隧道巖溶地基高壓旋噴樁處治效果模擬分析

作者簡介：

梁 佳（1983—），工程師，主要從事高速公路建設管理方面的工作。

摘要：為研究高速公路隧道巖溶地基高壓旋噴樁處治效果，文章根據隧道巖溶路段工程地質與水文地質情況，制定高壓旋噴樁處治方案并確定施工參數，同時采用ANSYS軟件對處治前后隧道巖溶地基的應力和變形進行模擬分析。結果表明：處治后該路段地基土應力、應變和位移均得到了有效控制，地基土抗變形性能和承載能力得到了明顯提升，達到了預期處治效果。

關鍵詞：隧道；巖溶地基；高壓旋噴樁；處治效果

中圖分類號：U457+.2 A 42 133 3

0 引言

隧道巖溶路段穩定性差，開挖后隧道圍巖自穩能力差，常常引起隧道結構出現較大變形，造成圍巖局部坍塌、掉塊，甚至出現失穩現象。而巖溶路段涌水不僅會影響隧道結構的穩定性，還會危害施工人員和設備的安全，如處治不當在隧道運營期間還會出現掉拱、滲漏水等病害，影響隧道安全運營［1］。因此，隧道巖溶路段處治效果不僅會影響施工過程中的施工質量和安全，還會影響隧道的正常運營［2］。本文以某高速公路隧道巖溶路段處治工程為研究背景，根據施工現場工程地質與水文地質情況，擬采用高壓旋噴樁對該路段充填型巖溶地基進行處治，并在處治后采用ANSYS軟件對該巖溶路段處治前后的應力、應變、位移進行模擬分析，以確定巖溶路段處治效果。

1 工程概況

某高速公路隧道設計全長為2.652 km，主洞凈寬為10.75 m，凈高為5 m，其中緊急停車帶段凈寬為3.75 m；車行橫洞凈寬為4.5 m，凈高為5 m；人行橫洞凈寬為2.0 m，凈高為2.5 m，行車道寬度為3.75 m。該隧道內部分布有多處巖溶路段，其中有大型溶洞路段8處，充填型巖溶路段4處，隱伏溶洞多處。該隧道穿越路段為溶蝕低山峽谷地貌，地表起伏大，最大相對高差達到385 m。隧道進出口均有基巖出露和少量危石。隧道圍巖主要為灰巖、白云質灰巖，節理發育，質地堅硬，完整性較好。地表水主要為大氣降水，地下水包括裂隙水和巖溶水，巖溶地下水發育。巖溶路段填充物主要為軟塑-硬塑狀土體或泥石混合體，總影響長度約為300 m。該隧道巖溶路段以充填型溶洞為主，施工難度大，且隧底穩定性較差，承載能力不足，擬對該路段隧底采用高壓旋噴樁進行加固處理。為控制圍巖變形、保證隧道施工安全，在開挖前采用超前小導管、超前鉆孔預注漿進行加固處理。

2 巖溶地基高壓旋噴樁處治方案

本文以K36+526～K36+585段充填性巖溶地基處治為例。該路段填充物主要為軟塑狀黏土和塊碎石土夾碎石土，隧底地基承載力不足，擬采用高壓旋噴樁進行加固處治，兩側邊墻外側基底采用75 mm斜向鋼花管樁注漿加固。現場加固布置如圖1所示。K36+526～K36+585段充填性巖溶地基處治深度根據填充物厚度確定，該路段隧底填充物厚度為5～26 m。高壓旋噴樁設計樁徑＞450 mm，樁孔為70 mm，樁間距為100 cm，相鄰兩排間距為100 cm，0～3 m注漿壓力為27 MPa，3 m以下為25 MPa。兩側邊墻鋼花管樁采用75 mm鋼花管，布置間距為100 cm，與高壓旋噴樁交錯布置，排間距為6.5 m，注漿壓力為2～3 MPa。施工設備選用GQ-76型振動鉆機、GXP-20低架旋噴鉆機、DS150-50型高壓泥漿泵、空氣壓縮機、高壓水泵和泥漿攪拌機等設備。高壓旋噴樁注漿材料選用P.O325型普通硅酸鹽水泥，速凝早強劑選用CaCl2，摻量為3%，水灰比按1∶1～1.5∶1控制［3］。

3 隧道巖溶地基高壓旋噴樁處治效果模擬分析

3.1 建立計算模型與三維有限元網格

為了分析隧道巖溶段地基高壓旋噴樁處治效果，采用ANSYS軟件建立模型，進行有限元模擬分析。K36+526～K36+585段隧底巖溶地基處治計算范圍以隧道軸線為中心，左右兩側邊界面形狀相同，計算范圍為108 m×110 m×459 m。K36+526～K36+585巖溶路段填充物厚度為5～26 m，最低底部標高為528.54 m。隧道計算模型與網格劃分如圖2所示，隧道巖溶路段計算模型與網格劃分如圖3所示。

K36+526～K36+585段隧道網格采用六面體八節點塊體單元，共計劃分為18 368個單元，21 568個節點。由于高壓旋噴樁樁徑＞450 mm，而樁間距僅有100 cm，因此將樁體和樁間土看作復合土體，將處治后的隧底區域看作均質的復合層，以簡化計算過程［4］。隧道巖溶路段地基土設定為SOLID 45單元，隧道襯砌結構設定為SOLID 185單元。

