鋼管樁地基加固與排水系統改造在富水黃土隧道中的應用技術研究

孫照玉　左魯

【摘要】甜永高速公路五子山2號隧道全長1424米，地下水位高程位于隧道洞室附近，局部段落高于隧道洞身，建設期間洞內出現滲水現象，建成后出現了仰拱填充層開裂等病害。為徹底解決仰拱填充層裂縫病害，依據地質補充勘察資料，采取了鋼管樁地基加固與排水系統改造技術，通過對隧道拱腳基底圍巖加固，優化結構受力體系，通過對排水系統改造，降低隧道洞室附近地下水位，及時將圍巖滲水引排至洞外。為使裂縫加固處治方案達到良好預期效果，分別從鋼管樁與滲水盲溝作用機理、主要影響因素、關鍵控制技術等方面詳細分析施工應用技術。結合鋼管樁試樁試驗、監控量測數據、現場觀測等分析，處治效果良好，為同類型隧道病害加固方案施工提供借鑒參考作用。

【關鍵詞】高速公路;黃土隧道;仰拱開裂;鋼管樁;監控量測

：TU753.3

富水黃土隧道是指隧道洞室范圍內黃土含水量較大的隧道。一般地表沖溝、陷穴較多的黃土山體，其山體內部黃土含水量普遍較高。國內眾多研究學者對造成濕陷性黃土隧道仰拱開裂的機理作用進行了大量研究，分別通過現場浸水試驗、裂縫現場調查、模型計算仿真分析，得出隧道仰拱基底黃土圍巖含水量較高造成仰拱基底圍巖軟化，引起左、右側拱腳不均勻沉降，最終導致仰拱受彎拉作用，產生拉裂破壞。

本文通過以甜永高速公路五子山2號隧道仰拱填充層病害為工程案例，詳細介紹仰拱裂縫病害處治方案關鍵施工技術控制點，為相似隧道病害處治方案加固施工提供相關經驗與參考。

1 ?工程案例

甜永高速公路五子山2號隧道位于甘肅省慶陽市環縣環城鎮環江河岸一側的黃土山體內，隧道全長1424米，隧道位于侵蝕堆積黃土地貌區，山體植被稀少，主要以地方野生雜草為主，山體地表廣泛分布雞爪狀沖溝、黃土陷穴，溝谷內無常流水，雨季時伴隨短暫流水，拱頂最大埋深約150m，現場為進、出口雙向掘進施工。

2 ?病害基本情況

現場施工至樁號YK88+640處時（距離洞口540米），上臺階右側拱腳附近出現兩處泉眼不斷涌水，出水量約為15m3/h，經地質預報探測，泉眼位置處下方1.4m為砂層，砂層整體向掌子面上方發展。經采用Φ42打孔鋼花管對拱腳、仰拱基底、上臺階進行注漿加固，對土體進行固結施工。經過一個多月，隧道整體貫通后，發現仰拱填充層中間位置出現縱向裂縫，裂縫最大寬度約2.0cm，裂縫處最大錯臺高度約0.5cm，并伴有持續發展跡象。

3 ?隧道加固施工方案選擇

為確定合理病害處治方案，綜合全面對五子山2號隧道水文地質情況、水流來源、分布范圍、流向等情況進行詳細補充勘察，依據補充勘察資料，分析水流對隧道穩定性的影響，準確確定處治范圍，完善隧道綜合處治方案，確保方案的合理性和經濟性。

根據地質補充勘察資料，隧道洞室穿越巖層主要以風積新黃土、老黃土為主，黃土含水率較大，仰拱基底下伏巖層為泥質粉砂巖。由于黃土結構疏松，孔隙比較大，洞室開挖后，形成負壓區，黃土內水分聚集，形成浸水反應，導致隧道基底黃土軟化，承載力下降，仰拱中心處起拱彎拉，產生拉裂破壞。

為解決上述問題，結合類似黃土隧道病害處治方案，最終采用“Φ108打孔注漿鋼管樁+滲水盲溝排水系統改造”處治方案，徹底解決富水黃土隧道拱腳基底軟化與黃土滲水問題，加固方案如圖1所示。

