高速鐵路隧道工程洞口區域地基加固技術研究

賈曉龍

（北京鐵城建設監理有限責任公司，北京 100855）

0 引言

洞口是整個隧道工程的入口，是隧道工程中最易受到地質災害和環境影響的區域，如出現地面沉降、巖體裂隙、土層不穩定等問題，都會對隧道的穩定性造成不良影響，因此對隧道洞口區域地基進行加固處理，是隧道工程中至關重要的一項工作，具有提高隧道口的承載能力和穩定性的作用。因此，本文對高速鐵路隧道工程洞口區域地基加固技術進行研究，為高速鐵路工程實踐提供更加可靠的技術支持。

1 工程概況

案例工程為高速鐵路隧道工程洞口區域的地基加固工程。該隧道位于一條山區線路上，隧道設計類型為雙線隧道，隧道總長約10.9km，設計列車通過速度為360km/h。該隧道為拱形洞口，高度為22.5m，寬度為29m。隧道洞口區域地表覆蓋Q4al+1 粉質黏土，厚度約4.5～6.5m，層理不明顯，顏色呈現黃褐色，韌性中等，含石英、砂礫、姜石等，粉質黏土以下為花崗片麻巖，質地較為堅硬[1]。此次工程洞口區域的地基加固面積為2000m2左右，洞口區域地表下2.5m 處為地下水位，地表土體遇水后十分軟弱，該區域土體的塑限、液限和塑性指數分別為24.8%、38.8%和14.0%。

加固施工之前，該隧道洞口區域地基存兩大問題：其一，由于該隧道建設地區地質條件復雜，如巖石、土層、地下水位等變化，導致地基穩定性降低、隧道洞口的結構變形；其二，隧道洞口區域地下水位較高，如果不進行地基加固，可能會引發洞口周邊土體流失或坍塌，進而導致洞口塌陷。

2 隧道工程洞口區域地基加固施工工藝流程

高速鐵路隧道工程洞口區域地基加固施工工藝流程包括以下6個步驟，具體如圖1所示。

圖1 地基加固施工工藝流程

（1）地質勘察：需對洞口區域的地質情況進行勘察，確定土層結構和性質、巖體裂隙等信息，并根據地質勘察的結果，設計最適合的地基加固方案。

（2）地面準備：清理洞口區域的雜物和泥沙等不良物質，確保施工場地平整。

（3）灌注樁鉆孔施工：根據設計方案，進行灌注樁鉆孔施工，為注漿施工奠定基礎。

（4）高壓旋噴注漿：在灌注樁鉆孔施工完成后進行注漿，注漿可以加固土層，增加土層的強度和穩定性。

（5）樁頭鋸齒處理：對于鉆孔灌注樁，需對樁頭進行鋸齒處理，增加樁體與土體的摩擦力，提高加固效果。

（6）加固養護：定期進行檢查維護，確保隧道口區域地基加固的穩定性。

需要注意，洞口區域地基加固的具體實施步驟，需根據不同的地質情況或工程要求進行選擇和調整，以確保加固效果和施工安全[2]。

3 隧道工程洞口區域地基加固技術要點

3.1 鉆孔施工

鉆孔是隧道口區域地基加固施工中非常重要的一個環節，通過提供適合的孔徑和深度，為高壓旋噴注漿的加固施工提供基礎。該工程施工面積在2000m2左右，實際施工過程工作量較大，因此采用全輪驅動底盤、較為輕便和易挪動的高氣壓環型潛孔鉆機，型號為T-150,鉆頭直徑254mm，最大鉆孔深度50m，間距為1.5m×1.5m梅花型布置，具體施工布置圖如圖2所示。

