樁筏結構在隧道基底巖溶處理中的應用及效果分析

齊鵬飛

中鐵十八局集團第一工程有限公司 河北 涿州 072750

在隧道施工過程中，不可避免地要穿越一些復雜地質帶，而巖溶是西南地區一種常見的不良地質，對于隧道工程的施工安全和穩定運營具有重要影響[1-3]。無砟軌道對路基沉降的要求較高，在這些巖溶隧道段就需要進行特殊的基底處理。樁筏結構基礎是目前較為常用的一種施工技術，其整體性好，能很好地抵抗基礎的不均勻沉降[4-6]。

云桂鐵路東風隧道為全線Ⅱ級風險隧道，全長11 296 m，全隧突水涌泥風險為中度，巖溶較發育，對隧道施工影響較大。在前人研究理論和經驗的基礎上[7-8]，以東風隧道DK643+366～DK643+415段基底巖溶處理為例，介紹了樁筏結構在隧道這一特殊環境中的施工技術，并采用數值分析法，對基底有、無樁筏基礎處理的沉降變形和振動響應特征進行了對比分析，探討加固措施的合理性和可行性，可為類似隧道工程的設計、施工提供借鑒。

1 工程概況

DK643+366～DK643+415段隧道拱墻及基底發育一充填型溶洞：拱墻溶洞長約49 m，拱頂以上最高8 m，橫向最大寬度20 m，橫向超出開挖輪廓線最大7 m；基底溶洞最深位于基底以下22.8 m，縱向長約31.8 m，橫向最大寬度17 m。上臺階掌子面DK643+368巖性為灰巖溶蝕破碎帶，圍巖軟弱不均，溶腔充填物為流塑-半干硬黏土狀，整體圍巖呈土夾塊石狀，自穩性極差。現場拱頂溶洞充填物局部滑塌，形成8.0 m×4.0 m×3.5 m空腔。DK643+368下臺階溶腔強烈發育，基底為填充型溶腔，填充物為粉質紅黏土，巖體潮濕。地質雷達顯示：此段基底圍巖上部0～6 m為土體結構，巖體濕潤；6～18 m為碎石夾泥，局部為強風化，節理裂隙強發育，巖質軟弱松弛，巖體濕潤。

2 樁筏施工工藝

2.1 基底施工措施

根據隧底巖溶發育規模、充填物性質，對隧底DK643+366～DK643+400段基底溶洞采取了如下措施：

1）DK643+366～DK643+415段采用大拱腳臺階法開挖，上臺階預留核心土，取消該段內系統錨桿。

2）對DK643+366～DK643+391段基底以下深度大于5.0 m的充填溶洞采用樁板結構進行處理；對DK643+391～DK643+400段基底以下深度小于5.0 m的充填溶洞采用C25混凝土換填。

3）鉆孔樁樁徑1.0 m，樁長5～25 m，樁間距縱向4.0 m，橫向3.8 m，共24根，采用C35鋼筋混凝土，樁底嵌入基巖深度不小于2 m，樁頂鋼筋伸入筏板1 m，樁長從筏板底面處算起。

4）樁頂施作C35鋼筋混凝土現澆板，板厚1.50 m，寬14.02 m，長32 m；筏板厚1.50 m，寬14.12 m，長24 m。

5）灌注樁正式施工前，應先打1根試樁。本次試樁不做破壞性試驗，根據試樁資料驗證設計采用的地質參數，判定成孔、成樁工藝方法是否適宜，并根據試樁結果確定是否調整樁基設計。試樁所用的設備與方法，應與實際成孔成樁所用者相同，試樁的截面、長度與11#樁設計相同。試樁成孔后，灌注C35混凝土至筏板底部。

6）鉆孔樁施工過程中，應充分利用鉆孔對基底溶洞的發育范圍及充填物性質進一步探測，若與設計圖不一致，應及時上報參建各方，并根據探測結果優化調整樁長及樁設置范圍，鉆孔樁嵌入基巖不得小于2.0 m。

2.2 施工注意事項

施工中應結合基底鉆孔情況進一步探明基底溶洞的發育形態，利用確定的加固措施進一步探明隧底地質情況，若與設計不符，應及時提出，以便及時調整整治措施。加強巖溶段施工組織，在鉆孔樁施作之前，對隧道周邊的圍巖應做好加固處理，并做好漿液引排，嚴禁基底漫水。應嚴格控制進尺，擴挖后及時噴混凝土封閉，加強監控量測，及時分析監控量測數據，并根據監控量測規范分級管理，及時采取措施確保對變形的控制。筏板混凝土體積較大，施工時應采取措施防止由于混凝土收縮及內外溫差過大造成的混凝土開裂，有關施工要求如下：采用低發熱量的水泥，基礎混凝土按60 d達到后期強度配制；采用以連續級配的粗骨料配制混凝土；施工期間對混凝土的溫度變化進行測定，其內外溫差應控制在規范要求內，采取措施降低底板內部溫度，必要時采用施工措施降低混凝土的入模溫度；加強振搗，提高混凝土的密實性和均勻程度；加強養護，注意混凝土表面的保溫和潮濕養護，嚴禁表面出現干燥和較大溫差變化的情況。

