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1、深层旋喷桩加固黄土隧道软基施工技术三隧公司 金祥义 颜怀远 刘丽坤1、工程概况甘肃省馋柳高速公路土家湾隧道位于兰州市东南约70km处，该隧道穿越马儿湾梁分水岭，为上、下行分离的四车道高速公路隧道，隧道埋深为19153米，坡度较缓，分水岭处最大埋深153米，上行线隧道长1289.25米，下行线隧道长1265米，设计纵坡为+2%-0.5%，两隧道高差为1.46m3.83m,建筑限界净空10.25米，净高5.0米，净空断面面积65.6m2，隧道最大开挖宽度为13.40米，最大开挖高度为9.8米。隧道采用复合式衬砌，一次衬砌厚度分别为70cm、45cm, ，二次衬砌为等厚度35cm。隧道地质情况：隧道
2、表层为550m厚风积黄土，下伏1845m厚离石黄土（老黄土），与下卧第三系红色泥岩呈不整合接触，老黄土与泥岩较坚硬，风积黄土疏松具有大孔隙，为自重湿陷性黄土，含水量达30%以上，埋置较浅，以淤泥质土层（淤泥质亚粘土、淤泥）为主。土质特征为饱和流朔状，高含水量，高压缩性，易触变，抗剪强度低，工程性能差。其中尤以下行线进口段地质情况最为恶劣。见洞口段地质纵断面图（图一），地质勘探柱状图（图二）。zk-8zk-9补zk地面线2037Q3col2027Q2pl-al2017隧道设计高程线N22007K29+105K29+190K29+265Q3col上更新统风积黄土Q2pl-al中更新统洪积冲积黄土N
3、2上第三系上新统泥岩下行线进口端洞口段地质纵断面图 （图一）地 质 勘 探 柱 状 图 （图二）工程名称土家湾隧道钻孔地点或坐标土家湾隧道下行线西洞口钻孔深度39.31m钻井编号Zk-m60开挖时间2000年4月28日比例尺1：400孔口高程2026.74m完工日期2000年4月30日柱状剖面图层底 高程(米)对应含水量累计深度（米）厚度（米）岩芯描述地质时代2021.74m2015.3430.011.4011.40黏土层：颜色由褐色-土黄色。粘性从上至下逐步减少，较湿-很湿，可朔-软朔，4米以下含水量较大，中密。Q3al2017.74m25.616.605.20黄土状粉土：颜色土黄色，很湿，
4、软朔，中密，以粉土为主，含水量很大。Q3al1992.8433.9017.30粘土层：颜色褐色-土黄色-褐红色，粘性从上至下逐步增大，很湿-较湿，软朔-可朔，中密。Q3al泥岩：颜色为肉红色，稍湿，较硬，遇水变软，可朔，组成为红色粘土，固结成岩。N22、施工方案比选 通过明洞的开挖和重新钻探资料表明，该隧道洞口浅埋段土体含水量大，隧道位于软淤土体上部，基础承载力不能满足设计要求，为确保隧道建设和营运期间的安全，经多次专家会议研讨、论证、设计，施工方案如下：方案一：隧道基底处黄土软淤地段采用深层旋喷桩加固软基。方案二：在墙脚处设置钻孔灌注桩，桩顶设置钢筋混凝土平台。方案三：隧道浅埋段采用 18工
5、字钢支撑喷射钢纤维混凝土进洞，然后在墙脚附近设置钻孔，压注中华798高分子材料进行化学加固地基。方案四：采用部分明挖，然后采用50粉喷桩加固地基。经过对以上方案的合理性、可行性、经济性、工期等各种因素的分析比较，最后确定采用第一种方案。对隧道边墙和隧道仰拱底进行加固，加固深度平均为10.4米，钻孔深度为45米，采用梅花形等间距布桩。附隧道断面图（见工法图1），旋喷桩平面布置图（见工法图2）。3、工艺原理旋喷桩是利用钻机把带有特制喷嘴的注浆管钻进至土层的预定位置后（旋喷机也可以自钻成孔），以高压设备使浆液或水成为20Mpa左右的高压流从喷嘴中喷射出来，一边喷射一边旋转和提升钻杆，能量高度集中的液
