大断面湿陷性黄土隧道地基水泥土挤密桩加固技术应用研究

王文军

（中铁十八局集团第一工程有限公司，河北 涿州072750）

水泥土挤密桩加固技术是一种采用挖空成孔后将水泥土料混合注入孔中，然后分层夯实的地基处理技术。同时具有加筋和挤密作用。但水泥土成桩之后，强度比较高，并且强度提升速度比较快。经过多年的发展和完善，水泥土挤密桩加固技术设计理论、施工工艺、配套设施等愈发成熟。和传统深层搅拌桩相比，可有效杜绝深层搅拌不均匀造成的桩身缺陷及断桩问题发生。主要特点为以土治土，就地取材，施工工期比较短，被广泛应用在大断面湿陷性黄土隧道地基处理中。基于此，文章以张家园隧道为例，对大断面湿陷性黄土隧道地基水泥土挤密桩加固技术应用进行如下分析。

一、工程概述

张家园隧道位于陕西省延安市安塞县坪桥镇坪桥村瓦坪生产队，隧道最大埋深约210m，进口里程DK275+416，出口里程DK281+704，全长6288m，为单洞双线隧道。隧道地处中朝古地台陕甘宁台伊陕斜坡区，随址区广泛分布第四系砂质新黄土，湿陷系数бs=0，017～0.056。隧道进口处砂质新黄土试验报告不具湿陷性，隧道出口处及浅埋区DK281+410～DK281+535段砂质新黄土湿陷系数бs=0，024～0.041为中等湿陷新黄土，为Ⅲ（严重）级自重湿陷场地。隧道浅埋区DK279+225～DK279+385段砂质新黄土湿陷系数бs=0.041为中等湿陷新黄土，为Ⅰ（轻微）级非自重湿陷场地。

二、水泥土挤密桩加固技术原理及参数设计

（一）原理

利用沉管法在大断面湿陷性黄土中成孔，然后在孔中分层回填水泥土，逐层夯实。在沉管和回填时，桩基周围的土质会得到挤密加固，形成复合地基，从而实现对大断面湿陷性黄土沉降、变形、位移的有效控制，促使大断面湿陷性黄土隧道地基长期得到稳定性加固。

（二）参数设计

在本工程施工中，水泥土挤密桩呈梅花桩布置，间距为1.0mX1.0m，桩径为40cm，长度为6.0m。采用水泥土混合料。地基含水量低于10%时，水泥土挤密桩施工之前，通过人工增湿的方法，提升挤密效果。加固深度到湿陷层分界线之下0.5m，但最大不能超过12m，最小不能小于6m。如果采用明挖施工，则水泥土挤密桩的加固深度为6m，并在水泥土挤密桩顶部铺设厚度为0.5m左右的三七灰土地层，压实度不低于95%。水泥土挤密桩平面布置图见图1。

图1 水泥土挤密桩平面布置图

三、水泥土挤密桩加固技术的应用

（一）施工工序

水泥土挤密桩加固施工工序如图2所示：

图2 水泥土挤密桩加固施工工序图

从图2可以看出，水泥土挤密桩加固施工工序共分为8步，虽然工序比较少，但每道工序之间息息相关，任何一道工序控制不当，都会影响下一道工序施工质量，从而影响整体加固效果。因此，在具体施工中，必须严格按照水泥土挤密桩加固施工工序开展施工工作，并保证各道工序施工质量。

（二）放线定位

在应用水泥土挤密桩加固技术之前，需要结合工程平面设计图纸和桩位布置图，借助坐标控制点，精准定位每个水泥土挤密桩的具体位置，并用白灰标记，经过验收达到设计要求之后，再进行施工，并切实做好测量记录，桩位确定允许偏差为±5cm，桩径和桩长不能低于设计值，垂直度的允许偏差为1.5%。

（三）成孔

本工程水泥土挤密桩成孔时，采用了柴油打桩机锤击，沉管法成孔。当桩机就位之后，将桩机平稳固定，接着起吊桩管，精确对准桩位，并在桩锤和桩管之间垫好缓存材料，避免损坏桩管，利用桩锤下落形成的冲击能，将桩管打入土层中。在桩尖入土之前，要缓慢轻敲，入土1～2m之后，检测垂直度是否在允许偏差中，确认达到要求后，通过预定确定的速度、落距、锤击沉管到设计深度。在成孔过程中，桩孔垂直偏差要低于1.5%，如果超过1.5%，则要拔管重打，保证成孔质量。达到设计深度之后，立即关闭油门，然后匀速拔出沉管。

