黄土隧道地基钢管桩处理技术总结

■申星宇 ■中铁二局第四工程有限公司，四川 成都 610306

1 工程概况

(1)工程概况。新仪张隧道区段(DK601 +090～DK601 +400)勘探深度范围内地层为第四系上更新统坡洪(Q3dl+pl)新黄土与(Q2pl)老黄土，具有湿陷性，采用钢管桩加固，桩径50mm，间距1.0mX1.0m，梅花形布置。

(2)水文地质特征。勘探深度范围内未见地下水。(3)主要工程数量。DK601+090～DK601+400 隧道地基φ50 钢管桩总长度为48580m。

2 适用范围

本工点微型钢管桩施工方法适用于台阶法隧道开挖时先施作仰拱初期支护，使初支封闭成环，保证围岩稳定，再进行软弱地基加固。

3 施工工艺流程及操作要点

3.1 施工工艺流程

3.2 施工准备

3.2.1 技术准备

绘制钢管桩桩位布置图，并注明桩位编号及施工说明。

3.2.2 测量放样

根据施工图纸要求，通过预埋PVC 胶管布置桩位图，并用红油漆作好记号。

3.2.3 材料配置

(1)钢管。新仪张隧道基底钢管桩采用Φ50 无缝镀锌钢管，壁厚6mm。钢管桩上钻注浆孔，孔径10mm～20mm，孔间距150～300mm，呈梅花形布置，尾部留不钻孔的止浆段100cm，见下图1 所示。

图1 钢管桩构造示意图

(2)水泥浆。钢管桩注浆所用水泥浆液施工配比由试验确定，现场使用砂浆搅拌机拌制。

3.2.4 机械、人员配置

本工程主要施工机械为XL-40 旋喷钻机2 台，4 人作业;KBY-50砂浆搅拌机1 台，2 人作业;注浆机1 台，2 人作业。

3.3 施工工艺及操作要点

3.3.1 钢管桩加固作用机理

钢管本身具有较大的抗压强度，同时水泥浆液在压力作用下能和地基土之间紧密结合并在桩周围的土质中扩散，填充了土颗粒间的空隙。通过水泥浆体的摩擦力产生的张拉和压缩力能转移至土中，提供了土的径向摩擦力和弯曲硬度，而且起到防腐的作用，使钢管桩与地基土之间有更好的摩阻力并满足设计使用年限，改善了湿陷性黄土的土质力学性能，满足承载后的地基沉降要求。

3.3.2 钢管桩加固措施

为了增加地基的承载力，消除湿陷性，新仪张隧道暗挖段基底湿陷性黄土采用Φ50 钢管桩(钢管桩内注入水泥浆)加固处理。

3.3.3 钻孔施工

(1)施工方法。①钻孔宜在仰拱初期支护闭合成环后施作。一是为了尽早封闭围岩保证围岩的稳定，二是施作仰拱初期支护后钻孔机械能置于坚硬的基面上，更宜施工。②为降低扬尘，钻孔的同时需在孔眼处洒水降尘。

(2)质量控制。①钻孔前复核桩孔中心位置，如偏差大于50mm 则应调整预埋管道位置或重新选点钻孔。②桩孔时应垂直于基面，钻孔的垂直度偏差不大于1.5%。可采用在钻机行走轮胎旁喷油漆的方法进行观察，如发现钻机偏移量超过允许值时必须马上停止钻孔作业，待调整钻机位置至原油漆处后才能重新钻进。③成孔直径不小于60mm，并满足设计孔深。④成孔满足要求后使用高压风管将孔中的土屑等杂物清理干净，然后使用土工布条堵塞孔眼，以避免土屑等杂物进入孔中。

3.3.4 安装钢管

(1)施工方法。①由于钢管桩较长，钢管采用分段接长的方法安装至设计长度，节段间采用内连接套的方法连接。②钢管桩安装完成后将孔口处钢管与孔壁之间的缝隙填塞封闭，保证后续的注浆质量。

(2)质量控制。①为保证钢管间的连接质量，首先需要保护钢管桩的管端(即套口端)，防止有损伤和变形。②连接前，应检查钢管桩的管口有无变形和损伤，如发现有局部变形应进行修复或替换。③孔口处钢管与孔壁之间的缝隙需保证填塞密实，以保证注浆压力的控制。

3.3.5 确定注浆参数

(1)理论注浆量计算。计算理论注浆量一是可以避免材料的浪费，二是可以防止注浆量过多引起压力过大，进而影响地基结构。

每延米钢管桩的理论注浆量计算公式为:

式中:β 为实际测定的基底围岩孔隙率;r 为实际测定的基底围岩扩散半径(m);D1为钢管外径(m);D2为钢管的内径(m)。

经测定新仪张隧道暗洞段地基软弱围岩空隙率β=0.18，扩散半径r=1m，钢管外径D1=0.05m，钢管内径D2=0.044m，代入公式得出V0=0.567m3。

单根钢管桩的理论注浆量计算公式为:

式中:L 为单根钢管桩长度;V0为每延米钢管桩理论注浆量。试验段单根钢管桩设计长度为9m，代入公式得出V=5.01m3。

(2)试验方法:选定3 跟钢管桩，分别使用水灰比0.8:1、水灰比1:1和水灰比1.2:1 这三种配合比注浆。注浆时当压力达到0.5Ma 时停止注浆，间隔10min 后再持续注浆，这就是“间隔注浆”。当注浆量达到理论注浆量时，同时记录注浆终压。同时通过监控量测观察基底变形情况，以确定注浆终压，防止基底鼓涨，导致破坏结构。

