山區(qū)公路隧道充填型溶洞軟弱地基注漿鋼管樁加固施工技術(shù)

李建合，伍錦智

(廣西新發(fā)展交通集團有限公司，廣西 南寧 530029)

0 引言

廣西西北部山區(qū)高速公路大多修建于喀斯特地貌之上，橋隧比高達80%。由于山體巖溶的發(fā)育，隧道工程往往需要穿越溶洞、地下河等不良地質(zhì)，且由于地下河流域發(fā)育的影響，溶洞內(nèi)部充填著大量的砂土、黏土層、黑土層和黏土夾角礫碎石等溶洞充填物。

目前處治隧道底部巖溶軟弱地基的方法一般有橋梁跨越法和樹根樁加固地基法。其中，采用橋梁跨越法在施工過程中對隧底圍巖和隧底原狀土層的干擾較大，而且施工周期長，樁基需要入巖，對隧道基底地質(zhì)情況要求較苛刻，不適用于隧道初期支護承受較大圍巖荷載的情況，且施工成本較高。而對隧底填充物較厚的溶洞采用樹根樁加固地基法的施工工藝不夠成熟，在隧道施工具有較大的局限性，且對鉆孔設(shè)備和鉆孔工藝的要求較高，灌注混凝土的質(zhì)量較難保證，施工周期相對較長，施工成本較高，存在施工安全風險。在處治大型隧道巖溶軟弱地基或跨越溶洞時，既要考慮施工安全和施工質(zhì)量，又要考慮結(jié)構(gòu)在使用運營期間的永久性安全。

針對橋梁跨越法和樹根樁加固地基法的不足，采用注漿鋼管樁加固施工工法加固溶洞地質(zhì)軟弱地基，既可提高基底承載力，降低施工過程中對原有土體的干擾，又保證了隧道溶洞處治安全有效的開展，且不影響其他工作面的施工。其不僅加快了施工進度，同時在保障施工質(zhì)量、進度、效益等方面取得了一定的突破，避免二次病害的發(fā)生，取得了良好的社會效益和經(jīng)濟效益。

1 注漿鋼管樁加固施工技術(shù)特點

1.1 質(zhì)量保障

運用鋼套管跟進深孔鉆探技術(shù)，防止塌孔，可以有效地減少來自外部的施工用水對隧底原狀土層的影響，能更有效地加固溶洞地質(zhì)段隧底軟弱地基。

1.2 施工周期短

能有效地提高施工效率，有效提升巖溶處置施工進度。該工法不會影響其他工作面的正常施工，能達到快速、安全施工的目的。

1.3 適應(yīng)性強

施工過程中對隧道底部原土體干擾小，可操作性強。

2 技術(shù)原理

注漿鋼管樁處治巖溶區(qū)隧道充填型溶洞軟弱地基施工工藝，先采用大功率(120 kW)且具備深孔鉆探能力的履帶式半自動多功能鉆機對隧道底部進行超前鉆孔探測地質(zhì)情況，了解溶洞的發(fā)育范圍及填充物范圍，然后采用履帶式半自動多功能鉆機鉆孔、套管跟進、安放鋼花管，鋼管驗收合格后從下往上進行壓漿，漿液凝固前進行二次注漿，是一種加固改良基底的處治方法。該處治方法提高了隧底溶洞填充物的地基承載力，確保了隧底結(jié)構(gòu)施工質(zhì)量和施工安全。

在處理巖溶區(qū)隧道充填型溶洞軟弱地基時，采用注漿鋼管樁施工工藝，將鋼管樁深入地下基巖或深入到一定深度土體中，通過鋼管樁將上部隧道結(jié)構(gòu)荷載傳遞到隧底基巖和隧底土層中，從而保證隧道溶洞段隧底地基承載力滿足要求，實際地基承載力需要滿足設(shè)計要求。通過合理地布設(shè)鋼管樁的位置、長度、尺寸及角度，以保證隧道溶洞段整體結(jié)構(gòu)的受力合理性。見下頁圖1。

圖1 注漿鋼管注漿技術(shù)施工工藝流程圖

3 工程實例

廣西賀州至巴馬高速公路(都安至巴馬段)№1合同段弄莫隧道進口左洞ZK362+589～ZK362+637段(48 m)，原設(shè)計為Ⅴ級圍巖，采用S5-A進行支護，隧道埋深為28～31 m。在隧道掌子面上臺階實際開挖過程中，掌子面揭露為軟塑狀紅黏土充填型溶洞。于2018-12-18揭露溶洞，然后停工進行溶洞地質(zhì)勘探和定制處治方案等。針對弄莫隧道左洞充填型溶洞，采用C6XP多功能鉆機對溶洞發(fā)育范圍內(nèi)進行超前地質(zhì)探測。處治方案確定后，從2019-04-05開始進行溶洞地基處治施工，采用注漿鋼管樁加固施工工法處治溶洞軟弱地基，至2019-06-30對弄莫隧道進口左洞溶洞軟弱地基處治完畢，總共施工工期為86 d。