圖2 施工布置圖

進行鉆孔施工時，首先應結合實際巖層的孔隙大小和分布密度及漿液粘聚力，進行漿液擴散半徑計算，計算公式如式（1）所示：

式中：r——漿液的擴散半徑，m；

z——常數，取值范圍為0.6～0.8；

ds——漿液的擴散系數，m2/s；

t——時間，s。

進行漿液擴散半徑計算的主要目的是為了確定注漿鉆孔時漿液的擴散范圍，從而合理控制注漿的位置和孔位數量[3]。為防止鉆孔施工時出現方向偏差，應進行鉆孔精度計算，計算公式如式（2）所示：

式中：Z——鉆孔位置精度；

Xi、Yi和Zi——分別為鉆孔位置的坐標軸的X、Y和Z方向偏差系數。

鉆孔施工過程還需確定鉆孔的直徑，以保證鉆孔施工的質量和進度，鉆孔直徑的計算公式如式（3）所示：

式中：D——鉆孔直徑，m；

R——鉆孔半徑，m；

Q——鉆進排土量，m3；

U——土壤的單位體積重量，kg/m3；

N——鉆頭每分鐘轉速，r/min。

此外，在進行鉆孔施工時，需及時排出巖土屑石，保持鉆孔機的清潔，確保地基加固的施工進程。通過鉆孔施工可以有效去除軟土、泥巖和松散地層等不穩定的土層，提高地基的承載力和穩定性，為下一步的注漿施工奠定基礎。

3.2 旋噴注漿量確定及注漿漿液配制

高壓旋噴注漿技術是隧道工程洞口區域地基加固施工中最常用的一種技術，利用高壓注漿機將水泥漿料、砂漿和其他添加劑注入地下，形成一定直徑和長度的注漿樁，改善土壤和巖石的力學性質，增加地基的承載力和抗沉降能力。在使用高壓旋噴注漿技術進行地基加固施工時，對注漿量的控制尤為重要。首先，設注漿壓力為P，計算公式如式（4）所示：

式中：hj——注漿點以上土的厚度，m；

fj——地層性質系數，取值范圍為0.9～2.5；

yj——注漿點上覆土層重度，kN/m3；

ρ——與土層性質有關的系數，取值范圍為0.6～1.6；

h——注漿段高度，m；

mi——樁底樁側注漿每加深1m 容許增加壓力值，kPa/m。

應根據注漿壓力將旋噴注漿量控制在一定范圍內，注漿壓力越高，所需的注漿量和漿液濃度就越大，隧道地基的加固效果就越好，具體關系曲線如圖3所示。

圖3 注漿壓力與注漿量之間的關系曲線圖

在基于一定的壓力控制后，采用體積法計算出旋噴注漿量，計算公式如式（5）所示：

式中：Q——注漿漿量，m；

De——旋噴體直徑，m；

a——損失系數，取值范圍為0.15～0.25；

h——旋噴長度，m；

k——填充率，取值范圍為0.65～0.85；

β——折減系數，取值范圍為0.7～1.2。

在注漿過程中，需要確保漿液能夠均勻覆蓋孔壁，并且充分填充空隙，保證注漿樁的密實性。進行注漿漿液的配制時，應盡量去除灰塵、油脂、污漬等雜質，保證配制容器的干燥、平整與清潔；其次，注漿漿液采用標號P·O32.5的國標硅酸鹽水泥，流動性好，有利于漿液向縫隙擴散，注漿漿液的配比見表1。

表1 注漿漿液配比

需要注意，注漿漿液須在2h內使用，且必須一次性使用完畢，否則時間過長會導致漿液凝固而無法使用。注漿漿液的使用溫度應在5～30℃之間，當溫度過低時，漿液的初凝時間會延長，使得漿液的成型時間變長，對施工進度產生影響；而在高溫環境下，漿液的流動性和黏度會發生變化，可能會導致加固效果不好。可利用賓漢漿體流動方程測試配置漿液的流變性，設τ為拉剪強度，計算公式如式（6）所示：

