黄土隧道钢管桩地基处理技术总结.docx
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黄土隧道钢管桩地基处理技术总结
黄土隧道地基钢管桩处理技术总结
（中铁二局第四工程有限公司大西项目部申星宇）
摘要：
本文结合湿陷性黄土机理和大西项目新仪张隧道施工特点，对黄土隧道地基钢管桩的施工工艺进行了详细的阐述，对钢管桩的注浆控制参数进行了比选，提出采用以“理论注浆量”为主来控制注浆压力，防止因压力过大对软弱围岩造成破坏，同时能满足注浆效果。
达到了安全和快速施工的目的。
关键词：
钢管桩注浆施工技术
1工程概况
1.1工程概况
新仪张隧道区段（DK601+090~DK601+400）勘探深度范围内地层为第四系上更新统坡洪（Q3dl+pl）新黄土，第四系中更新统洪积（Q2pl）老黄土，具有湿陷性，采用钢管桩加固，桩径50mm，间距1.0mX1.0m，梅花形布置，桩底深至非湿陷性土层是少2m。
1.2工程地质特征具体描述如下
1.2.1第四系上更新统坡洪积层（Q3dl+pl）新黄土：
浅黄色、黄褐色、褐黄色，坚硬~软塑，针孔发育，土质均匀，0~10吗m粉粒为主，10m以下粘粒为主，含白色菌丝状碳酸钙、蜗牛壳及零星钙质结核，具湿陷性。
层厚38.8~39.8m，层状分布。
1.2.2第四系上更新统坡洪积层（Q2pl）老黄土：
棕红色、浅黄色，坚硬~软塑，土质较均匀，以粘粒为主，含黑色铁锰质斑点及零星钙质结核，最大揭露厚度6.7m，层状分布。
1.2.3黄土是干旱或半干旱气候条件下的沉积物，在生成初期，土中水分不断蒸发，土孔隙中的毛细作用，使水分逐渐集聚到较粗颗粒的接触点处。
同时，细粉粒、粘粒和一些水溶盐类也不同程度的集聚到粗颗粒的接触点形成胶结。
试验研究表明，粗粉粒和砂粒在黄土结构中起骨架作用，由于在湿陷性黄土中砂粒含量很少，而且大部分砂粒不能直接接触，能直接接触的大多为粗粉粒。
细粉粒通常依附在较大颗粒表面，特别是集聚在较大颗粒的接触点处与胶体物质一起作为填充材料，在天然状态下，胶结物的凝聚结晶被牢固的粘结着，故使湿陷性黄土具有较高的强度，而遇水时，水对各种胶结物的软化作用，使土的强度突然下降便产生湿陷。
湿陷性黄土之所以在一定压力下遇水时产生显著附加下沉，除上述在遇水时颗粒接触点处胶结物的软化作用外，还在于土的欠压密状态。
干旱气候条件下，洪积的黄土层，其蒸发影响深度大于大气降水的影响深度，在其形成过程中，充分的压力和适宜的湿度往往不能同时具备，导致土层的压密欠佳。
接近地表2-3米的土层，受大气降水的影响，一般具有适宜压密的湿度，但此时上覆土重很小，土层得不到充分的压密，便形成了低湿度、高孔隙率的湿陷性黄土。
1.3水文地质特征
勘探深度范围内未见地下水。
1.4主要工程数量表
表一主要工程数量表
里程
长度（m）
设计桩长（m）
φ50钢管桩总长度（m）
DK601+090~120
30
13
5460
DK601+120~150
30
11
4620
DK601+150~180
30
9
3780
DK601+180~210
30
7
2940
DK601+210~270
60
5
4200
DK601+270~290
20
8
2240
DK601+290~310
20
11
3080
DK601+310~330
20
14
3920
DK601+330~350
20
18
5040
DK601+350~400
50
19
13300
地基钢管桩施工工程量较大，为完成工期目标，不阻碍后续施工的进行，需选择合理的施工方法进行施工。