4 施工方法

4.1 地質(zhì)勘探、取土樣進行試驗檢測和分析

采用地質(zhì)雷達和多功能地質(zhì)鉆機進行現(xiàn)場鉆探，以確保探測成果精度。如溶洞構(gòu)造復(fù)雜，必要時應(yīng)委托設(shè)計院巖土地勘單位進行詳細補勘，以保證對溶洞的規(guī)模、形態(tài)等要素有準確、清晰的認識。具體加固深度應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場情況進行確定，一般先進行掌子面超期水平鉆孔探測，然后縱向每間隔4.0 m一個斷面，隧底布置三個探孔，左右邊墻各布置一個探孔。鉆孔探測布置圖詳見圖2。

4.2 確定注漿鋼管樁的鉆孔直徑、深度、鉆孔間距等

根據(jù)現(xiàn)場勘探結(jié)果、溶洞充填物取樣檢測結(jié)果、淺層平板靜載試驗結(jié)果等檢測資料，確定采用密集型樹根樁+鋼管樁結(jié)合，樁頂設(shè)置混凝土墊臺加固隧道基底。參考設(shè)計圖，結(jié)合現(xiàn)場施工情況進行工藝優(yōu)化和改進，確定采用注漿鋼管樁加固地基，鉆孔直徑為25 cm，孔內(nèi)安裝φ108 mm鋼花管，采用強度≥35 MPa的壓漿材料進行鋼管樁灌注。

圖2 鉆孔探測平面示意圖(m)

鋼管樁按平面布置圖進行布置，隧底兩側(cè)橫向間距為70 cm，中間橫向間距為100 cm，縱向間距為85 cm；隧底兩側(cè)鋼管樁長度≥20 m或入巖深度≥8 m。見圖3。

圖3 注漿鋼管樁布孔平面圖(cm)

4.3 現(xiàn)場測量放樣

在現(xiàn)場測量放樣的過程中，為確保鉆孔點定位準確，應(yīng)在放樣點打入φ4 cm、長度為50 cm的圓木進行準確定位。根據(jù)注漿鋼管樁布孔平面圖，隧道兩側(cè)樁位橫向間距為70 cm，中間樁位橫向間距為100 cm，樁位縱向最大間距為85 cm。現(xiàn)場樁位測量放樣需要嚴格按照設(shè)計參數(shù)進行，不可隨意改變鋼管樁之間的樁位和距離，以免降低地基承載力。對每一根鋼管樁進行編號，測量放樣后，在鉆機就位前，應(yīng)對放樣點進行復(fù)測，由現(xiàn)場技術(shù)員報監(jiān)理工程師檢驗復(fù)核后才能進行下一步工序，確保放樣點位置準確。

4.4 鉆機就位及鉆孔

對斜樁一般可選擇任意調(diào)整主軸角度的油壓巖心回轉(zhuǎn)鉆機。通常螺旋鉆桿葉片外徑為200 mm，螺距與葉片外徑比通常為0.70左右。鉆機就位必須按對中、整平、固定的程序進行，設(shè)備就位對中的允許偏差為2 cm，主動鉆桿垂直度偏差要<1%。鉆機就位后，應(yīng)按照施工設(shè)計的鉆孔傾角和方位，調(diào)整鉆機的方向和立軸的角度，要求樁位偏差應(yīng)≤20 mm，直樁的垂直偏差≤1%，斜樁的傾斜度按設(shè)計要求作相應(yīng)調(diào)整。

根據(jù)設(shè)計圖，注漿鋼管樁設(shè)置在隧道底部，中間的鋼管樁垂直往下，兩側(cè)的鋼管樁斜往兩側(cè)，有一定的角度。由于隧道底部溶洞充填物為黏土夾石，黏土含水率較高，為防止鉆孔過程塌孔或縮孔，在鉆孔全過程釆用鋼套管跟進，鉆孔采用干鉆，避免了外來施工用水對基底持力層造成破壞。套管直徑比鉆孔直徑稍微小一點，且在壓漿后鋼套管拔出，可重復(fù)利用。依據(jù)地質(zhì)勘測結(jié)果確定注漿鋼管樁鉆孔入基巖的深度以及樁長，若隧底兩側(cè)鋼管樁不能打入基巖，要求其長度應(yīng)≥28 m；若隧底中間鋼管樁不能打入基巖，要求其長度應(yīng)≥15 m。

4.5 清孔及驗孔

鉆孔深度達到設(shè)計要求或入巖深度>2.0 m后，鋼套管及時跟進，防止塌孔或縮孔，影響鉆孔的直徑。成孔后采用高壓風進行集中清孔，直至孔口無粉塵或砂礫吹出，可判定清孔完成，然后進行樁基鉆孔深度和清孔驗收。