式中：τ1——沖擊韌性，Pa；

η——塑性粘度，Pa/s；

注漿施工后需等待2～3d 時間，進行注漿材料的固化，在此過程中，注漿材料中的水分逐漸蒸發，同時材料中的化學物質逐漸反應生成更為穩定的化合物，從而使加固材料變得更加堅固和耐用[4]。此外，為保證漿液的加固效果，可在注漿施工前進行小范圍試驗，并根據試驗結果對施工情況進行及時調整。

3.3 樁頭鋸齒處理

樁頭鋸齒處理的目的是提高注漿樁的灌漿質量和灌漿密實度，提升注漿樁體的承載能力和抗傾倒能力，進一步增強樁體的整體力學性能，但須遵從具體的處理步驟。

（1）對樁身進行準備工作，包括清理樁身表面的泥土和雜物，對樁身進行檢查，確認樁身沒有明顯的損傷。

（2）使用鑿子或電鋸在樁頭處進行鋸齒處理，使樁身表面產生一定的粗糙度，增加其表面的摩擦系數，摩擦系數計算公式如式（7）所示。

式中：μ——摩擦系數；

τ——樁身表面與土壤間的剪應力；

σ——垂直于樁身表面的有效應力。

（3）當樁身表面產生一定的粗糙度后，噴涂聚合物乳液附著劑提高樁頭與土壤之間的黏附力，當樁頭與土壤之間的黏附力越大，樁在承受荷載或外力作用時的變形就越小，加固效果與穩定性就越好。樁頭與土壤之間的粘附力計算公式如式（8）所示：

式中：F——樁頭與土壤之間的粘附力，N；

QS——土壤與樁身表面的黏著力，Pa；

AS——樁身表面與土壤接觸的面積，m2。

通過樁頭鋸齒處理，可以使樁身與土體形成更多的摩擦力，提高樁體的抗剪強度和抗拔能力，增加整個地基的穩定性和承載能力[5]。在地基加固工程中，樁頭鋸齒處理是較為重要的環節，能夠有效地提高地基加固效果，保證隧道工程的安全性。

3.4 加固養護

（1）定期巡視：維護人員定期巡視隧道口區域地基加固情況，及時發現和處理可能存在的問題，如果該地區有較強的地震活動或者洪水等災害，應增加巡視頻率。

（2）清潔維護：須及時清理積水、雜草等，保持地基加固區域的清潔，防止對地基加固材料的腐蝕和損壞。

（3）檢查維修：定期對加固區域進行檢查和維修，查看加固材料是否出現老化、開裂、松動等問題。

（4）防止外力破壞：維護人員可在隧道洞口區域周圍設置路障或護欄，防止車輛和行人損壞地基加固材料。

（5）做好記錄：對隧道口區域地基加固的維護進行詳細記錄，包括巡視時間、維護情況、維護人員等，便于日后進行追溯和管理。

后期的地基加固養護工作是非常重要的，對確保鐵路運行安全、延長地基使用壽命、降低維護成本和提高鐵路運行效率具有重要意義。

經過以上環節的加固施工，該隧道洞口區域的地基穩定性及承載力得到顯著改善。加固之前，洞口區域的地面沉降量為13mm，隧道洞口區域的極限承載力為200kN/m2；加固后，地面沉降量變為5mm，隧道洞口區域的極限承載力達到400kN/m2。

4 結束語

本文以某高速鐵路隧道工程洞口區域地基加固工程為例，詳細介紹地基加固工程的工藝流程，從鉆孔、旋噴注漿量確定、樁頭鋸齒處理以及后期加固養護等環節，探究了地基加固技術在實際隧道工程洞口區域加固工程中的應用，對現場沉降量及承載力的測量結果表明，以上技術的應用，提高了隧道洞口區域地基的穩定性和承載能力。后續還需對隧道工程洞口區域地基加固技術作進一步研究，應以精準、環保、可持續發展、預防性和規范化為目標，逐步提高隧道工程的安全性、可靠性和可持續性。