杜家溝隧道進口人工挖孔樁治理效果評價研究

李萬勝，孫澤萍

（1.甘肅天隴鐵路有限公司，蘭州 730000；2.甘肅電通電力工程設計咨詢有限公司，蘭州 730000）

進入21 世紀以來，我國經濟一直在如火如荼地向前發展，隨著城市化進程不斷加快，對運輸行業的要求也不斷提高。在我國交通運輸行業中鐵路橋梁隧道占據著非常大的比重，但隧道建設過程中也會遇到許多諸如軟巖等不良地質情況，導致影響隧道開挖進度甚至施工人員生命安全。

在隧道進口段，若是遇到較陡的松散巖體地段，進行隧道開挖時的擾動很有可能會使上部土體滑落，造成冒頂、塌方，甚至滑坡。針對這種現象，丁財寶[1]在施工過程中通過采取鋼管樁注漿加固和減小偏壓后，實現了隧道順利施工。沈遠等[2]采取支擋結合坡面排水措施，在滑坡前緣隧道進口處設一排抗滑樁來防止滑坡。宿愛香[3]結合吉圖琿客專后鞍山隧道工程實踐，通過旋噴樁施工達到超前改良、加固土體。

近幾年，我國大部分地區都采用和推廣使用人工挖孔樁來改良軟土地層不良地質基礎[4-6]，因人工挖孔樁具有較大的承載能力及經濟靈活性，很快受到了較多勘察設計、施工單位的認同，其是一種適宜在軟弱地基上施工使用的基礎形式[7-9]。但在目前治理隧道進口段塌方等問題中，使用人工挖孔樁的案例較少，多數還是設計為錨索或者抗滑樁，但這樣一方面提高了工程造價，另一方面，也會拖延工程進度。因此，很有必要研究人工挖孔樁在塌方問題中的影響，以填補該工程設計領域中的空白。本文以杜家溝隧道進口段為例，通過在隧道兩端增設人工挖孔樁，增加土體的穩定性。經數值模擬分析，本方案取得了良好的加固效果，可以為相似的隧道工程設計提供依據。

1 工程概況

1.1 工程概述

杜家溝隧道位于甘肅省隴南市武都區兩水鎮境內，為中山區，地面高程1 085~1 375 m，相對高差約290 m，區內地形起伏大，植被較茂密，隧道最大埋深約271.2 m，最小埋深約12 m。隧道起訖里程DK226+029-DK228+075，全長2 046 m，為單線隧道，隧道DK226+404.45-DK228+075 段位于R-800 m 的左偏曲線上，其余均位于直線上；洞內分別為-16.7‰/371 m、-15.9‰/1 675 m 的單面下坡，隧道進口高程：1 102.73 m，出口高程為1 069.9 m。

1.2 氣象特征

隧址區地表水主要為白龍江及其支流溝壩河，屬嘉陵江水系。隧道進口為白龍江支流溝壩河，為常年流水。隧道上方地表水為人工水渠，該水渠環山體半坡而建，流量小。隧道洞身下穿兩處沖溝，勘察期間未見地表水。沿線氣候為北亞熱帶濕潤向暖溫帶半濕潤過渡的季風氣候區，受高山深谷地形的影響，在氣候上有明顯的區域特征，氣候差異懸殊，垂直分帶明顯，河谷炎熱，山地寒冷。

1.3 地層巖性特征

隧道洞身通過的地層巖性主要為第四系上更新統黏質黃土、細角礫土、細圓礫土、粗圓礫土、卵石土及志留系千枚巖。隧道進口段主要為志留系中上統白龍江群第一巖性段主要分布在隧道進口及洞身段；主要為千枚巖，灰黑色，鱗片變晶結構，千枚狀構造，層厚0.1~3 mm，成分主要為含鋁、鎂等為主的含水硅酸鹽礦物、長石等，含炭質礦物，呈絲絹光澤。巖體破碎，節理較發育，褶皺發育，巖質軟，手捻易碎。表層風化嚴重。Ⅳ級軟石，強風化厚0.5～2 m，σ0=300 kPa；弱風化，σ0=400 kPa。基本圍巖分級Ⅴ級?，F場實際證明，在隧道開挖過程中，上覆土體經擾動后就會松動坍塌。

2 隧道進口段現場試驗設計

2.1 設計目的

杜家溝隧道進口為志留系薄層千枚巖層，巖體破碎，層面無粘結，產狀凌亂，巖層走向變化快，洞口仰坡坡度較陡，開挖稍有擾動就會快速松動坍塌。由于導向墻底部巖體穩定性差，開挖后導向墻底部巖體在自重壓力下坍塌，導致導向墻右側墻角懸空下沉，牽引作用下導致洞內沉降，洞頂松散土體變形，地表開裂，因此，需對進口段隧道圍巖進行加固處理，防止坍塌，通過分析加設人工挖孔樁后的治理效果，為今后相似工程實例提供設計依據。

2.2 隧道進口人工挖孔樁工程方案設計

為防止洞頂上方土體移動，抵抗上部松散土體壓力，根據地形情況，在洞口兩側邊坡設置2 m×3 m（橫×縱）加固方樁，樁長23 m。右側2 根，樁頂高程1 117 m，中心里程為DK226+0405，隧道中心線與左右兩側樁中心距為7.2 m，右側第二根樁與第一根樁中心間距4 m。左側1 根，樁頂高程1 114 m，樁中心里程為DK226+041.5。樁體為C30 鋼筋混凝土，護壁為30 cm厚C20 鋼筋混凝土，嵌固于洞頂兩側山坡上。布設位置如圖1 所示。

