微型钢管桩在隧道临时掌子面加固中的应用

吕涛，董增春，高文立

（1.浙江数智交院科技股份有限公司，浙江 杭州 310000；2.杭州市交通规划设计研究院，浙江 杭州 310006）

0 引言

微型钢管桩由于截面较小、截面型心矩较小，单根钢管桩的抗弯能力较弱。其抗滑原理与普通桩钢筋混凝土抗滑桩有所不同[1]。普通钢筋混凝土抗滑桩刚度大，其变形主要由桩后土体产生压裂破坏引起；微型群桩抗弯刚度小，荷载作用下桩身发生挠曲变形且使桩间土体的塑性区发生交叉重叠，从而在滑面附近以及桩顶均产生较大变形。其抗滑效果不是由桩的整体抗滑能力来实现的，而是通过发挥微型桩的抗拉强度和桩土地基承载力的优势来抵抗滑坡推力的。

实际施工中，微型钢管桩往往配合土层注浆加固和喷锚支护使用，通过土层注浆提高被支护土层自身的岩土性质，喷锚支护后被支护土体临空面形成整体，将土压力传递给钢管桩，钢管桩通过下端的嵌岩作用和上端锚杆的吊拉作用形成支护力[2-3]。单排钢管桩抗弯刚度不足时，可通过增加钢管桩排数调节支护体的刚度，也可通过钢管内灌水泥浆形成钢管混凝土、增加桩身锚杆数量来增加支护体刚度。边坡加固后，可减小土体的位移变形速率，防止被支护土体有过大的松动而产生连锁反应，导致更大范围边坡的整体失稳。

1 微型钢管桩的优点

相较于大截面抗滑桩、挡土墙、锚喷支护等常规措施，微型钢管桩有如下优点：

（1）微型钢管桩支护效果好，可结合其他支护方式使用，抗横向力好[4]。微型钢管桩结合土体注浆和喷锚支护，与被支护边坡较好地形成整体，充分发挥土体本身的抗力，通过钢管桩下端的嵌岩和上端锚杆的吊拉作用，能较好地抵抗横向土压力，且钢材受拉受剪性能好，赋予支护体一定的柔性，在安全范围内允许坡面有一定的位移变形，弥补了钢筋混凝土抗滑桩受拉开裂的不足，对变形要求不大的临时支护场合尤为适用。

（2）微型钢管桩施工工艺较简单，布置灵活，适用范围广，施工面小，不需要大型机械设备，只需要钻机加注浆即可完成，对边坡的扰动小，施工效率高，在边坡滑塌等抢险救急场合优点显著。

（3）微型钢管桩刚度易调节，可根据现场实际需要调整钢管直径、在钢管内部压注混凝土形成钢管混凝土柱等方式提升钢管桩的刚度[5]。必要时可设置多排钢管形成微型桩群，进而调整支护的整体抗弯性能。

（4）微型钢管桩桩长易调节。微型钢管桩的施工一般先由钻机进行钻孔，桩长可根据桩的嵌固深度和实际钻孔情况进行动态调整，钢管本身焊接和切割容易，无需事先预制。当临时支护与施工主体在空间位置发生冲突，如隧道明暗洞交界处护拱位置范围内有微型钢管桩支护时，可对桩体进行切割处理[6-7]。

（5）施工效率高，造价低。微型钢管桩采用钻机钻孔，施工效率相对较高，工期短，相较于大直径的抗滑桩，造价也相对较低。

2 工程概况

西甄山隧道是义东高速东阳段上一座特长隧道，隧道进洞口为土质地层。设计暗洞施工方案为留核心土开挖，明洞临时防护为20cm 厚C25 喷混凝土+双层E6 钢筋焊接网 （15×15cm）、ϕ22 砂浆锚杆 （长3.5m，间距@1.2×1.2m）梅花形布置。明暗洞交界面垂直开挖施作护拱时，掌子面土石交界处的强风化岩石产生松弛并局部滑塌，造成已完成的支护体破损约10m2，护拱顶仰坡平台内侧喷射混凝土表面出现两处裂缝，裂缝长分别为4.5m、3.3m，缝宽约2mm。

此次仰坡滑塌的主要原因是不同地质结构交汇处岩石风化程度高，自稳能力差，加上护拱掌子面坡度陡，导致岩体失稳产生局部塌落。为保障施工的安全进行，防止掌子面出现更大范围的松动引发连锁反应而造成大面积仰坡失稳，采取了以下处理方案：

