客专隧道病害处理基底加固施工技术与管理

谭 兵

(中铁二局工程有限公司， 四川成都 610300)

客专隧道病害处理基底加固施工技术与管理

谭 兵

(中铁二局工程有限公司， 四川成都 610300)

兰新铁路张家庄隧道因受山体地质灾害影响，隧道DK120+360-DK120+960段部分二衬结构受损，无砟轨道发生位移，需进行抢险加固。根据张家庄隧道抢险工程总体处治方案，洞内基底施作φ310 mm钢筋混凝土钻孔桩加固。受洞内场地限制、与洞内二衬拆换作业交叉施工影响，物流组织困难，工期紧。文章提出一套较完整的仰供基础加固施工工艺和抢险施工组织设计对以后类似工程有借鉴意义。

运营高铁隧道； 地质灾害； 基底加固； 施工技术

1 工程概况

1.1 工程简介

兰新客专张家庄隧道位于青海省乐都县境内，洞身穿越一低中山山体和虎狼沟、双塔沟高阶地段，地形起伏大，地面高程为1 993～2 279 m。隧道起讫里程为DK118+595～DK122+364，全长3 769 m，为双线隧道，洞内纵坡为4.0 ‰的单面上坡。隧道最大埋深约为300 m，通过浅埋沟处理深约50 m。2016年1月18日，因受山体地质灾害影响，隧道DK120+360-DK120+960段部分二衬结构受损，无砟轨道发生位移，动车停运，需进行抢险加固。

隧道抢险工程总体处治方案，DK120+344～DK121+015段671 m仰拱施作φ310 mm深度8～22 m钢筋混凝土钻孔桩加固，需与洞内二衬拆换、增设套拱等作业交叉施工，场地狭窄施工干扰大，物流组织困难，工期紧。

1.2 地质情况

经地质钻孔揭示，DK120+344～DK120+500段仰拱基底上部为灰黄色粉砂质泥岩，下部为棕红色泥岩。粉砂质泥岩，天然含水率22.6 %～24.9 %，岩质软，Ⅲ级硬土，σ=250 kPa。棕红色泥岩，Ⅳ级软石，σ=400 kPa，具膨胀性。

DK120+500～DK121+015段仰拱基底为棕红色泥岩。Ⅳ级软石，σ=400 kPa，具膨胀性。

2 研究内容、目的和意义

2.1 课题主要研究内容

2.1.1 快速施工的施工组织设计

仰供基础加固桩数量多，桩长较长，考虑隧道交叉施工的特点和隧道净空尺寸，同时考虑黄土地层对钻机钻进性能的影响，对钻机机身大小、钻孔深度和效率进行综合分析，根据工期配置型号合理、数量合适的钻机设备，同时根据钻机设备参数配置相应的出砟、钢筋笼加工及安装、混凝土灌注等施工资源。

2.1.2 钻孔桩快速施工技术

2.1.2.1 混凝土、钢筋及工字钢钻进技术

仰供及填充混凝土厚度约2 m，仰供内有双层钢筋，初支内有加密的工字钢，潜孔冲击钻对这些刚度较大的结构钻进十分困难。采用岩心套管取芯进度又较慢，对钻机冲击器和钻头进行技术改革，对动力空压机的空气压力进行计算，确保对混凝土、钢筋、工字钢的钻进能力。

2.1.2.2 黄土地层成孔技术

黄土地区地质酥松，钻孔时容易塌孔，采取的方法宜用干钻法，钻孔深度、坍孔程度与钻机空气动力密切相关并呈矛盾关系，压力计算与控制对钻孔速度与成孔质量极为关键。

2.1.2.3 地下水对成孔的影响

在特殊段落，黄土层含水量丰富，钻孔不能成孔，先采取深孔注浆预加固，潜孔钻改螺旋动力钻，增加泥浆护壁等措施，提高成孔率。

2.1.3 小孔径桩混凝土灌注技术

桩深度较深，灌注桩采用水下混凝土灌注工艺，由于桩径31cm，导管直径、导管连接的加工工艺复杂，混凝土的粗骨料粒径和和易性要求严格，现场灌注的质量是确保成桩完整性的关键。

2.1.4 狭小空间内空气质量保证技术

长大隧道洞内通风效果差，钻机、空压机为内燃机，加之洞内的挖掘机、装载机和发电机等设备，平均每天柴油消耗6 t以上，洞内燃烧不充分，空气污染严重。恶劣的施工环境对洞内300名施工人员的身心健康影响极大，对机械设备造成较高故障，对行车和施工安全造成影响。空气质量的改善关系到抢险工程的进度与安全，采取技术革新对设备尾气进行净化，加强人员防护加强后勤保障，切实确保健康作业环境。

