軟塑黃土隧道基底漿固碎石樁加固技術研究

趙斌洲

（中鐵二十二局集團第五工程有限公司，重慶 400700 ）

0 引言

近年來關于大斷面黃土隧道的研究，國內學者取得了大量的寶貴成果，成功解決了其修建過程中面臨的一系列難題，標志著我國大斷面黃土隧道建設水平取得了長足發展和巨大進步。但是，已有的研究成果對隧道穿越長段落軟塑性黃土理論研究、施工工藝技術、控制變形及基底處理方面的研究較少，已經成為制約軟塑性黃土隧道安全施工和運營的關鍵技術難題，很有必要開展深入研究。針對隧道基底軟塑黃土工程問題，目前國內外主要的處治方法有：墊層換填法、強夯和強夯置換法、碎石樁法、加筋法、排水固結法以及水泥攪拌法等。漿固碎石樁復合地基屬于剛性樁復合地基的范疇。到目前為止，國家標準和規范中，還沒有正式提出有關漿固碎石樁的計算方法，也沒有具體的應用到大斷面黃土隧道范例，本文結合新建銀川至西安鐵路上閣樁隧道展開相關研究工作。

1 工程概況

新建銀川至西安鐵路甘寧段站前工程YXZQ-2 標段上閣村隧道位于甘肅省慶陽市寧縣焦村鄉境內，屬黃土臺塬區，以董志塬為主體，地形平坦開闊，由塬面中心向四面緩傾，西高東低，地面高程1030m～1280m，相對高差250m。塬邊溝壑發育，支溝下切較深，多為“V”字形，兩岸邊坡高陡，多發育滑坡、錯落、溜坍和黃土陷穴等不良地質現象，重力地貌特征明顯。隧道進口位于焦村鄉各店三隊西北側約650m 的“V”字形深切溝谷陡峻斜坡上，交通不便；出口下穿焦村鄉，位于街上村黃土塬頂，地勢平坦，農田、道路、房屋遍布，交通便利。起訖里程為DK207+517.55～DK214+300，全長6782.45m，隧道最大埋深102m，為單洞雙線隧道。隧道縱坡為25‰的上坡，除洞身2140.643m 和出口段610.663 位于直線上外，其他分別位于R-8000 和R-7000的曲線上，為確保整體施工工期，結合隧道所處地形、地質條件，本隧設1#斜井和2#斜井工程輔助正洞施工，其中1#斜井承擔正洞進口方向長度1400m,承擔正洞出口方向長度1080m；2#斜井承擔正洞進口方向長度1295m。本隧重難點控制工程主要為洞身穿越軟塑黃土底層、基底膨脹性地層沉降變形控制、底鼓變形及突泥塌方風險的處治。見圖1。

2 漿固碎石樁施工工藝

2.1 漿固碎石樁施工機械改良

2.1.1 上閣村隧道預實驗

上閣村隧道一號斜井銀川端施工時，隧底黃土含水率高（約23%～27%），仰拱底開挖后有滲、出水現象。對基底進行現場鉆探取樣化驗，為軟塑、硬塑互層。

（1）2017年12月5日開始在DK211+350～DK211+361.9 段仰拱封閉成環的初支面上進行鋼管樁試樁施工，處理深度13m，現場利用多功能液壓鉆機KR805-1 施工，軟塑層夾層厚度較厚，鉆進過程扭矩大，鉆速慢，成孔出渣困難，且受仰拱曲面結構影響，和棧橋、鉆孔機械設備占位影響，泥渣只能依靠人工清理、工作難度大，效率低。截止2017年12月18日，完成31根樁，平均6.5h/根。另外，由于孔內地下水位較高，距孔口30cm，管內灌注混凝土無法保證質量。

（2）施工過程中先擴孔開挖至230mm 后，進行Φ194mm 鋼管樁下管，下管后管內很快充滿水，后期管內混凝土灌注質量難以保障。

遂2018年1月11-12日，進行漿固碎石樁試樁施工，處理深度15m，現場利用小型旋挖鉆機進行施工。試樁鉆孔時間為3.5h；繼而，投放石料、注漿完成整根樁的施工。后續，正式施工時，鉆孔、投放石料、注漿，三道主要工序采用流水作業；鉆孔施工時間為主控環節，整體施工進度約為4h/根。

現場試樁發現的問題：

1）施工場地作業面較小，施工機械布置在半幅隧道內，只能施工2 排樁（按設計要求，半幅隧道需要打設3 排樁）。因此，保證棧橋通行的情況下，半幅場地只能施工2 排樁。即一塊工作面（12m 長）施工中，需要分3個縱斷面進行施工，移動一次棧橋、去掉一次棧橋

2）現場鉆孔過程中遇到石塊，部分石塊直徑大于15cm，影響現場鉆孔效率。

3）現場鉆孔中，在施工作業面以下3.5m 及11m 附近處，遇到硬塑夾層、硬塑夾層厚度在1-2m 之間。

2.2 漿固碎石樁施工工藝方法

2.2.1 施工準備

組織人員、設備、材料進場，進行施工技術與安全交底。根據設計要求和地質條件，進行試打樁，確定施工工藝參數。并確定施工方案或施工組織設計，分段、半幅隧道進行施工。

2.2.2 場地平整

根據現場情況，將隧道基底場地進行平整，清除表面障礙物。

2.2.3 定位放線

根據設計圖，確定樁位軸線和樁位點，用?12 鋼筋插在樁位中心點上，并噴涂油漆做明顯標記。樁位偏差小于±2mm。

2.2.4 護筒埋設

護筒作用為保護孔口，隔離上部雜填松散物，是防止孔口塌陷的必要措施，也是控制定位，標高控制的基準點。護筒選用60cm 的鋼制護筒，埋入深度以滿足隔離雜填土，防止孔口塌陷為準，護筒外周間隙用黏土回填并搗實，以確保護筒穩定牢靠且防止混凝土回灌。

