钢管桩地基加固与排水系统改造在富水黄土隧道中的应用技术研究

孙照玉　左鲁

【摘要】甜永高速公路五子山2号隧道全长1424米，地下水位高程位于隧道洞室附近，局部段落高于隧道洞身，建设期间洞内出现渗水现象，建成后出现了仰拱填充层开裂等病害。为彻底解决仰拱填充层裂缝病害，依据地质补充勘察资料，采取了钢管桩地基加固与排水系统改造技術，通过对隧道拱脚基底围岩加固，优化结构受力体系，通过对排水系统改造，降低隧道洞室附近地下水位，及时将围岩渗水引排至洞外。为使裂缝加固处治方案达到良好预期效果，分别从钢管桩与渗水盲沟作用机理、主要影响因素、关键控制技术等方面详细分析施工应用技术。结合钢管桩试桩试验、监控量测数据、现场观测等分析，处治效果良好，为同类型隧道病害加固方案施工提供借鉴参考作用。

【关键词】高速公路;黄土隧道;仰拱开裂;钢管桩;监控量测

：TU753.3

富水黄土隧道是指隧道洞室范围内黄土含水量较大的隧道。一般地表冲沟、陷穴较多的黄土山体，其山体内部黄土含水量普遍较高。国内众多研究学者对造成湿陷性黄土隧道仰拱开裂的机理作用进行了大量研究，分别通过现场浸水试验、裂缝现场调查、模型计算仿真分析，得出隧道仰拱基底黄土围岩含水量较高造成仰拱基底围岩软化，引起左、右侧拱脚不均匀沉降，最终导致仰拱受弯拉作用，产生拉裂破坏。

本文通过以甜永高速公路五子山2号隧道仰拱填充层病害为工程案例，详细介绍仰拱裂缝病害处治方案关键施工技术控制点，为相似隧道病害处治方案加固施工提供相关经验与参考。

1  工程案例

甜永高速公路五子山2号隧道位于甘肃省庆阳市环县环城镇环江河岸一侧的黄土山体内，隧道全长1424米，隧道位于侵蚀堆积黄土地貌区，山体植被稀少，主要以地方野生杂草为主，山体地表广泛分布鸡爪状冲沟、黄土陷穴，沟谷内无常流水，雨季时伴随短暂流水，拱顶最大埋深约150m，现场为进、出口双向掘进施工。

2  病害基本情况

现场施工至桩号YK88+640处时（距离洞口540米），上台阶右侧拱脚附近出现两处泉眼不断涌水，出水量约为15m3/h，经地质预报探测，泉眼位置处下方1.4m为砂层，砂层整体向掌子面上方发展。经采用Φ42打孔钢花管对拱脚、仰拱基底、上台阶进行注浆加固，对土体进行固结施工。经过一个多月，隧道整体贯通后，发现仰拱填充层中间位置出现纵向裂缝，裂缝最大宽度约2.0cm，裂缝处最大错台高度约0.5cm，并伴有持续发展迹象。

3  隧道加固施工方案选择

为确定合理病害处治方案，综合全面对五子山2号隧道水文地质情况、水流来源、分布范围、流向等情况进行详细补充勘察，依据补充勘察资料，分析水流对隧道稳定性的影响，准确确定处治范围，完善隧道综合处治方案，确保方案的合理性和经济性。

根据地质补充勘察资料，隧道洞室穿越岩层主要以风积新黄土、老黄土为主，黄土含水率较大，仰拱基底下伏岩层为泥质粉砂岩。由于黄土结构疏松，孔隙比较大，洞室开挖后，形成负压区，黄土内水分聚集，形成浸水反应，导致隧道基底黄土软化，承载力下降，仰拱中心处起拱弯拉，产生拉裂破坏。

为解决上述问题，结合类似黄土隧道病害处治方案，最终采用“Φ108打孔注浆钢管桩+渗水盲沟排水系统改造”处治方案，彻底解决富水黄土隧道拱脚基底软化与黄土渗水问题，加固方案如图1所示。

