微型鋼管樁在隧道臨時掌子面加固中的應用

呂濤，董增春，高文立

（1.浙江數(shù)智交院科技股份有限公司，浙江 杭州 310000；2.杭州市交通規(guī)劃設計研究院，浙江 杭州 310006）

0 引言

微型鋼管樁由于截面較小、截面型心矩較小，單根鋼管樁的抗彎能力較弱。其抗滑原理與普通樁鋼筋混凝土抗滑樁有所不同[1]。普通鋼筋混凝土抗滑樁剛度大，其變形主要由樁后土體產(chǎn)生壓裂破壞引起；微型群樁抗彎剛度小，荷載作用下樁身發(fā)生撓曲變形且使樁間土體的塑性區(qū)發(fā)生交叉重疊，從而在滑面附近以及樁頂均產(chǎn)生較大變形。其抗滑效果不是由樁的整體抗滑能力來實現(xiàn)的，而是通過發(fā)揮微型樁的抗拉強度和樁土地基承載力的優(yōu)勢來抵抗滑坡推力的。

實際施工中，微型鋼管樁往往配合土層注漿加固和噴錨支護使用，通過土層注漿提高被支護土層自身的巖土性質(zhì)，噴錨支護后被支護土體臨空面形成整體，將土壓力傳遞給鋼管樁，鋼管樁通過下端的嵌巖作用和上端錨桿的吊拉作用形成支護力[2-3]。單排鋼管樁抗彎剛度不足時，可通過增加鋼管樁排數(shù)調(diào)節(jié)支護體的剛度，也可通過鋼管內(nèi)灌水泥漿形成鋼管混凝土、增加樁身錨桿數(shù)量來增加支護體剛度。邊坡加固后，可減小土體的位移變形速率，防止被支護土體有過大的松動而產(chǎn)生連鎖反應，導致更大范圍邊坡的整體失穩(wěn)。

1 微型鋼管樁的優(yōu)點

相較于大截面抗滑樁、擋土墻、錨噴支護等常規(guī)措施，微型鋼管樁有如下優(yōu)點：

（1）微型鋼管樁支護效果好，可結(jié)合其他支護方式使用，抗橫向力好[4]。微型鋼管樁結(jié)合土體注漿和噴錨支護，與被支護邊坡較好地形成整體，充分發(fā)揮土體本身的抗力，通過鋼管樁下端的嵌巖和上端錨桿的吊拉作用，能較好地抵抗橫向土壓力，且鋼材受拉受剪性能好，賦予支護體一定的柔性，在安全范圍內(nèi)允許坡面有一定的位移變形，彌補了鋼筋混凝土抗滑樁受拉開裂的不足，對變形要求不大的臨時支護場合尤為適用。

（2）微型鋼管樁施工工藝較簡單，布置靈活，適用范圍廣，施工面小，不需要大型機械設備，只需要鉆機加注漿即可完成，對邊坡的擾動小，施工效率高，在邊坡滑塌等搶險救急場合優(yōu)點顯著。

（3）微型鋼管樁剛度易調(diào)節(jié)，可根據(jù)現(xiàn)場實際需要調(diào)整鋼管直徑、在鋼管內(nèi)部壓注混凝土形成鋼管混凝土柱等方式提升鋼管樁的剛度[5]。必要時可設置多排鋼管形成微型樁群，進而調(diào)整支護的整體抗彎性能。

（4）微型鋼管樁樁長易調(diào)節(jié)。微型鋼管樁的施工一般先由鉆機進行鉆孔，樁長可根據(jù)樁的嵌固深度和實際鉆孔情況進行動態(tài)調(diào)整，鋼管本身焊接和切割容易，無需事先預制。當臨時支護與施工主體在空間位置發(fā)生沖突，如隧道明暗洞交界處護拱位置范圍內(nèi)有微型鋼管樁支護時，可對樁體進行切割處理[6-7]。

（5）施工效率高，造價低。微型鋼管樁采用鉆機鉆孔，施工效率相對較高，工期短，相較于大直徑的抗滑樁，造價也相對較低。

2 工程概況

西甄山隧道是義東高速東陽段上一座特長隧道，隧道進洞口為土質(zhì)地層。設計暗洞施工方案為留核心土開挖，明洞臨時防護為20cm 厚C25 噴混凝土+雙層E6 鋼筋焊接網(wǎng) （15×15cm）、?22 砂漿錨桿 （長3.5m，間距@1.2×1.2m）梅花形布置。明暗洞交界面垂直開挖施作護拱時，掌子面土石交界處的強風化巖石產(chǎn)生松弛并局部滑塌，造成已完成的支護體破損約10m2，護拱頂仰坡平臺內(nèi)側(cè)噴射混凝土表面出現(xiàn)兩處裂縫，裂縫長分別為4.5m、3.3m，縫寬約2mm。

