钢管桩加固隧道仰拱软弱地基施工技术

李新荣

摘要：本文结合贵阳枢纽龙洞堡隧道仰拱地基加固工程，阐述了钢管桩加固隧道洞内仰拱软弱地基及高塑性红粘土地基的施工工艺原理和施工技术。

关键词：钢管桩；加固；地基

中图分类号：U455.4文献标识码：A文章编号：1674-3024（2017）01-70-02

引言

随着城市建设和交通的发展，隧道的施工条件日益复杂，在处理隧道地基时，传统的旋喷桩、树根桩等方法由于操作空间和人员分配的限制难以在城市地下隧道内进行施工且其在施工后无法对某些计算进行验证。而钢管桩加固城市隧道洞内的仰拱软弱地基具有一定的优势，其利用镀锌钢管和潜孔冲击钻头及偏心钻头构成隧道洞内软基处理系统，在近几年的发展中引起了众多施工技术人员的关注。由于隧道洞内空间狭小，钢管桩长度较大，不宜施工的问题，如何探索合理的钢管桩施工工艺，是面临的一项新的挑战。

1.项目概况

新建贵阳枢纽白云至龙里北铁路工程站前1标龙洞堡机场隧道主要地质为软弱人工填土，以喀斯特地貌的红粘土（主要由碳酸盐岩系形成）为主，红粘土是一种区域性特殊土，具有表面收缩、上硬下软、裂隙发育的特征。这类地层虽然具有较高的天然含水率及孔隙比大的弱点，但也具有较高的地基强度与较低的地基压缩性。洞身全部位于高塑性红粘土中，仰拱基底红粘土深约7～20m，洞顶覆盖层厚约30m。

基于本隧道仰拱軟弱地基，采用群桩钢管桩施工技术，控制隧道洞内不均匀沉降，有效发挥高强度单桩或群桩的承载能力，使其受力均匀，提高地基的稳定性。

2.隧道地基钢管桩注浆加固

2.1施工工艺流程

2.2施工准备

钢管桩施工前，除了做好仰拱开挖及钢管桩孑L位布置测量放线和专项施工方案外，还需要对洞身四周及地表建构筑进行调查，形成地质水文及地表情况调查报告，做好施工过程污水处理通道，钻机施钻需在仰拱初期支护成环封闭后进行，保证初期支护表面平顺、干燥、无积水。

2.3仰拱开挖

高塑性红粘土是一种区域性特殊土，具有表面收缩、上硬下软、裂隙发育的特征，洞身全部位于高塑性红粘土中，仰拱基底红粘土深约7～20m，为了达到仰拱快速封闭及方便机械作业，主要采用“3个3米”的原则进行仰拱开挖，即开挖3米封闭成环3米钢管桩施作3米，仰拱浇筑控制在6米内，衬砌浇筑控制在4～6米，有效控制了沉降和变形。仰拱初期支护采用弧形I20b工字钢与拱墙初期支护I20b工字钢连接，φ22钢筋进行纵向连接；根据测量放样预埋φ250PVC管按照0.5m*0.6m布孔间距进行孔位布置，并喷射混凝土，完成初期支护封闭成环施工。

2.3钻机工作平台

在钻机就位后，为确保隧道上台阶正常施工，先选择线路左、右侧进行施钻，线路左、右侧各设2根长5-6m槽钢纵向搭设简易工作平台，仰拱栈桥放置中间合理位置，以便上台阶施工机械通行，然后根据工序安排选择栈桥中间钢管桩施工，保证上台阶施工通车与仰拱钢管桩施工互不影响。因上台阶施工采用大拱脚弧形导坑法施工，主要存在超前管棚、超前小导管、大拱脚开挖、左右侧导坑开挖及其他初期支护等施工，施工工序较为复杂，现场合理调整施工工序，在上台阶掌子面进行超前管棚或注浆工序施工时，及时调整钻机进行仰拱中部钢管桩施钻。（钻机工作平台布设见图2）