4.6 安裝φ108 mm×8 mm鋼花管

鉆孔和清孔完成后，進行φ108 mm×8 mm鋼花管安裝。根據(jù)注漿鋼管樁設(shè)計圖，樁孔內(nèi)放置φ108 mm×8 mm鋼花管，一節(jié)鋼管4 m長，管壁四周交替鉆φ15 mm壓漿孔，間距為15 cm；管周焊接φ10 mm為加勁箍，一節(jié)鋼管焊接3～4個，確保φ108 mm鋼管在孔內(nèi)居中。φ108 mm鋼管兩端開牙，鋼管兩端采用外套筒連接。施工時分節(jié)吊放，確保每一節(jié)鋼管連接到位，每一節(jié)鋼管加勁箍焊接到位，確保鋼管居中。為了方便壓漿，在鋼管底端1 m范圍交錯加工3～5個φ4 cm左右的壓漿孔，在鋼管底端加工成圓錐狀，底部焊接三根φ16 mm鋼筋，長度為50 cm，以使管底與孔底有一定的空間，方便壓漿料從孔底往上冒。灌注壓漿料前，安裝鋼花管時在管外側(cè)預(yù)埋兩根φ2 cm的通長打孔鐵皮管，作為二次壓漿管。鋼管分批安裝完成后，進行下一步施工。

4.7 樁身深孔注漿

鋼花管安裝到位后，立即進行注漿。注漿采用水泥漿，注漿泵的最大工作壓力≥1.5 MPa。開始注漿時，從1 MPa的起始壓力將漿液經(jīng)注漿管中壓出，接著壓力調(diào)至0.1～0.3 MPa，使?jié){液逐漸上冒直至漿液泛出孔口即停止。

水泥漿液采用32.5R號普通硅酸鹽水泥，水灰比為0.45～0.5。配制漿液時注意攪拌罐中嚴禁有雜物及硬塊，最后進行打壓注漿。

第一次注漿后穩(wěn)定30 min左右再進行第二次注漿，第二次注漿應(yīng)邊注漿邊將注漿管向外拔。

鋼管樁灌注壓漿料采用從下往上注漿的工作原理，現(xiàn)場準備好壓漿機和攜帶式灌漿料高速攪拌機設(shè)備，備足壓漿材料，采用現(xiàn)場拌制漿液。壓漿時將注漿管從φ108 mm鋼管中間插入，深入到樁底，然后開始注漿，第一次注漿壓力控制在0.3～1.0 MPa，由孔底使?jié){液往上冒，漿液泛出孔口即停止注漿。壓漿過程中一邊攪拌和壓漿，一邊提升鋼套管，確保樁身充填密實，鋼套管提出后及時清洗干凈。當回填材料上冒至孔口位置時，且鋼管周邊漿液上冒均勻，可認為灌注密實，然后將注漿管拔出。由于漿液具有較好的流動性，漿液從樁底往上冒，保證了樁身的密實性。一根鋼管樁注漿完成后，進行下一根鋼管樁注漿。注漿完成后，需要暫停施工，并及時將注漿管清洗干凈。第一次注漿完成后，在φ108 mm鋼管與孔壁的間隔采用橡膠圈堵塞，然后再用含水玻璃的漿液二次封堵固結(jié)，固結(jié)深度≥30 cm，并采取焊接卡扣加固橡膠圈；φ108 mm鋼管管口采用橡膠塞堵塞，管口外焊接鋼筋卡住，為確保二次注漿能提高注漿壓力，使?jié){液能滲透到樁周土層中，可擴大注漿半徑，提升鋼管樁注漿質(zhì)量。

φ108 mm管口和樁頂孔口封堵示意圖如圖4所示。

圖4 一次注漿完成后對孔口和φ108 mm鋼管口封堵示意圖

管口封堵完成后，可進行二次注漿，二次注漿采用壓漿壓力為2～4 MPa。注漿完成后，如有漿液凝固回縮或回落時，注漿壓力下降較快，應(yīng)再次及時補充注漿；如注漿速度<5 L/min，持續(xù)時間5 min后注漿壓力下降較慢即可停止注漿。見表1。

表1 鋼管樁注漿參數(shù)表

5 結(jié)語

在處治山區(qū)公路隧道大型充填型溶洞軟弱地基時，注漿鋼管樁加固施工方法與橋梁跨越、樹根樁加固地基施工方法相比較，注漿鋼管樁加固有較大的優(yōu)勢。該方法加固溶洞地質(zhì)軟弱地基，能提高基底承載力，降低施工過程中對原有土體的干擾，既保證了隧道溶洞處治安全有效地開展，又不影響其他工作面的施工。其不僅加快了施工進度，同時在保障施工質(zhì)量、進度、效益等方面取得了一定的突破，避免二次病害的發(fā)生，取得了良好的社會效益和經(jīng)濟效益。