濕陷性黃土鐵路隧道水泥土擠密樁基底加固施工技術

范森

摘要：通過水泥土擠密樁在濕陷性砂質新黃土隧道隧底加固中的應用，分析了濕陷性砂質新黃土隧道的地質特征，闡述了水泥土擠密樁的施工工藝和控制要點，總結了地基承載力檢測項目、方法，驗證了地基處理效果，證明水泥土擠密樁對濕陷性砂質新黃土隧道基底加固是一種可行、有效的方法，能夠消除砂質新黃土濕陷性、提高密實度，提高黃土隧道地基承載力，滿足隧道結構沉降的要求。為類似地質的隧道施工提供借鑒。

Abstract： Through the application of cement-soil compaction pile in the reinforcement of the tunnel bottom of collapsible sandy loess， this paper analyzes the geological characteristics of collapsing sandy loess tunnel， expounds the construction technology and control points of the cement-soil compaction pile， summarizes test items and methods of foundation bearing capacity and verifies the effect of foundation treatment. It proves that the cement-soil compaction pile is a feasible and effective method to reinforce the foundation of collapsing sandy loess tunnel， which can eliminate the collapsibility of new sandy loess， improve the compactness， improve the bearing capacity of loess tunnel foundation， and meet the requirement of tunnel structure settlement， and it provides reference for similar geological tunnel construction.

關鍵詞：砂質新黃土；濕陷性；水泥土擠密樁

Key words： new sandy loess；collapsibility；cement-soil compaction pile

中圖分類號：U457+.3 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2018）16-0116-03

0 引言

我國黃土分布廣泛，面積約64萬平方公里，其中濕陷性黃土約占75%，西北地區和黃河中游地區最為發育，主要在山西、陜西、甘肅等地區，黃土按照形成時代劃分包括早更新近世的午成黃土、中更新世的離石黃土、晚更新世的馬蘭黃土、全新世的新近堆積黃土、黃土狀黃土。Q3、Q4砂質新黃土，土質均勻或者較均勻、結構疏松，具有大孔隙、滲透性強、具有垂直節理、具有強烈濕陷性等特征。隨著國家“一帶一路”理念的逐步實施，西部、西北地區基建規模不斷擴大，其中鐵路建設規模也逐年增加，在濕陷性黃土地區建設鐵路隧道成為一項不可避免的工程，如何解決濕陷性黃土鐵路隧道基底承載不足成為擺在鐵路建設者面前的一道難題。

1 工程概況

蒙華鐵路陽城隧道位于陜西省靖邊縣境內，起訖里程為DK242+044.57～DK249+157.82，全長7108.25m，隧道地區位于毛烏素沙漠和黃土高原過渡區，地形較為復雜，為典型的黃土高原侵蝕性梁峁溝谷地貌類型。隧址區廣泛分布第四系上更新統風積砂質新黃土，淺黃色，稍密～密實，稍濕，砂感較強，土粒成份以粉粒為主，垂直節理，大孔隙，濕陷性，濕陷系數δs=0.021～0.059，屬中等濕陷性黃士，Ⅳ（很嚴重）自重濕陷場地，濕陷深度0.00～23.80m。陽城隧道里程DK249+027～DK249+152段洞身位于濕陷性砂質新黃土地層，地基承載力不滿足設計要求，需要進行加固處理。

2 砂質新黃土的特點及危害

Q3、Q4砂質新黃土淺黃色～褐黃色、稍密～密實、稍濕、呈松散狀。具體特點如下：

①承載力低，蒙華鐵路陽城隧道DK249+027～DK249+152段濕陷性砂質新黃土地層承載力σ0=130～150kPa，不滿足設計要求。初支鋼架拱腳易沉降，隧道仰拱及二襯易產生不均勻沉降及開裂。②多孔性、垂直節理發育、層理不明顯、透水性強、具有濕陷性。③干密度小、孔隙比大、壓縮性高、滲透性強、抗剪強度低。④自穩能力差，開挖后隧道掌子面易坍塌、產生溜塌體、初期支護變形大。

