隧道地基钢管桩注浆加固处理技术应用

周广宇

摘要： 本文着重介绍了隧道软弱地基加固的新工艺——注浆加固。该工艺通过地基钢管桩注浆，从而有效地控制了地基下沉和围岩变形，突出了其优越性。此外还简述了注浆加固法地基加固施工工艺流程及工程应用实例。

关键词： 地基钢管桩注浆加固

Abstract: the paper introduces the weak foundation reinforcement of the tunnel new technology-grouting strengthening. This process through the steel pipe pile foundation grouting, so as to effectively control the foundation sink and surrounding rock deformation, highlighted its advantage. In addition, it also describes the grunting reinforcement method foundation reinforcement construction procedure and examples of engineering application.

Key words: steel pipe pile foundation grouting strengthening

中图分类号：U45文献标识码：A 文章编号：

1 前言

当隧道通过软弱围岩时，往往由于隧道基底围岩软弱、破碎，地下水发育，全风化明显等原因，实测隧道地基承载力小于设计0.15Mpa时，需要对隧道基底进行处理，消除隧道变形、下沉、边墙挤压等隐患。

采用对隧道软弱地基进行注浆从而达到加固地基的工艺目前得到了广泛的应用。该工艺具有施工准备快、循环周期短、加固效果理想等诸多优点，对于隧道迅速通过地质较差围岩段，保证合同工期以及确保隧道运营安全起到了积极作用。

2隧道地基钢管桩注浆加固

2.1定义：当隧道地基承载力不能满足设计要求时，按一定参数打入一定长度的注浆钢管，通过注浆机对隧道地基围岩注入水泥浆液，固化围岩，提高围岩强度的施工工艺。

2.2隧道地基加固工艺流程

2.2.1 按设计做好隧道上、下断面的开挖及支护。

2.2.2 注浆准备，包括调试注浆机、配置浆液等。

2.2.3隧道底部按1m～3m分段开挖至仰拱底部。

2.2.4 抽除地下水后立即施作仰拱，暂时闭合成环，仰拱浇注时按设计参数预留注浆孔（埋设钢管）。

2.2.5 当仰拱混凝土强度达到设计强度50％后，立即施作仰拱填充。

2.2.6 当填充混凝土强度达到设计强度 50％后，按照前面预埋钢管位置打入注浆钢管。

2.2.7 计算理论注浆量，然后对注浆钢管间隔注浆，当相邻钢管有浆液流出后再持续注浆1分钟即可。

2.2.8 采用高一等级砂浆对注浆孔封闭，防止浆液和地下水渗出。

2.2.9 进入下一循环作业。

2.3钢管布置参数选择及注浆钢管加工

2.3.1 注浆加固参数选择与地基地质情况有关，考虑因素总的说来有两点：一是根据围岩的孔隙率，二是根据地下水发育情况。当围岩孔隙率较大和地下水发育时，扩散半径相应较大，也就是注浆钢管间距适当加大，反之注浆钢管间距缩小。具体施工中间距一般为50cm～100cm，为了使浆液比较均匀分布，一般采用梅花型布置。具体布置见图－1。

图－1 注浆钢管布置正面、平面图

2.3.2 注浆钢管加工

注浆钢管周边设置注浆孔，注浆孔直径10～20mm，纵向间距20～50cm，具体设置见图－2。

图－2 注浆钢管加工图

2.4 注浆量理论计算

注浆前，首先应该从理论上计算单根钢管的注浆量，这样第一可以避免材料浪费，第二可以防止注浆量过多引起压力过大，进而影响地基结构。计算理论注浆量，首先取隧道底部原状围岩，进行孔隙率β测定，一般软弱围岩的孔隙率β为0.10～0.20。我们以1m×1m梅花型布置，所用钢管桩内径D＝65mm，扩散半径为r＝0.5m，孔隙率测定为β＝0.15为例，来计算每米钢管桩的理论注浆量。浆液分为两部分组成：钢管内残留量和围岩内渗透量。

残留量V1＝π×（D/2）2×1＝π×（0.0325）2×1＝0.003m3

渗透量V2＝β×（π×r2×1－V1）×1＝0.15×（π×（0.5）2×1－0.003）＝0.117m3

每米理论注浆量V＝V1＋V2＝0.12m3

根据钢管长度，计算出注浆量，在注浆时准确记录，不要有太大偏差，因为有的时候，设计注浆压力是偏大的，只能根据注浆量来控制，否则较大注浆压力容易引起仰拱及填充上鼓、变形甚至断裂。

