沟谷型软基内的涵洞常见病害及地基处治

胥 龙

(四川省交通运输厅公路规划勘察设计研究院，四川 成都 610041)

0 引言

随着我国基础设施建设的高速发展，高速及高等级公路广泛向丘陵、山区地带推进。涵洞工程作为排水、通道构造物，是公路工程不可或缺的重要结构。通常公路工程所涉及的地质条件复杂多变，不少涵洞修建在山间谷底的软弱地基上，若涵底软基处治不当不仅可能导致出现较大不均匀沉降，形成排水不畅、路面起伏，还可能导致结构变形、开裂，严重影响其使用功能及公路运营安全。

1 山间谷地软弱地基

山间谷地因为其特殊的地形、地质及排水条件，往往沟谷中心软基厚度较大(一般厚几米至十余米)，两侧临近山坡处软弱地基厚度急剧减小。此类软弱地基不仅具有软土抗剪强度低、天然孔隙比大、天然含水率高、渗透系数小等特点，而且沿路线短距离范围内软基厚度变化大，极易在路堤荷载作用下出现较大不均匀沉降。尽管通常要求涵洞布设于沟谷两侧软基厚度较小的地方，实际工程中仍不可避免地建设在软基较深、厚度变化大的路段。因此，因软基处治不当带来的涵洞病害尤为常见。

2 涵洞常见病害类型

目前公路工程中所采用的涵洞型式主要有[1]：钢波纹管涵、圆管涵、盖板涵、箱涵等。布设于山间谷地内的涵洞病害主要有：圆管涵因涵洞中部沉降较大，出现涵洞淤塞、涵身纵向开裂、基础不均匀开裂、涵身节段相互错移等；盖板涵、拱涵进出口翼墙、一字墙墙身开裂、涵身沉降缝变形、基础断板开裂等；箱涵主要表现为涵洞顶路基出现凹陷、隆起等现象，涵身顶、底出现裂缝(见图1，图2)。

出现以上病害的原因主要是由于软基处治方法不当或处治范围不彻底，在填土荷载作用下出现较大的不均匀沉降或工后沉降。

3 涵洞软弱地基处理措施方法

为减小山间谷地内的涵洞病害，须强化软基处治措施，保证处治后的基底具有足够的承载力和较小沉降(包括不均匀沉降和工后沉降)。通常应用于沟谷型软基处治方法分为浅层和深层处治两大类。根据工程实践，通常将软土厚度小于4 m划分为浅层软基，处治方法主要为换填法、抛石挤淤法、浅层加固法。厚度不小于4 m的划分为深层软基，处治方法主要有水泥搅拌桩法、强夯置换法、挤密碎石桩法、CFG桩法、PHC管桩法等。

3.1 浅层软基地基处治

当软基深度小于4 m时可以选用的方法有换填置换法、抛石挤淤置换法、浅层加固法等。

3.1.1 换填法

将原位软土挖除，选用碎石、砂砾石等分层填筑并压实，这类填料强度较高、透水性较好，可以显著提高原位基础承载力，减少沉降量。

3.1.2 抛石挤淤法

通过抛入一定规格的石块，将淤泥挤出，从而提高基础的承载力，此法通常用于淤泥场地或常年积水的洼地(见图3)。

3.1.3 浅层加固法

通过在软弱地基中掺入一定量的水泥和生石灰，利用土体与水泥和生石灰之间所产生的化学作用，从而改善土层的性质，起到加固土体强度的作用。

以上三种方法施工简单，是工程上常用的处治方法，但只能够处理深度在4 m范围内的软弱地基。

3.2 深层软基地基处治

为提高涵洞基底土体承载能力，尽量减小工后沉降，山间谷地软基主要采用复合地基或刚性地基处治方法，一般不采用单纯固结排水法，如塑料插板、袋装砂井等。

3.2.1 水泥搅拌桩法

该法采用搅拌机在原位将水泥粉或水泥浆同地基土拌和，通过水泥—水—土间的相互作用形成水泥土柱，进而提高地基承载力，减少沉降。通常可以根据地基土的含水率高低选择拌和方法，此外为提升拌和效果还可以采用双向搅拌的施工工艺。若原位地基土内块石含量较高则该法不适用。

随着搅拌桩的不断改进，目前已推广应用钉形水泥土双向搅拌桩。该法是在水泥搅拌桩施工期间，由施工器具自身的传力系统，分别带动钻杆上的内外拌和叶片同时相向旋转拌和。通过钻杆上搅拌和叶片的伸长和缩短使桩身上部尺寸增大，形成钉子状桩体。不仅具有传统水泥搅拌桩的优点，同时还具有施工振动小、环境污染小，成桩质量可控等优点。适用于处理粘性土、粉土、淤泥质土和淤泥地基。

3.2.2 强夯置换法[3]