基于這些特點，在這種地質中修建鐵路隧道，地基承載力不能滿足要求、隧道工后沉降不能滿足要求，無法保證工程質量，無法保證鐵路運營安全。鋼管樁適用于非濕陷性新黃土地層以及基底位于土石分界地層，水泥土擠密樁采用改良的水泥土通過擠密能夠提高地基承載力及消除砂質新黃土的濕陷性。

3 水泥土擠密樁方案設計

水泥土擠密樁是利用錘沖擊成孔（非排土成孔）或洛陽鏟成孔（排土成孔），采用集料站集中拌制的水泥土分層回填夯實擠密成樁，從而達到提高地基土的承載力、增強其水穩性、消除濕陷性、降低壓縮性和控制地基沉降變形的目的。

3.1 設計參數

①擠密樁按梅花型布置、樁間距一般采用1.0m，擠密樁直徑為0.4m。②加固深度至濕陷層分界線下0.5m、最長不超過12m、最小不低于6m。

3.2 材料要求

樁身材料一般采用水泥土，水泥采用42.5級及以上的普通硅酸鹽水泥，水泥摻量為土體質量的12%～20%。土體有機質含量必須小于5%，土塊粒徑不得大于15mm，不得含有膨脹土、凍土、磚頭、瓦片、石塊及雜土。

3.3 檢查項目及標準

①樁孔和樁位檢驗：樁孔中心點的偏差不大于樁間距設計值的5%，且小于50mm，樁孔的垂直度偏差不大于1.5%，樁孔直徑、樁孔深度不小于設計值。②復合地基承載力不小于200kPa。采用平板載荷法實驗檢測。③樁間土平均擠密系數不小于0.93，最小擠密系數不小于0.88。④樁間土消除濕陷性，濕陷性系數不大于0.015。

3.4 設備選型

水泥土擠密樁因成孔方式不同，主要有也下幾種方案。

①柴油錘錘擊沉管成孔法：利用燃油爆炸推動活塞往復運動而錘擊沉管成孔，活塞重量從幾百公斤到數噸。優點，功率大，施工效率高。缺點是震動強，設備塔架高，空氣污染，不適合在隧道內施工。②柱錘沖擴樁法：通過電動卷揚機反復將柱狀重錘提到高處使其自由落下沖擊成孔，柱錘為圓柱體，自重一般為3.5T。優點，夯擊能量大、成樁速度快、施工效率高。缺點是震動強，設備塔架高，不適合在隧道洞內施工。③洛陽鏟成孔法：利用電動卷揚機提升洛陽鏟到高處使其自由落，洛陽鏟下落過程取土、提升過程棄土。不受地形條件限制，施工方便、施工進度快、對地層及周邊結構物震動較小，避免了環境的污染。

根據砂質新黃土隧道地質特點及施工安全等方面因素綜合考慮，本隧道水泥土擠密樁施工采用洛陽鏟成孔。

4 工藝性試驗

試樁采用4孔按照設計布置，電動卷揚機配合洛陽鏟取土成孔，通過土工試驗，砂質新黃土水泥土最佳含水量14%（誤差控制±2%），最大干密度1.80g/cm3，普通硅酸鹽水泥（PO42.5）參入量16%。水泥土回填分層夯實，每層厚度控制250～300mm，夯錘長度為2m，重量為500kg，落錘高度控制在2m。每層錘擊次數不小于8次。經試驗檢測各項指標均滿足設計及驗標要求。

5 水泥土擠密樁施工工藝

以陽城隧道出口DK249+027～DK249+152段水泥土擠密樁施工為例，對水泥土擠密樁施工工藝進行總結。樁長6m，樁徑0.4m，樁間距1m，梅花形形布置，1375根，共計8250延米。

