-2之間。加固后的軟土地基的受力特征得到了較明顯的改善，樁與土能夠發揮其承載力。

（3）邊墻圍巖壓力隨時間逐漸增大，在2個月左右逐漸趨于穩定，部分測點需3個月才能穩定。加固后的圍巖壓力數值較小，圍巖比較穩定，且拱腳處的圍巖壓力值較大。

（4）隧道基底附加應力隨時間呈直線均勻穩定增大，整個監測過程中的數據波動比較小。此外，中間部位附加應力隨深度變化更加的均勻，應力差值僅為2.33kPa，且越靠近中間部位差值越小。另一方面，隧道基底附加應力值在隧道橫斷面方向分布整體比較均勻，基本在0～30kPa之間變化，可見加固后的各深度的附加應力值比較小且很均勻穩定。

參考文獻：

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