4  钢管桩地基加固与排水系统改造技术施工应用

4.1主要作用机理

Φ108打孔注浆钢管桩的主要作用机理就是通过加压灌注水泥浆液，使钢管桩对拱脚下软基进行加固，形成支撑体系，改善衬砌结构的受力特点，同时水泥浆液在高压作用下向通过Φ108钢管预留孔道向周围土体扩散，可有效填充黄土中渗水空隙，形成树根状的加固土体效果。为确保拱脚加固效果，依据地质补勘资料，每个断面上设置钢管桩4 根，当隧道仰拱底部黄土深度大于等于8m时，钢管桩单根长度按8m控制，当隧道仰拱底部黄土深度小于8m时，Φ108钢管打设至中风化岩层以下0.5m。每根Φ108钢管内置三根φ22 钢筋笼用于提高单桩承载力和锁定仰拱二衬，先下钢筋笼后注浆，钢管桩注浆完成后，桩头上部浇筑钢筋混凝土纵梁，纵梁与隧道二衬采用植筋连接，最终形成统一整体，参与结构受力。

新增渗水盲沟的主要作用机理：（1）通过降低地下水位高程，收集隧道洞室上部黄土渗水，有效解决黄土渗水聚集在拱脚位置的不利影响;（2）与中心排水沟形成上、下立体双层排水系统，补充完善中心排水沟无法排出拱脚下围岩渗水的缺点。

4.2影响钢管桩地基加固与排水系统改造技术的主要因素

由于隧道整体已施工完毕，钢管桩地基加固与排水系统改造技术需破坏原有隧道结构，影响加固效果的主要因素有：（1）钢管桩的定位与偏角控制;（2）水泥浆液注浆压力与注浆量控制;（3）纵梁植筋施工控制;（4）渗水盲沟施工质量;（5）破拆电缆沟槽、仰拱填充层、仰拱二衬、仰拱初支时隧道整体结构稳定性观测。

4.3关键控制技术

4.3.1 钢管桩间距与倾斜角度控制

为控制好钢管桩间距与倾斜角度，合理解决Φ108钢管桩与初期支护连接钢支撑位置冲突，现场施工时采用定点划线施工方法，同时辅助采用倾角仪对钻孔角度进行有效控制。通过控制管桩间距与倾斜角度，使钢管桩更好地参与结构受力，有效承担围岩传递的荷载作用力。

4.3.2 注浆量与注浆压力控制

注浆设计采用水灰比为1：1水泥浆液，注浆压力1-2.0Mpa。为确保注浆加固效果，注浆顺序按照“先两侧后中间”、“跳孔注浆”、“由稀到浓”的原则进行施工，当现场出现串孔、压力损失、水泥浆液扩散质量较差、钢管桩内泌水等情况时，立即暂停注浆，待浆液终凝后进行反复注浆，直至浆液不在下渗、饱满密实为止，直至达到注浆设计要求。通过控制注浆量与注浆压力，使水泥浆液包裹Φ108钢管，通过预留孔道并Φ108钢管在周围形成树根状的体系，填充周围黄土空隙，形成有效的固结体。

4.3.3 纵梁施工控制

钢管桩施工完成后拱脚位置采用纵梁进行加固补强，通过植筋，使纵梁、钢管桩、二衬混凝土形成整体，参与体系受力。纵梁施工时需格外控制纵梁主筋钢筋间距、植筋施工定位，严禁破坏已施工完成的横向排水管。縱梁钢筋为注胶植筋（伸入不少于40cm），现场已施做完成后的植筋应进行拉拔试验，确保满足钢筋强度设计值的80%。纵梁混凝土浇筑前应对槽内杂物采用高压风清理、洒水湿润，尤其注意纵梁浇筑前，对隧道原设计横向排水管进行恢复连接，确保横向排水系统通畅。