2.5注浆压力控制

设计图纸的注浆压力一般控制在0.5Mpa～1Mpa，在实际操作时，这个压力只能作为参考值，建议主要靠注浆量来判定是否注浆完成，我们举例说明注浆压力相对过大的不妥之处：

隧道基底个别地段地下水较为发育，也就形成了仰拱下相对连通的流体围岩，虽然注浆钢管内径仅为65mm，根据连通器原理，地下注浆所影响面的压强基本和压力表显示相近，我们以注浆压力P＝0.3Mpa为例，例如影响半径为3m，根据压力计算公式F＝P×S该范围压力F＝300Kpa×π×9m2＝8482kN抵抗来至基底压力的结构主要由三部分构成：

一是混凝土自重：按填充50cm厚计算，该范围填充混凝土重量为：

W1＝π×9m2×0.5m×2200Kg/ m3×9.8N/Kg＝305kN

二是钢筋受拉所承受的力：钢筋设计规范，单根φ18钢筋抗拉为：

490000 Mpa×π×0.009m2＝125kN

按单边3m布置6榀×4根/榀＝24根计算，钢筋所能承受的拉力W2＝24×125＝3000kN

三是混凝土自身抗拉强度所承受的力：

单边抗折面积S＝3m×0.5m＝1.5 m2

C20混凝土轴心极限抗拉强度P＝1.72Mpa（根据混凝土试验规范）

W3＝P×S＝1.72×1.5＝2580kN

单边所能承受的压力W＝W1＋W2＋W3＝305＋3000＋2580＝5885kN

由上面计算得出:注浆压力达到0.3Kpa引起的压力F＝8482kN＞W＝5885kN可以知道，该范围来自基底的压力相当大，加上分段处理有很多施工连接缝，连接缝抗拉会受一定影响，当单边受拉过大时，可以对仰拱及填充造成一定的破坏，甚至引起仰拱及填充断裂。

2.6 注浆过程控制要点

除了上面提到的要注意注浆压力和注浆量外，注浆过程中要合理安排注浆顺序，尽量采取先中间、后两边的间隔注浆顺序，这样做的目的一是为了理想的挤压地下软弱围岩向两边“流动”，使注浆获得比较好的效果。二是尽量减少注浆压力扩散面，减少对仰拱及填充的扰动。注浆顺序见图－3。

图－3注浆顺序图

2.7注浆主要材料、设备

材料：水泥浆或双浆液。

设备：压力0.1Mpa～1.0Mpa注浆机。

其他材料包括钢管、套管等,不再敷述。

3 工程实例

清水隧道位于洛湛铁路永岑段第YQ9标段，工程地质为：上覆土层为第四系冲洪积，坡洪积，粉质粘土及软粉质粘土；下伏地层为奥陶系中统缩尾岭群，石英砂岩夹页岩。地表水及地下水发育，风化带较厚，工程地质条件较差，对隧道施工有一定影响。洞口段DK439＋346～DK439＋400隧道地基软弱，地下水十分发育，设计采用Φ75mm钢管桩注浆加固，单根长5m，注浆压力0.5Mpa～1Mpa，提高地基承载力。

开始施作注浆时，由于地下围岩呈“流体”状，按照设计注浆压力进行注浆。注浆时间没有硬性控制指标，只靠压力表来确定注浆是否完成，当达到0.8Mpa时，由于压力过大，引起仰拱填充出现明显裂纹，我部立即停止注浆，分析原因，然后计算出理论注浆量V＝0.12m3/m×5m＝6 m3，通过控制注浆量和采用间隔注浆。实际施工中，当注浆量达到0.6 m3，一般注浆压力为0.3Mpa～0.6Mpa，虽然个别注浆孔没有达到设计注浆压力，但是根据孔隙率计算，地下软弱围岩固化已经满足设计要求，通过对围岩进行量测和预压，围岩变形得到控制，地基承载力达到设计要求。

4 心得体会

随着我国道路交通的跨越式发展，为了确保工程质量，确保运营安全，对隧道软弱地基的处理要求将会更加严格，因隧道地基钢管桩注浆加固在施工中有着诸多优点，应用将会更加广泛。

在施工中，我们只有控制好注浆量和注浆压力这两个重点，就能够加快地基处理速度，提高地基处理的效果。

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。