地表旋噴樁在隧道洞口淺埋段圍巖加固中的應(yīng)用

范小龍，王健宏，唐進(jìn)才

(中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，四川成都610031)

1 背景

近年來(lái)，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的迅猛發(fā)展，基礎(chǔ)建設(shè)的投入持續(xù)增加，作為交通基建領(lǐng)域的一項(xiàng)重要內(nèi)容，隧道工程也越來(lái)越多，大量的鐵路隧道、公路隧道不斷興建。

雖然在勘察設(shè)計(jì)中根據(jù)相關(guān)規(guī)范要求隧道應(yīng)盡量避開(kāi)不良地質(zhì)區(qū)，但因工程建設(shè)需要，隧道洞口淺埋段難免穿越粉土層、砂土層、碎石土層等工程地質(zhì)條件差、穩(wěn)定性差和承載能力差的地層，普遍存在施工難度大、風(fēng)險(xiǎn)大等問(wèn)題，施工稍有不慎就會(huì)釀成通天塌方，因此有必要研究對(duì)這些地段圍巖采取預(yù)加固的措施［1-2］。

對(duì)于隧道洞口淺埋土層段通常采用地表加固的方法進(jìn)行處理，其中地表旋噴樁因具有加固效果好、加固范圍大、施工方便快捷等優(yōu)點(diǎn)［3］，被廣泛應(yīng)用到實(shí)際工程中。諸如蘭渝鐵路南坪隧道和胡麻嶺隧道［4-5］、滬昆鐵路黃秧壩一號(hào)隧道［6］、九景衢鐵路黃竹頭隧道［7］等。 本文以西南山區(qū)某新建鐵路隧道的洞口淺埋段為例，研究了地表旋噴樁加固在淺埋暗挖隧道穿越土層時(shí)的應(yīng)用，為今后類(lèi)似的工程設(shè)計(jì)提供了一定的參考作用。

2 工程概況

隧道全長(zhǎng)6 218 m，單洞雙線，設(shè)計(jì)時(shí)速160 km/h。隧道共穿越18套地層、5條斷層，最大埋深約820 m。隧區(qū)屬橫斷山中高山地貌，地形起伏較大，地面高程1 560～2 400 m，自然坡度5～35°不等，局部較陡。地表植被不發(fā)育，多被墾為旱地，溝槽等低洼地帶覆土較厚。測(cè)區(qū)地震動(dòng)峰值加速度為0.20g，地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期為0.45s。

本隧出口淺埋段洞身穿越粉質(zhì)黏土、礫石土，粘聚力小、抗剪強(qiáng)度低，該段最大埋深約15 m。為確保施工安全，并通過(guò)工程類(lèi)比，設(shè)計(jì)中擬采用地表旋噴樁對(duì)隧道出口D2K322+551～+581段進(jìn)行加固。

3 地表旋噴樁的加固機(jī)理及設(shè)計(jì)方案

3.1 加固機(jī)理

地表旋噴樁加固是利用鉆機(jī)鉆孔，把帶有注漿管和漿液噴嘴的鉆頭下至設(shè)計(jì)加固深度，然后利用高壓裝置將高壓漿液噴射流與其外部環(huán)繞的壓縮空氣噴射流進(jìn)行同軸噴射，形成一股能量高度集中的液流，直接破壞土體，并對(duì)土體進(jìn)行擠密；噴射過(guò)程中鉆桿邊旋轉(zhuǎn)邊提升，使?jié){液與土體充分?jǐn)嚢杌旌?，在土體中形成一定直徑的柱狀固結(jié)體，提高地層的自穩(wěn)能力和抗剪能力，從而加固地層［8-9］。

3.2 設(shè)計(jì)方案

本隧出口淺埋段地表旋噴樁具體設(shè)計(jì)方案如下：

(1)旋噴樁直徑60 cm、間距按1 m布置。

(2)施工前應(yīng)平整場(chǎng)地，并施作廢漿池，避免旋噴樁施工污染周邊地表環(huán)境。

(3)施工前必須作試樁，并按有關(guān)規(guī)定進(jìn)行檢測(cè)，以確保施工質(zhì)量；在加固到一定區(qū)域后應(yīng)設(shè)置檢查孔，檢查加固效果。

(4)旋噴樁施工時(shí)先施作周邊，后施作中間，加固范圍為：

縱向長(zhǎng)度：D2K322+551～+581段30 m；橫向?qū)挾龋焊鶕?jù)實(shí)際地形及破裂角法控制，加固寬度為隧道中線左、右側(cè)各11 m；加固深度：從地表場(chǎng)坪以下2 m開(kāi)始旋噴加固，須加深至仰拱以下8 m。

