山区公路隧道充填型溶洞软弱地基注浆钢管桩加固施工技术

李建合，伍锦智

(广西新发展交通集团有限公司，广西 南宁 530029)

0 引言

广西西北部山区高速公路大多修建于喀斯特地貌之上，桥隧比高达80%。由于山体岩溶的发育，隧道工程往往需要穿越溶洞、地下河等不良地质，且由于地下河流域发育的影响，溶洞内部充填着大量的砂土、黏土层、黑土层和黏土夹角砾碎石等溶洞充填物。

目前处治隧道底部岩溶软弱地基的方法一般有桥梁跨越法和树根桩加固地基法。其中，采用桥梁跨越法在施工过程中对隧底围岩和隧底原状土层的干扰较大，而且施工周期长，桩基需要入岩，对隧道基底地质情况要求较苛刻，不适用于隧道初期支护承受较大围岩荷载的情况，且施工成本较高。而对隧底填充物较厚的溶洞采用树根桩加固地基法的施工工艺不够成熟，在隧道施工具有较大的局限性，且对钻孔设备和钻孔工艺的要求较高，灌注混凝土的质量较难保证，施工周期相对较长，施工成本较高，存在施工安全风险。在处治大型隧道岩溶软弱地基或跨越溶洞时，既要考虑施工安全和施工质量，又要考虑结构在使用运营期间的永久性安全。

针对桥梁跨越法和树根桩加固地基法的不足，采用注浆钢管桩加固施工工法加固溶洞地质软弱地基，既可提高基底承载力，降低施工过程中对原有土体的干扰，又保证了隧道溶洞处治安全有效的开展，且不影响其他工作面的施工。其不仅加快了施工进度，同时在保障施工质量、进度、效益等方面取得了一定的突破，避免二次病害的发生，取得了良好的社会效益和经济效益。

1 注浆钢管桩加固施工技术特点

1.1 质量保障

运用钢套管跟进深孔钻探技术，防止塌孔，可以有效地减少来自外部的施工用水对隧底原状土层的影响，能更有效地加固溶洞地质段隧底软弱地基。

1.2 施工周期短

能有效地提高施工效率，有效提升岩溶处置施工进度。该工法不会影响其他工作面的正常施工，能达到快速、安全施工的目的。

1.3 适应性强

施工过程中对隧道底部原土体干扰小，可操作性强。

2 技术原理

注浆钢管桩处治岩溶区隧道充填型溶洞软弱地基施工工艺，先采用大功率(120 kW)且具备深孔钻探能力的履带式半自动多功能钻机对隧道底部进行超前钻孔探测地质情况，了解溶洞的发育范围及填充物范围，然后采用履带式半自动多功能钻机钻孔、套管跟进、安放钢花管，钢管验收合格后从下往上进行压浆，浆液凝固前进行二次注浆，是一种加固改良基底的处治方法。该处治方法提高了隧底溶洞填充物的地基承载力，确保了隧底结构施工质量和施工安全。

在处理岩溶区隧道充填型溶洞软弱地基时，采用注浆钢管桩施工工艺，将钢管桩深入地下基岩或深入到一定深度土体中，通过钢管桩将上部隧道结构荷载传递到隧底基岩和隧底土层中，从而保证隧道溶洞段隧底地基承载力满足要求，实际地基承载力需要满足设计要求。通过合理地布设钢管桩的位置、长度、尺寸及角度，以保证隧道溶洞段整体结构的受力合理性。见下页图1。

图1 注浆钢管注浆技术施工工艺流程图

3 工程实例

广西贺州至巴马高速公路(都安至巴马段)№1合同段弄莫隧道进口左洞ZK362+589～ZK362+637段(48 m)，原设计为Ⅴ级围岩，采用S5-A进行支护，隧道埋深为28～31 m。在隧道掌子面上台阶实际开挖过程中，掌子面揭露为软塑状红黏土充填型溶洞。于2018-12-18揭露溶洞，然后停工进行溶洞地质勘探和定制处治方案等。针对弄莫隧道左洞充填型溶洞，采用C6XP多功能钻机对溶洞发育范围内进行超前地质探测。处治方案确定后，从2019-04-05开始进行溶洞地基处治施工，采用注浆钢管桩加固施工工法处治溶洞软弱地基，至2019-06-30对弄莫隧道进口左洞溶洞软弱地基处治完毕，总共施工工期为86 d。