2.1.5 多工种交叉作业环境下畅通物流措施

洞内交叉施工，都在为抢工期而争先恐后，物流矛盾和施工作业面冲突十分突出，影响施工顺利进行。施工计划、行车要点、洞内指挥等成为物流畅通管理的重点。

2.2 研究的目的和意义

隧底基础的稳定性对隧道结构安全与运营安全至关重要，位移变化是一个极其复杂的物理、力学过程，它与隧道围岩性质、应力状态及地质结构密切相关。长期以来，对隧道底板稳定性问题的研究相对隧道工程的其他方面比较薄弱，致使对隧底降起的一些原因至今认识不清，采取措施时存在着较大的盲目性。如何针对病因，采取“对症下药”的预防和控制技术措施，以便在隧道的规划、设计、施工和运营各环节得到及时贯彻和落实，采取何种有效措施目前仍是一项亟待解决的课题。

在多数情况下，仰供基础位移是通过轨道位移监测出来，在运营中才发现问题，导致仰供基础处治设计方案受要点施工、洞内无砟轨道及接触网线的限制，方案执行难、整治质量和进度无法保障。形成一套较完整的仰供基础加固施工工艺和抢险施工组织设计对以后类似工程有借鉴意义。

3 抢险工程基底加固桩的特点

3.1 工期紧任务重

为了确保2016年5月1日开通，2016年2月22日至2016年3月20日，全部完成张家庄隧道仰供φ310 mm加固桩1 192根，计12 240 m，以及仰供基底注浆工作。

3.2 仰拱钻孔困难

基底加固段仰拱设有工字钢及钢筋，潜孔钻钻头碰到工字钢或钢筋不能穿过并且造成钻头损坏或卡钻。

3.3 大功率内燃设备使用造成洞内空气质量差

潜孔钻机需要2.5 MPa压力以上的高压空压机，柴油消耗量大，洞内作业台车多空气流动性差，导致油料燃烧不充分，空气质量差，洞内温度高。

3.4 多单位交叉施工组织困难

洞内中铁隧道局、中铁一局、中铁二局、中交一航局等单位均在同一场面施工，需要和其他单位形成流水线施工，施工排序和交叉干扰大。

3.5 钻孔桩灌注困难

为了确保桩身完整，采用水下混凝土灌注工艺，钻孔桩孔径φ310 mm,直径较小，混凝土上翻极为困难。

4 仰拱基底加固技术研究

4.1 提前做好技术研究和准备

(1)与设计院联系，了解设计初步方案和工程量，便于做好机械设备和专业人员配置计划。

(2)掌握洞内仰拱基底地质钻勘情况，弄清地质钻孔稳定性和地下水位情况，为钻孔成孔难易程度和效率做好考虑。

根据现场情况和上庄隧道施工工艺，制定了混凝土采用地质钻机取芯混凝土层，下方土层采用大型潜孔钻机冲击成孔。

4.2 科学配足机械设备

由于桩径310 mm，水井钻机和锚杆钻机一般施工φ220 mm孔，桥梁钻机因隧道净空高度受限不能使用。

经联系共组织了5台钻机、7台取芯机进入施工现场。

根据以往经验，1个深6 m孔1 h完成，深20 m孔4 h完成，平均1台机1天完成10个孔，5台机1天完成50个孔，按计划能够完成。

4.3 钻孔方案研究及调整

为了减小对松动围岩和衬砌结构的震动影响，仰拱混凝土采用地质岩芯钻机钻取，钻孔时采用水钻，需用水车送水。在碰到仰拱钢筋、工字钢等情况下，可以通过高速旋转直接将其截断。取芯完成后对仰拱下方土层采用高压潜孔钻机冲击土层成孔。1台取芯钻机5 h取一个孔，与1台潜孔钻机1 h能完成1个深6 m孔，取芯进度明显偏慢。同时取芯钻机采用水钻需设置泥浆池，占地面积大，经研究决定每2排桩只钻1个芯，仅用于试探仰拱下方工字钢存在位置，其它孔直接用潜孔钻冲击钻土。对于钻混凝土层灰尘极大的问题，采用喷水降尘的措施。

4.4 施工位置设计

隧道施工长度670 m，隧道局洞内有6台衬砌台车和6台钢筋台架，加之隧道局还有换拱作业，洞内全是交叉作业，由于移动一次钻机和空压机至少2 h，需同时能结合隧道套衬施工进度与方向，合理布置钻机位置，最大限度减少移机次数。同时对于DK120+415～+485段分布216根16～22 m长桩，集中4台钻机施工。

4.5 质量把关的主要措施

抢险加固工程的施工质量对于后期结构的安全十分重要，同时也是体现抢险单位是否具备高度的社会责任感息息相关，保证施工质量义不容辞。

(1)原材料合格；

(2)钢筋加工规范，钢筋搭接长度满足要求，焊接规范；

(3)钻孔孔底残留沉渣厚度满足要求，绝不允许以增加桩长代替沉渣厚度；

(4)成孔后1 h内下钢筋笼和灌注混凝土，防止塌孔；

(5)灌注工艺采用水下混凝土灌注方式，孔口4 m混凝土加强捣固。

4.6 物流畅通的措施

(1)与隧道局沟通，将原来进洞的单车道(在线间距上)变成了双车道(在左右幅轨道板中间分别占用)行驶，减少行车干扰，加快洞内物资设备运输。

(2)资源共享。对于隧道内施工大电、施工用水实行共享模式。

(3)进入洞内车辆实行统一调度命令，按先急后缓的原则，也按出多少进多少的原则，防止洞内交通堵塞。

(4)隧道局台车拆除期间实行0:00～8:00断道施工，我部桩基施工所需的钢筋笼、混凝土提前就位。

4.7 仰拱加固桩施工关键技术研究

4.7.1 高动力设备穿透工字钢

φ310 mm钻孔直径较大，需要大型空压机(27 m3/min、2.4 MPa压力以上)，这种设备使用率低，11台高压空压机从北京、山东、西安等地租赁而来。为了解决穿透钢筋和工字钢，将钻机钻头改合金钻。