4??鋼管樁地基加固與排水系統改造技術施工應用

4.1主要作用機理

Φ108打孔注漿鋼管樁的主要作用機理就是通過加壓灌注水泥漿液，使鋼管樁對拱腳下軟基進行加固，形成支撐體系，改善襯砌結構的受力特點，同時水泥漿液在高壓作用下向通過Φ108鋼管預留孔道向周圍土體擴散，可有效填充黃土中滲水空隙，形成樹根狀的加固土體效果。為確保拱腳加固效果，依據地質補勘資料，每個斷面上設置鋼管樁4 根，當隧道仰拱底部黃土深度大于等于8m時，鋼管樁單根長度按8m控制，當隧道仰拱底部黃土深度小于8m時，Φ108鋼管打設至中風化巖層以下0.5m。每根Φ108鋼管內置三根φ22 鋼筋籠用于提高單樁承載力和鎖定仰拱二襯，先下鋼筋籠后注漿，鋼管樁注漿完成后，樁頭上部澆筑鋼筋混凝土縱梁，縱梁與隧道二襯采用植筋連接，最終形成統一整體，參與結構受力。

新增滲水盲溝的主要作用機理：（1）通過降低地下水位高程，收集隧道洞室上部黃土滲水，有效解決黃土滲水聚集在拱腳位置的不利影響;（2）與中心排水溝形成上、下立體雙層排水系統，補充完善中心排水溝無法排出拱腳下圍巖滲水的缺點。

4.2影響鋼管樁地基加固與排水系統改造技術的主要因素

由于隧道整體已施工完畢，鋼管樁地基加固與排水系統改造技術需破壞原有隧道結構，影響加固效果的主要因素有：（1）鋼管樁的定位與偏角控制;（2）水泥漿液注漿壓力與注漿量控制;（3）縱梁植筋施工控制;（4）滲水盲溝施工質量;（5）破拆電纜溝槽、仰拱填充層、仰拱二襯、仰拱初支時隧道整體結構穩定性觀測。

4.3關鍵控制技術

4.3.1 鋼管樁間距與傾斜角度控制

為控制好鋼管樁間距與傾斜角度，合理解決Φ108鋼管樁與初期支護連接鋼支撐位置沖突，現場施工時采用定點劃線施工方法，同時輔助采用傾角儀對鉆孔角度進行有效控制。通過控制管樁間距與傾斜角度，使鋼管樁更好地參與結構受力，有效承擔圍巖傳遞的荷載作用力。

4.3.2 注漿量與注漿壓力控制

注漿設計采用水灰比為1：1水泥漿液，注漿壓力1-2.0Mpa。為確保注漿加固效果，注漿順序按照“先兩側后中間”、“跳孔注漿”、“由稀到濃”的原則進行施工，當現場出現串孔、壓力損失、水泥漿液擴散質量較差、鋼管樁內泌水等情況時，立即暫停注漿，待漿液終凝后進行反復注漿，直至漿液不在下滲、飽滿密實為止，直至達到注漿設計要求。通過控制注漿量與注漿壓力，使水泥漿液包裹Φ108鋼管，通過預留孔道并Φ108鋼管在周圍形成樹根狀的體系，填充周圍黃土空隙，形成有效的固結體。

4.3.3 縱梁施工控制

鋼管樁施工完成后拱腳位置采用縱梁進行加固補強，通過植筋，使縱梁、鋼管樁、二襯混凝土形成整體，參與體系受力。縱梁施工時需格外控制縱梁主筋鋼筋間距、植筋施工定位，嚴禁破壞已施工完成的橫向排水管。縱梁鋼筋為注膠植筋（伸入不少于40cm），現場已施做完成后的植筋應進行拉拔試驗，確保滿足鋼筋強度設計值的80%。縱梁混凝土澆筑前應對槽內雜物采用高壓風清理、灑水濕潤，尤其注意縱梁澆筑前，對隧道原設計橫向排水管進行恢復連接，確保橫向排水系統通暢。

