高压旋喷桩在大跨径隧道明洞基底处理中的应用

蒲研

（兰州市城市建设设计院，甘肃兰州 730030）

0 引言

处理软土地基的几种常用方法有：换填法、强夯法、挤密法、排水固结法、高压喷射注浆法、深层搅拌法。其中高压旋喷桩是利用钻机将喷射注浆管置于加固处理深度，在钻杆旋转上升时，将预先配置好的浆液，用一定压力从喷嘴中喷出，冲切土体，把土和浆液强制拌和，凝聚固结后，形成具有一定强度的混合桩体，并通过设置褥垫层使桩和桩间土共同作用，形成具有一定强度的人工复合地基，从而提高地基承载力和减小沉降。

1 工程概况

九州隧道工程为兰州市北环路工程中的重要节点工程，为上、下行分离式双向6车道隧道，隧道开挖宽度达16.4 m。隧道明洞段原设计基底为砂岩，经现场开挖揭示，部分明洞段基底以下为软弱地基，需进行地基处理后方可进行隧道的明洞施工。针对基底地基土的土质特点，经CFG桩、深层搅拌桩和高压旋喷桩多桩现场试桩比选后，最终决定采用高压旋喷桩对本段软弱地基进行加固。

2 工程地质条件

补充勘察资料揭示，隧道右线YK2+920 m～YK2+940.8m明洞段和左线ZK2+833m～ZK2+916.2m明洞段原为山沟，后经回填而成。在勘探范围内，地层自上而下为杂填土层、粉土层、砂砾岩层，各层岩土特征描述如表1。

表1 基底地层岩土特征表

3 高压旋喷桩复合地基设计

3.1 总体设计

九州隧道明洞基底以下杂填土层和粉土层的承载力不能满足设计的要求，本次设计要求将基础以下杂填土层和粉土层采用人工地基处理方法，并要求处理后的复合地基承载力特征值fspk≥300 kPa，压缩模量Es≥18 MPa。桩顶设置25 cm厚褥垫层，材料采用碎石，粒径分布8～20 mm为宜，最大粒径不大于20 mm，褥垫层铺设宜采用静力压实法，夯实度不得大于0.9。

3.2 计算参数

（1）地层参数

桩顶以上设置25 cm厚级配碎石褥垫层，各地层参数按表1中钻探参数选取。

（2）复合地基承载力

高压旋喷桩设计复合地基承载力特征值按300 kPa控制。

（3）桩径确定

根据所采用的XL-50型履带式旋喷钻机等主要设备以及本地区类似工程的施工经验，本次设计旋喷桩桩径（d）确定为60 cm。

3.3 单桩竖向承载力特征值计算

初步设计时计算采用《建筑地基处理技术规范》(JGJ 79-2012)中式（9.2.6），进行单桩竖向承载力特征值Ra估算，计算参数采用经验值及地勘钻探。

式中：Ra为单桩竖向承载力特征值，kN；up为桩的周长，m；n为桩长范围内所划分的土层数；li为桩穿越第i层土厚度，m；qsi为桩周第i层土（岩）的侧阻力特征值，kPa；qp为桩端端阻力特征值，kPa；αp为桩端端阻力发挥系数，取0.6；Ap为单桩截面积，m2。

桩周长：

单桩截面积：

根据各土层地勘资料数据以及桩身长度，分段选取各计算参数，先计算YK2+920 m～YK2+940.8 m段如下：

第一层杂填土层厚7 m，qs1=18 kPa；

第二层粉土层厚6.5 m，qs2=20 kPa；

第三层砂砾岩层厚 0.5m，qs2=100 kPa，qp=400 kPa。

则有，单桩竖向承载力特征值：

同时，桩体试块抗压强度平均值应满足下式要求：

本次设计要求混合料试块标准养护28 d抗压强度平均值不小7.0 MPa。

3.4 复合地基桩间距、面积置换率计算

高压旋喷桩复合地基的承载力特征值应通过现场单桩或多桩复合地基载荷试验确定，设计中按照以下公式计算：

式中：fsp,k为复合地基承载力特征值（取设计值300 kPa）；λ为单桩承载力发挥系数（取1.0）；fs,k为桩间土承载力特征值（取100 kPa）；m为复合地基中桩体面积置换率；Rp为单桩竖向承载力特征值（取644.33 kPa）；Ap为单桩截面积；β为桩间土承载力折减系数（取0.3）。