2.4钢管加工及钢筋笼制作

钢管桩采用镀锌钢管，壁厚6.5mm，导管上钻设注浆孔，孔径10-16mm，孔纵向间距15-20cm，呈梅花型布置，尾部留不小于100cm的不钻孔的止浆段。

为了提高钢管桩的承载能力，在钢管内增设钢筋笼，钢筋笼由四根直径为16mm主筋构成，每隔50cm设一道箍筋，以保证钢筋笼的整体性，避免下放钢筋笼时主筋扭曲。

2.5钻进施工

隧道仰拱基底岩层为红粘土，深度在7～20m，根据PVC管布孔位置定位钻机后，选用φ230偏心钻头施钻，每钻进1.5-2m提升一次清理钻头，反复施钻，根据钻渣情况及偏心钻头无法钻进来确定是否进入基岩，进一步将偏心钻头及钻杆提升，将钻头更换为冲击钻头，进行基岩部分钻设，钢管桩入岩深度不小于1.1m，冲击钻头钻设基岩部分一次成型。

2.6顶管措施

由于钢管桩深度较深，且孔内为红粘土，φ219钢管无法利用钢管本身自重下管，需利用破碎锤顶进下管。将钢管进行焊接连接，破碎锤顶端安装套管插入钢管内进行直接顶进。（见图3）

2.7曲线段施工

钢管桩施作位于仰拱弧形拱脚处，存在钻设孔位偏差及成孔难以控制问题。

2.7.1弧形段钻机就位难度较大。施钻时需将钻孔方向垂直于初期支护表面，必然存在钻机与初期支护结合不密贴，从而导致钻孔过程孔位偏差较大：可采取在仰拱开挖后两侧端头作为基点，制作简易钻孔平台，简易工作平台采用槽钢搭设，将钻机滑架固定于槽钢之间，保证钻机滑架端头与初期支护表面密贴，钻进过程由测量技术人员现场监测指导施工，发现微小偏位及时对其进行调整，避免偏位较大无法调整。如此保证了成孔质量，也保证了钻机的就位偏差。

2.7.2弧形段装管及下钢筋笼施工，装管及下钢筋笼均存在角度问题，角度成35°，因角度问题，受力不匀，容易造成折管或钢筋笼扭曲，钢管采用短节下管及焊接，将长3m钢管更改为1.5-2m长度，分节顶进及焊接：钢筋笼箍筋间距调整为20～30cm，每节长度调整为1.5～2m。

2.8顶力控制

2.8.1注浆减阻

顶管外径比钢管外径大2cm，钢管在机头形成的通道中顶进，外壁与土层之间形成环形间隙，环形间隙必须及时进行壁后注浆填充，形成泥浆套。

2.8.2浆液配比

按照设计建议配比现场进行工艺试验，采用水灰比为0.4～0.6，水泥浆注浆压力1.0-1.5MPa。

2.8.4注浆孔及钢管桩设置

钢管桩间距0.6（纵）×0.5（横）梅花型布设，钢管桩嵌入初期支护不小于10cm，嵌入基岩深度不小于1.1m。

钢管桩采用镀锌钢管，壁厚6.5mm。导管上钻注浆孔，孑L径10～16mm，孔纵向间距15～20cm，呈梅花型布置，尾部留有不小于100cm的不钻孔的止浆段。采用水泥砂浆注浆加固，建议水灰比0.4～0.6，建议注浆压力1.0～1.5MPa，為提高钢管桩的承载能力，在钢管内增设钢筋笼，钢筋笼有四根直径为16mm的主筋构成。钢管桩孔位布置见图4。

2.8.5注浆压力控制

注浆压力是给予浆液扩散充填、压实的能量。在保证注浆质量的前提下，压力大，扩散的距离大，有助于提高土体强度：但当压力超过受注土层的自重和强度时，可能导致其上部构造物的破坏。所以在施工中，一般都以不使地层破坏或仅发生局部和少量破坏作为确定容许注浆压力的基本原则。注浆压力值与地层的结构、初始注浆的位置和注浆序次、方式等因素有关，有些因素较难准确地获取，在注浆处理前通过现场注浆试验来确定压力注浆各项参数。进行注浆试验时，采取逐步提高压力的办法，求得注浆压力与注浆量的关系曲线，当压力升高至某一数值，而注浆量突然增大时表明地层结构发生破坏或空隙尺寸已被扩大，因而可把此时的压力值作为确定容许注浆压力的依据。