在明暗洞交界处包含局部坍塌的10m范围内，竖向打设一排长8m、间距0.5m 的ϕ108×6mm 注浆钢管，嵌岩深度不小于2m，钢管尾部采用ϕ22 钢筋焊接连成整体（钢筋排距1m），每根钢管两侧垂直掌子面各打设一根长5m 的ϕ42×4mm 注浆小导管，同时在掌子面自上而下打设四排长5m 的小导管、小导管纵横间距1×0.5m，梅花形布置，尾部采用ϕ22-U 型钢筋与ϕ108 钢管抱焊，排架钢管与岩面间采用双层E6 钢筋焊接网（15cm×15cm）和C25 喷混凝土支护，滑塌范围用C25喷混凝土填充密实。钢管桩加固前及加固后情况分别如图1、图2所示。

图1 钢管桩加固前（滑塌区用C25混凝土回填）

图2 钢管桩加固后

3 边坡监测

为监测隧道暗洞护拱基础开挖引起的掌子面变形，本项目在左洞掌子面上部地表设置了5 个沉降监测点，监测点布置及监测数据如图3所示。

图3 明暗洞交界处掌子面测点布置图

如图4所示，从现场监测数据可知，在采用微型钢管桩结合锚喷加固前，掌子面顶部累计下沉量不断增加，下沉速率最高达0.8mm/d，7d 内累计沉降量达5.8mm，坡顶地面开裂，掌子面有大面积滑塌失稳趋势。加固后，下沉速率明显减缓，最终趋于稳定，加固后至稳定的累计沉降值仅2.4mm。可见加固效果显著，加固方案安全可行。

图4 3#测点沉降量

4 数值分析

为更好地研究微型钢管桩在隧道掌子面的应用效果，有效推测加固后掌子面的整体变形，对本项目工况进行三维建模计算分析。

4.1 模型参数

本文在建模时对边坡参数进行适当的优化取整，模型范围宽度取掌子面微型钢管桩处理范围三倍以上，模型大小取60m×42m×36m。

为方便建模，对支护结构进行适当简化转换，钢管桩按刚度等效折算成混凝土连续墙，ϕ108 钢管尾部抱箍的两个小导管，按截面积等效简化为一根，与钢管端部结点耦合，小导管注浆对土体的加固效果通过提升土体的黏聚力和内摩擦角进行模拟。岩土单元采用摩尔库伦本构模型，混凝土、钢材采用弹性本构模型。各材料参数如表1所示。

表1 各地层及材料力学参数

4.2 施工工况

根据实际开挖工序，本项目分三步进行开挖支护。

（1）开挖深度2.5m，开挖后做仰坡和开完面施加20cm 后喷射混凝土，同时施作微型钢管桩，钢管桩嵌岩深度2.5m。

（2）开挖深度2.5m，开挖后掌子面施加20cm 后喷射混凝土，同时垂直掌子面施加4排注浆小导管，小导管长5m，纵横间距1×0.5m，梅花形布置。

（3）开挖最后2.5m，开挖后掌子面施加20cm 厚喷射混凝土。

所建模型及计算云图如5所示。

对左洞掌子面滑塌区加固后，施工阶段位移情况如图6、图7所示。

图5 三维计算模型图

图6 数模计算云图（竖向沉降）

图7 数模计算云图（总体位移）

4.3 计算结果分析

从计算云图中可见，隧道明暗洞交界处掌子面坡顶最大竖向沉降量为2.1mm，与实际监测中加固后累计沉降量2.4mm非常接近，该模型能较好地反应实际的施工工况。隧道掌子面整体最大位移仅5.75mm，整体变形量较小，满足施工技术要求。

5 结语

采用微型钢管桩结合锚喷支护，对隧道明暗洞交界临时掌子面的加固效果良好，能够满足安全施工的要求，施工效率高，作业面小，投入相对较小，比较经济合理。用本文的数值模拟分析方法，能较好地反映掌子面开挖时顶端发生的竖向位移，进而分析掌子面及明洞段边坡的整体位移变形，判断掌子面及边坡的加固效果和整体稳定情况，可为今后此类工程的处理提供借鉴和参考。