浅谈树根桩加固铁路隧道基底

刘岩松（中铁十五局集团第五工程有限公司，河南　洛阳　471000）



浅谈树根桩加固铁路隧道基底

刘岩松
（中铁十五局集团第五工程有限公司，河南洛阳471000）

摘要：地基不均匀沉降将直接影响到线路的使用效果。介绍了树根桩加固地基的发展情况、树根桩的优点及适用范围、树根桩加固地基的加固机理，采用树根桩加固隧道基底，可以有效地降低地基的沉降量，提高地基的承载力，将此法用于陕西省神木县红柳林至神木西新建铁路专用线骆驼场隧道，取得了良好的效果，为以后同类隧道的施工提供参考。

关键词：地基；沉降；树根桩；加固机理；承载力

树根桩因其施工简便，成桩效果好等优点被广泛应用，国内外使用树根桩对软土地基加固的实例也为数不少，但在隧道工程应用树根桩进行隧道基底软土的处理并不多，因而将树根桩推广应用到隧道工程中，对于隧道的设计施工等将是一个新的发展研究方向。

树根桩是一种用压浆成桩的小直径钻孔灌注桩，桩径通常在70～250mm，有时也采用300mm，长径比大于30。通常先利用钻机钻孔，再放入钢筋笼，碎石，注浆管，经压力注浆成桩。其长度一般为6～20m，国外最长达30m。又称为小直径钻孔灌注桩、钻孔喷灌微型桩，由于成桩后的形状如同“树根”而得名。根据设计需要，树根桩的形式可以多种多样，倾斜或竖直，单根或成排，可以是摩擦桩也可以是端承桩。当以一种独特的方式布置成交错的三维系统的网状体系时，则称之为网状结构树根桩[1]。

树根桩最初主要应用于古建筑的整修、加固，随着房屋修缮扩建工程的增多、城市建设地下工程的增加、及城市地铁交通的发展，作为地基加固和托换工程应用的树根桩，对原有建筑物的影响面和深度越来越大，开始显示出它的重要性和优越性。特别是1972年首批专利期满后，树根桩在世界各国得到了迅速的推广和应用。近年来，树根桩的应用范围已拓展到边坡的稳定加固、地下工程的挡土墙、高耸建构筑物交替荷载基础、工业交替荷载设备基础、池型构筑物抗浮基础、深基坑开挖的支护以及城市改、扩建工程的基础加固中。截止至20世纪80年代末，仅北京地区，树根桩施工总进尺就近10万延长米。当前随着城市基础设施和城市改造、隧道及地铁盾构等工程的增多，必然会有更多的房屋和结构设施要进行加固，树根桩工艺将在今后的地基基础加固等工程中发挥它独特的作用[2]。

1　树根桩的优点及适用范围

1.1树根桩的优点

1）较小的施工场地及操作空间。一般在0.6m× 1.8m的平面尺寸、2.1～2.7m的净空即可施工，可靠近原有建筑物施工，甚至在建构筑物内部也能施工，对不具备大中型打桩机械设备进场施工的建构筑物，完全可以采用小型钻机进行树根桩施工。

2）对原有地基扰动小。由于桩径通常小于300mm，所以桩的成孔及灌注几乎不会产生任何应力，对原有地基土不会产生太大的扰动，不破坏原有建筑物力的平衡，能够在满足不影响建筑物使用和原貌的情况下进行施工[3]。

3）适用范围广。可适用于除粒径较大的卵石层以外的各类土层，能对新建建筑物的地基加固，也能穿过原有基础对地基加固，既能在水位以上干作业成孔，也可在有地下水的情况下成孔成桩，即能在地基加固中使用，也能用于边坡加固。

4）布桩形式的多样性。即可垂直成桩，也可以倾斜成桩，还可以将两者结合起来组成密集的网状结构。

5）施工引起的噪声和振动均很小。对噪音控制有要求的城市地区施工有着良好的效果。

6）桩体沉降小。处于设计荷载下的桩沉降很小，能满足建筑物对沉降限制较严的工程。

7）从受力机理看，因桩的长径比甚大，单位桩体积的承载力远大于其他桩型。

8）对桩体周围土体的改良。压力注浆使水泥浆或水泥砂浆对桩周围土壤有一定的渗入作用，改变了桩周围土壤的物理力学性能，使桩周地基土的承载力得到提高。

9）能获得较好的桩土接触作用。采用压力注浆，使桩与土体结合紧密，桩土表面摩擦力较大，因而树根桩具有较高的承载能力。成桩质量也比较可靠，一般不会发生夹泥、断桩等质量事故。