2.8.6注浆质量控制

注浆施工前对现场土层的物理力学性能进行试验，准确掌握现场所加固土层的含水率、孔隙率等指标，为注浆方案设计提供依据。钻孔施工开钻前按照施工布置图布好孔位，钻机准确定位，对开钻前的钻头点位与布孔点进行核对，注浆孔的数量、位置、间距、钻孔深度及角度要符合要求。注浆施工结合工程实际制定注浆方案，注浆施工时根据现场试验进行参数调整和工艺完善，浆液配合比经过现场试验确定，以保证注浆效果。注浆过程中做好施工记录，注浆结束后对注浆钻孔和检查孔封填密实：注浆结束条件以定量定压相结合的原则进行控制，注浆完成后，关闭止浆阀保证注浆不溢浆、跑浆。加强监控量测和洞内外观察，当围岩或支护结构发生较大变形、窜（跑）浆、地表等异常情况时，采取应急处理措施。浆液配制采用准确的计量工具，按照设计配方配料施工；浆液随配随用，配置好的浆液在规定时间内注完：按照规定的顺序注浆，注浆压力要符合设计要求，使浆液充满钢管及其周围的空隙。

2.8.7注浆效果检验

注浆结束后，采用分析法、钻孔取芯法和CT物探法对注浆效果进行检验，如果注浆效果未达到设计要求时，重新钻孔再补充注浆。

依据子L内CT层析成像探测隧道该段注浆效果，探测采用的硬件包括主机（HSP声波仪）、发射机（ZDF-3型直流电火花震源）、集成高灵敏度检波器、大功率超声发射换能器等。

本段测试主机采用中铁西南研究院研制的HSP声波仪及ZDF一3型直流电火花震源，系统最小分辩时间500ns，幅度分辩24Bit，记录长度32K，八通道。体积小，重量轻，低温特性好，使用方便。发射、同步接收、量程等参数调节、数据传输等全部由HSP实施控制。

根据声波CT测试及实际注浆分析结果，得出结论：岩土体性质不利于注浆浆液的渗透，注浆效果主要体现在钢管内部，钢管深部浆液离散，但可以达到浆液加固效果。

2.9监控量测

隧道软弱地基施工中，监控量测是至关重要的，量测项目主要有洞内外观察、净空水平收敛量测、拱顶下沉量测以及浅埋隧道地表下沉量测四个必测项目。监控量测是为了能准确掌握隧道围岩地质变形、稳定情况，为隧道施工提供可靠依据。掌握围岩动态，对围岩稳定性提出评价，确定支护结构形式、支护参数和支护时间，了解结构的受力状态，评价结构的合理性和安全性。监控量测量测频率见表1。

3.施工注意事项

3.1施工前需对现场填土的物理力学性能进行试验，掌握了现场加固体的孔隙率和含水率。注浆工艺和注浆参数根据现场实测数据和现场注浆结果作相应的动态调整，注浆过程中，切实加强施工监督管理，严格按照施工规范和设计要求进行。

3.2仰拱初期支护施作时，严格按照施工布置图，预埋好孔位。钻机定位要准确，开钻前的钻头点位与布孔点进行核对，钻杆垂直度应符合设计及验标要求。

3.3现场采用准确的计量工具（量筒），严格按照配合比施工。水灰比要根据现场试验及进展情况，经核对后进行动态调整。

3.4注浆严格按程序施工，注浆采用进浆量、注浆压力双控。注浆由专人操作，当压力突然上升或从孔壁溢浆，立即停止注浆，每段注浆量严格按设计要求进行，溢浆时，采取措施确保注浆量满足设计要求。

3.5注浆完成后，将注浆孔及时封填密实，保证不溢浆。

3.6注浆过程中做好安全防护措施，尤其是注浆难度较大的

4.结语

钢管桩加固隧道洞内仰拱软弱地基及高塑性红粘土地基施工，适用于狭小空间条件下富含水淤泥质粘土层、回填土层等软弱复杂地层中地下工程地基处理，大大减少对其他工序施工的影响及人员的浪费，具有施工速度快，费用低，成桩质量高等优点。有良好的社会和经济效益，对今后类似工程的施工提供了相应的借鉴经验。