圖1 人工挖孔樁布設示意圖

人工挖孔樁施工順序：場地平整—測量放線—施工混凝土鎖口—挖孔樁土方—安裝護壁鋼筋—澆筑護壁砼（循環施工至設計標高）—終孔驗收—安放鋼筋籠—澆筑樁身砼。由于樁位于洞口仰坡上，坡面較陡，無法放置設備施工，且在坡面上無法施工挖樁鎖口，需在樁位處填土至樁頂位置，平臺外緣距樁外側不小于1.5 m，填土需逐層壓實。填土平臺位置如圖2 所示。

圖2 填土平臺示意圖

2.3 隧道進口段工程設計方案

初期支護采用噴錨支護形式，系統錨桿采用φ22砂漿錨桿，鋼架采用工字型鋼和H 型鋼鋼架，鋼筋網采用φ8 鋼筋制作，具體見表1。噴射混凝土采用濕式噴射作業。

表1 杜家溝隧道進口段隧道工程參數表

噴錨作業緊跟開挖工作面進行。在樁孔開挖之前要做好樁上口及槽上口邊的護理工作。放測出的樁孔位置，樁身外側加500 mm 為開挖輪廓，做好護樁，并加以保護鋼筋網在洞外事先焊接綁扎成片，運至洞內鋪設。固定在錨桿尾部。先進行初噴，厚度4～5 cm，型鋼鋼架安設完成后，再進行多次分層噴射至設計厚度，將噴層表面凹凸不平處噴射平整、圓順。隧道均采用復合式襯砌，根據圍巖形式，本隧道采用一般斷面襯砌、橢圓形斷面襯砌及圓形斷面襯砌。襯砌施工采用襯砌臺車施工，襯砌臺車按襯砌類型設計加工，二次襯砌一般在圍巖變形趨于基本穩定后施作，變形趨于穩定應符合以下要求：隧道周邊變形速率明顯下降并趨于緩和；水平收斂小于0.2 mm/d、拱頂下沉速率小于0.15 mm/d。

3 有限元計算結果分析

Plaxis2D 是一款有限元分析軟件，旨在對巖土工程和巖石力學中的變形和穩定性進行二維分析，通過建立隧道縱斷面與橫斷面模型，并分析加設人工挖孔樁前后總位移與有效應力變化，最終驗證設計人工挖孔樁的合理性。

數值模擬采用強度折減法計算總安全因數。千枚巖材料模型選取摩爾-庫倫屈服準則，排水類型選擇不排水。人工挖孔樁材料類型為彈性。有限元材料模型其余參數見表2。

表2 有限元材料模型參數表

3.1 橫斷面分析

橫斷面總位移對比如圖3 所示。

圖3 橫斷面總位移對比圖

由圖3 可知，當沒有設置人工挖孔樁時，由于上覆土壓力存在，襯砌右側變形最大，最大值約為1.3 m。而當設置人工挖孔樁后，圍巖總體變形明顯變小，尤其邊界周圍上的總位移減少的最為明顯。

橫斷面有效應力對比如圖4 所示。

圖4 橫斷面有效應力對比圖

有效應力，是指土壤在荷載作用下，通過粒間接觸面傳遞的平均法向應力，會引起土體的變形和決定土的抗剪強度。土體的有效應力越大，其抗剪強度也越大。

從圖4 有無人工挖孔樁時的總有效應力對比圖中可以發現，當沒有設置人工挖孔樁時，笛卡爾總有效應力最大值為0.57 N/m2，最小值為-1.07 N/m2，有效應力分布以隧道為中心，靠近隧道的有效應力最大。當增設人工挖孔樁時，笛卡爾總有效應力最大值為10.05 N/m2，最小值為-1 848 N/m2，有效應力絕對值與未加人工挖孔樁相比，增大了1 500 倍以上，有效應力分布更加分散。這說明人工挖孔樁使得土體內部的粒間應力增加，使土體不易受開挖擾動影響。

3.2 縱斷面分析

由圖5 可知，當沒有設置人工挖孔樁時，土體最上層變形最大，而當設置人工挖孔樁后，圍巖變形總體明顯減小。從圖6 有無人工挖孔樁時的總有效應力對比圖中可以發現，當沒有設置人工挖孔樁時，笛卡爾總有效應力最大值為1.807 N/m2，最小值為-0.616 5 N/m2，有效應力在坡腳與土體中部最大。當增設人工挖孔樁時，笛卡爾總有效應力最大值為7.865 N/m2，最小值為-1 675 N/m2。有效應力變化情況與橫向隧道相似。

圖5 縱斷面總位移對比圖

圖6 縱斷面有效應力對比圖

4 結論

本文立足于杜家溝隧道，通過平整場地、測量放線等一系列工藝流程，得到人工挖孔樁，通過有限元分析軟件Plaxis2D 對設計好的人工挖孔樁從橫斷面與縱斷面2 個角度進行數值模擬，得到以下結論：

（1）增設人工挖孔樁后，對橫斷面進行數值模擬分析，發現有效應力絕對值大幅增加，并且分布整體上更加均勻，同時土體位移變形總體大幅減小，說明人工挖孔樁使得土體內部的粒間應力增加，使土體不易受開挖擾動影響。

（2）增設人工挖孔樁后，對縱斷面進行數值模擬分析，發現有效應力與總位移變化情況和橫斷面有限元分析結果相似。從橫斷面與縱斷面變形總量大幅減少，粒間應力增加可以說明使用該方案布設的抗滑樁合理，可以為今后的相似工程提供依據。

（3）對于千枚巖等開挖稍有擾動就快速松動坍塌的地質條件，可以使用人工挖孔樁使淺埋隧道變形減小，并使巖土體整體性提高。