湿陷性黄土隧道洞口地基处理方法

安利强，马周全，张世径

(中铁西北科学研究院有限公司，甘肃兰州　730000)



湿陷性黄土隧道洞口地基处理方法

安利强，马周全，张世径

(中铁西北科学研究院有限公司，甘肃兰州730000)

摘要:为了消除黄土隧道内黄土地基层的湿陷性，提高挤密系数使其达到相关规范要求，并且在小空间中降低施工振动，对宝鸡至兰州客运专线兰州境内范家窝隧道进口段的2种地基处理挤密桩在7种桩间距下进行了现场和室内试验。结果显示:采用潜孔钻机和自制改装夯实机械进行地基处理时，地基土及衬砌的振动均处于可控范围内;水泥土挤密桩和水泥碎石土挤密桩的桩体基本均匀;水泥土挤密桩桩间距≤65 cm时，桩间土体平均湿陷系数在0. 002～0. 007，挤密系数在0. 89～0. 98，平均挤密系数0. 93，湿陷系数和挤密系数均满足相关规范要求;水泥碎石土挤密桩区域经处理后土体湿陷性完全消除，但由于桩间距过大，挤密系数不能满足相关规范要求。

关键词:隧道湿陷性黄土地基挤密桩施工振动湿陷性挤密系数

随着我国经济的快速发展，在黄土高原地带铁路、公路中修建的隧道越来越多，但是黄土地段隧道洞内，尤其是进出口浅埋段，地基层多为湿陷性黄土，目前国内传统采用挤密桩、夯扩桩等措施消除湿陷性，但这些措施的施工机械设备在隧道中难以施展，而且这些机械设备操作时，振动较大，尤其是在黄土区段隧道采用CRD法施工时，施工空间有限，并且对施工振动要求很高。为了消除黄土地段隧道洞内地基黄土地层湿陷性，本文以黄土隧道中空间小、要求施工振动小、消除湿陷性和挤密系数达到相关规范要求为目的，就宝兰客运专线兰州境内范家窝隧道进口浅埋段2种地基处理挤密桩进行研究。

1　工程概况

该隧道地貌单元为黄土高原梁峁区，地形起伏不平，沟壑发育，多呈V型，以东西向为主，洞身通过的地层主要为第四系全新统冲积砂质黄土( Q3al)，主要分布于隧道进口处及山坡，黄褐色，厚度30～80 m，稍湿，中密。对该隧道进口处深20 m探井取样进行土体物理力学性质指标试验，得出该区域(长度约400 m的区域)土体在20 m深度范围内均具有湿陷性，湿陷系数在0. 018～0. 037，最大干密度为1. 67 g/cm3，平均密实度为81. 2%。

该隧道最大埋深约150 m，全长1 550 m，为双线隧道，若采用CRD法施工，可利用高度仅为3. 5 m，施工空间受到限制，即传统施工工艺和施工设备不能满足要求，故进行地基处理挤密桩现场试验，从而确定小空间地基处理挤密桩切实可行的施工工艺和施工设备，并提供关键施工技术参数和挤密效果评价指标，为后期施工提供依据。

2　地基处理试验

经计算，桩间距的理论值为67 cm。本次试验采用2组不同填料挤密桩，分别为水泥土挤密桩和水泥碎石土挤密桩，对地基15 m深度范围内进行处理。水泥土挤密桩设置了4种桩间距，水泥碎石土挤密桩设置了3种桩间距，分别测定在不同桩间距和不同填料情况下挤密桩的挤密效果。

2. 1挤密方法与施工流程

方法:首先采用潜孔钻机对地基进行预成孔，然后填料用重锤夯实，在夯填过程中重锤对孔壁周围产生侧向挤压力，从而达到对桩间土挤密的目的。

施工流程:布置孔位→钻机就位→钻机对中整平→成孔→成桩机就位→填料→重锤夯扩。

2. 2桩间距、桩体填料及成桩参数

1)桩间距:水泥土挤密桩试验设置55，65，75，85 cm 4种桩间距，见图1( a) ;水泥碎石土挤密桩设置80，90，100 cm 3种桩间距，见图1( b)。两种桩均呈梅花形布置。

2)填料:水泥土桩体填料为水泥占10% (质量比)的水泥土，水泥强度等级为C32. 5，土为当地黄土，控制填料含水率至最佳含水率;水泥碎石土桩体填料为碎石、土、水泥，其中碎石、土和水泥分别占60%，36% 和4% (质量比)，碎石为1～3 cm碎石，土为当地黄土，水泥强度等级为C32. 5，控制填料含水率至最佳含水率。每次填料重量为30 kg。

图1两种桩的平面布置

3)成孔深度均为15 m，成孔直径约为18 cm。成孔机械采用50型潜孔钻机，钻头采用自制钻头。夯实机械采用自制改装机械，夯锤质量为100 kg，直径为14. 5 cm，每次夯锤落距为2～3 m。夯填击数:孔底～－3 m，夯击次数为15击;－3 m～孔顶，夯击次数为18击。夯填速率约为每台机械11. 6 m/h。

