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1、隧道穿越大型充填溶洞基底钢管桩注浆加固工法中铁隧道集团二处有限公司陈庆怀 朱玉峰1.前言灰岩地层岩溶及地下暗河发育，且发育的规模、形态、位置不一，这给穿越岩溶地层的隧道施工带来了很大的困难，特别是溶洞位于隧道底部的处治往往较难，处治时既要考虑施工安全，又要考虑结构在使用运营中的安全。目前处治隧道底部溶洞的方法一般有桥梁通过及底部换填加固，桥梁通过施工干扰较大、周期长，对基底地质情况要求苛刻，且不适用于拱墙承受较大压力的情况，底部加固中换填技术对填充物较厚的溶洞且有较大的局限性。我公司承建的重庆外环玉峰山隧道灰岩地层岩溶发育，且发育的规模较大，溶洞边界在隧道仰拱下1530m就有4个，其中纵向长度
2、为2064m，且该工程工期压力相当大。中铁隧道集团二处有限公司联合设计单位、邀请重庆交通系统专家进行了科技创新，采用了隧道底部钢管桩深孔注浆加固改良基地承载力的方法，对隧道底部特大溶洞，特别是底部深度在10-30m范围内有较好的可操作性，通过底部深孔注浆及钢管桩，提高了仰拱底部承载力，将应力传递至基岩上，将对结构运营安全十分有利，且采用本工法对隧道施工干扰较小，可操作性强，该工法具有良好的社会经济效益。2.工法特点2.1 利用地质勘探技术，在物探手段地质雷达、TSP等技术的基础上，引入地勘手段，对溶洞区纵横竖向进行钻孔取芯，做到准确详尽的了解溶洞的规模及形态，为处治方案提供有力的技术保障。2.
3、2 利用仰拱底部钢管桩深孔注浆处治技术，达到满足结构安全及使用寿命的要求，该技术能实现多个工作面平行作业，并且不会影响前方正常施工，达到快速施工的目的。2.3利用仰拱底部钢管桩注浆技术与其它跨越或换填等技术相比，具有适应性强、施工干扰小、可操作性强等特点。3.适用范围本工法适用于净高在5m以上净空断面积在30m2以上的各种埋深、各级围岩充填型溶洞的隧道，且溶洞底部距离隧道基底在5m以上、填充介质为粘土夹角砾碎砾石的铁路隧道、公路隧道、城市地铁、地下停车场等各种洞室的基础处理， 4.工艺原理4.1 利用地质勘探技术探明隧道底部溶洞的规模、形态，了解溶洞内地下水、填充物情况。4.2 利用合理的隧道
4、开挖方法，确保仰拱在基底处治期间的施工安全。4.3 利用钢管桩和注浆技术，提高仰拱溶洞填充物的承载力，确保结构的安全及使用寿命，具体加固深度应根据设计确定。5.施工工艺流程及操作要点5.1 施工工艺流程（见图1）仰拱处治剖面图见图2。地质勘探仰拱施工钢管桩施工深孔注浆隧道衬砌施工隧道拱墙开挖及初支图1 施工工艺流程图图2 仰拱处治剖面图5.2 操作要点5.2.1地质勘探地质勘探应采用不同的探测方法进行互相验证，以保证探测成果精度。溶洞发现后，施工单位应立即施做探孔，并进行必要的物探技术验证，物探技术应采用TSP、地质雷达与地表高密度电法等方法。如溶洞构造复杂，或施工单位超前探孔与物探成果不一致
5、时，应委托地勘单位做相应的补勘，以保证对溶洞的规模、形态等要素有一准确清晰的认识，补勘探孔布置图详见图3。并在仰拱施工前，每5m一个断面钻设竖向探孔，一个断面布置三个，中线及两侧各一个，探明仰拱底部堆积层厚度，以确定仰拱底部注浆范围及深度。图3 探孔布置示意图5.2.2 仰拱施工由于隧道底部为溶洞填充物，承载力往往很低，一是初支结构在仰拱未施做期间沉降量很大，二是仰拱开挖后会诱发初支结构发生大的变形，稍有不慎，将引发严重的事故。（1）施工顺序拱墙加固仰拱开挖仰拱结构施工（2）施工要求拱墙加固为防止隧道在中下层及仰拱施工时发生掉拱及引起沉降过大而导致坍塌事故的发生，必须采取有效措施对拱墙进行加固
