石板二号隧道岩溶段软基加固施工技术

发表时间:2016/6/13   来源:《工程建设标准化》2016年3月总第208期   作者:汪志祥
[导读] 黔张常铁路Ⅲ标,地处鄂西中低山区,岩溶发育,不同程度的岩溶工程地质问题严重影响了隧道的施工安全及工程质量。

汪志祥
  (中铁十七局集团第二工程有限公司,陕西,西安,710043)
  【摘  要】针对黔张常铁路石板二号隧道进口岩溶段隧底软基的现场实际,采用了旋喷桩、钢花管桩相结合的复合式地基处理方法进行软基处理,阐述了岩溶隧道地基加固处理施工技术的相关工艺,取得了良好的应用效果,对以后遇到类似工程提供可借鉴的工程经验。
  【关键词】岩溶软基;加固;旋喷桩;钢花管桩;隧道
  前言
  黔张常铁路Ⅲ标,地处鄂西中低山区,岩溶发育,不同程度的岩溶工程地质问题严重影响了隧道的施工安全及工程质量。通过石板二号隧道的工程实例,从复合地基施工技术的工艺出发,将旋喷桩、钢管桩等复合地基技术应用于岩溶隧道软基加固处理,取得了较好的实践效果。根据旋喷桩及钢花管桩复合地基处理得出相应成熟的施工工艺,以指导其它隧道充填型岩溶软基加固实施。
  1.工程概况
  石板二号隧道位于湖北省咸丰县,地处武陵山脉的构造侵蚀溶蚀中低山区,高程770~1032m,相对高差70~260m,自然坡度20~70°。根据地质钻孔显示,隧道进口DK31+687.3~DK31+743段为软塑状粉质黏土填充的溶腔,开挖揭示该段岩溶的充填物为软塑状粘土、块碎石土,深度5~20m不等。根据这一地质特征,在该段隧底充填型岩溶软基采用高压旋喷桩及钢花管桩加固处理。
  2.岩溶软基加固施工技术
  隧道DK31+687.3~DK31+743段,隧底充填型岩溶软基采用高压旋喷桩及钢花管桩符合式加固处理方案。旋喷桩桩径?800mm,间距120cm;钢花管钻孔直径?200mm,管径?194的,间距60cm,均为梅花形布置,隧道边界适当加密布置。
  2.1旋喷桩加固施工技术
  2.1.1加固范围及参数的确定
  DK31+729~DK31+743段,隧底充填物深度大于20m,采用旋喷桩加固。旋喷桩桩径?800mm,桩间距和排距均为120cm,梅花形布置;加固深度至基岩为止,一般长20m;注浆压力25~27Mpa。桩位布置如图1所示,其基底加固线路中线纵断面图如图2所示。
  

  2.1.2施工设备
  高压旋喷注浆的施工机具包括钻孔机械和喷射注浆设备两大类。对不同的喷射方式,所使用的施工机具的类型和数量不同。本隧道岩溶地基加固施工所使用的主要设备为:Op76型振动钻机、C-D-2型旋喷钻机、卜2型液压泵、PP-12型注浆泵、3-7B型高压水泵、LGY20-10/7型空气压缩机、YGB5-10普通泥浆泵、JIs-10泥浆搅拌机。
  2.1.3施工工艺流程
  旋喷桩加固充填型岩溶软基的施工程序示意如图3所示。
  

