杜家沟隧道进口人工挖孔桩治理效果评价研究

李万胜，孙泽萍

（1.甘肃天陇铁路有限公司，兰州 730000；2.甘肃电通电力工程设计咨询有限公司，兰州 730000）

进入21 世纪以来，我国经济一直在如火如荼地向前发展，随着城市化进程不断加快，对运输行业的要求也不断提高。在我国交通运输行业中铁路桥梁隧道占据着非常大的比重，但隧道建设过程中也会遇到许多诸如软岩等不良地质情况，导致影响隧道开挖进度甚至施工人员生命安全。

在隧道进口段，若是遇到较陡的松散岩体地段，进行隧道开挖时的扰动很有可能会使上部土体滑落，造成冒顶、塌方，甚至滑坡。针对这种现象，丁财宝[1]在施工过程中通过采取钢管桩注浆加固和减小偏压后，实现了隧道顺利施工。沈远等[2]采取支挡结合坡面排水措施，在滑坡前缘隧道进口处设一排抗滑桩来防止滑坡。宿爱香[3]结合吉图珲客专后鞍山隧道工程实践，通过旋喷桩施工达到超前改良、加固土体。

近几年，我国大部分地区都采用和推广使用人工挖孔桩来改良软土地层不良地质基础[4-6]，因人工挖孔桩具有较大的承载能力及经济灵活性，很快受到了较多勘察设计、施工单位的认同，其是一种适宜在软弱地基上施工使用的基础形式[7-9]。但在目前治理隧道进口段塌方等问题中，使用人工挖孔桩的案例较少，多数还是设计为锚索或者抗滑桩，但这样一方面提高了工程造价，另一方面，也会拖延工程进度。因此，很有必要研究人工挖孔桩在塌方问题中的影响，以填补该工程设计领域中的空白。本文以杜家沟隧道进口段为例，通过在隧道两端增设人工挖孔桩，增加土体的稳定性。经数值模拟分析，本方案取得了良好的加固效果，可以为相似的隧道工程设计提供依据。

1 工程概况

1.1 工程概述

杜家沟隧道位于甘肃省陇南市武都区两水镇境内，为中山区，地面高程1 085~1 375 m，相对高差约290 m，区内地形起伏大，植被较茂密，隧道最大埋深约271.2 m，最小埋深约12 m。隧道起讫里程DK226+029-DK228+075，全长2 046 m，为单线隧道，隧道DK226+404.45-DK228+075 段位于R-800 m 的左偏曲线上，其余均位于直线上；洞内分别为-16.7‰/371 m、-15.9‰/1 675 m 的单面下坡，隧道进口高程：1 102.73 m，出口高程为1 069.9 m。

1.2 气象特征

隧址区地表水主要为白龙江及其支流沟坝河，属嘉陵江水系。隧道进口为白龙江支流沟坝河，为常年流水。隧道上方地表水为人工水渠，该水渠环山体半坡而建，流量小。隧道洞身下穿两处冲沟，勘察期间未见地表水。沿线气候为北亚热带湿润向暖温带半湿润过渡的季风气候区，受高山深谷地形的影响，在气候上有明显的区域特征，气候差异悬殊，垂直分带明显，河谷炎热，山地寒冷。

1.3 地层岩性特征

隧道洞身通过的地层岩性主要为第四系上更新统黏质黄土、细角砾土、细圆砾土、粗圆砾土、卵石土及志留系千枚岩。隧道进口段主要为志留系中上统白龙江群第一岩性段主要分布在隧道进口及洞身段；主要为千枚岩，灰黑色，鳞片变晶结构，千枚状构造，层厚0.1~3 mm，成分主要为含铝、镁等为主的含水硅酸盐矿物、长石等，含炭质矿物，呈丝绢光泽。岩体破碎，节理较发育，褶皱发育，岩质软，手捻易碎。表层风化严重。Ⅳ级软石，强风化厚0.5～2 m，σ0=300 kPa；弱风化，σ0=400 kPa。基本围岩分级Ⅴ级。现场实际证明，在隧道开挖过程中，上覆土体经扰动后就会松动坍塌。

2 隧道进口段现场试验设计

2.1 设计目的

杜家沟隧道进口为志留系薄层千枚岩层，岩体破碎，层面无粘结，产状凌乱，岩层走向变化快，洞口仰坡坡度较陡，开挖稍有扰动就会快速松动坍塌。由于导向墙底部岩体稳定性差，开挖后导向墙底部岩体在自重压力下坍塌，导致导向墙右侧墙角悬空下沉，牵引作用下导致洞内沉降，洞顶松散土体变形，地表开裂，因此，需对进口段隧道围岩进行加固处理，防止坍塌，通过分析加设人工挖孔桩后的治理效果，为今后相似工程实例提供设计依据。

2.2 隧道进口人工挖孔桩工程方案设计

为防止洞顶上方土体移动，抵抗上部松散土体压力，根据地形情况，在洞口两侧边坡设置2 m×3 m（横×纵）加固方桩，桩长23 m。右侧2 根，桩顶高程1 117 m，中心里程为DK226+0405，隧道中心线与左右两侧桩中心距为7.2 m，右侧第二根桩与第一根桩中心间距4 m。左侧1 根，桩顶高程1 114 m，桩中心里程为DK226+041.5。桩体为C30 钢筋混凝土，护壁为30 cm厚C20 钢筋混凝土，嵌固于洞顶两侧山坡上。布设位置如图1 所示。