4 施工方法

4.1 地质勘探、取土样进行试验检测和分析

采用地质雷达和多功能地质钻机进行现场钻探，以确保探测成果精度。如溶洞构造复杂，必要时应委托设计院岩土地勘单位进行详细补勘，以保证对溶洞的规模、形态等要素有准确、清晰的认识。具体加固深度应根据现场情况进行确定，一般先进行掌子面超期水平钻孔探测，然后纵向每间隔4.0 m一个断面，隧底布置三个探孔，左右边墙各布置一个探孔。钻孔探测布置图详见图2。

4.2 确定注浆钢管桩的钻孔直径、深度、钻孔间距等

根据现场勘探结果、溶洞充填物取样检测结果、浅层平板静载试验结果等检测资料，确定采用密集型树根桩+钢管桩结合，桩顶设置混凝土垫台加固隧道基底。参考设计图，结合现场施工情况进行工艺优化和改进，确定采用注浆钢管桩加固地基，钻孔直径为25 cm，孔内安装φ108 mm钢花管，采用强度≥35 MPa的压浆材料进行钢管桩灌注。

图2 钻孔探测平面示意图(m)

钢管桩按平面布置图进行布置，隧底两侧横向间距为70 cm，中间横向间距为100 cm，纵向间距为85 cm；隧底两侧钢管桩长度≥20 m或入岩深度≥8 m。见图3。

图3 注浆钢管桩布孔平面图(cm)

4.3 现场测量放样

在现场测量放样的过程中，为确保钻孔点定位准确，应在放样点打入φ4 cm、长度为50 cm的圆木进行准确定位。根据注浆钢管桩布孔平面图，隧道两侧桩位横向间距为70 cm，中间桩位横向间距为100 cm，桩位纵向最大间距为85 cm。现场桩位测量放样需要严格按照设计参数进行，不可随意改变钢管桩之间的桩位和距离，以免降低地基承载力。对每一根钢管桩进行编号，测量放样后，在钻机就位前，应对放样点进行复测，由现场技术员报监理工程师检验复核后才能进行下一步工序，确保放样点位置准确。

4.4 钻机就位及钻孔

对斜桩一般可选择任意调整主轴角度的油压岩心回转钻机。通常螺旋钻杆叶片外径为200 mm，螺距与叶片外径比通常为0.70左右。钻机就位必须按对中、整平、固定的程序进行，设备就位对中的允许偏差为2 cm，主动钻杆垂直度偏差要<1%。钻机就位后，应按照施工设计的钻孔倾角和方位，调整钻机的方向和立轴的角度，要求桩位偏差应≤20 mm，直桩的垂直偏差≤1%，斜桩的倾斜度按设计要求作相应调整。

根据设计图，注浆钢管桩设置在隧道底部，中间的钢管桩垂直往下，两侧的钢管桩斜往两侧，有一定的角度。由于隧道底部溶洞充填物为黏土夹石，黏土含水率较高，为防止钻孔过程塌孔或缩孔，在钻孔全过程釆用钢套管跟进，钻孔采用干钻，避免了外来施工用水对基底持力层造成破坏。套管直径比钻孔直径稍微小一点，且在压浆后钢套管拔出，可重复利用。依据地质勘测结果确定注浆钢管桩钻孔入基岩的深度以及桩长，若隧底两侧钢管桩不能打入基岩，要求其长度应≥28 m；若隧底中间钢管桩不能打入基岩，要求其长度应≥15 m。

4.5 清孔及验孔

钻孔深度达到设计要求或入岩深度>2.0 m后，钢套管及时跟进，防止塌孔或缩孔，影响钻孔的直径。成孔后采用高压风进行集中清孔，直至孔口无粉尘或砂砾吹出，可判定清孔完成，然后进行桩基钻孔深度和清孔验收。