10）成桩形式多样性。树根桩可以是水泥浆成桩，也可以是碎石水泥砂浆成桩，可以在桩内放置钢筋笼，也可以放置单根钢筋甚至不需要钢筋。

1.2树根桩加固的适用范围

树根桩可用于杂填土、素填土、碎石土、砂土、粉土、粘性土、湿陷性黄土、膨胀土等各种不同地质条件及喀斯特岩溶地区，既能用于地下水位以上，也可用于地下水位以下。随着科学技术的发展，树根桩的适用范围越来越广，如危房加固处理、房屋加层或接建、池型构筑物抗浮加固及深基坑支护等方面[4]、挡土墙滑移加固或土坡、石坡稳定加固、基础托换[5]和地下结构基底及周边环境处理等。

2　树根桩加固机理

树根桩系通过一定的方法或手段在地基中先成孔，再在孔中下入设计所要求的钢筋笼和注浆用的注浆管，经清孔后在孔中投入一定规格的石料或细石硅，再用水泥浆液替代出孔中的水（投细石硅时无此工序）进行压力注浆，形成的直径90～300mm的同径或异径的灌注桩。树根桩加固时由于浆液的渗透作用，将会对桩间土进行改良，形成的复合地基是改良后的土与树根桩桩体组成的人工“复合地基”。并且由于树根桩桩体本身有一定的强度，在荷载要求不高的情况下，也可以按刚性桩或半刚性桩进行考虑[6]。

2.1桩周土摩阻力及桩端阻力的提高

依据注浆工法、桩基工法的施工工艺，树根桩在最后成桩前要进行静压注浆，压力一般控制在0.3～0.8Mpa，并采取了表层封闭、节长控制、时间控制、二次注浆和进行稳压工作等一系列施工措施，使得浆液渗透到桩周及桩底土体中，通过压密、填充、固结、置换等作用改善土体的物理化学性质，使得原来桩壁与周围土层接触不好的地方被强行压入的水泥浆强制充填加密，从而使得桩侧与桩周土体紧密接触，增大桩土接触面积。同时在水泥浆的水解、水化作用下，粘土颗粒与水泥水化物作用、碳酸盐化作用下，更加增强了树根桩与其桩周土之间的胶结力，大大提高了树根桩与桩周土的摩阻力，同时桩底土体的改良使得桩端阻力也得到提高。

2.2桩间土的改良

通过静力压浆和二次注浆以后，大部分浆液会被压入到桩间土体的孔隙中去，在一定的压力下，浆液会沿阻力最小的方向，也就是土体缝隙较大的方向，强力渗透至周围土层，使桩体与周围土层在注浆压力作用下形成不规则的圆状水泥浆包裹混合层，注浆后，在桩土交界面形成了材料和物理力学性质变化的浆液扩散区，浆液扩散区沿桩体环向分布。如图1所示。

图1　树根桩复合地基和刚性桩复合地基

由图1可知，一般刚性桩复合地基由桩体和天然土体两部分组成，共同作用承担上部荷载。而注浆桩复合地基由桩体，浆液扩散区和天然土体三部分组成，共同作用提供复合地基的承载力。经过浆液在桩土交界面的胶结，注浆桩能全长发挥桩侧的摩阻力，将荷载传递给较深的土层，桩间土荷载相应减小；另一方面浆液提高了桩周一定范围内天然土体的性质，相应提高了桩间土的平均模量，从而提高复合地基的复合模量，最终降低复合地基的沉降。

树根桩的特殊形式，大大增加了桩的摩阻力和抗水平荷载的能力，同时改善了邻近土层的结构，使模量增大，土体整体性能改善，承载力提高。这对砂土和人工填土尤为明显，根据对已有工程的实践资料分析后认为，经树根桩处理后的地基桩间土的强度一般会提高10%～30%。