6、。主要措施为：（a）控制开挖进尺，必须保证中下层及仰拱开挖进尺在一榀拱架。（b）加长锁脚锚杆长度并保证其施工质量。锁脚锚杆采用m的42小导管注浆加固，并在下层拱脚处设置10m的76自进式锚杆注浆加强。并利用自进式锚杆做支撑采用25槽钢做纵向托梁，将拱架连成整体，以控制初支结构沉降。仰拱开挖该段仰拱必须紧跟，尽早落底成环，仰拱施作长度控制在3m内，仰拱左右错进距离控制在3-5m。仰拱结构施工仰拱开挖后，按要求施做初支及二衬仰拱，施做时采用150钢管按间距1.5m.5m梅花型预留底部钢管桩。初支仰拱支护参数为：20b工字钢50cm，挂双层钢筋网，25连接筋50cm内外侧交错布置，喷C20砼28cm
7、；二衬仰拱支护参数为：25主筋20cm，接头采用焊接，70cm厚C30防水砼，抗渗标号S8，砼要求掺加防水减水共效的膨胀防水剂。施工时保证二衬仰拱左右幅同时施工，不得采用半幅施工，以保证其整体性。5.2.3 钢管桩施工仰拱施工完毕待砼强度达到设计强度的70%后立即进行钢管桩作业，钢管桩分区作业，分区按纵向10m布置，钢管桩按1.5m1.5m梅花型布置，详见图4。图4 钢管桩布置图（1）钢管桩材料及加工钢管采用89、壁厚4mm的无缝钢管，按标准长加工，采用小直径钢管丝扣连接，钢管分为ABC三种型号加工。A型为孔口管第一节，长度为1-3m；B型为桩中钢管，长度分为3m；C型为桩头管，长度为3m，前
8、端加工成圆锥状，圆锥长度为30cm，详见图5。钢管桩管体加工溢流孔，以利于注浆施工，孔口lm范围内不加工溢流孔，溢流孔间距25cm,溢流孔直径8mm，设置4排；溢流孔加工成TSS孔模式，即在溢流孔外面加铣孔，铣孔直径12mm，外贴12mm贴片，起到单向阀作用，防止出现串浆，详见图6。图5 钢花管加工及连接大样图 图6 钢管桩溢流孔大样图（2）钻孔、下管成孔采用GY-100型工程地质钻机钻108孔，钻孔采用分区纵横向错孔间隔钻进，钻孔时从仰拱预留孔位钻孔，钻孔深度深入基岩1m，如存在坍孔现象，应全部跟管作业钻进，钻孔采用干钻，避免基底持力层被破坏。成孔后即开始下管，下管完毕后抽出跟管，连接注浆机
9、准备注浆。5.2.4 深孔注浆（1）注浆顺序钢管安装到位后立即进行注浆，采用成孔一个，注浆一个，注浆顺序与钻孔顺序一样，采用纵横向错孔间隔注浆。（2）注浆准备工作注浆前先封闭预埋管，后将钢管桩与高压注浆胶管连接，上齐止浆阀，注浆连接详见图7。同时对注浆设备进行检查并完成试注，检查设备、管路是否符合要求。图7 钢管桩注浆连接大样图(3）注浆设备及材料注浆采用KBY50/70注浆机，注浆浆液采用水泥浆，对个别岩溶出水较大孔采用水泥-水玻璃双液浆。水泥浆水灰比W/C为0.6-1，水玻璃浓度35Be，双液体积比C/S 0.7-1，水泥采用P.O32.5普硅水泥。（4）注浆参数注浆参数详见表1，注浆前应
10、进行现场注浆试验，根据实际情况调整注浆参数，取得注浆施工经验。 表1 注浆参数表序号参数名称参数值1浆液扩散半径R=1.52m2注浆速度10100L/min3注浆终压静水压力的2-3倍，一般控制在3-5Mpa4注浆凝结时间30s2min5注浆方式前进式一次性注浆（5）注浆量计算单孔理论注浆量如下：Q=R2hn(1+) R:浆液扩散半径，取1.5-2mh:注浆孔深，取实际长度n：岩层空隙率，取20%：岩层空隙充填率，取0.8-0.9：浆液损失率，取1.1-1.2：二次注浆充填率，取30-50%（6）结束注浆标准采取定压与定量相结合的原则，单根当达到以下条件之一，即可结束注浆：注浆压力达到设计终压