6、流直接冲击破坏土体，并使浆液搅拌混合凝固成为一个具有特殊结构的固结体，从而使地基得到加固。4、工艺特点施工设备简单，占地面积小，工期易于控制，施工作业简便，对软土地基处理效果好，易于推广使用。5、适用范围适用于550米的淤泥、淤泥质土、粘性土、粉土、黄土、砂土、人工填土和碎石土等软土地基。6、施工工艺泥浆的排泄处理搅拌浆液旋喷机就位插管拔管试喷高压喷射注浆喷射注水清洗检孔钻孔调整钻架钻机就位施工准备测量放线6.1施工程序：见施工工艺流程图6.2施工方法与作业要点6.2.1施工准备：施工前平整场地，用压路机或其它方法夯实地基，挖好泥浆池，做好水、电等准备工作。6.2.2测量放线：用全站仪定出孔位
7、的边孔和中孔位置，然后用钢尺放出其它孔位的相应位置，在放样完孔位后，用水准仪测出各孔位的地面高程，以便控制孔深。6.2.3钻孔：钻机开钻前，用经纬仪检测钻杆与孔位是否在一条铅垂线上，要满足钻杆的倾斜度不大于0.5%才能开钻。钻孔过程中随时检查钻机水平及钻杆的垂直度，对不合格的钻孔，需回填重钻，成孔直径15cm。6.2.4插管：旋喷机安放在钻好的孔位上，对准钻孔位置，将旋喷管插入孔中，到达预定深度。在插管过程中，为防止泥堵塞喷嘴，需边射水，边插管，水压力一般宜超过1Mpa，如压力过高，则易将孔壁射坍塌。6.2.5旋喷浆：旋管插入预定深度后，立即检查高压管连接情况并搅拌浆液，旋喷作业开始后，值班人
8、员必须时刻注意检查浆液初凝时间、注流量、压力、旋转提升速度等参数，待旋喷管提升到高于设计标高3050cm时，旋喷作业结束。6.2.6移动机具：一个孔位施工完毕后，将钻机等设备移到新的孔位上，为下一个孔位旋喷。（如移动机具的时间超出水泥浆初凝时间，必须先清洗机具）6.2.7冲洗：施工完毕后，应将注浆管等机具冲洗干净，管内、机内不得残存浆液。冲洗时把浆液换成水，靠高速水流将泥浆泵、注浆管内的浆液全部排除。7、施工人员及主要设备配置根据工期要求，配置钻机13台，旋喷机3台，管理人员10人，施工人员109人，共计119人。 人员及设备配置览表 表（一）设备名称单位数量人员配备及职责范围汽车钻台3配置1
9、5人 负责钻孔GXY100钻机台7配置28人 负责钻孔SPJ50型钻机台3配置15人 负责钻孔MYII旋喷机台3配置36人负责 搅浆 喷射 清理YL-500高压泥浆泵台3配置9人负责机械正常运转及维修工具车辆3配置3人 负责机械正常运转及维修NJ1000浆液搅拌机个3配置3人 负责后勤保障工作高压胶管米508、质量要求8.1钻孔的倾斜度不得不大于0.5%，孔位定位偏差不得大于50mm。8.2高压旋喷桩浆液为水泥浆液，浆液水灰比为1：1，水泥采用普硅425水泥，浆液初凝时间为15h左右，不能超过20h。8.3高压喷射注浆压力2022Mpa（异型喷嘴），旋喷桩径7080cm。8.4旋喷机提升速度2