2.3桩体的作用

由于注浆树根桩是一种半刚性桩或刚性桩，桩体的变形模量远远大于桩间土的变形模量，当注浆树根桩桩体与周围土体共同承担上部基底荷载时，基底的荷载会向树根桩桩体集中，静载荷试验资料表明，仅占承压板面积约10%的树根桩承担了总载荷的50%～60%，而占承压板面积约90%的桩间土仅承担了总载荷的40%～50%，因此，树根桩降低了基底下一定深度范围内土层中的附加应力，从而减少了持力层内可能产生的较大的压缩变形。同时，成桩后的树根桩对桩间土具有侧向约束作用，限制了桩间土的侧向位移，四周被约束的情况下，桩间土的变形受到限制，在相同的荷载作用下，沉降自然减少，因而地基土的承载力自然也就提高了。

3　工程应用及效果

3.1工程背景

陕西省神木县红柳林至神木西新建铁路专用线骆驼场隧道全长1554m，设计时速为120km/h，单线隧道设计，洞身衬砌为曲墙式复合衬砌，设计轨面至道床底面设计高度为74cm。隧道进口采用偏压式洞门，出口采用对称式洞门。隧道范围内地层主要为第四系全新统风积细砂，上更新统风积砂质黄土，冲积细圆砾土，下伏基岩为侏罗系中统砂岩。隧道穿越风积沙地层段属Ⅵ级围岩。隧道范围内地表水不发育，地下水为基岩裂隙水，水量匮乏，主要受大气降水的补给，隧道处水位埋深高程为979～981m，水质良好，对混凝土无侵蚀性。主体隧道设计安全等级一级，使用年限100年，抗震设防烈度为六度，结构混凝土强度等级C30，抗渗等级≥P6，混凝土抗冻等级（56d）≥F300，混凝土60天干燥收缩率不大于0.015%，不允许出现贯穿裂缝，表面裂缝宽度≤0.2mm。

3.2施工工艺

本隧道基底加固采用碎石注浆桩施工：人工使用洛阳铲开挖成孔，利用狼牙棒扩孔，采用碎石注浆法对桩体注浆成桩。施工工艺流程如图2所示，现场浇筑前后如图3，4所示。

图2　树根桩施工工艺流程图

图3　树根桩注浆前

图4　树根桩成型后

3.3工程效果

经对隧道内碎石注浆桩进行桩身完整性、单桩承载力、复合地基承载力进行检测，结果表明：

1)桩身完整性合格率99.7%，满足设计要求。

2)单桩承载力平均为65.4kN，满足要求。

3)复合地基承载力满足设计要求。

4　结语

采用树根桩加固隧道基底，可以有效地降低地基的沉降量，地基的承载力得到有效提高，可适用于除粒径较大的卵石层以外的各类土层，能对新建建筑物的地基加固，也能穿过原有基础对地基加固，既能在水位以上干作业成孔，也可在有地下水的情况下成孔成桩，即能在地基加固中使用，也能用于边坡加固。压力注浆使水泥浆或水泥砂浆对桩周围土壤有一定的渗入作用，改变了桩周围土壤的物理力学性能，使桩周地基土的承载力得到提高。将此法用于陕西省神木县红柳林至神木西新建铁路专用线骆驼场隧道，取得了良好的效果，为以后同类隧道的施工提供参考。

参考文献：

[1]刘景政，杨素春，钟冬波.地基处理与实例分析[M].北京：中国建筑工业出版社，1998.

[2]蒋续平.树根桩在地基基础加固中的作用[J].湖南地质，2002，21(3).

[3]中华人民共和国行业标准.地基处理手册（第二版）[S].北京：中国建筑工业出版社，2000.

[4]戴建人.竖向树根桩在基坑支护工程中的应用实例[J].土工基础，1996(4).

[5]叶书麟，汪益基，涂光扯，等.基础托换技术[M].北京：中国铁道出版社，1991.

[6]庞烈鑫.黄土地区树根桩承载力的试验研究[J].路基工程，2007(4).

中图分类号：U441.1