(3)注浆参数的选定。经过试验，发现使用水灰比0.8:1 的水泥浆注浆达到理论注浆量时的注浆终压为1.7Ma，通过监控量测观测基底有较小变形现象发生;使用水灰比1:1 的水泥浆注浆达到理论注浆量时的注浆终压为1.3Ma，并且通过监控量测观测基底无变形现象发生;使用水灰比1.2:1 的水泥浆注浆时，通过监控量测观测基底虽无变形现象发生，但是达到理论注浆量时的压力仅为0.9Ma，不满足设计要求。因此最终选定使用1:1 水泥浆，注浆终压控制为1.3Ma。

3.3.6 拌制水泥浆液

水泥浆液要严格按照水灰比为1:1 的比例配置，配置时水泥以每袋50Kg 计算，用水通过事先计量过的容量为50Kg 的水桶加入搅拌桶。水泥浆在搅拌桶内至少搅拌3 分钟后才可以使用，从而达到搅拌均匀。水泥浆需随拌随用，如果遇设备故障或其他原因致使水泥浆液搁置时间超过20min，应将浆液废弃。

3.3.7 注浆

(1)施工方法。①注浆过程中要合理安排注浆顺序，采取先中间，后两边的间隔注浆顺序(见下图2)。这样做一是挤压地下软弱围岩中的地下水向两边“流动”，避免在注浆加固体中产生“囊状饱和水围岩”，使注浆获得更好的效果。二是可以减小注浆压力扩散面，减小对地基的扰动，确保施工质量和安全。②注浆时安排专人负责记录注浆量和注浆压力，注浆量通过在搅拌桶内画刻度线的方法计算，注浆压力从压力表上读取。设定当压力达到0.5Ma 时要暂停注浆，间隔10min 后再持续注浆，这就是“间隔注浆”。因为此时注浆孔附近浆液比较集中，在同等压力下浆液扩散较慢，所以间隔10min 再注浆是为了让浆液适当扩散，提高注浆效果。③注浆结束后用高一等级的水泥浆填塞孔眼。

图2 钢管桩注浆顺序示意图

(2)质量控制。①注浆结束标准:注浆过程中，压力逐渐上升，流量逐渐减小，当压力达到注浆终压，注浆量达到设计注浆量的80%以上，可结束该孔注浆;注浆压力未能达到设计终压，注浆量已达到设计注浆量，并无漏浆现象，也可以停止该孔灌注。②注浆压力与基底围岩、围岩孔隙率、地下水发育情况等都有关系，存在不确定性，同时压力过大会对隧道基底产生破坏，所以实际施工中以控制注浆量来控制注浆压力，以评定注浆量是否达到理论注浆量来判断是否完成注浆。③达到注浆结束条件后不要立即拆除注浆管路，应稳压至少3min 观察压力表的变化，如压力下降过多，需再次注浆，确保基底围岩达到“饱和水泥浆”状态。

4 总结

4.1 注浆压力的有效控制

通过注浆记录的分析，当压力达到0.5Ma 时注浆量一般为理论注浆量的60%，如持续注浆，则压力持续上升，达到理论注浆量时压力可达到1.6Ma～2.0Ma，同时通过监控检测发现基底围岩有变形现象的发生。而通过“间隔注浆”，当压力达到0.5Ma，停止10min 后再持续注浆直至理论注浆量的压力一般为1.1～1.3Ma，基底围岩无变形现象。说明通过控制理论注浆量和采用“间隔注浆”的方法来避免因注浆压力过大而引起地基仰拱变形的措施是可行的。

4.2 地基钢管桩加固效果检测

4.2.1 桩间土挤密效果检测

按设计要求沿线路纵向连续每50m 抽样检验4 个点，在孔之间形心点附近，成孔挤密深度内，每1m 取样测定其干密度、挤密系数和湿陷系数。经检测桩间土最小挤密系数为0.90，平均挤密系数0.95，平均湿陷系数为0.009，满足设计要求。

4.2.2 桩基承载力检验

设计要求检测数量为总桩数的2‰，且不小于3 根。新仪张隧道钢管桩共4340 根，所以沿纵向每35m 检测一根，共9 根。经平板荷载试验，单桩复合地基承载力为190～210Ma 之间，符合设计要求大于180Ma。

4.3 质量控制要点

通过新仪张隧道钢管桩加固黄土隧道地基的施工中可以得出，保证钢管桩加固的作用效果，需要控制以下内容:

钢管桩质量控制要点表

其中特别需要的注意的是防止注浆压力过大对围岩地基产生破坏，所以准确计算理论注浆量和准确记录实际注浆量就显得特别重要。

4.4 施工改进措施

新仪张隧道属于Ⅴb 围岩，要求仰拱与掌子面距离不得大于35m，这就要求钢管桩需要及时迅速的施作。通过上诉施工方法，在新仪张隧道地基钢管桩施工中虽然基本能够满足施工进度的要求，但是由于与栈桥的“交叉”阻碍，会影响钻机的钻孔作业。因此建议改进钻孔机具，向更加轻便、灵活的方向发展。二是钢管桩注浆以控制注浆量来控制注浆压力，因此注浆量的准确性就显得特别重要。本隧道注浆量是通过在制浆桶上划线来确定，存在较大误差，因此建议使用能准确记录注浆量的注浆机具。

5 结束语

在新仪张隧道暗洞段(DK601 +090～DK601 +400)的地基处理施工中，经过以上过程的控制，在减小对初期支护不良影响的同时，通过后期的监控量测证明实现了隧道软弱地基的零沉降。说明隧道地基钢管桩注浆加固从围岩孔隙率和地下水发育情况着手，计算理论注浆量，通过控制注浆量和注浆顺序，来避免出现因压力过大引起地基变形的措施是切实可行的。

随着我国铁路的跨越式发展，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。因钢管桩注浆加固在隧道地基处理中有着诸多优点，应用将会更加广泛。