  ① 钻机就位
  钻机安放在设计孔位上。钻孔的位置与设计位置偏差不大于50mm,钻杆轴线要保持垂直,施工时旋喷管的允许倾斜不大于1.5%,如图3(a)所示。
  ② 钻孔
  采用76型旋转振动钻机,钻进深度可达30m以上,钻孔的位置与设计位置的偏差不大于50m,如图3(b)所示。
  ③ 注浆管
  使用76型振动钻机钻孔时,下注浆管与钻孔两道工序合二为一,钻孔与下注浆管同时完成。插管过程中,为防止泥砂堵塞喷嘴,采用边射水、边插管,水压力一般不超过1MPa,以防止冲垮孔壁。
  ④ 喷射注浆作业
  当喷管插入预定深度后,由下而上进行喷射作业,如图3(d)和3 (e)所示。施工过程中,值班人员时刻注意检查浆液初凝时间、注浆流量、压力、旋转提升速度等参数是否符合设计要求,并做好记录,绘制作业过程曲线。当注浆管不能一次提升完成而需分数次卸管时,卸管后喷射的搭接长度不小于10cm,以保证固结体的整体性。
  ⑤ 洗器具
  喷射施工完毕后,形成柱状喷射桩加固体,如图3(f)所示。最后应把注浆管等机具设备冲洗干净,管内、机内不得残存水泥浆。操作过程为:把浆液换成水,在地面上喷射,以把泥浆泵、注浆管和软管内的浆液全部排除,防止残存的水泥浆将管路堵塞。
  ⑥ 移开机具
  将钻机等机具设备移到新孔位上,准备钻下一孔。
  ⑦ 回填注浆
  喷射注浆完成后,由于浆液的析水作用,固结体将会有不同程度的收缩,使固结体顶部出现一个凹穴,容易造成加固地基与建筑基础结合不紧密或脱空现象。为防止这种现象的出现,采取回灌补浆。
  2.1.5喷射施工工艺
  ①喷射深层长桩
  根据地质勘探及钻取岩芯提供的地质剖面图及地下水等资料,在不同深度,针对不同地层土质情况,选用合适的喷射参数。对于硬土,采用增加压力和流量,或适当降低旋转和提升速度等方法,从而获得均匀密实的长桩。
  ②重复喷射
  对土体进行第一次喷射主要是破坏原状结构土,第二次原位喷射是使冲击对象变成为浆土混合液,使固结体直径得到有效保证。
  ③消除固结体顶部凹穴
  采用水泥浆进行喷射时,在浆液与土搅拌混合后的凝固过程中,由于浆液的折水作用有不同程度的收缩,造成固结体顶部出现一个凹穴.深度一般为0.3~1m之间,为消除这种现象钻孔前不能挖至设计的仰拱底板标高,而是在铺底顶面开始钻孔旋喷。施工完毕后,开挖正好消除凹穴。
  ④冒浆处理
  冒浆量超过20%或完全不冒浆都应查明原因进行处理,冒浆过大的主要原是注浆量大大超过喷浆固结所需的浆量。减少冒浆量的主要措施为:提高喷射压力;适当缩小喷嘴直径;加快提升和旋转速度。不冒浆的主要原因为地层中有较大空隙,处理方式为:在浆液中掺入适量CaCl2;增大注浆量填满空隙后再继续正常喷浆。
  2.1.6质量控制与检查
  (1)质量控制
  高压旋喷注浆的质量控制遵循以下原则:
  ①工前先进行场地平整,挖好疏通排浆(水)沟,复核定位孔位是否符合设计。
  ②水泥和水使用前应作试验,符合砼拌合标准方可使用。
  ③做好钻机定位,钻机安放要保持水平,钻杆保持垂直,倾斜度不得大于1.5%,孔位偏差不得大于50mm。
  ④注浆管贯入土中,喷嘴达到设计标高,即可喷射注浆。在注浆参数达到规定值后,提升注浆管,注浆管分段提升的搭接长度不得小于lm。
  ⑤发生异常情况应停止提升和喷射注浆以防桩体中断,同时查明原因及时排除故障,如果浆液喷射不足应进行复喷。
  (2)旋喷质量检查内容
  采用钻孔取芯法从已好的固结体中钻取岩芯,并将其做成标准试件进行室内物理学性能试验,检查内部桩体的均匀程度及强度是否符合设计要求。旋喷固结体在地层中直接形成后,属于隐蔽工程,不同于其它地基处理工程,因而不能直接观察到旋喷桩体的质量,必须用科学的方法来鉴定其加固效果,质量检查内容主要有以下几点:
  ①固结体的整体性和均匀性;
  ②固结体的有效直径;
  ③固结体的垂直度;
  ④固结体的强度特性(包括桩的横向压力、水平推力、抗酸碱性、抗冻性和抗渗性等);
  ⑤固结体的溶蚀和耐久性能等。
  2.2钢花管桩加固岩溶技术工艺研究
  石板二号隧道DK31+687.3~DK31+729段溶洞下方隔岩石层或者充填物里夹有大量大块孤石,在这种环境下再采用旋喷桩加固困难较大,采用钢花管桩加固。钢花管加固的主要优点是施工灵活简便,可以穿透多层岩层,且由于充填了砼的钢管本身就是桩体,具有很好承载力,对其注浆效果的要求不是很高,较实用于不均匀的复杂地质。
  2.2.1加固方案及主要参数的确定
  经开挖和地质钻探揭示,DK31+687.3~DK31+729隧底下方揭示有较大空溶洞,右侧边墙处纵向约长约10m,左侧边墙处纵向长约12m,溶洞高约6m。隧底为充填型溶洞,充填物为粘土夹少量大块石,有隐伏充填溶洞。
  加固方案为:基底采用?194钢花管群桩加固(如图4、5所示)。加固深度14m,桩间距和排距均为60cm,梅花型布置,钢花管桩注浆压力1.5~2Mpa。
  