(5)為使旋噴樁施工后能迅速且安全地發(fā)揮作用，在噴射漿液中加三乙醇胺早強(qiáng)劑，其摻量為水泥用量的0.1%。

設(shè)計(jì)的旋噴樁加固方案如圖1所示。

4 數(shù)值模擬

采用有限差分?jǐn)?shù)值分析軟件FLAC3D建立淺埋暗挖隧道計(jì)算模型，針對(duì)本隧出口淺埋段是否采用地表旋噴樁加固措施分別模擬了隧道的開(kāi)挖過(guò)程，以分析旋噴樁加固對(duì)隧道開(kāi)挖的影響。

4.1 計(jì)算模型

針對(duì)本隧出口D2K322+551～+581淺埋段，計(jì)算時(shí)選取典型斷面建立淺埋暗挖隧道模型，該斷面隧道埋深約6 m，模型尺寸為90 m×63 m(寬×高)。模型上邊界為自由面，左、右邊界約束水平方向位移，下邊界約束豎直方向位移。計(jì)算模型和網(wǎng)格劃分如圖2所示。

圖1 旋噴樁加固橫斷面示意(單位：cm)

圖2 模型和網(wǎng)格劃分

地層由粉質(zhì)黏土及粗圓礫土組成，均視為理想彈塑性模型，采用實(shí)體單元模擬，滿足Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則；隧道初期支護(hù)結(jié)構(gòu)厚27 cm，視為理想彈性材料，采用實(shí)體單元模擬。各材料物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 各材料計(jì)算參數(shù)

按照三臺(tái)階法模擬開(kāi)挖：自重場(chǎng)下計(jì)算平衡→開(kāi)挖上臺(tái)階，施作初期支護(hù)；圍巖應(yīng)力釋放30%→開(kāi)挖中臺(tái)階，施作初期支護(hù)；圍巖應(yīng)力釋放30%→開(kāi)挖下臺(tái)階，施作初期支護(hù)，計(jì)算達(dá)到平衡狀態(tài)。

4.2 計(jì)算結(jié)果及分析

4.2.1 豎向位移分析

(1)洞周?chē)鷰r無(wú)旋噴樁加固時(shí)，其計(jì)算結(jié)果豎向位移如圖3～圖5所示。

圖3 未加固時(shí)開(kāi)挖上臺(tái)階后豎向位移云

圖4 未加固時(shí)開(kāi)挖中臺(tái)階后豎向位移云

圖5 未加固時(shí)開(kāi)挖下臺(tái)階后豎向位移云

從圖3～圖5可知，上臺(tái)階開(kāi)挖后，拱頂出現(xiàn)較大沉降，最大豎向位移為8.58 cm；中臺(tái)階開(kāi)挖后，拱頂沉降明顯增大，最大豎向位移為14.35 cm；下臺(tái)階開(kāi)挖后，拱頂沉降進(jìn)一步增大，最大豎向位移達(dá)到16.88 cm。總的來(lái)說(shuō)，由于隧道埋深淺、地質(zhì)條件差，未采取加固措施時(shí)開(kāi)挖后隧道拱頂出現(xiàn)了很大沉降，其沉降量已超過(guò)設(shè)計(jì)要求預(yù)留變形量的限值，施工中容易出現(xiàn)坍塌、冒頂。

(2)當(dāng)采用地表旋噴樁對(duì)出口淺埋段洞周?chē)鷰r進(jìn)行加固時(shí)，其計(jì)算結(jié)果豎向位移如圖6～圖8所示。

圖6 旋噴樁加固時(shí)開(kāi)挖上臺(tái)階后豎向位移云

圖7 旋噴樁加固時(shí)開(kāi)挖中臺(tái)階后豎向位移云

從圖6～圖8可知，上中下臺(tái)階開(kāi)挖后，拱頂最大豎向位移分別為0.42 cm、0.95 cm、1.50 cm，相比未采用地表加固措施時(shí)，位移分別減少了8.16 cm、13.40 cm、15.38 cm；由此可見(jiàn)，采用地表旋噴樁加固后地層條件得到顯著改善，有效控制了隧道拱部沉降。

圖8 旋噴樁加固時(shí)開(kāi)挖下臺(tái)階后豎向位移云

4.2.2 水平位移分析

對(duì)于洞周?chē)鷰r的水平位移僅列出兩種工況下最后開(kāi)挖步的云圖，如圖9～圖10所示。

圖9 未加固時(shí)開(kāi)挖下臺(tái)階后水平位移云

圖10 旋噴樁加固時(shí)開(kāi)挖下臺(tái)階后水平位移云

從圖9可知，未采用地表加固措施時(shí)，開(kāi)挖后最大水平位移為4.58 cm，位于隧道兩側(cè)邊墻。從圖10可知，采用地表旋噴樁加固地層時(shí)，開(kāi)挖后最大水平位移為0.63 cm，也位于隧道兩側(cè)邊墻，但其值較未采取加固措施的工況減小了3.95 cm。由此可見(jiàn)，采用地表旋噴樁加固后改善了地層條件，從而控制了洞周?chē)鷰r水平方向的變形。