图1 人工挖孔桩布设示意图

人工挖孔桩施工顺序：场地平整—测量放线—施工混凝土锁口—挖孔桩土方—安装护壁钢筋—浇筑护壁砼（循环施工至设计标高）—终孔验收—安放钢筋笼—浇筑桩身砼。由于桩位于洞口仰坡上，坡面较陡，无法放置设备施工，且在坡面上无法施工挖桩锁口，需在桩位处填土至桩顶位置，平台外缘距桩外侧不小于1.5 m，填土需逐层压实。填土平台位置如图2 所示。

图2 填土平台示意图

2.3 隧道进口段工程设计方案

初期支护采用喷锚支护形式，系统锚杆采用φ22砂浆锚杆，钢架采用工字型钢和H 型钢钢架，钢筋网采用φ8 钢筋制作，具体见表1。喷射混凝土采用湿式喷射作业。

表1 杜家沟隧道进口段隧道工程参数表

喷锚作业紧跟开挖工作面进行。在桩孔开挖之前要做好桩上口及槽上口边的护理工作。放测出的桩孔位置，桩身外侧加500 mm 为开挖轮廓，做好护桩，并加以保护钢筋网在洞外事先焊接绑扎成片，运至洞内铺设。固定在锚杆尾部。先进行初喷，厚度4～5 cm，型钢钢架安设完成后，再进行多次分层喷射至设计厚度，将喷层表面凹凸不平处喷射平整、圆顺。隧道均采用复合式衬砌，根据围岩形式，本隧道采用一般断面衬砌、椭圆形断面衬砌及圆形断面衬砌。衬砌施工采用衬砌台车施工，衬砌台车按衬砌类型设计加工，二次衬砌一般在围岩变形趋于基本稳定后施作，变形趋于稳定应符合以下要求：隧道周边变形速率明显下降并趋于缓和；水平收敛小于0.2 mm/d、拱顶下沉速率小于0.15 mm/d。

3 有限元计算结果分析

Plaxis2D 是一款有限元分析软件，旨在对岩土工程和岩石力学中的变形和稳定性进行二维分析，通过建立隧道纵断面与横断面模型，并分析加设人工挖孔桩前后总位移与有效应力变化，最终验证设计人工挖孔桩的合理性。

数值模拟采用强度折减法计算总安全因数。千枚岩材料模型选取摩尔-库伦屈服准则，排水类型选择不排水。人工挖孔桩材料类型为弹性。有限元材料模型其余参数见表2。

表2 有限元材料模型参数表

3.1 横断面分析

横断面总位移对比如图3 所示。

图3 横断面总位移对比图

由图3 可知，当没有设置人工挖孔桩时，由于上覆土压力存在，衬砌右侧变形最大，最大值约为1.3 m。而当设置人工挖孔桩后，围岩总体变形明显变小，尤其边界周围上的总位移减少的最为明显。

横断面有效应力对比如图4 所示。

图4 横断面有效应力对比图

有效应力，是指土壤在荷载作用下，通过粒间接触面传递的平均法向应力，会引起土体的变形和决定土的抗剪强度。土体的有效应力越大，其抗剪强度也越大。

从图4 有无人工挖孔桩时的总有效应力对比图中可以发现，当没有设置人工挖孔桩时，笛卡尔总有效应力最大值为0.57 N/m2，最小值为-1.07 N/m2，有效应力分布以隧道为中心，靠近隧道的有效应力最大。当增设人工挖孔桩时，笛卡尔总有效应力最大值为10.05 N/m2，最小值为-1 848 N/m2，有效应力绝对值与未加人工挖孔桩相比，增大了1 500 倍以上，有效应力分布更加分散。这说明人工挖孔桩使得土体内部的粒间应力增加，使土体不易受开挖扰动影响。

3.2 纵断面分析

由图5 可知，当没有设置人工挖孔桩时，土体最上层变形最大，而当设置人工挖孔桩后，围岩变形总体明显减小。从图6 有无人工挖孔桩时的总有效应力对比图中可以发现，当没有设置人工挖孔桩时，笛卡尔总有效应力最大值为1.807 N/m2，最小值为-0.616 5 N/m2，有效应力在坡脚与土体中部最大。当增设人工挖孔桩时，笛卡尔总有效应力最大值为7.865 N/m2，最小值为-1 675 N/m2。有效应力变化情况与横向隧道相似。

图5 纵断面总位移对比图

图6 纵断面有效应力对比图

4 结论

本文立足于杜家沟隧道，通过平整场地、测量放线等一系列工艺流程，得到人工挖孔桩，通过有限元分析软件Plaxis2D 对设计好的人工挖孔桩从横断面与纵断面2 个角度进行数值模拟，得到以下结论：

（1）增设人工挖孔桩后，对横断面进行数值模拟分析，发现有效应力绝对值大幅增加，并且分布整体上更加均匀，同时土体位移变形总体大幅减小，说明人工挖孔桩使得土体内部的粒间应力增加，使土体不易受开挖扰动影响。

（2）增设人工挖孔桩后，对纵断面进行数值模拟分析，发现有效应力与总位移变化情况和横断面有限元分析结果相似。从横断面与纵断面变形总量大幅减少，粒间应力增加可以说明使用该方案布设的抗滑桩合理，可以为今后的相似工程提供依据。

（3）对于千枚岩等开挖稍有扰动就快速松动坍塌的地质条件，可以使用人工挖孔桩使浅埋隧道变形减小，并使岩土体整体性提高。