4.7.2 不良通风条件下设备故障完好率保障

洞内空间小，内燃机械多(洞内每天用柴油5t)，空气质量差，导致钻机、空压机故障频率高，9台钻机有时只有2台正常运转。采用了排污净化、安装通风机、每天更换空气滤芯、请专业修理人员驻现场修理、备用4套钻机和空压机随时更换钻机和空压机等措施确保机械正常运转。

4.7.3 钻孔桩灌注工艺改进

钻孔桩孔径较小，采用水下混凝土灌注混凝土工艺极为困难，导管直径φ125 mm，导管每节长2 m，丝扣连接套筒处外径150 mm，将钢筋笼直径由设计的φ17 cm加大为φ25 cm确保导管插入，同时对混凝土配合比进行了优化，φ16～φ25 mm粒径碎石用量适当减少，混凝土坍落度200～230 mm，孔口4 m高度混凝土采用φ50 mm捣固器振捣。

4.7.4 大阳山隧道砂质黄土成桩困难土层预加固技术

大阳山隧道仰拱基底的粉细砂质黄土稳定性差，冲击钻孔采用高压吹土，黄土受扰动坍塌严重；部分段落仰拱基底出水，根本不能成孔；根据设计要求桩底要进入砂砾层，高压风在即将进入砂层界面时因砂砾层空隙大而高压风泄露不能吹土出孔，桩底进入砂层也十分不易。坍孔总量达到30 %。现场采取了深孔预注浆(注快硬水泥、水泥-水玻璃双液浆)、泥浆护壁水钻法等措施对坍孔段进行处理。注浆时引进北京中铁瑞威专业队伍提高注浆质量，经过注浆预加固后，成孔率大大提高。

5 总结

5.1 小结

通过基底加固桩施工技术研究，解决了过程中存在的各类难题，按期完成施工任务，桩基施工质量桩身完整，按25 %频率抽检全为Ⅰ类桩。

(1)XK-400等型号的地质钻机对仰拱的填充混凝土及钢筋层取芯进度偏慢，1天只能取2个孔，远远小于每天需成桩50根以上的抢险工程施组计划，对钻孔钻机及钻头改造和选用高压空压机通过潜孔钻钻进混凝土层速度快。

(2)灌注导管设计成丝扣套筒，混凝土和易性性能优化是灌注桩完整性重要保障措施。

(3)洞内空气质量差、钻混凝土层时震动大，钻机的故障率极大，钻机加固和维修工作极为重要。

(4)空压机等设备尾气采用净化装置，有一定作用，但效果不明显。

5.2 存在不足

5.2.1 作业环境改善效果差

隧道较长，作业面位于隧道中部，洞内隧道局6台衬砌台车作业，10台空压机和钻机，柴油燃烧不充分，尾气污染严重，受排风补偿的影响，洞内能见度度低特别是凌晨至早上9:00，洞内空气温度高，对作业人员健康不利，同时设备故障率也高。

到后期，在隧道进口增设2-110 kW轴流通风机，空气质量有所改善。

5.2.2 钻机钻头损坏率高成本大

由于取消了地质钻机钻混凝土层，利用潜孔冲击钻机钻混凝土，时常碰到工字钢，对钻头的磨损大，加大了施工成本。

5.3 类似工程建议

(1)钻孔桩不是太适用于砂质黄土、砂砾层地质，由于高压空气对土层扰动厉害，钻孔时塌孔严重，出现废孔较多导致土层酥松影响基底稳定性；即使能成孔，孔底虚渣厚度较大，桩的质量得不到保障，建议采用钢管沉桩。

(2)钻孔所需高压空气来自内燃空压机，其缺点是功率大耗油量大，每天消耗柴油5 t以上，洞内空气流动不畅燃油燃烧不充分对施工环境污染大。可以将空压机在洞外建站，通过高压风管送至洞内，减少环境污染。

(3)导管灌注混凝土操作性低。导管直径φ120 mm，接头套管直径φ160 mm，钢筋笼直径φ240 mm，孔直径φ310 mm，因孔径小导管上翻混凝土十分困难，工人安装和拆除工作也十分繁琐，采用高流动性混凝土十分必要。

U457+.2

B

[定稿日期]2017-06-06

谭兵(1977～)，男，高级工程师，从事工程管理工作。

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《四川建筑》编辑部