10、023cm/min，旋转速度1520r/min。8.5水泥用量350400kg/m，流量80120l/min.9、质量控制9.1施工前先要检查高压设备和管路系统，压力和流量必须满足设计要求，注浆管密封圈必须良好。9.2水泥在使用前需做质量鉴定，浆液用水应符合混凝土拌和标准的规定进行配制，根据水泥浆液与水灰比关系曲线用婆美比重计进行检测。9.3当注浆管插入土中喷嘴达到设计标高时，即可喷射注浆。在喷射注浆参数达到规定值后，随即分别旋转，提升注浆管，由下而上喷射注浆。注浆管分段提升的搭接长度不得小于100mm。9.4在高压喷射注浆过程中，出现压力骤然下降、上升或大量冒浆等异常情况时，应停止提升和喷射
11、注浆，以防村庄体中断，同时立即查明产生的原因并及时采取措施排除故障。如发现有浆液喷射不足影响村体的设计直径时应进行复喷。9.5当高压喷谢注浆完毕后，应迅速拔出注浆管，用清水冲洗管路，为防止浆液凝固收缩影响村顶高程，必要时可在原孔位采用浆液回灌或第二次注浆等措施。9.6施工过程中采取跳槽式旋喷注浆，防止串孔、昌浆。10、施工中出现的问题旋喷桩施工后，隧道在开挖过程中，发现桩径不能满足设计要求，大部分桩径在4055cm左右，为保证软基加固后承载力能满足设计要求，检算如下：复合地基承载力计算依据：fsp=fpm=（1-m）fs式中 fsp、fp、fs分别为复合地基、单桩和桩间土承载力标准值m桩、土面
12、积置换率（m=Ap/As）桩间土承载力折减系数，可根据试验确定在无试验资料时可取0.20.6旋喷村径=45cm时，置换率m=0.060，单桩截面积Ap=0.159m2=40cm时，置换率m=0.049，单桩截面积Ap=0.126m2计算能数，桩身试块强度fcu.k=7.5Mpa,强度折减系数=0.5，桩周土平均磨擦力qs=30kpa，桩端土天然地基承载力折减系数=0.5，桩间土天然地基承载力fsk=120kpa，桩间土承载力折减系数=0.5，平均旋喷桩桩长L=10m。单桩竖向承载力=45cm时，Rdk=fcu.kAp=0.575000.159=596.25KN或Rdk=qsUpL+Apqp=3
13、01.41310+0.50.159400=455.7KN取Rdk=455KN=40cm时Rdk=fcu.kAp=0.575000.126=472.5KN或Rdk=qsUpL+Apqp=301.256100.50.126400=402KN取Rdk=402KN复合地基承载力=45cm时fsp.k=m Rdk/Ap+(1-m)fs.k=0.06455/0.159+0.5(1-0.06)120=228.1Kpa220Kpa=40cm时fsp.k=m Rdk/Ap+(1-m)fs.k=0.049402/0.126+0.5(1-0.049)120=213.39Kpa220Kpa根据验算得知，旋喷桩桩径不大
14、于40cm时，复合地基的承载力不能满足设计要求。11、处理措施11.1用小型旋喷机对不大于40cm的旋喷桩进行树根桩补强，树根桩的工作原理同载桩（旋喷机有机自钻成孔的功能）。11.2仰拱、边墙基础砼浇筑过程中预留10cm孔洞（用PVE管预留），预留PVE管穿透砂砾垫层与黄土地基面接触。11.3树根桩直径不小于20cm，加固长度同旋喷长度一致加固根数根据旋喷桩大小和开挖出的基础情况而定。11.4树根桩采用水泥浆液水灰比为1：1。12、结束语深层旋喷（旋喷紧大深度52.8米）处理黄土隧道软基在我国施工中首次使用，由于天然地基的地层土质情况沿着深度变化较大，土质种类、密实程度、地下水状态等对旋喷的效果有较大影响，故我们在施工中需不断地积累这方面的经验和不断的探索。参考文献1基础工程施工手册 高压旋喷注浆法，中国计划出版社，1996.22西公路学院设计的地基加固方案