此次仰坡滑塌的主要原因是不同地質(zhì)結(jié)構(gòu)交匯處巖石風化程度高，自穩(wěn)能力差，加上護拱掌子面坡度陡，導致巖體失穩(wěn)產(chǎn)生局部塌落。為保障施工的安全進行，防止掌子面出現(xiàn)更大范圍的松動引發(fā)連鎖反應而造成大面積仰坡失穩(wěn)，采取了以下處理方案：

在明暗洞交界處包含局部坍塌的10m范圍內(nèi)，豎向打設一排長8m、間距0.5m 的?108×6mm 注漿鋼管，嵌巖深度不小于2m，鋼管尾部采用?22 鋼筋焊接連成整體（鋼筋排距1m），每根鋼管兩側(cè)垂直掌子面各打設一根長5m 的?42×4mm 注漿小導管，同時在掌子面自上而下打設四排長5m 的小導管、小導管縱橫間距1×0.5m，梅花形布置，尾部采用?22-U 型鋼筋與?108 鋼管抱焊，排架鋼管與巖面間采用雙層E6 鋼筋焊接網(wǎng)（15cm×15cm）和C25 噴混凝土支護，滑塌范圍用C25噴混凝土填充密實。鋼管樁加固前及加固后情況分別如圖1、圖2所示。

圖1 鋼管樁加固前（滑塌區(qū)用C25混凝土回填）

圖2 鋼管樁加固后

3 邊坡監(jiān)測

為監(jiān)測隧道暗洞護拱基礎開挖引起的掌子面變形，本項目在左洞掌子面上部地表設置了5 個沉降監(jiān)測點，監(jiān)測點布置及監(jiān)測數(shù)據(jù)如圖3所示。

圖3 明暗洞交界處掌子面測點布置圖

如圖4所示，從現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)可知，在采用微型鋼管樁結(jié)合錨噴加固前，掌子面頂部累計下沉量不斷增加，下沉速率最高達0.8mm/d，7d 內(nèi)累計沉降量達5.8mm，坡頂?shù)孛骈_裂，掌子面有大面積滑塌失穩(wěn)趨勢。加固后，下沉速率明顯減緩，最終趨于穩(wěn)定，加固后至穩(wěn)定的累計沉降值僅2.4mm?？梢娂庸绦Ч@著，加固方案安全可行。

圖4 3#測點沉降量

4 數(shù)值分析

為更好地研究微型鋼管樁在隧道掌子面的應用效果，有效推測加固后掌子面的整體變形，對本項目工況進行三維建模計算分析。

4.1 模型參數(shù)

本文在建模時對邊坡參數(shù)進行適當?shù)膬?yōu)化取整，模型范圍寬度取掌子面微型鋼管樁處理范圍三倍以上，模型大小取60m×42m×36m。

為方便建模，對支護結(jié)構(gòu)進行適當簡化轉(zhuǎn)換，鋼管樁按剛度等效折算成混凝土連續(xù)墻，?108 鋼管尾部抱箍的兩個小導管，按截面積等效簡化為一根，與鋼管端部結(jié)點耦合，小導管注漿對土體的加固效果通過提升土體的黏聚力和內(nèi)摩擦角進行模擬。巖土單元采用摩爾庫倫本構(gòu)模型，混凝土、鋼材采用彈性本構(gòu)模型。各材料參數(shù)如表1所示。

表1 各地層及材料力學參數(shù)

4.2 施工工況

根據(jù)實際開挖工序，本項目分三步進行開挖支護。

（1）開挖深度2.5m，開挖后做仰坡和開完面施加20cm 后噴射混凝土，同時施作微型鋼管樁，鋼管樁嵌巖深度2.5m。

（2）開挖深度2.5m，開挖后掌子面施加20cm 后噴射混凝土，同時垂直掌子面施加4排注漿小導管，小導管長5m，縱橫間距1×0.5m，梅花形布置。

（3）開挖最后2.5m，開挖后掌子面施加20cm 厚噴射混凝土。

所建模型及計算云圖如5所示。

對左洞掌子面滑塌區(qū)加固后，施工階段位移情況如圖6、圖7所示。

圖5 三維計算模型圖

圖6 數(shù)模計算云圖（豎向沉降）

圖7 數(shù)模計算云圖（總體位移）

4.3 計算結(jié)果分析

從計算云圖中可見，隧道明暗洞交界處掌子面坡頂最大豎向沉降量為2.1mm，與實際監(jiān)測中加固后累計沉降量2.4mm非常接近，該模型能較好地反應實際的施工工況。隧道掌子面整體最大位移僅5.75mm，整體變形量較小，滿足施工技術(shù)要求。

5 結(jié)語

采用微型鋼管樁結(jié)合錨噴支護，對隧道明暗洞交界臨時掌子面的加固效果良好，能夠滿足安全施工的要求，施工效率高，作業(yè)面小，投入相對較小，比較經(jīng)濟合理。用本文的數(shù)值模擬分析方法，能較好地反映掌子面開挖時頂端發(fā)生的豎向位移，進而分析掌子面及明洞段邊坡的整體位移變形，判斷掌子面及邊坡的加固效果和整體穩(wěn)定情況，可為今后此類工程的處理提供借鑒和參考。