3.2 巖溶路段處治前后位移分布模擬分析

為了確定處治前后隧底地基土體中各點的位移分布情況，按照上述參數，利用有限元軟件進行模擬分析［5］。結果顯示，在該段充填型巖溶地基中，處治前后x向位移和y向位移曲線分別如圖4和圖5所示。

分析圖4曲線變化趨勢可知，巖溶路段處治前不同深度x向位移變化較大，其中深度0～16 m范圍內為-x方向位移，深度16 m以上為+x方向位移。而在處治后曲線近似于一條直線，也呈現淺部為-x方向位移，深部為+x方向位移。處治前土體x向位移遠高于處治后，且不同深度位移也有較大區別，而處治后不同深度位移相差較小，說明處治后地基土抗變形性能得到了有效提升。

分析圖5曲線變化趨勢可知，巖溶路段處治前沿長度方向y向位移變化較大，且均為-y方向的位移，各長度方向處治前y向位移均高于處治后；處治后沿長度方向y向位移曲線近似于一條直線，說明高壓旋噴樁處治后有效提高了該路段巖溶地基抗變形性能。這是由于水泥旋噴樁中摻入了水泥，水泥水化后使樁體剛度不斷提高，提高了復合地基的抗變形性能，從而降低了豎向變形。由于高壓旋噴樁處治后地基土變形模量有所提高，因此處治后復合土體中各點在x向和y向的位移近似于一條曲線。

3.3 巖溶路段處治前后豎向應力分布模擬分析

為了確定處治前后隧底地基土體中各點的應力分布情況，同樣按照上述參數，利用有限元軟件進行模擬分析。結果顯示，在該段充填型巖溶地基中，處治前后不同深度豎向應力的變化曲線分別如圖6和圖7所示。

分析圖6和圖7所示的曲線變化趨勢可知，處治前和處治后隨深度增加，豎向應力均不斷下降。地基高壓旋噴樁處治前，在K36+535處豎向下降幅度最小，達到20 m底部應力約為頂部應力的60%左右，而在K36+575處豎向下降幅度最大，達到20 m底部應力僅為頂部應力的15%左右。地基高壓旋噴樁處治后，地基土豎向應力向樁體周圍集中，主要集中在淺部，且淺部應力較大，隨深度增加不斷下降。與處治前相比，地基土應力區域范圍有一定幅度下降，處治后地基土的附加應力也大幅下降。在K36+535處和K36+575處平均豎向應力僅為處治前的0.002倍。因此，處治后該段充填型巖溶地基土豎向應力大幅下降，可有效控制地基沉降變形。

3.4 巖溶路段處治前后應變分布模擬分析

為了確定處治前后隧底地基土體中各點的應變分布情況，同樣按照上述參數，利用有限元軟件進行模擬分析。結果顯示，在該段充填型巖溶地基中，處治前后不同深度豎向應變變化曲線分別如圖8和圖9所示。

分析圖8和圖9所示的曲線變化趨勢可知，處治前豎向應變主要為壓應變，且隨著深度的增加應變不斷下降，最大應變出現在深度8 m位置。處治后豎向應變主要為拉應變，也呈現隨深度增加應變不斷下降的趨勢。與處治前相比，應變值下降明顯，其應變值僅為處治前的10-4倍。說明高壓旋噴樁處治后，地基土豎向應變得到了有效控制，地基承載力得到了明顯提升［6］。

4 結語

本文以某高速公路隧道K36+526～K36+585段隧底充填型溶洞高壓旋噴樁處治為研究背景，根據施工現場實際情況制定處治方案、確定施工參數，利用軟件建立有限元模型，進行三維彈塑性有限元模擬計算，對處治前后巖溶路段位移、應力和應變進行模擬計算，分析計算結果得出以下結論：

（1）通過對比分析，得出巖溶路段處治后x向位移和y向位移均遠低于處治前，說明采用高壓旋噴樁處治后有效提高了地基土抗變形性能，降低了土體中各點的位移。

（2）處治前后地基土豎向應力均隨深度增加不斷下降，且處治后地基土豎向應力較處治前有大幅下降，應力主要集中在淺部，應力區域范圍有一定下降，能有效降低地基沉降變形。

（3）處治前后豎向應變均呈現隨深度增加而下降的趨勢，處治前地基土豎向應變為壓應變，處治后為拉應變，且應變值遠低于處治前，說明采用高壓旋噴樁處治后有效控制了地基土豎向應變，地基承載力得到了明顯提升。

參考文獻

［1］陳 壯，徐 華.淺埋隧道段地表高壓旋噴樁抗滲效果評價研究［J］.路基工程，2021（5）：203-207.

［2］馮 波.地表高壓旋噴樁加固技術在新屋隧道淺埋段的應用研究［J］.公路交通技術，2021，37（4）：113-118.

［3］張祥龍，黃傳青，張 偉.高壓旋噴樁加固地基在南京越江隧道風井工程中的應用［J］.工程建設，2018，50（12）：41-45.

［4］崔建文.高壓旋噴樁加固甘肅某隧道洞口水毀處的工程研究［J］.交通世界，2016（15）：46-48.

［5］黃澤鵬.漢溪大道隧道工程高壓旋噴樁止水帷幕施工技術分析［J］.黑龍江交通科技，2012，35（9）：67.

［6］任 鵬.三管高壓旋噴樁在隧道加固中的應用［J］.山西建筑，2012，38（22）：201-202.

收稿日期：2022-10-09