4.3.4 渗水盲沟排水系统改造施工控制

仰拱基底渗水盲沟排水系统改造施工应在钢管桩地基加固全部完成后进行，尤其注意以下几点：（1）破拆二次衬砌及初支混凝土时不得采用大型机械，以免机械振动较大对结构造成破坏，应采用人工风镐;（2）仰拱二次衬砌钢筋切除后至少保留22cm以上的外露留茬，恢复仰拱二次衬砌时应采用双面焊接连接原有主筋及新加主筋;（3）破除仰拱回填层时注意横向排水管的完整性，保证其不被压碎和阻塞;（4）渗水盲沟纵向坡度与隧道相同，保证排水纵坡;（5）排水系统改造期间，加强监控量测，每个断面至少分别在左、右侧墙及拱顶设置三处测点，严密监控衬砌变形及沉降情况;（6）施工时应对横向排水管进行有效防护，保证其不被压碎和阻塞，以确保排水系统畅通无阻。

5  加固效果评价

5.1 钢管桩效果验证

为验证Φ108钢管桩加固效果，在隧道洞口路基处进行试桩，采用分级慢速维持荷载法对Φ108钢管试验桩进行复合地基静载试验检测。为保证洞外试验桩尽可能接近隧道洞内Φ108钢管桩，采用同长度、同角度、同间距等布置，共设置试验桩11根，根据试验桩竖向抗压静载荷试验结果，钢管桩试验桩复合地基承载力特征值为240KPa。

在洞内Φ108钢管桩注浆过程中，每根钢管桩均可以达到注浆压力2Mpa，并持压10分钟，单根注浆量为0.5m3，均满足设计要求。注浆完成后在钢管桩旁采用钻心取样检查注浆效果，随机选取了两个位置，分别是 YK87+966、YK87+990，经观察，在仰拱初期衬砌与围岩结合部有1cm厚的浆液，再向下1m范围内土体芯样中有零星的水泥浆颗粒，取出芯样含水率较高，最高33.3%，平均23.5%。

5.2 纵梁效果验证

纵梁施工控制关键在植筋与混凝土强度，经现场随机选定三根植筋进行拉拔试验，实测拉拔力分别为132.55KN、134.11KN、130.0KN，均大于设计拉拔力为121.63KN。同时，经现场实测混凝土28天强度，均满足设计要求。

5.3 渗水盲沟排水系统改造效果验证

经观察洞外渗水盲沟出水口，可见盲沟内有常流水，雨季时流水暂时增大，排水效果良好。

5.4 监控量测数据侧面验证加固效果

（1）正常施工期间：2017年7月至2018年10月，最大累计拱顶下沉34mm，平均每天拱顶下沉0.0767mm。（2）钢管桩地基加固与排水系统改造施工实施期：2018年11月至2019年9月，最大累计拱顶下沉22mm，最大累计水平收敛12mm，平均每天拱顶下沉0.0756mm，水平收敛0.0412mm。（3）钢管桩地基加固与排水系统改造施工完成后：2019年9月至2020年6月，最大累计拱顶下沉7mm，最大累计水平收敛6mm，平均每天拱顶下沉0.023mm，水平收敛0.023mm。根据监控量测数据分析可得，钢管桩地基加固与排水系统改造完成后，隧道洞室结构已处于稳定状态。

6. 结语

（1）事实证明“钢管桩地基加固与排水系统改造技术”在富水黄土隧道中的应用是成功有效的，Φ108钢管桩起到加固左、右拱脚基底围岩，传递围岩荷载作用，仰拱基底下渗水盲沟起到降低地下水位，及时将左、右拱脚下围岩渗水排出，避免基底围岩软化。

（2）通过裂缝病害加固方案现场施工，表明Φ108钢管桩间距、倾斜角度与注浆压力是确保Φ108钢管桩发挥作用的关键施工控制因素。

（3）在富水黄土隧道设计和施工中，特别注意围岩渗水和左、右拱脚基底围岩软化的问题，及时将拱脚围岩加固、仰拱基底地下水进行引排、截流是保证隧道结构安全稳定的重要因素。

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