2适用范围
微型钢管桩适用于隧道软弱地基及其他软弱地基和边坡的加固。
3施工工艺流程及操作要点
3.1施工方法的选择
为了增加地基的承载力，消除湿陷性，新仪张隧道原DK601+090~DK601+400段基底湿陷性新黄土采用Φ51迈式微型桩加固，后变更为Φ50钢管桩加固处理，桩长5~19m，同时采用压力注入水泥浆的方法加固处理。
具体布置如下图一所示。
图一钢管桩加固基底结构示意图（单位：
cm）
2.3钢管桩加固作用机理
钢管本身具有较大的抗压强度，同时水泥浆液在压力作用下能和地基土之间紧密结合并在桩周围的土质中扩散，填充了土颗粒间的空隙。
通过水泥浆体的摩擦力产生的张拉和压缩力能转移至土中，提供了土的径向摩擦力和弯曲硬度，而且起到防腐的作用，使钢管桩与地基土之间有更好的摩阻力并满足设计使用年限，能满足承载后的地基沉降要求。
因此钢管桩能提高地基的承载能力，改善湿陷性黄土的土质力学性能，满足设计要求。
2.4施工配置
2.4.1材料配置
（1）钢管
新仪张隧道基底钢管桩采用Φ50无缝镀锌钢管，壁厚6mm。
钢管桩上钻注浆孔，孔径10mm~20mm，孔间距150~300mm，呈梅花形布置，尾部留不钻孔的止浆段100cm，见下图二所示。
图二钢管桩构造示意图
（2）水泥浆
钢管桩注浆所用水泥浆液施工配比由试验确定，现场使用砂浆搅拌机拌制。
2.4.2机械、人员配置
表一机械、人员配置表
施工机械
机械数量（台）
人员配置（名）
XL-40旋喷钻机
2
4
KBY-50砂浆搅拌机
1
2
注浆机
1
1
由于本工点已配置一套250KW发电机组供隧道施工所用，所以钢管桩施工不再另行配置发电设备。
2.5施工工艺
2.5.1施工工艺流程。
如下图三所示。
图三钢管桩施工工艺流程图
2.5.2钻孔施工
（1）施工方法
①钻孔宜在仰拱初期支护闭合成环后施作。
一是由于钻孔施工持续时间较长，为尽早封闭围岩保证围岩的稳定，所以宜先施作仰拱初期支护。
二是施作仰拱初期支护后钻孔机械能置于坚硬的基面上，相比置于软弱黄土地基上更宜施工。
同时仰拱初期支护可以保护基底黄土不受钻机的扰动，防止塌孔。
②施作仰拱初期支护的同时预埋确定孔洞位置和大小的胶管，方便后期钻孔施工，成孔直径不小于60mm。
③钻孔作业采用XL-40旋喷钻机成孔，为降低扬尘，保持现场作业文明施工，钻孔的同时需在孔眼处洒水降尘。
图四钢管桩钻孔施工
（2）质量控制
①钻孔前复核桩孔中心位置，桩孔中心点的偏差不大于50mm，如偏差大于50mm则应调整预埋管道位置或重新选点钻孔。
②桩孔时应垂直于基面，钻孔的垂直度偏差不大于1.5%。
钻孔过程中需随时注意钻机有无走位偏移，可采用在钻机行走轮胎旁喷油漆的方法进行观察，如发现钻机偏移量超过允许值时必须马上停止钻孔作业，待调整钻机位置至原油漆处后才能重新钻进。
这样同时能满足钻孔的垂直度，又能减小再次钻进过程中钻杆所受的扭力与剪力，降低钻机的损耗。
③成孔直径不小于60mm，并满足设计孔深。
如成孔后测得孔径或孔深不足，应补钻以满足设计要求。
④成孔满足要求后使用高压风管将孔中的土屑等杂物清理干净，然后使用土工布条堵塞孔眼，以避免土屑等杂物进入孔中。
2.5.3安装钢管
（1）施工方法
①由于钢管桩较长，在运输条件与现场作业空间限制的因素下，钢管采用分段接长的方法安装至设计长度,节段间采用内连接套的方法连接。
②钢管桩安装完成后将孔口处钢管与孔壁之间的缝隙填塞封闭，保证后续的注浆质量。
（2）质量控制