3 應用效果分析

3.1 模型概況及測點布置

巖溶鐵路隧道在高速列車通行過程中將經受動荷載作用，因而基底的穩定性直接關系著列車通行安全。為了檢驗樁筏結構在隧道基底巖溶處理中的應用效果，擬對工后巖溶基底開展動力響應數值模擬分析，分析不同頻率下有、無樁筏結構處理的沉降和振動速度。

計算模型尺寸為84 m×75 m，切向和法向均設置為自由的阻尼器，對所有y軸方向的單元施加法向自由邊界，模型的左右兩側以及底部均施加法向靜態約束，模型上部設置為自由邊界；采用六面體單元來模擬圍巖和初期支護，單元數量為2 618個；將圍巖視為摩爾庫倫理想彈塑性體（彈性模量為120 MPa，泊松比0.4，容重18 kN/m3，內聚力為20 kPa，摩擦角為29°，剪脹角為5°）；將初期支護視為理想彈性體（彈性模量32 121 MPa，泊松比0.2，容重25 kN/m3）；樁體彈性模量為30 000 MPa，泊松比0.2，容重25 kN/m3；筏板彈性模量為32 121 MPa，泊松比0.2，容重25 kN/m3。計算模型如圖1所示。

測點布置：沿著隧道底部筏板橫斷面從左至右依次布設1～5個測點，如圖2所示。

圖1 計算模型示意

圖2 測點布置示意

動力荷載：加載波形選擇余弦波形，動荷載幅值為30 kPa，激振頻率為5.40、12.15 Hz。

3.2 沉降分析

模擬得到了不同頻率下巖溶隧道有、無樁筏處理時的沉降變形對比情況（圖3）。從圖3中可以對比看到：當頻率一定時，在隧道中線處的沉降值最大，并沿兩側呈對稱分布；相同頻率下，有樁筏的沉降值明顯低于無樁筏時的沉降值，無樁筏時最大沉降值分別為5.46 mm和5.38 mm，大于5 mm的設計要求，有樁筏時的沉降值較無樁筏時降低約40%，平均沉降值降至3 mm左右；頻率對于基底沉降量的影響不大，低激振頻率時的沉降量略大于高激振頻率時的沉降量，表明低頻率對于軌道建筑物的損害程度大于高頻率，但影響程度十分有限；當樁筏結構施工后，隧道基底的左、中、右三線的沉降值逐漸趨于平均，即減少了軌道的不均勻沉降。

3.3 振動速度分析

模擬得到了不同頻率下巖溶隧道有、無樁筏處理時的測點振動速度對比情況（圖4）。從圖4中可以看到：當沒有進行樁筏施工時，不同測點處的振動速度相差較大（在32～57 mm/s之間變化），并且也是呈左右對稱分布；當進行樁筏施工后，不同測點處的振動速度基本趨于穩定，且均集中于13.0～14.5 mm/s之間，而相關規范要求的安全許可范圍值為30～40 mm/s，表明樁筏結構對于隧道基底的振動響應具有很好的減振穩定作用；有樁筏結構時的基底測點振動速率較無樁筏時降低約68%；同樣的，低頻率時的測點振動速度略大于高頻率時的振動速度，再次表明低頻率對于軌道建筑物的損害程度大于高頻率。

圖3 不同頻率、有無樁筏 處理時沉降值對比

圖4 不同頻率、有無樁筏 處理時振動速度對比

4 結語

巖溶不良地質強烈發育地質，對隧道工程施工和運行安全具有重要影響。采用大拱腳臺階法開挖方式，對隧道進行開挖，然后對基底進行樁筏施工加固處理，并對不同頻率下巖溶隧道有、無樁筏處理時的沉降變形和振動速度進行了模擬分析。結果顯示：頻率越小，不同測點的沉降變形和振動速度越大，頻率對振動速度的影響程度大于對沉降量的影響程度，低頻率對于軌道建筑物的損害大于高頻率；進行樁筏基礎施工后的沉降量和振動速度較無樁筏施工時降低約40%和68%，表明樁筏結構在隧道基底巖溶處理中能夠較好地控制不均勻沉降及實現減振穩定效果。