微型钢管桩在某隧道病害处治中的应用

王 勇

（山西路桥集团榆和高速公路有限公司，山西 太原 030001）

1 工程概况

某隧道设计为左右线分离式。左线洞体全长964.0 m，进口段里程桩号为ZK22+898，洞口底板设计高程为682.879 m；出口段里程桩号为ZK23+862，洞口底板设计高程为692.211 m；洞体最大埋深102.140 m，位于ZK22+546。右线洞体全长939.0 m，进口段里程桩号为K14+911，洞口底板设计高程为683.131 m；出口段里程桩号为K23+850，洞口底板设计高程为692.162 m；洞体最大埋深101.098 m，位于K15+556；隧道总体走向呈东西向为81°。

2 隧道病害现状

2.1 隧道病害现状

某高速公路2015年建成通车，2016年6月中旬发现左线ZK23+380-ZK23+450段路面中线附近断断续续出现裂缝，裂缝宽度为1～5 mm，裂缝两侧局部有轻微的错台。此时该段衬砌上未发现裂缝。

2.2 隧道病害监测

为了判断裂缝发展情况，采取了3种监测方案：a）路面裂缝采用了石膏封闭；b）两侧拱脚设置沉降监测点；c）该段衬砌做周边收敛测量。

2.3 隧道病害监测结果

2016年7月中旬隧道养护人员发现涂抹的石膏均已不同程度地开裂，且原本沿隧道中线附近断断续续分布的裂缝已发展形成一条长约70 m的连续裂缝。隧道两侧边墙上出现了环向裂缝，裂缝的范围开始扩大。监测结果表1显示，隧道左侧拱脚平均下沉5.18 mm，最大下沉6.4 mm，右侧拱脚下沉5.56 mm，最大7.3 mm。周边收敛变化较小。

表1 变形监测数据一览表 mm

3 隧道病害勘察

经过1个月的监测，监测数据显示隧道仍在下沉，病害仍在发展，急需对隧道病害进行处治。处治前对病害进行了勘察。

3.1 钻探设备及孔位布置

本次采用干钻的方式进行取芯，仪器设备为XY-150型+取土器。钻孔位置在某隧道左线ZK23+453、ZK23+438、ZK23+423、ZK23+408、ZK23+393、ZK23+378处路面中线的右侧，距离隧道中心线1.20 m。

3.2 钻探结果

根据钻孔芯样显示（见图1所示）：a）路面下0～0.8 m为沥青路面及混凝土；b）路面下 0.8～1.35 m为碎石土层，成分为石灰岩，次棱角状；c）路面下1.35～2.50 m为基岩层，泥岩，砖红色，岩芯呈短柱状，强度极低。

图1 某隧道左线ZK23+408（行车道）处芯样照片

3.3 地质概况

隧址区地下水类型主要有松散层孔隙水、基岩裂隙水及岩溶裂隙水。

松散层孔隙水，以上层滞水为主，由于二叠系地层之上覆盖有第四系中更新统（Q2apl）冲积形成粉质黏土层，该层构成局部隔水层，地表接受大气降水补给，在有局部隔水层处形成上层滞水，没有隔水层的地方则直接下渗进入二叠系地层中。该上层滞水含水层规模极有限，径流途径短易于排泄，故富水性差。

二叠系基岩裂隙水，该地下水含水层主要为砂岩裂隙水，富水性较差，主要补给通道为上部第四系覆盖层下渗，加之局部有采空区存在，故地下水多汇集至采空区，对隧道影响较小。

石炭系岩溶裂隙水含水层主要为石炭系上统太原组（C3t）灰岩，富水性差，上部补给有限，不易形成积水，对隧道影响较小。

4 病害原因

某隧道ZK23+380—ZK23+450段设计为五级围岩，设计有仰拱。钻探的结果分析，路面产生的原因如下：

a）仰拱下部浮渣（碎石土）过多。推测是在施工过程中，现场管理不到位，仰拱浇筑前，未将仰拱底部的浮渣清除干净。

b）浮渣遇水软化。某隧道的裂隙水主要为地表水，2016年进入夏季后，雨期较长，且雨水较多，大量的地表水下渗进入了隧道，导致仰拱下部的浮渣软化，承载力降低。

c）本段围岩主要为泥岩，强风化，强度低，遇水后强度更低。由于以上原因，隧道的底部承载力过低，导致隧道不均匀沉降。

5 病害处治总体方案

在综合考虑某隧道病害特点、产生原因及危害程度的基础上，考虑所要采取治理工程措施的合理性、经济性、可实施性等方面因素后，对某隧道病害路段基底采用竖向微型钢管桩加固。竖向钢管桩采用梅花状布置，隧道路面中心线两侧各纵向布置3列，分别距路面中心线1.2 m、2.2 m、3.2 m，纵向间距1.0 m，桩长6.0 m（图2）。此外，采用斜向微型钢管桩对隧道两侧拱脚处围岩进行加固，斜向钢管桩与最外侧竖直微型钢管桩交叉布置，纵向间距1.0 m，桩长9.0 m。微型钢管桩钻孔直径146 mm，采用40号钢管，壁厚6 mm；注浆料为M35纯水泥浆。

