湿陷性黄土铁路隧道水泥土挤密桩基底加固施工技术

范森

摘要：通过水泥土挤密桩在湿陷性砂质新黄土隧道隧底加固中的应用，分析了湿陷性砂质新黄土隧道的地质特征，阐述了水泥土挤密桩的施工工艺和控制要点，总结了地基承载力检测项目、方法，验证了地基处理效果，证明水泥土挤密桩对湿陷性砂质新黄土隧道基底加固是一种可行、有效的方法，能够消除砂质新黄土湿陷性、提高密实度，提高黄土隧道地基承载力，满足隧道结构沉降的要求。为类似地质的隧道施工提供借鉴。

Abstract： Through the application of cement-soil compaction pile in the reinforcement of the tunnel bottom of collapsible sandy loess， this paper analyzes the geological characteristics of collapsing sandy loess tunnel， expounds the construction technology and control points of the cement-soil compaction pile， summarizes test items and methods of foundation bearing capacity and verifies the effect of foundation treatment. It proves that the cement-soil compaction pile is a feasible and effective method to reinforce the foundation of collapsing sandy loess tunnel， which can eliminate the collapsibility of new sandy loess， improve the compactness， improve the bearing capacity of loess tunnel foundation， and meet the requirement of tunnel structure settlement， and it provides reference for similar geological tunnel construction.

關键词：砂质新黄土；湿陷性；水泥土挤密桩

Key words： new sandy loess；collapsibility；cement-soil compaction pile

中图分类号：U457+.3 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2018）16-0116-03

0 引言

我国黄土分布广泛，面积约64万平方公里，其中湿陷性黄土约占75%，西北地区和黄河中游地区最为发育，主要在山西、陕西、甘肃等地区，黄土按照形成时代划分包括早更新近世的午成黄土、中更新世的离石黄土、晚更新世的马兰黄土、全新世的新近堆积黄土、黄土状黄土。Q3、Q4砂质新黄土，土质均匀或者较均匀、结构疏松，具有大孔隙、渗透性强、具有垂直节理、具有强烈湿陷性等特征。随着国家“一带一路”理念的逐步实施，西部、西北地区基建规模不断扩大，其中铁路建设规模也逐年增加，在湿陷性黄土地区建设铁路隧道成为一项不可避免的工程，如何解决湿陷性黄土铁路隧道基底承载不足成为摆在铁路建设者面前的一道难题。

1 工程概况

蒙华铁路阳城隧道位于陕西省靖边县境内，起讫里程为DK242+044.57～DK249+157.82，全长7108.25m，隧道地区位于毛乌素沙漠和黄土高原过渡区，地形较为复杂，为典型的黄土高原侵蚀性梁峁沟谷地貌类型。隧址区广泛分布第四系上更新统风积砂质新黄土，浅黄色，稍密～密实，稍湿，砂感较强，土粒成份以粉粒为主，垂直节理，大孔隙，湿陷性，湿陷系数δs=0.021～0.059，属中等湿陷性黄士，Ⅳ（很严重）自重湿陷场地，湿陷深度0.00～23.80m。阳城隧道里程DK249+027～DK249+152段洞身位于湿陷性砂质新黄土地层，地基承载力不满足设计要求，需要进行加固处理。

2 砂质新黄土的特点及危害

Q3、Q4砂质新黄土浅黄色～褐黄色、稍密～密实、稍湿、呈松散状。具体特点如下：

①承载力低，蒙华铁路阳城隧道DK249+027～DK249+152段湿陷性砂质新黄土地层承载力σ0=130～150kPa，不满足设计要求。初支钢架拱脚易沉降，隧道仰拱及二衬易产生不均匀沉降及开裂。②多孔性、垂直节理发育、层理不明显、透水性强、具有湿陷性。③干密度小、孔隙比大、压缩性高、渗透性强、抗剪强度低。④自稳能力差，开挖后隧道掌子面易坍塌、产生溜塌体、初期支护变形大。

基于这些特点，在这种地质中修建铁路隧道，地基承载力不能满足要求、隧道工后沉降不能满足要求，无法保证工程质量，无法保证铁路运营安全。钢管桩适用于非湿陷性新黄土地层以及基底位于土石分界地层，水泥土挤密桩采用改良的水泥土通过挤密能够提高地基承载力及消除砂质新黄土的湿陷性。

3 水泥土挤密桩方案设计

水泥土挤密桩是利用锤冲击成孔（非排土成孔）或洛阳铲成孔（排土成孔），采用集料站集中拌制的水泥土分层回填夯实挤密成桩，从而达到提高地基土的承载力、增强其水稳性、消除湿陷性、降低压缩性和控制地基沉降变形的目的。

3.1 设计参数

①挤密桩按梅花型布置、桩间距一般采用1.0m，挤密桩直径为0.4m。②加固深度至湿陷层分界线下0.5m、最长不超过12m、最小不低于6m。

3.2 材料要求

桩身材料一般采用水泥土，水泥采用42.5级及以上的普通硅酸盐水泥，水泥掺量为土体质量的12%～20%。土体有机质含量必须小于5%，土块粒径不得大于15mm，不得含有膨胀土、冻土、砖头、瓦片、石块及杂土。

3.3 检查项目及标准

①桩孔和桩位检验：桩孔中心点的偏差不大于桩间距设计值的5%，且小于50mm，桩孔的垂直度偏差不大于1.5%，桩孔直径、桩孔深度不小于设计值。②复合地基承载力不小于200kPa。采用平板载荷法实验检测。③桩间土平均挤密系数不小于0.93，最小挤密系数不小于0.88。④桩间土消除湿陷性，湿陷性系数不大于0.015。