       

  2.2.2设备配备
  钢花管桩主要施工设备为:JIS-10型砂浆搅拌机1台、KBY-50/70型注浆泵1台、70型双液注浆泵1台、JDQ-120型深孔钻机1台、L-22/7型压风机1台。
  2.2.3施工工艺
  钢花管桩工艺流程分为施作止浆墙、制作桩管、钻孔、下管、制浆、压浆等工序。
  (1)施作止浆墙
  在钻孔前先在施作钢花管桩区域顶面浇注20cm厚的C15混凝士止浆墙,其目的一是将浆液控制在软基范围内,不向上冒浆,二是在止浆墙上搁置钻机可牢固地将钻机固定,保证了钻孔精度,有利于施工。待止浆墙达到设计强度后,再将钻机置于止浆墙上进行钻孔作业。
  (2)制管
  在钻孔前首先要按设计要求制好钢花管,即将每根要桩的第一节钢管(5~6m)的一端压制成梭型做为注浆管头,再在每根钢管的管壁上钻注浆孔,孔径10mm,呈梅花型布置,间距50cm。
  (3)钻孔
  ①先按图纸要求进行施工放样,将钢花管桩的具体位置定出,误差控制在50mm之内,所有钻孔统一编号,并注明施工次序。
  ②用深孔钻机钻孔,垂直偏差应小于1%,先钻外围孔,然后钻内部孔;钻孔穿过松软岩层或遇有塌孔掉块时,应先进行灌浆处理,然后再继续钻进在孔深达到设计要求,即嵌入基岩1米后,方可拔钻,然后清孔.钻孔结束后,孔内残留岩芯和沉淀不超过20cm。
  ③详细记录钻孔深度及每个深度的地层情况,对涌水、漏水、断层、洞穴、破碎、掉块等进行记录,作为分析钻孔情况的依据。
  ④在注浆前进行孔壁冲洗与裂隙冲洗,以提高注浆效果,孔壁冲洗可采用风水联合冲洗或由导管通入大流量水从孔底向孔外冲洗的方法,冲洗压力不大于本段注浆压力的80%。在孔深达到设计要求后,及时将钢花管插入,单根钢管长度6m,下管时对钢花管进行丝接。
  (5)制浆
  用强制性搅拌机将水泥、砂子和水搅拌均匀,配合比要先浓后稀,初期采用水:水泥=1:1,后期采用水:水泥:砂子=1.5:1:0.5(质量比)封孔。
  (6)压浆
  采用“先外后内,先疏后密,外密内疏,先少后多,先浓后稀”的原则进行压浆。压浆机械采用牛角注浆泵或泥浆泵,压力控制在1.5~2MPa。先外后内:先从两侧墙注浆区钢花管开始压起,而后逐渐从两侧向中间转移,直至全部压注密实。
  2.2.4注意事项
  (1)注浆过程中,发现冒浆时,根据具体情况采用嵌缝表面封堵、加浓浆液和降低压力等方法加以处理。
  (2)注浆过程中,发生串浆时,如被串孔正在钻进,则应立即停钻;如串浆量不大时,可在注浆的同时,在被串孔内通入水流,使水泥浆不致充填孔内;如串浆量大时,可用止浆塞塞于被串孔串浆部位上方1~2m,对注浆孔继续注浆。注浆结束后,应立即将被串孔内的止浆塞取出,并扫孔洗净待后再注。
  (3)在软基吸浆量大注浆难于结束时,一般可限流,间歇注浆,浆液中掺速凝剂或压注水泥水玻璃等。