图2 微型桩横断面布置图（单位：cm）

6 施工方案

6.1 处治范围

某隧道路面开裂段起讫桩号为ZK23+380-ZK23+450，为保证处治效果，微型钢管桩处治时沿隧道纵向两侧各延伸10 m，即处治范围为ZK23+370-ZK23+460。

竖直向钻孔沿隧道纵向共布设6列，横向间距1.0 m，纵向间距1.0 m，梅花型布设，共544个钻孔，2 176延米。斜向钻孔与两侧最外侧竖向钻孔同列交叉布置，纵向间距1.0 m，共180个钻孔，1 080延米。

6.2 施工工艺

6.2.1 铣刨路面

铣刨隧道路面层15 cm。

6.2.2 放线定位

采用全站仪将设计孔位放样在铣刨后的路面上，用油漆标记，孔位放样偏差不超过10 cm。

6.2.3 成孔

采用液压风动潜孔钻机配合空压机成孔，成孔口径150 mm以上，钻杆垂直度偏差不大于1%；钻进至设计深度，经现场工程师确认后方可终孔，钻孔施工质量验收实测项目见表2。

表2 钻孔施工质量验收实测项目

6.2.4 钢管制安

钢管焊接采用两面帮焊，焊接要饱满、稳固，型钢连接要笔直，不得弯曲。制作完成的钢管桩采用钻机沉入钻孔，注浆管沿钢管桩安设并一同沉入孔内。

6.2.5 注浆

6.2.5.1 注浆材料

注浆材料采用325硅酸盐水泥及35～40 Be的中性水玻璃。浆液为水泥+水玻璃的双液浆，可加入适量抗渗剂，当遇到注浆量较大时，可先用粗骨料填充。根据压水试验，适当选择浆液的浓度及水玻璃的用量。水灰比采用1∶0.75～1，水玻璃用量一般是水泥浆重量的25%～30%，这样就控制了凝胶时间。具体水玻璃的用量可在施工中根据实际情况进行调整。

注浆施工质量验收实测项目见表3。

表3 注浆施工质量验收实测项目

6.2.5.2 注浆压力

由孔底慢慢注浆，控制注浆压力在0.5 MPa以内。当浆液返出孔口时，停止注浆；浆液初凝后，对管内和外侧人工徐徐补浆，使管内外浆液充填饱满[1]。中线两侧的微型注浆管压力不宜过大，防止其进入中央排水管。

6.2.6 路面恢复

按照原设计指标恢复路面。

6.2.7 施工要求

a）注浆孔按设计位置放线，利用钻机成孔，成孔与注浆应间隔1孔进行。注浆浆液配合比严格按设计的要求进行。施工过程中严格控制注浆压力，注浆压力不大于0.5 MPa。

b）充填注浆的关键首先是对浆液配合比现场的调整及注浆技术，这些环节的处理好坏直接影响注浆及堵水的质量。

c）控制单位注入量，当遇到注浆量较大时，可先用粗骨料填充再用浆液加固。

d）控制注浆压力及浆液扩散半径，能确保原浇筑混凝土质量，有效达到充填密实之作用。

e）钻孔注浆结束后，待浆液凝固后，切除外漏注浆管，并用高强抗渗水泥浆封孔、并振捣密实、与洞壁齐平。

f）微型钢管桩的直径、壁厚等必须满足设计要求。对于长度9 m的钢管桩需两根钢管焊接时，钢管的焊接必须满足相关技术规范的要求，同时焊接完后，经过现场监理工程师的确认后才能下管。

g）注浆全部完成后，漏在外部的钢管必须完全切除，再重新铺设沥青混凝土。

7 结论及建议

a）某隧道病害段采用微型钢管桩进行处治，经过近半年的监测，路面未再出现裂缝，衬砌上的裂缝未再继续发展。

b）本方案可在同类隧道病害中进行应用，但是钢管桩的直径、现场布置应根据病害的实际情况进行确定。

c）隧道设计、施工阶段对隧址区存在膨胀岩、遇水岩石强度降低的区域，开挖后，建议对隧道底部的岩体进行注浆加固或者加深仰拱的厚度，防止运营期隧道下沉，导致衬砌开裂等病害的发生。