11、，注浆速度小于5L/min时，持续10min后压力不下降即可结束注浆。由于填充区存在局部岩溶通道，为防止浆液随着连通的岩溶通道流失造成不必要的浪费，当注浆量达到单孔理论计算量100%时压力未上升应采取间隔注浆，如达到单孔理论计算量120%后压力仍未上升即可结束注浆。（7）注浆效果检查及评定所有注浆孔都结束以后，应进行注浆效果检查，注浆效果检查采用分析法、探孔检查法与注浆固结体强度和变形性能检测进行综合评定。分析法浆液填充率反算通过统计总注浆量，可采用下式反算出浆液填充率，根据浆液填充率评定注浆效果，即Q = Vn (1 + )式中：Q 为总注浆量(m3)，V 为加固体体积(m3)，n 为地层孔
12、隙率或裂隙度，为浆液填充率， 为浆液损失率。检查孔法（a）选择可能出现的薄弱环节进行钻孔检查，钻孔每5m在隧道左中右分别打设，总的检查孔数量按注浆孔总数的10%（不得少于5个）控制。检查孔无裂隙和无充填物涌出，不塌孔。（b）检查孔必须取芯，很难取得完整岩芯，但通过检查孔的岩芯中浆液的固结体存在的多少，以及固结体的强度来判断浆液的固结情况和注浆效果。注浆固结体强度和变形性能检测(a)检测固结体强度的方法采用静力触探试验，检测时凿除仰拱进行试验。(b)变形性能根据静力触探试验得到的Ps或qc值通过由室内试验而得的经验公式换算得到。如：SPs30； Eo=9.79Ps-26.33溶洞填充物为粘土(8
13、)补充注浆对于没有达到设计要求的检查孔，应对其区域进行补充注浆，补充注浆根据现场实际情况确定。5.2.5 隧道衬砌施工（1）支护参数：25主筋20cm，接头采用焊接，70cm厚C30防水砼，抗渗标号S8，砼要求掺加防水减水共效的膨胀防水剂，起到以加快凝结时间及早形成承载拱。（2）溶洞区两端设置沉降缝与基面段完全断开，防止不均匀沉降引起衬砌结构开挖。（3）隧道内设置永久观测点，设置在隧道矮边墙两侧，纵向m一个，长期监测衬砌结构沉降情况。5.2.6 监测技术与分析施工过程中应全过程监测隧道结构的变化情况，及时测量各主要工序施工阶段引起的动态沉降数值，并与分析计算值比较，及时反馈指导设计和施工。主要
14、的监测内容参见表2。表2 监 测 项 目 汇 总 表序号监 测 项 目监 测 仪 器 监 测 频 率监 测 目 的1拱顶沉降WILD-N3精密水准仪，铟钢尺，钢挂尺初期：1次/2小时，后期：1次/6小时了解隧道施工过程中支护结构变位情况及规律2结构收敛坑道收敛计3围岩压力压力盒，频率接收仪初期：1次/1天，后期：1次/2天了解隧道施工过程中围岩压力、接触应力及结构自身应力大小及分布情况4初支与二衬间压力5初支钢筋内力钢筋计，应变计、频率接收仪6二衬钢筋内力7混凝土应变8地下水位电测水位计初期：1次/天稳定后：1次/2天掌握隧道及溶洞内地下水位情况注：可根据施工条件和沉降情况增加或减少观测次数5.3 劳动力组织见表3。表3 劳动力组织 项目人数项目人数测量放线（含监测）8钻孔35立拱、喷砼、埋管等20下管、配料及注浆25自进式锚杆施工15合计1036.材料与设备 见表4。表4主要材料及机械配备表序号设备名称设备型号单位数量用途1钻机GY-100型工程地质钻机台10钻孔施工2装载机ZLC50台2出碴3挖掘机1.2 m3台1挖碴4自卸汽车8T台5出碴5抽水机80D309台10排水6电焊机BX3