3.4 设备选型

水泥土擠密桩因成孔方式不同，主要有也下几种方案。

①柴油锤锤击沉管成孔法：利用燃油爆炸推动活塞往复运动而锤击沉管成孔，活塞重量从几百公斤到数吨。优点，功率大，施工效率高。缺点是震动强，设备塔架高，空气污染，不适合在隧道内施工。②柱锤冲扩桩法：通过电动卷扬机反复将柱状重锤提到高处使其自由落下冲击成孔，柱锤为圆柱体，自重一般为3.5T。优点，夯击能量大、成桩速度快、施工效率高。缺点是震动强，设备塔架高，不适合在隧道洞内施工。③洛阳铲成孔法：利用电动卷扬机提升洛阳铲到高处使其自由落，洛阳铲下落过程取土、提升过程弃土。不受地形条件限制，施工方便、施工进度快、对地层及周边结构物震动较小，避免了环境的污染。

根据砂质新黄土隧道地质特点及施工安全等方面因素综合考虑，本隧道水泥土挤密桩施工采用洛阳铲成孔。

4 工艺性试验

试桩采用4孔按照设计布置，电动卷扬机配合洛阳铲取土成孔，通过土工试验，砂质新黄土水泥土最佳含水量14%（误差控制±2%），最大干密度1.80g/cm3，普通硅酸盐水泥（PO42.5）参入量16%。水泥土回填分层夯实，每层厚度控制250～300mm，夯锤长度为2m，重量为500kg，落锤高度控制在2m。每层锤击次数不小于8次。经试验检测各项指标均满足设计及验标要求。

5 水泥土挤密桩施工工艺

以阳城隧道出口DK249+027～DK249+152段水泥土挤密桩施工为例，对水泥土挤密桩施工工艺进行总结。桩长6m，桩径0.4m，桩间距1m，梅花形形布置，1375根，共计8250延米。

5.1 工艺流程

水泥土挤密桩采用洛阳铲取土成孔，水泥土采用集料拌和站集中拌制，分层回填，夯锤夯实。（见图1工艺流程图）

5.2 施工准备

①水泥土集料拌合站建设及验收，根据项目部整体施工组织设计，选取合适场地，按程序进行验收。

②配足水泥土挤密桩施工所需要机械设备。主要有洛阳铲及夯实机。

③配比试验：对土源点的土样，进行配比试验，测定不同水泥掺入量时，水泥改良土的无侧限抗压强度、最优含水量及最大干密度。确定满足设计要求的最经济水泥掺入量。

④隧道下台阶开挖支护完成后，平整场地。

⑤根据软基检测章程、设计图纸、验标编制隧道水泥土挤密桩专项施工组织设计及技术交底，并对施工班组进行培训及交底。

⑥试验室对隧底砂质新黄土进行含水量检测，若地基天然含水量普遍小于10%时采用增湿处理，增湿处理应于地基处理前4～6天，通过一定数量及深度的渗水孔，均匀地将水浸入拟处理范围内的土层中。

5.3 成孔

按照1m的间隔，梅花形布置，精确测量桩位，成孔顺序采用间隔跳打法，间隔1～2个孔跳打。桩机就位使洛阳铲对准桩中心，调平、固定桩机平台，施工前在卷扬机的钢丝绳上标出控制孔深的标记，确保成孔深度。先采用小冲程进行开孔，当孔深超过2m后以正常速度成孔。洛阳铲下落过程取土、提升过程弃土，将铲中的土抖落至手推车中运出。成孔后严格检查孔位中心、孔径、垂直度及孔深偏差。（见图2洛阳铲成孔）

5.4 水泥土生产

回填材料采用水泥土混合料，水泥采用42.5级普通硅酸盐水泥。集料拌和站集中搅拌，严格控制水泥土的含水量（若含水量过大采用摊铺晾晒）、水泥掺量，水泥土必须搅拌均匀。根据施工用量需求拌制，禁止使用被雨水淋湿、浸泡的水泥土。

5.5 回填孔桩

分层回填前，将夯锤放置孔底空夯最少8次，确保孔底夯实。水泥土分层回填，逐层夯实，每层回填虚铺厚度为250～300mm，每层填料0.03m3（采用料斗定量），锤击8次，落距2m，回填过程中杜绝间隔停顿时间过长。实际桩顶必须高出设计桩顶标高50～70cm，隧底开挖时再将高出部分开挖掉。水泥土在现场放置时间不超过6h。（见图3回填夯实）

6 效果分析

蒙华铁路阳城隧道里程DK249+027～DK2249+152段，湿陷性砂质新黄土隧底通过水泥土挤密进行加固。取得如下效果：

①工期：平均每天完成28根（170m）水泥土挤密桩施工，经济效益较好，满足隧道工序施工要求。②桩间土平均挤密系数达到0.95，最小挤密系数为0.92，满足设计及验标要求。③桩间土湿陷性系数介于0.000～0.006，表明隧道仰拱加固深度范围内桩间土湿陷性已经基本消除。（见图4土工试验报告）

④复合地基承载力超过200kPa，满足设计要求。（见图5复合地基静载试验成果）

7 结束语

本项目共进行了9座隧道，10个段落（1120延米），共计12323根（73943m）水泥土挤密桩的施工，复合承载力全部达到200kPa以上，满足要求。说明在天然含水率不大于24%，饱和度Sr≤65%的湿陷性黄土隧道，采用水泥土挤密桩进行地基加固，是一种可行的方案。

该方案可以提高施工效率，保障了水泥土挤密桩桩体质量、桩间土挤密系数，基本消除了桩间土湿陷性，大大提高了复合地基承载力。可以作为处理湿陷性黄土隧道软基加固工艺推广。但也存在施工干扰大的问题。还需要研究在不同软弱地质条件下采用水泥土挤密桩施工的效果。

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