4.3.4 滲水盲溝排水系統改造施工控制

仰拱基底滲水盲溝排水系統改造施工應在鋼管樁地基加固全部完成后進行，尤其注意以下幾點：（1）破拆二次襯砌及初支混凝土時不得采用大型機械，以免機械振動較大對結構造成破壞，應采用人工風鎬;（2）仰拱二次襯砌鋼筋切除后至少保留22cm以上的外露留茬，恢復仰拱二次襯砌時應采用雙面焊接連接原有主筋及新加主筋;（3）破除仰拱回填層時注意橫向排水管的完整性，保證其不被壓碎和阻塞;（4）滲水盲溝縱向坡度與隧道相同，保證排水縱坡;（5）排水系統改造期間，加強監控量測，每個斷面至少分別在左、右側墻及拱頂設置三處測點，嚴密監控襯砌變形及沉降情況;（6）施工時應對橫向排水管進行有效防護，保證其不被壓碎和阻塞，以確保排水系統暢通無阻。

5??加固效果評價

5.1 鋼管樁效果驗證

為驗證Φ108鋼管樁加固效果，在隧道洞口路基處進行試樁，采用分級慢速維持荷載法對Φ108鋼管試驗樁進行復合地基靜載試驗檢測。為保證洞外試驗樁盡可能接近隧道洞內Φ108鋼管樁，采用同長度、同角度、同間距等布置，共設置試驗樁11根，根據試驗樁豎向抗壓靜載荷試驗結果，鋼管樁試驗樁復合地基承載力特征值為240KPa。

在洞內Φ108鋼管樁注漿過程中，每根鋼管樁均可以達到注漿壓力2Mpa，并持壓10分鐘，單根注漿量為0.5m3，均滿足設計要求。注漿完成后在鋼管樁旁采用鉆心取樣檢查注漿效果，隨機選取了兩個位置，分別是 YK87+966、YK87+990，經觀察，在仰拱初期襯砌與圍巖結合部有1cm厚的漿液，再向下1m范圍內土體芯樣中有零星的水泥漿顆粒，取出芯樣含水率較高，最高33.3%，平均23.5%。

5.2?縱梁效果驗證

縱梁施工控制關鍵在植筋與混凝土強度，經現場隨機選定三根植筋進行拉拔試驗，實測拉拔力分別為132.55KN、134.11KN、130.0KN，均大于設計拉拔力為121.63KN。同時，經現場實測混凝土28天強度，均滿足設計要求。

5.3 滲水盲溝排水系統改造效果驗證

經觀察洞外滲水盲溝出水口，可見盲溝內有常流水，雨季時流水暫時增大，排水效果良好。

5.4 監控量測數據側面驗證加固效果

（1）正常施工期間：2017年7月至2018年10月，最大累計拱頂下沉34mm，平均每天拱頂下沉0.0767mm。（2）鋼管樁地基加固與排水系統改造施工實施期：2018年11月至2019年9月，最大累計拱頂下沉22mm，最大累計水平收斂12mm，平均每天拱頂下沉0.0756mm，水平收斂0.0412mm。（3）鋼管樁地基加固與排水系統改造施工完成后：2019年9月至2020年6月，最大累計拱頂下沉7mm，最大累計水平收斂6mm，平均每天拱頂下沉0.023mm，水平收斂0.023mm。根據監控量測數據分析可得，鋼管樁地基加固與排水系統改造完成后，隧道洞室結構已處于穩定狀態。

6.?結語

（1）事實證明“鋼管樁地基加固與排水系統改造技術”在富水黃土隧道中的應用是成功有效的，Φ108鋼管樁起到加固左、右拱腳基底圍巖，傳遞圍巖荷載作用，仰拱基底下滲水盲溝起到降低地下水位，及時將左、右拱腳下圍巖滲水排出，避免基底圍巖軟化。

（2）通過裂縫病害加固方案現場施工，表明Φ108鋼管樁間距、傾斜角度與注漿壓力是確保Φ108鋼管樁發揮作用的關鍵施工控制因素。

（3）在富水黃土隧道設計和施工中，特別注意圍巖滲水和左、右拱腳基底圍巖軟化的問題，及時將拱腳圍巖加固、仰拱基底地下水進行引排、截流是保證隧道結構安全穩定的重要因素。

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