  (4)注浆过程中如回浆变浓,应改稀后继续压注,若无效,再次改稀压浆,如回浆仍变浓,即可结束压浆。
  (5)注浆过程中如因故中断,尽可能缩短中断时间,及早恢复注浆,若中断时间超过30min,立即设法冲洗钻孔;如冲洗无效,则在重新注浆前进行扫孔。恢复注浆前,开始使用最大水灰比的浆液压注,如吸浆量与中断前相似,采用中断前的水灰比;如吸浆量较中断前减少较多,则浆液逐渐加浓。恢复注浆后,如吸浆量比中断前减少很多,且在极短时间内停止吸浆,则认为该段注浆段不合格,在附近补孔注浆。
  2.2.5检测效果
  采用地质钻钻孔取芯法对桩问土进行检测,按钢花管数量的3%进行抽检,经检测强度均符合设计要求。压浆后,经取芯检验,空溶洞全部被水泥砂浆压注密实,钢花管间土体承载力显著提高,对以端承桩形式受力的钢花管桩群起到了显著的加强作用,钢花管以桩群形式嵌入基岩受力,有效地增强了抗压及抗剪能力,对列车的高速运营提供了较高的安全系数。
  3.小结
  对旋喷桩、钢管桩两种复合地基新技术在隧底充填型岩溶软基治理中的应用作了详细介绍,并根据施工及试验结果得出如下结论:
  (1)钢花管可以穿透岩石夹层,保证夹层下部基础密实,与其它复合地基相比,它具有适应环境能力强的优点。注浆压力较大,可以对周围土体起到固结强化的作用,采用群桩施工可使之形成一固结整体。
  (2)通过工程实践证明,将旋喷桩、钢管桩等复合地基新技术应用于隧底充填型岩溶软基治理,并根据不同地质条件作为互补方案,其方法可行,技术先进,岩溶地区隧道施工中实用性较工程技术。
  (3)旋喷桩或钢管桩技术相结合应用,使隧道岩溶治理段形成一个整体,使隧道结构受力更合理,使岩溶治理更彻底。
  以前隧底软基治理仅采用仰拱、浅层换填等方法,虽然保证了施工安全,但往往因为隧底治理不彻底而造成运营过程中的隧底翻浆、冒泥。复合地基新技术在隧道中的应用,对隧底进行彻底整治,改善了以前隧道施工“重拱顶、轻隧底”的缺点,避免了以后运营过程中出现翻浆、冒泥等灾害,保证了运营安全。
  参考文献:
  [1]黄生根,张希浩,曹辉.地基处理与基坑支护工程[M].武汉:中国地质大学出版社,1997.3
  [2]史钊.公路、桥梁、隧道施工新技术、新工艺与验收规范实务全书[M].北京:金版电子出版公司出版,2002;
  [3]中国建筑科学研究院.建筑地基处理技术规范(JGJ79-91)[s].北京:中华计划出版社,1992;
  [4]齐加连,徐学燕,李舜,王正秋.高压旋喷复合地基承载力试验研究[j].哈尔滨建筑工程学院学报,1994-6,27(3):97~101;
  [5]铁三院岩溶处理方案;
  [6]铁路隧道工程施工质量验收标准 TB 10417-2003 J287-2004。

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