①为保证钢管间的连接质量，首先需要保护钢管桩的管端（即套口端），防止有损伤和变形。
②连接前，应检查钢管桩的管口有无变形和损伤，如发现有局部变形应进行修复或替换。
同时连接前应将钢管桩管口的铁锈，泥土和油污等清理干净，以免影响连接钢管的顺利进行。
③孔口处钢管与孔壁之间的缝隙需保证填塞密实，以保证注浆压力的控制。
2.5.4确定注浆参数
（1）理论注浆量计算
计算理论注浆量一是可以避免材料的浪费，二是可以防止注浆量过多引起压力过大，进而影响地基结构。
每延米钢管桩的理论注浆量计算公式为：
式中：
β为实际测定的基底围岩孔隙率；r为实际测定的基底围岩扩散半径（m）；D1为钢管外径（m）；D2为钢管的内径（m）。
经测定新仪张隧道暗洞段地基软弱围岩空隙率β=0.18，扩散半径r=1m，钢管外径D1=0.05m，钢管内径D2=0.044m，代入公式得出V0=0.567m3。
单根钢管桩的理论注浆量计算公式为：
V=LV0
式中：
L为单根钢管桩长度；V0为每延米钢管桩理论注浆量。
试验段单根钢管桩设计长度为9m，代入公式得出V=5.01m3。
（2）试验方法：
选定3跟钢管桩，分别使用水灰比0.8:
1、水灰比1:
1和水灰比1.2:
1这三种配合比注浆。
注浆时当压力达到0.5Ma时停止注浆，间隔10min后再持续注浆，这就是“间隔注浆”。
当注浆量达到理论注浆量时，同时记录注浆终压。
同时通过监控量测观察基底变形情况，以确定注浆终压，防止基底鼓涨，导致破坏结构。
（3）注浆参数的选定
经过试验，发现使用水灰比0.8:
1的水泥浆注浆达到理论注浆量时的注浆终压为1.7Ma，通过监控量测观测基底有较小变形现象发生；使用水灰比1:
1的水泥浆注浆达到理论注浆量时的注浆终压为1.3Ma，并且通过监控量测观测基底无变形现象发生；使用水灰比1.2:
1的水泥浆注浆时，通过监控量测观测基底虽无变形现象发生，但是达到理论注浆量时的压力仅为0.9Ma，不满足设计要求。
因此最终选定使用1:
1水泥浆，注浆终压控制为1.3Ma。
2.5.5拌制水泥浆液
水泥浆液要严格按照水灰比为1:
1的比例配置，配置时水泥以每袋50Kg计算，用水通过事先计量过的容量为50Kg的水桶加入搅拌桶。
水泥浆在搅拌桶内至少搅拌3分钟后才可以使用，从而达到搅拌均匀。
水泥浆需随拌随用，如果遇设备故障或其他原因致使水泥浆液搁置时间超过20min，为不影响桩身质量，应将浆液废弃。
2.5.6注浆
（1）施工方法
①注浆过程中要合理安排注浆顺序，采取先中间，后两边的间隔注浆顺序（见下图五）。
这样做一是挤压地下软弱围岩中的地下水向两边“流动”，避免在注浆加固体中产生“囊状饱和水围岩”，使注浆获得更好的效果。
二是可以减小注浆压力扩散面，减小对地基的扰动，确保施工质量和安全。
②注浆时安排专人负责记录注浆量和注浆压力，注浆量通过在搅拌桶内画刻度线的方法计算，注浆压力从压力表上读取。
设定当压力达到0.5Ma时要暂停注浆，间隔10min后再持续注浆，这就是“间隔注浆”。
因为此时注浆孔附近浆液比较集中，在同等压力下浆液扩散较慢，所以间隔10min再注浆是为了让浆液适当扩散，提高注浆效果。
③注浆结束后用高一等级的水泥浆填塞孔眼。
图五钢管桩注浆顺序示意图
图六钢管桩注浆施工图
（2）质量控制
①注浆结束标准：
注浆过程中，压力逐渐上升，流量逐渐减小，当压力达到注浆终压，注浆量达到设计注浆量的80%以上，可结束该孔注浆；注浆压力未能达到设计终压，注浆量已达到设计注浆量，并无漏浆现象，也可以停止该孔灌注。