此法采用强夯机械在软土地基上冲击，形成有序排列的坑槽，随后在坑槽内投放碎石等粗骨料后，再次使用对原位进行冲击，最后形成强夯墩。强夯置换形成的碎石墩作用骨架与未置换土体形成复合地基，共同承受荷载。该方法施工简单、工艺成熟，适用于处治低饱和度粉质土、杂填土、软粘性土、素填土等。但施工时产生的噪声、震动较大，同时对于厚度大于6 m的软基应谨慎采用。

3.2.3 碎石挤密桩[4]

该法同强夯置换法原理一致，都是将软土地基改造成复合地基从而提高地基承载能力(见图4)。不同的是此法是通过冲击、振动或水冲等方式在原位形成孔洞，然后在孔洞中填入碎石等材料，通过压缩使碎石或其他材料进入地基中，将孔四周及底部土体挤压密实，这些密实的桩体与桩间土相互作用能够有效的提高地基承载力。该方法成熟稳定、对环境友好、加固效果良好。常常用于处治可液化土、粉砂土、砂性土等软土地基。

3.2.4 CFG桩法[5]

CFG桩指水泥粉煤灰碎石桩，其主要成分包括碎石、粉煤灰、石屑或砂、水泥及水，它们经过混合、搅拌，利用各种制桩机制作而成。其强度较低且可变，强度等级一般不超过C25。CFG桩通过振动沉管或振冲成孔后，将桩料投入孔内成桩。通常在桩顶还会设置一定厚度褥垫层用于平衡桩与土之间的应力。这种方法使得桩与土共同参与受力能够显著改善地基土的承载力，且施工质量易控，机械设备成熟，但容易造成环境污染。常常用于处置粘性土、粉土、淤泥质土等软土地基。

3.2.5 PHC管桩法[6]

PHC管桩是一种高强度混凝土管桩，其桩身强度通常不小于C80，PHC管桩采用先张法施工工艺，在严格的养护条件下制作而成。通常PHC管桩在工厂内预制为成品，然后在现场通过锤击、静压等措施将其埋入软土地基内。使得地基形成承载力较高的复合地基。其优点有机械化程度高，环境友好。相同条件下单桩承载力较钻孔或人工挖孔桩大，能够有效提高桩端承载力及桩周侧摩阻力，抗弯、拉性能好、桩身耐击打、穿透力强、桩基检测方便。适用于细砂、粉砂、粘性土、粉土、淤泥质土、人工填土等软土地基。

3.2.6 钉形水泥土双向搅拌桩

该法是在水泥搅拌桩的基础上进行研究而开发出来的，在水泥搅拌桩施工期间，由施工器具自身的传力系统，分别带动钻杆上的内外拌和叶片同时相向旋转拌和。通过钻杆上搅拌和叶片的伸长和缩短使桩身上部尺寸增大，形成钉子状桩体。该方法具有传统水泥搅拌桩的优点，同时还具有施工振动小、环境污染小，成桩质量可控等优点。适用于处理粘性土、粉土、淤泥质土和淤泥地基。

4 涵洞病害处治方法

在涵洞出现沉降变形、开裂等病害后，由于特殊的边界条件，譬如空间狭小、需要公路保通或管制通行，涵洞处治方法应结合场地条件因地制宜。通常的处治方法包括涵背或涵底注浆、小直径钢花管加固、修复开裂破坏的涵身及基础等。以某高速公路建设于山间谷地内的涵洞为例，介绍小直径钢花管加固的病害处治方法。

某高速公路一处盖板涵修建于山间谷地内的软基上，原设计采用换填沙砾石处治软基，因为软基厚度较大，换填深度未能彻底。由于软基固结时间长、不均匀沉降量大，高速公路运行通车一段时间后发现涵洞墙体开裂，裂缝宽0.5 cm～5 cm，且裂缝从墙顶向下逐渐蔓延，系不均匀沉降造成的拉裂所致，需要加固处治(见图5)。

针对涵洞病害特征，为尽可能减小对公路运营的干扰，通过方案论证、采用涵洞内向基底斜打小直径钢花管加固(见图6)。通过钢花管内压力注浆对涵洞基础以下的软粘土进行加固处治，提高地基承载力、消除差异沉降。钢花管采用φ108 mm，于涵洞中心线两侧各0.65 m，对称设置两排钢花管，钢花管间距1 m，钻孔方向与地面夹角成50°，灌浆范围为涵台底部2.75 m钻孔区间内，注浆完成后，上部2.25 m钻孔直接注浆封堵。

根据沉降观测资料，经过处治后涵身侧墙变形开裂未持续发展，钢花管压力灌浆挤密法对此类病害效果良好。

5 结语

位于山间谷地软土地基上的涵洞若处治方法不当，会导致涵洞不均匀沉降、涵身节段错移，严重的还会威胁到公路路基的安全。本文提供了目前工程中通常使用到的布设于山间谷地软弱范围地基处治办法、适用条件，并针对涵洞病害提出了实用处治方法，通过某高速公路涵洞病害处治验证，效果良好，可推广应用于类似工程。