3　试验结果

3. 1振动测定

采用兰泰振动分析仪( VM—6320)对施工振动进行了监测，监测点分别布置在距挤密桩水平距离0. 5，1. 0 m的表层地基土中，及在距挤密桩水平距离5. 0 m的初衬边墙上。夯锤质量100 kg，落距3 m。监测结果见表1。

表1黄土地基挤密处理振动监测结果

由表1可知:①同一监测点，振源越深，振动波速越小;②同一振源深度，测点距振源水平距离越小，振动波速越大;③初衬边墙的振动波速随振源深度的减小而增大;④采用自制小型冲击设备挤密施工时，地基土及衬砌的振动均处于可控范围内，监测所得最大振动波速为9. 48 mm/s，所监测结果均小于以往隧道衬砌振动波速(≤50 mm/s)。

3. 2室内试验结果

挤密桩施工完成后，对7组不同桩间距分别进行剖桩检验。取样位置为桩间最薄弱区域(正三角形中心位置，见图1)，对其主要物理力学指标进行室内试验测定，结果见表2。在剖桩过程中对成桩后直径进行测量，水泥土挤密桩最大成桩直径为27～30 cm，水泥碎石土挤密桩最大成桩直径为29～31 cm，二者桩体基本均匀。

由表2可以看出:对于水泥土桩，当桩间距≤65 cm时，桩间土体平均湿陷系数在0. 002～0. 007，湿陷性均完全消除，挤密系数在0. 89～0. 98，平均挤密系数为0. 93，满足《建筑地基处理技术规范》中对重要工程挤密桩桩间土体最小挤密系数≥0. 88和平均挤密系数≥0. 93的要求;当桩间距＞65 cm时，桩间土体平均湿陷系数在0. 003～0. 006，湿陷性均完全消除，挤密系数在0. 84～0. 95，平均挤密系数＜0. 93，不满足规范要求。水泥碎石土桩桩间土体平均湿陷系数在0. 003～0. 004，湿陷性完全消除，但桩间土干密度整体较小，桩间土体平均挤密系数不满足规范要求。

表2挤密桩主要物理力学性质指标

4　结语

对2种填料在7种不同桩间距下进行了小空间现场挤密桩试验，得出如下结论:

1)采用潜孔钻机和自制改装夯实机械进行地基处理，地基土及衬砌的振动均处于可控范围内，监测所得最大振动波速为9. 48 mm/s。

2)水泥土挤密桩最大成桩直径27～30 cm，水泥碎石土挤密桩最大成桩直径29～31 cm，二者桩体基本均匀。

3)在水泥土挤密桩区域，当桩间距≤65 cm时，桩间土体挤密系数在0. 89～0. 98，平均挤密系数为0. 93，桩间土体湿陷系数在0. 001～0. 008，湿陷性完全消除，在消除湿陷性和挤密系数两方面均满足相关规范要求。建议采用挤密桩进行地基处理时按该桩间距进行施工。

4)水泥碎石土挤密桩区域经处理后土体湿陷性完全消除，但由于桩间距过大，土体干密度整体较小，致使挤密系数不能满足相关规范要求。

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(责任审编葛全红)

Treatment method of foundation at tunnel portal section in collapsible loess stratum

AN Liqiang，MA Zhouquan，ZHANG Shijing

( Northwest Research Institute Co．，Ltd．，China Railway Engineering Corporation，Lanzhou Gansu 730000，China)

Abstract:Based on the Fanjiawo tunnel on Baoji-Lanzhou passenger dedicated railway line，to eliminate any foundation collapse，ensure that compaction coefficient lives up to the regulation concerned and mitigate constructioninduced vibration in limited space．In this light，it carries out in-situ and indoor tests on two types of compaction piles at the tunnel portal with seven different intervals applied in the process．In using diving drill and self-modified rammer machinery for foundation treatment，the paper notices that the vibration of foundation soil and lining falls within a controllable range and the pile bodies for both cement-soil compaction pile and cement-gravel soil compaction pile remain evenly distributed．As the cement-soil compaction piles are arranged with a 65 m interval or less，the average collapsibility coefficient for the soil in between stands within 0. 002 and 0. 007，the compaction coefficient-with an average of 0. 93-falls between 0. 89 and 0. 98，both of which live up to the relevant regulation．T he treatment to cement-gravel soil piles have proven to be effective，as the loess collapse is removed．However the exceedingly large pile interval means that the compaction coefficient can yet meets the related requirements concerned．

Key words:T unnel; Collapsible loess; Foundation; Compaction pile; Construction-induced vibration; Collapsibility; Compaction coefficient

文章编号:1003-1995( 2016) 02-0073-03

作者简介:安利强( 1984—)，男，工程师。

收稿日期:2015-11-01;修回日期: 2015-11-20

中图分类号:TU472

文献标识码:A

DOI:10．3969 /j．issn．1003-1995．2016．02．18