重载铁路湿陷性浅埋黄土隧道水泥土挤密桩施工技术

吕佳

摘 要：蒙西至华中煤运通道铁路项目为重载铁路，结合该工程项目中湿陷性浅埋黄土隧道地基加固实例，介绍隧道内水泥土挤密桩的施作方式，解决隧道内空间狭小，场地受限，采用小型设备进行地基处理，根据现场的试验检测结果，分析水泥土挤密桩施工时对隧道初支结构的影响，并制定了必要的控制措施。

关键词：重载铁路；湿陷性；黄土隧道；地基处理；水泥土挤密桩；

中图分类号：U25 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2018）15-0121-02

1 工程概况

1.1 隧道概况

张裕2号隧道为单洞双线重载铁路湿陷性黄土隧道，位于山西省运城市平陆县张村镇境内，全长540m，最大埋深48.7m。整段隧道全部位于直线上，线间距为4.00m。隧道纵坡为单面坡，坡度及坡长为12‰/540m。

1.2 工程地质

隧道地层岩性为第四系上更新系新统坡洪积Q3砂质新黄土与黏质新黄土V级围岩。该层黄土土质结构疏松，空隙垂直节理发育，地基承载力不高，具有严重的湿陷性，在遇水侵蚀或较大荷载的作用下，隧道产生较大沉降。

2 地基处理设计参数及处理要求

黄土隧道具有湿陷性的地基加固采用水泥土挤密桩。水泥土挤密桩按梅花型布置，桩间距1.0m×1.0m，挤密孔直径为0.4m。湿陷性黄土地段，加固深度至失陷层分界线下1.0m，最长不超过12m，最小不低于6m；明挖非湿陷性黄土地段，加固深度6m。明洞段水泥土挤密桩顶铺设厚0.5m三七灰土垫层，灰土垫层压实系数不小于0.95。桩间土消除湿陷性，湿陷性系数不大于0.015，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，地基承载力不小于200kPa。桩身材料采用水泥土，当地基土天然含水量普遍小于10%，挤密桩施工前宜采取增湿措施，以达到挤密效果。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15%。

3 设备选择

大断面黄土隧道一般为V级围岩，采用三台阶预留核心土法进行隧道开挖，下台阶拱脚处至隧道初支轮廓线垂直高度为4.20m，传统的水泥土挤密桩设备无法施工下台阶拱脚处挤密桩，需要采用小型设备，以满足施工空间要求，为了方便施工和设备的移位，要求机架的高度以及工具提升高度不超过3.50m（图1）。所以采用电动打桩机架高为3.45m，重锤采用质量450kg，直径0.30m；洛阳铲直径0.40m。

4 施工工艺流程及施工工艺

4.1 施工工艺流程图（图2）

4.2 施工工艺

洛阳铲成孔挤密桩是洛阳铲由打桩机提升后，借助重力由下落切入隧道底部地层，掏出原状土而成孔。桩孔达到设计深度后，将打桩机上洛阳铲更换为重锤，并向孔内分层回填水泥土，利用重锤下落产生的能量对回填部位进行夯实。水泥土在冲击下被迫向桩孔四周挤压周边土。如此反复分层回填、分层夯实，形成复合地基，达到加固和消除黄土湿陷性的目的。

4.2.1 桩位测放

在隧道下台阶和仰拱开挖之后，初支封闭成环。根据基底水泥土挤密桩平面布置图及桩位图，通过坐标控制点准确定出每个施工桩位点，做好标识，经检验无误后，埋设PVC管，预留孔位，待初支结束回填后，进行水泥土挤密桩的施工。

4.2.2 场地平整

对下台阶和仰拱回填后的场地进行平整，认真检查场地土情况，对于松软土要进行处理。水泥土挤密桩在隧道内下台阶底面空间施工，施工时应结合其它工序施工组织，合理安排各桩施工先后顺序，制定机械运行线路和材料堆放场地等计划，尽可能减少各工序之间的施工干扰。

4.2.3 成孔

桩位精确放样后，桩基就位使洛阳铲对准孔位中心，调平、固定打桩机机架，保证成孔过程机架平稳，以确保桩体垂直度偏差不大于1.5%。

施工前在卷扬机钢丝绳上标出控制孔深的标记，保证孔深符合设计要求。首先采用0.15m～1.10m的小冲程进行开孔，当孔深超过1.10m后再采用正常速度成孔。打桩机将洛阳铲提升至最大高度，自由下落切入土层，在洛阳铲二次提升时，将铲内土抖落到下放空地或小推车内运出。洛阳铲反复下落取土，提升弃土，直至桩体设计深度。成孔后对孔位垂直度、中心位移、孔径及孔深进行检测。孔径允许偏差不超过设计值±50mm，经实测孔径为40cm～43cm。

4.2.4 水泥土回填夯实

成孔后经检测孔的各项指标合后及时夯填，严格根据工艺性试验所确定的施工参数进行施工，每层填筑高度35cm±2cm，每层夯击次数为7次，夯锤落距2.0m。回填过程中不宜间隔停顿或隔日施工。在向孔内填料前先夯实孔底。