4.6 安装φ108 mm×8 mm钢花管

钻孔和清孔完成后，进行φ108 mm×8 mm钢花管安装。根据注浆钢管桩设计图，桩孔内放置φ108 mm×8 mm钢花管，一节钢管4 m长，管壁四周交替钻φ15 mm压浆孔，间距为15 cm；管周焊接φ10 mm为加劲箍，一节钢管焊接3～4个，确保φ108 mm钢管在孔内居中。φ108 mm钢管两端开牙，钢管两端采用外套筒连接。施工时分节吊放，确保每一节钢管连接到位，每一节钢管加劲箍焊接到位，确保钢管居中。为了方便压浆，在钢管底端1 m范围交错加工3～5个φ4 cm左右的压浆孔，在钢管底端加工成圆锥状，底部焊接三根φ16 mm钢筋，长度为50 cm，以使管底与孔底有一定的空间，方便压浆料从孔底往上冒。灌注压浆料前，安装钢花管时在管外侧预埋两根φ2 cm的通长打孔铁皮管，作为二次压浆管。钢管分批安装完成后，进行下一步施工。

4.7 桩身深孔注浆

钢花管安装到位后，立即进行注浆。注浆采用水泥浆，注浆泵的最大工作压力≥1.5 MPa。开始注浆时，从1 MPa的起始压力将浆液经注浆管中压出，接着压力调至0.1～0.3 MPa，使浆液逐渐上冒直至浆液泛出孔口即停止。

水泥浆液采用32.5R号普通硅酸盐水泥，水灰比为0.45～0.5。配制浆液时注意搅拌罐中严禁有杂物及硬块，最后进行打压注浆。

第一次注浆后稳定30 min左右再进行第二次注浆，第二次注浆应边注浆边将注浆管向外拔。

钢管桩灌注压浆料采用从下往上注浆的工作原理，现场准备好压浆机和携带式灌浆料高速搅拌机设备，备足压浆材料，采用现场拌制浆液。压浆时将注浆管从φ108 mm钢管中间插入，深入到桩底，然后开始注浆，第一次注浆压力控制在0.3～1.0 MPa，由孔底使浆液往上冒，浆液泛出孔口即停止注浆。压浆过程中一边搅拌和压浆，一边提升钢套管，确保桩身充填密实，钢套管提出后及时清洗干净。当回填材料上冒至孔口位置时，且钢管周边浆液上冒均匀，可认为灌注密实，然后将注浆管拔出。由于浆液具有较好的流动性，浆液从桩底往上冒，保证了桩身的密实性。一根钢管桩注浆完成后，进行下一根钢管桩注浆。注浆完成后，需要暂停施工，并及时将注浆管清洗干净。第一次注浆完成后，在φ108 mm钢管与孔壁的间隔采用橡胶圈堵塞，然后再用含水玻璃的浆液二次封堵固结，固结深度≥30 cm，并采取焊接卡扣加固橡胶圈；φ108 mm钢管管口采用橡胶塞堵塞，管口外焊接钢筋卡住，为确保二次注浆能提高注浆压力，使浆液能渗透到桩周土层中，可扩大注浆半径，提升钢管桩注浆质量。

φ108 mm管口和桩顶孔口封堵示意图如图4所示。

图4 一次注浆完成后对孔口和φ108 mm钢管口封堵示意图

管口封堵完成后，可进行二次注浆，二次注浆采用压浆压力为2～4 MPa。注浆完成后，如有浆液凝固回缩或回落时，注浆压力下降较快，应再次及时补充注浆；如注浆速度<5 L/min，持续时间5 min后注浆压力下降较慢即可停止注浆。见表1。

表1 钢管桩注浆参数表

5 结语

在处治山区公路隧道大型充填型溶洞软弱地基时，注浆钢管桩加固施工方法与桥梁跨越、树根桩加固地基施工方法相比较，注浆钢管桩加固有较大的优势。该方法加固溶洞地质软弱地基，能提高基底承载力，降低施工过程中对原有土体的干扰，既保证了隧道溶洞处治安全有效地开展，又不影响其他工作面的施工。其不仅加快了施工进度，同时在保障施工质量、进度、效益等方面取得了一定的突破，避免二次病害的发生，取得了良好的社会效益和经济效益。