②注浆压力与基底围岩、围岩孔隙率、地下水发育情况等都有关系，存在不确定性，同时压力过大会对隧道基底产生破坏，所以实际施工中以控制注浆量来控制注浆压力，以评定注浆量是否达到理论注浆量来判断是否完成注浆。
③达到注浆结束条件后不要立即拆除注浆管路，应稳压至少3min观察压力表的变化，如压力下降过多，需再次注浆，确保基底围岩达到“饱和水泥浆”状态。
3总结
3.1注浆压力的有效控制
通过注浆记录的分析，当压力达到0.5Ma时注浆量一般为理论注浆量的60%，如持续注浆，则压力持续上升，达到理论注浆量时压力可达到1.6Ma~2.0Ma，同时通过监控检测发现基底围岩有变形现象的发生。
而通过“间隔注浆”，当压力达到0.5Ma，停止10min后再持续注浆直至理论注浆量的压力一般为1.1~1.3Ma，基底围岩无变形现象。
说明通过控制理论注浆量和采用“间隔注浆”的方法来避免因注浆压力过大而引起地基仰拱变形的措施是可行的。
3.2地基钢管桩加固效果检测
3.2.1桩间土挤密效果检测
按设计要求沿线路纵向连续每50m抽样检验4个点，在孔之间形心点附近，成孔挤密深度内，每1m取样测定其干密度、挤密系数和湿陷系数。
经检测桩间土最小挤密系数为0.90，平均挤密系数0.95，平均湿陷系数为0.009，满足设计要求。
3.2.2桩基承载力检验
设计要求检测数量为总桩数的2‰，且不小于3根。
新仪张隧道钢管桩共4340根，所以沿纵向每35m检测一根，共9根。
经平板荷载试验，单桩复合地基承载力为190~210Ma之间，符合设计要求大于180Ma。
3.3质量控制要点
通过新仪张隧道钢管桩加固黄土隧道地基的施工中可以得出，保证钢管桩加固的作用效果，需要控制以下内容：
表二钢管桩质量控制要点表
控制内容
控制要求
控制方法
钢管
钢管内外径与垂直度达到要求
尺量
水泥
水泥质量符合要求
水泥进场检测
孔深
达到设计孔深
现场量测
桩的垂直度
垂直度偏差不大于1.5%
保证连续一次成孔，钻孔过程中防止钻机偏移
注浆量和注浆压力
以控制注浆量来控制注浆压力
仔细记录观察制浆桶内浆液减少量和压力表读数
其中特别需要的注意的是防止注浆压力过大对围岩地基产生破坏，所以准确计算理论注浆量和准确记录实际注浆量就显得特别重要。
3.4施工改进措施
新仪张隧道属于Ⅴb围岩，要求仰拱与掌子面距离不得大于35m，这就要求钢管桩需要及时迅速的施作。
通过上诉施工方法，在新仪张隧道地基钢管桩施工中虽然基本能够满足施工进度的要求，但是由于与栈桥的“交叉”阻碍，会影响钻机的钻孔作业。
因此建议改进钻孔机具，向更加轻便、灵活的方向发展。
二是钢管桩注浆以控制注浆量来控制注浆压力，因此注浆量的准确性就显得特别重要。
本隧道注浆量是通过在制浆桶上划线来确定，存在较大误差，因此建议使用能准确记录注浆量的注浆机具。
图七、图八钻机作业时与栈桥的“交叉”阻碍
4结束语
在新仪张隧道暗洞段（DK601+090~DK601+400）的地基处理施工中，经过以上过程的控制，在减小对初期支护不良影响的同时，通过后期的监控量测证明实现了隧道软弱地基的零沉降。
说明隧道地基钢管桩注浆加固从围岩孔隙率和地下水发育情况着手，计算理论注浆量，通过控制注浆量和注浆顺序，来避免出现因压力过大引起地基变形的措施是切实可行的。
随着我国铁路的跨越式发展，为了确保工程质量，确保运营安全，对隧道软弱地基的处理要求将会更加严格。
因隧道地基钢管桩注浆加固在施工中有着诸多优点，应用将会更加广泛。
参考文献
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