2.2.5 樁機就位、鉆進成孔

根據樁放樣點位，進行樁機就位，鉆頭中心對準樁位中心。鉆機就位后應調整平穩，施工作業人員應從正面與側面兩個相互垂直方向，采用吊錐線或利用鉆機平臺用水平尺進行垂直檢查，及時調整鉆機水平度，保證機具垂直，并將對準樁位中心點。

采用輕便取土鉆機掏土鉆進成孔，取土鉆機掏土作業是利用套在鉆桿上的螺旋套筒的部分刃片旋轉切削土層，并使土層切入套筒內，待鉆入一定深度，提出套筒，清除筒內泥土，再放下套筒取土，如此反復進行操作。一節鉆桿鉆完后，可接上第二節鉆桿，直到鉆至設計要求的深度。

圖2 機移位及鉆孔取土

2.2.6 下注漿管

注漿管采用直徑25mm、長度3～6m 的鍍鋅鐵管，采用絲扣分段連接下放。安裝注漿管前應清除管內雜物，防止堵塞，注漿管底部與孔底之間的距離應小于30 ㎝。

2.2.7 投放碎石

在鉆孔完成后，要分兩次進行洗孔。然后投放碎石。粗骨料一般采用空隙率較大的16～40cm 級配的潔凈碎石。用翻斗車裝載投料，投料時，孔口放置投料漏斗，緩緩倒入孔內，連續投料，直至填滿至樁頂標高以上1m 為止。碎石投入量不應小于樁孔體積。

2.2.8 壓力注漿

水泥采用42.5 號普通硅酸鹽水泥，砂為細砂。水泥砂漿的水灰比控制在0.5～0.6，并適當使用堿水劑、粉煤灰等外加劑。施工前應做好水泥砂漿配合比試驗。

注漿前先拌制0.3 m3～0.5m3純水泥濃漿注入孔內，充填孔底約2m 骨料間隙，并潤滑注漿管道。注漿是利用注漿泵的壓力，把水泥砂漿壓入注漿管中從孔底逐漸上升充填到碎石孔隙中，采用連續分段注漿。

3 漿固碎石樁加固效果評價與監測

3.1 監測內容

為驗證漿固碎石樁的加固效果，需根據相關規范規定對加固效果進行驗證。根據漿固碎石樁軟基處理的特點及科研實施方案本科研項目在試驗路段進行了以下項目的測試：

(1)土壓力監測:了解復合地基中水泥漿膠結碎石樁與樁間土的荷載分擔情況;

(2)孔隙水壓力試驗:了解路堤荷載作用下灌漿膠結碎石樁加固區路基土孔隙水壓力的變化規律;

根據上述監測內容本次觀測工作采用的觀測儀器和元件有：土壓力計、表面沉降板、孔隙水壓力計等。

3.2 儀器的布置及埋設

為推進《銀西高鐵黃土塬區隧道修建技術研究》科學研究，并根據2018年1月13-14日組織召開的銀西鐵路（甘寧段）黃土隧道軟塑段施工、設計聯席會議意見，相關專業結合現場施工情況，認真研究后，對驛馬一號隧道軟塑黃土段DK257+466～DK257+478 采取漿固碎石樁基底加固。12 米長試驗段內，漿固碎石樁施工布置、測試元期間布置等如圖1 所示。

圖1 儀器布設圖

在示范樁周邊設置兩個儀器孔，儀器孔內沿著深度，間隔兩米布置一只豎向放置的土壓力盒，共放置6 個土壓力盒；在儀器孔中間深度各放置1 個孔壓計，共計2 個土壓力盒，用于測量施工過程中孔壓的變。且在仰拱下不同位置放置3 個土壓力盒、樁頂放置一個土壓力盒，用于測量不同位置的樁土應力比。具體儀器布設見上圖。

3.3 監測數據處理

由各儀器的頻率測值根據其對應的率定系數計算出每個元件的壓力值，并繪制相應土壓力、孔隙水壓力隨荷載的變化曲線圖。

圖2 不同間距測量示范樁的側向壓力變化值

由上圖可以看出：在1 倍樁徑處測量成樁的過程中有土壓力大于1.5 倍樁徑處，且呈現有規律的變化，且在注漿過程紅側向土壓力變化峰值值r/dc=1.0 是r/dc=1.5 的1.6 倍。說明在成樁過程中對土體有加密作用，同時在注漿的過程中有加密作用，說明漿固碎石樁在處理隧道基地軟塑黃土的中，不僅能夠起到豎向的承載作用，同時能夠起到側向的擠壓加密作用。

4 結論

通過對漿固碎石樁進行室內外試驗、施工工藝、施工機械、檢測方法等方面進行深入研究，形成了漿固碎石樁在黃土隧道黃土軟塑地基條件下的加固方法。漿固碎石樁作為一種新型樁基，在黃土隧道軟土地基加固方面有其特殊優點：加固效果好，質量可靠；處理深度大；施工效率高；施工質量易于保證；質量檢測簡單快捷；經濟性優越；綜合上述分析，選其作為加固方案在技術上是可行的、經濟上是合理的。