水泥土分层回填夯实，逐层以量斗定量向桩孔内下料，采用全自动夯填机分层夯实。夯填前测量成孔深度、孔径，作好记录。

5 质量检测

水泥土挤密桩的质量检验包括桩身质量、桩间土密實度、单桩和复合地基承载力检验等，对湿陷性黄土地基还应检测桩间土湿陷系数。

桩身质量可采用成桩7～14天后采用重型动力触探、钻孔取样方法对桩身质量进行检验，检验数量不少于总桩数的2‰，且不少于3根；在全桩长范围内，在桩心附近采用钻机取样，每2m采取土样测定干密度，测点的位置应在距桩心2/3处，并换算成平均压实系数。

桩间土密实度可采用成桩7～14天后应对桩间土的处理效果进行检验，沿线路纵向连续每50m检验不少于3处；在桩间形心处、成桩挤密深度范围内采用钻机取样，每2m取样测定干密度并进行压缩试验，对湿陷性黄土还应进行湿陷性试验，计算最小挤密系数、平均挤密系数和湿陷性系数。

承载力检验在成桩28天后采用平板载荷试验，检验数量不少于总桩数的2‰，且不少于3根。地基承载力不小于200KPa。

6 施工要点

为确保成孔與回填夯实质量，应遵循以下施工要点进行施工：

（1）正式施工前必须根据实际成孔放啊和理论计算确定一个实验桩间距，并通过工艺试验进行验证。当地基处理效果达不到设计要求时，需对桩间距进行反复调整直至达到要求为止；（2）打桩机沿隧道纵向布置，成孔采用隔桩跳打法（间隔1～2个孔跳打），由中间向两侧，分4个层次进行施工；（3）打桩机就位后要保持平稳，夯锤与桩孔相互对中，确保夯锤能自由落入孔底；（4）桩孔回填夯实时，严格按照工艺性试验确定的每层填筑厚度与夯击次数进行挤密桩施工；（5）成孔后应及时回填，以免缩孔和雨水及异物等进入孔内；水泥土回填夯实采用连续施工，每个桩孔一次性分层回填夯实，直至原地面。不得间隔停顿或隔日施工以免降低桩的承载力；（6）为了保证桩头夯实质量，桩头应超出设计桩顶标高50cm，其上虚桩可采用黄土回填并清夯至地面；（7）水泥土拌制根据回填要求随拌随用，已拌和完成的水泥土不得放置超过6小时或隔夜使用，被雨水淋湿、浸泡的水泥土严禁使用按作废处理。下雨期间不进行水泥土拌制；（8）水泥土回填过程中，认真控制并记录每一个桩孔的填料数量与时间，发现问题及时处理。

7 水泥土挤密桩施工控制措施

水泥土挤密桩的施工是在隧道只有初期支护且仰拱还未封闭成环时进行的。由于非饱和湿陷性黄土含水率较低、土体处于硬塑状态时，重锤冲击振动可能对隧道初期支护和黄土土体产生不利影响。为保证施工的质量与安全，对其产生的冲击振动进行了监测与结果分析。振动监测结果表明：在成孔、成桩过程中，单机强夯作业时，最大振动影响范围约为5m，5m外的振动效应在允许范围之内。自桩顶以下1m范围内，振动速率最大值可达7cm/s，在1～4m范围内，振动速率最大值为4～5cm/s，均产生了较大振动速率，4m以下则基本满足规范要求。对初期支护结构的监测结果显示，水泥土挤密桩完成后，隧道初期支护表面无明显裂纹，拱顶下沉1～2mm，水平收敛2～3mm，即隧道内施工水泥土挤密桩时对隧道初期支护结构安全、温度性影响较小。

根据振动监测结果，为消除对隧道结构安全的不利因素，可采取以下有效措施进行控制：

（1）地面下1m范围内进行成孔时，应采取减振措施，如在顶部预钻孔、加水湿润、降低洛阳铲提升高度等；（2）安排各平行作业的机械位置之间的最小距离大于5m；（3）相邻两台机械不可同时在地面下3m范围内进行成孔和强夯回填作业；（4）回填夯实水泥土时，冲击次数以满足要求为准，不能盲目增加冲击次数，尤其要注意当水泥土挤密桩接近地面时；（5）对靠近初期支护的挤密桩，可采取多锤击、小冲程的方法进行施工。

8 结语

隧道内施工挤密桩由于空间狭小，场地受限，常规的水泥土挤密桩设备无法使用，本隧道根据实际情况采用了小型设备并辅以监控量测，采取有效措施控制挤密桩施工过程中振动对隧道初支结构的影响。通过水泥土挤密桩的施工，消除了黄土的湿陷性、基底承载力达到了设计要求。

参考文献

[1]Q/CR 9511-2014，铁路黄土隧道技术规范[S].

[2]TB 10106-2010，铁路工程地基处理技术规程[S].

[3]GB 50025-2004，湿陷性黄土地区建筑规范[S].