5.1 工藝流程

水泥土擠密樁采用洛陽鏟取土成孔，水泥土采用集料拌和站集中拌制，分層回填，夯錘夯實。（見圖1工藝流程圖）

5.2 施工準備

①水泥土集料拌合站建設及驗收，根據項目部整體施工組織設計，選取合適場地，按程序進行驗收。

②配足水泥土擠密樁施工所需要機械設備。主要有洛陽鏟及夯實機。

③配比試驗：對土源點的土樣，進行配比試驗，測定不同水泥摻入量時，水泥改良土的無側限抗壓強度、最優含水量及最大干密度。確定滿足設計要求的最經濟水泥摻入量。

④隧道下臺階開挖支護完成后，平整場地。

⑤根據軟基檢測章程、設計圖紙、驗標編制隧道水泥土擠密樁專項施工組織設計及技術交底，并對施工班組進行培訓及交底。

⑥試驗室對隧底砂質新黃土進行含水量檢測，若地基天然含水量普遍小于10%時采用增濕處理，增濕處理應于地基處理前4～6天，通過一定數量及深度的滲水孔，均勻地將水浸入擬處理范圍內的土層中。

5.3 成孔

按照1m的間隔，梅花形布置，精確測量樁位，成孔順序采用間隔跳打法，間隔1～2個孔跳打。樁機就位使洛陽鏟對準樁中心，調平、固定樁機平臺，施工前在卷揚機的鋼絲繩上標出控制孔深的標記，確保成孔深度。先采用小沖程進行開孔，當孔深超過2m后以正常速度成孔。洛陽鏟下落過程取土、提升過程棄土，將鏟中的土抖落至手推車中運出。成孔后嚴格檢查孔位中心、孔徑、垂直度及孔深偏差。（見圖2洛陽鏟成孔）

5.4 水泥土生產

回填材料采用水泥土混合料，水泥采用42.5級普通硅酸鹽水泥。集料拌和站集中攪拌，嚴格控制水泥土的含水量（若含水量過大采用攤鋪晾曬）、水泥摻量，水泥土必須攪拌均勻。根據施工用量需求拌制，禁止使用被雨水淋濕、浸泡的水泥土。

5.5 回填孔樁

分層回填前，將夯錘放置孔底空夯最少8次，確?？椎缀粚?。水泥土分層回填，逐層夯實，每層回填虛鋪厚度為250～300mm，每層填料0.03m3（采用料斗定量），錘擊8次，落距2m，回填過程中杜絕間隔停頓時間過長。實際樁頂必須高出設計樁頂標高50～70cm，隧底開挖時再將高出部分開挖掉。水泥土在現場放置時間不超過6h。（見圖3回填夯實）

6 效果分析

蒙華鐵路陽城隧道里程DK249+027～DK2249+152段，濕陷性砂質新黃土隧底通過水泥土擠密進行加固。取得如下效果：

①工期：平均每天完成28根（170m）水泥土擠密樁施工，經濟效益較好，滿足隧道工序施工要求。②樁間土平均擠密系數達到0.95，最小擠密系數為0.92，滿足設計及驗標要求。③樁間土濕陷性系數介于0.000～0.006，表明隧道仰拱加固深度范圍內樁間土濕陷性已經基本消除。（見圖4土工試驗報告）

④復合地基承載力超過200kPa，滿足設計要求。（見圖5復合地基靜載試驗成果）

7 結束語

本項目共進行了9座隧道，10個段落（1120延米），共計12323根（73943m）水泥土擠密樁的施工，復合承載力全部達到200kPa以上，滿足要求。說明在天然含水率不大于24%，飽和度Sr≤65%的濕陷性黃土隧道，采用水泥土擠密樁進行地基加固，是一種可行的方案。

該方案可以提高施工效率，保障了水泥土擠密樁樁體質量、樁間土擠密系數，基本消除了樁間土濕陷性，大大提高了復合地基承載力?？梢宰鳛樘幚頋裣菪渣S土隧道軟基加固工藝推廣。但也存在施工干擾大的問題。還需要研究在不同軟弱地質條件下采用水泥土擠密樁施工的效果。

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