复合地基置换率按下列公式计算：

拟采用等边三角形布置，复合地基置换率由公式m=d2/de2计算（其中d为桩身平均直径，m；de为一根桩分担的处理地基面积的等效圆直径，m）；采用等边三角形布置时de=1.05 d0，d0为桩间距，则有：

取高压旋喷桩桩间距为d0=1.5 m，按等边三角形布桩。

综上所述，根据不同桩长对隧道明洞段分段计算，计算成果见表2。

处理后的地基变形计算按照《建筑地基处理技术规范》（JGJ79-2012）进行计算，复合地基的压缩模量等于原地基压缩模量的ξ倍，则有：

根据本地区施工经验，处理后的桩间土Es取7.0MPa，则复合地基压缩模量Es=3.0×7.0=21MPa＞18 MPa，满足设计要求。

4 高压旋喷桩复合地基处理要求

4.1 成桩工艺

根据现场地质情况和工程需要，设计采用单管法成桩工艺。

4.2 材料要求

水泥：水泥采用强度等级为42.5级的硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥，其性能必须符合《硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥》（GB175-1999）的规定。使用前报监理工程师批准。

水：宜采用饮用水。

水泥浆的水灰比为0.8～1.2，应提前做水泥土配合比试验，确定水泥土的配合比。要求混合料试块标准养护28 d抗压强度平均值不小7.0 MPa。

4.3 成桩试验

施工前应根据本段软弱地基层厚变化情况分段进行成桩工艺性试验，确定合理的施工工艺参数。

表2 不同桩长高压旋喷桩设计参数

（1）试桩

选取有代表性路段进行不同桩长的成桩试验，通过高压旋喷桩成桩试验复核地质情况，确定水泥浆水灰比、气流压力、提升速度和水泥掺量等各项参数和施工工艺。

（2）试验检测

待试桩成形28 d龄期后，进行桩体试件抗压强度、桩体低应变动力试验，以检测成桩质量及桩身完整性；对不同桩长的试验段进行单桩及单桩复合地基载荷试验，以确定实际承载力，修正设计参数。

5 质量检验

5.1 高压旋喷桩质量检验

旋喷桩可根据工程要求和当地经验采用开挖检查、钻孔取芯、标准贯入试验、动力触探和静载荷试验等方法进行检验。

5.2 检验要求

（1）必须由专门的检测单位进行质量检测。

（2）成桩7 d后，采用浅部开挖桩头（灰面下0.5 m），目测检查桩身的均匀性，测量成桩直径。

（3）钻孔位置的允许偏差应为±50 mm，垂直度允许偏差应为±1%，桩体有效直径不得小于设计值，桩身中心允许偏差≤0.2D。检验数量按成桩总数的5%抽样检验，且每检验批不少于5根。

（4）抽芯检验

抽芯检验主要用于评价桩身质量，如桩身完整性、无侧限抗压强度、含灰量、坚硬程度、搅拌均匀性等。桩完工28 d后，在每根检测桩桩径方向1/4处、桩长范围内垂直钻孔取芯，取上、中、下不同深度的3个试样作无侧限抗压强度试验。抽芯检验的数量为总桩数的1%，且每个施工作业点不少于6根。一般应按比例随机抽取，且分布基本均匀。

（5）单桩静载荷试验

用于单桩静载荷试验桩的数量不低于总桩数的1%，且每个施工作业点不少于3根。一般应按比例随机抽取，且分布基本均匀，试验得到的单桩承载力不得低于设计要求。

（6）复合地基静载荷试验

用于复合地基静载荷试验桩的数量不低于总桩数的1%，且每个施工作业点不少于3根。一般应按比例随机抽取，且分布基本均匀，试验得到的复合地基承载力不得低于设计要求。

（7）单桩静载荷试验和复合地基静载荷试验按《建筑地基处理技术规范》（JGJ79-2012）附录A“复合地基载荷试验要点”及《公路桥涵地基与基础设计规范》（JTG D63-2007）附录D“浅层平板载荷试验要点”进行。

通过现场载荷试验的数据分析，该工程高压旋喷桩单桩承载力特征值、复合地基承载力特征值和复合地基压缩模量均大于设计值，满足设计地基承载力和变形要求。

6 结论

从设计计算及复合地基检测结果看，该工程所采用的高压旋喷桩复合地基处理明洞基底杂填土层和粉土层时，浆液与土体可形成强度较高的混合桩体，使复合地基承载力得到大幅度的提高，地基变形得以控制，从而满足隧道明洞地基承载力和变形的要求。