（四）水泥土拌合

本工程水泥土选择厂拌方式，对选择的土进行筛选，水泥掺入量控制在土量12%～20%之间，将二者充分拌合。通过自卸式运输车送到施工位置。水泥土拌合要遵循随拌随用的原则，已经拌合好水泥土，放置时间不能超过6h，更不能淋雨，浸泡。

（五）成桩

水泥土挤密桩填料夯实机采用偏心轮夹杆式夯实机，采用人工填料，分层回填的夯实方法。夯锤则选择下端呈抛物线垂体形的梨形锤，锤重150Kg，夯实直径300mm；填料前，先测量孔深是否达到设计要求，接着对孔底进行夯实，确保水泥土含水量达到最优状态下，才可向孔内进行分层回填夯实。夯锤落间距为600～700mm，填料每层30cm夯击8次，25～30次/min，夯击、填料交替进行，均匀夯实，均匀下料。夯实依据试验确定的参数连续施工，分层夯实至超过设计标高50cm时，不准间隔停顿及隔日施工避免降低桩的承载力。挤密桩成桩效果图见图3。

图3 挤密桩效果图

（六）施工质量检测

水泥土挤密桩施工完成7～10d之后，才能进行质量检测。桩身和桩间土形成复合地基，通过重型动力触探和钻机取样法对水泥土挤密桩施工质量进行全面检测，检测部位要以桩中心和桩间土为准，每2点为一组，并且检测组数不能低于总桩数的2‰，最小不能低于3根。桩间土消除湿陷性，湿陷性系数要低于0.015，桩间的土层平均挤密系数大于93%，复合地基承载力要高于200KPa。具体检测方法如下：

桩身密度检测：在全部孔深中，每1.0m取土样进行干密度检测，检测点距孔心2/3的位置。

桩间土检测：在水泥土挤密桩之间中心点的附近，成孔挤密深度范围内，每1.0m抽取土样进行湿陷性、干密度、压缩检测试验。确定桩间土干密度和最大干密度之间的比值，也就是最小干密度系数。

复合地基承载力检测：需用平板荷载试验检测确定。

水泥土挤密桩垂直度、有效直径允许偏差等数据需全部达到表1的标准要求：

表1 水泥土挤密桩施工允许偏差、检测数量、检测方法表

四、施工效果分析

张家园隧道经过水泥土挤密桩加固技术处理之后，质量检测结果如表2所示：

表2 水泥土挤密桩加固质量检测结果表

从表2中可以看出，本工程大断面湿陷性黄土隧道地基，经过水泥土挤密桩加固技术处理之后，地基湿陷性基本消除，达到0.008，远小于设计标准的0.015，且地基刚度比较均匀；桩体压实系数为1.21，远大于设计标准的0.97；复合地基承载力达到312.6KPa，也大于设计的200KPa；挤密系数为0.98，远远大于设计的0.93。表明通过水泥土挤密桩加固技术适宜于大断面湿陷性黄土隧道地基处理，加固效果明显。

五、施工体会

第一，虽然水泥土挤密桩加固技术施工工艺比较简单，但在施工之前，需要进行工艺性试验施工，并合理确定施工工艺和控制参数。确保水泥土拌合及回填在初凝之前完成，配制若超过6h严禁使用，要重新配制。

第二，在具体施工中，一旦发现地基土质和勘察结果不相符，要立即停止施工，对振动沉入时间、锤击次数及发生问题的原因、处理方式都需记录详细。

第三，在成桩过程中，随时观测桩顶上升和地面升降，若遇桩顶上升过大可能发生断桩，需立即对成桩工艺进行调整。

第四，水泥土挤密桩施工属隐蔽性工程，施工过程必须严格执行三检制度，施工现场经监理工程师确认合格后，才可转入后序施工。

结束语

综上所述，本文结合工程实例，分析了大断面湿陷性黄土隧道地基水泥土挤密桩加固技术应用，分析结果表明，大断面湿陷性黄土是隧道工程施工中比较常见的地质，需要进行科学合理的处理，否则会影响施工质量。水泥土挤密桩加固技术作为一种隧道地基处理技术，将其应用在大断面湿陷性黄土隧道地基中，可有效消除地基湿陷性，提升地基承载力，满足施工及后期运营的要求，值得大范围推广应用。