4.2.3 塑性區(qū)分析

對(duì)于地層塑性區(qū)分布也僅列出兩種工況下最后開(kāi)挖步的云圖，如圖11～圖12所示。

圖11 未加固時(shí)開(kāi)挖下臺(tái)階后地層塑性區(qū)分布

從圖11可知，在未采取加固措施時(shí)，開(kāi)挖后地層塑性區(qū)由隧道拱腰處發(fā)展至地表，該部分土體出現(xiàn)了破壞，同時(shí)邊墻處也出現(xiàn)了較大范圍的塑性區(qū)。從圖12可知，在采取地表旋噴樁加固時(shí)，開(kāi)挖后僅在隧道邊墻處出現(xiàn)了小范圍的塑性區(qū)，并且未延伸至地表，地層塑性區(qū)范圍大幅減小。

圖12 旋噴樁加固時(shí)開(kāi)挖下臺(tái)階后地層塑性區(qū)分布

4.3 分析結(jié)論

由上述數(shù)值分析結(jié)果可知，隧道出口淺埋段洞周?chē)鷰r若不采取加固措施，開(kāi)挖過(guò)程中將產(chǎn)生較大的變形，容易出現(xiàn)坍方、冒頂，施工安全風(fēng)險(xiǎn)高；在對(duì)洞周?chē)鷰r采用地表旋噴樁加固后，開(kāi)挖過(guò)程中的圍巖變形能得到有效控制，降低了施工安全風(fēng)險(xiǎn)。因此本隧出口淺埋段采用地表旋噴樁加固的設(shè)計(jì)方案是合理的。

5 地表旋噴樁加固的現(xiàn)場(chǎng)施工工藝及效果評(píng)價(jià)

5.1 現(xiàn)場(chǎng)施工工藝

本隧地表旋噴樁加固在現(xiàn)場(chǎng)的施工工藝流程見(jiàn)圖13。

圖13 旋噴樁加固施工工藝流程

(1)放線定位：根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙和坐標(biāo)網(wǎng)點(diǎn)測(cè)量放出施工軸線。在施工軸線上確定孔位，按基準(zhǔn)點(diǎn)測(cè)量各孔口地面高程。

(2)鉆機(jī)就位：鉆機(jī)應(yīng)垂直于地面且擺放平穩(wěn)，放線樁位與設(shè)計(jì)樁位的偏差不得大于50 mm。

(3)鉆孔：利用高壓旋噴鉆機(jī)鉆至設(shè)計(jì)孔底標(biāo)高，鉆孔每鉆進(jìn)5 m用水平尺測(cè)量機(jī)體水平、立軸垂直，成孔的垂直度偏差不得大于0.5%。

(4)制備漿液：漿液采用水灰比為1∶1～1∶1.5的水泥漿。水泥要過(guò)篩，且為了防止水泥漿離析，應(yīng)在灰漿機(jī)中不停攪動(dòng)。禁止一邊配漿一邊抽漿，否則難以控制漿液水灰比。

(5)旋噴注漿：注漿壓力應(yīng)不小于20 MPa，提管速度0.1～0.2 m/min、旋轉(zhuǎn)速度15 r/min，以使土體得到充分切割攪拌(圖14)。

圖14 地表旋噴樁噴射注漿中

(6)沖洗注漿管路：噴射施工完畢后，把注漿管等機(jī)具設(shè)備沖洗干凈，管內(nèi)機(jī)內(nèi)不得殘存水泥漿液。

5.2 加固效果評(píng)價(jià)

地表旋噴樁注漿壓力大，不僅可以改善地層本身，高壓的水泥漿液也可以充分進(jìn)入地層裂隙，使土體更加密實(shí)，從而大大提升地層的綜合指標(biāo)。最終，通過(guò)采用地表旋噴樁加固，本隧順利通過(guò)出口淺埋土層段，實(shí)現(xiàn)了洞內(nèi)安全施工、滿足了工期要求，達(dá)到了預(yù)期目的。本隧地層加固后的效果如圖15所示。

6 結(jié)束語(yǔ)

以粉質(zhì)黏土、礫石土為主的地層往往具有粘聚力小、抗剪強(qiáng)度低的特點(diǎn)，在此類(lèi)地層中修建隧道時(shí)，增強(qiáng)圍巖自穩(wěn)能力和抗剪能力以確保施工安全是設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。通過(guò)數(shù)值模擬并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)施工實(shí)踐可知，采用地表旋噴樁加固可以有效控制這類(lèi)隧道開(kāi)挖時(shí)的圍巖變形，從而安全通過(guò)淺埋土層段，并且能最大限度的減小對(duì)隧道工期的影響。

地表旋噴樁加固技術(shù)在本工程中的成功應(yīng)用，可為以后其他穿越類(lèi)似地層的隧道工程提供參考和借鑒。