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水平旋喷桩预支护在软弱黄土隧道中的试验研究

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巢哿蓑龄L删G现代隧道技术水平旋喷桩预支护在软弱黄土隧道中的试验研究水平旋喷桩预支护在软弱黄土隧道中的试验研究张晓1杨建国2王运周3田兵1(1甘肃路桥建设集团有限公司,兰州730070;2长安大学公路学院,西安710064;3甘肃交通职业技术学院。兰州730070)摘要为提高软弱黄土隧道地基承载力.针对研究项目洞口段围岩的特点。提出水平旋喷桩预支护方案。经计算分析,参考水平旋喷桩在其它工程项目中的应用情况,初步确定水平旋喷桩加固体的直径、长度、纵向间距等。结合围岩地质条件,采用不同的灰水比、注浆压力、钻机提升速度等施工控制参数开展大规模现场成桩试验。对所有成型桩体直径、长度、3d及28d强度进行检验。由检验结果调整预设计参数,得出了水平旋喷桩设计控制指标、施工工艺参数。工程应用表明,采用水平旋喷桩超前支护技术具有较强的适应性和可操作性,提高了软弱黄土地区公路隧道围岩稳定性和地基承载力,可为软弱黄土地区公路隧道的设计与施工提供借鉴。关键词黄土隧道水平旋喷桩隧道地基加固预支护技术文献标识码:A中图分类号:U455.491引言害较多,隧道洞口段施工尤为困难。为给黄土隧道的科学设计选取合理的参数,并制定行之有效的施工工艺,以提高黄土隧道结构物的使用安全性和可靠度.针对银武高速公路平定段静宁隧道黄土围岩的特点.提出了浅埋段水平旋喷桩预支护处治方案及质量控制措施。由于水平旋喷桩预支护在黄土隧道中的应用尚属首次,加之依托工程围岩十分软弱,课题组根据现场试桩获得了施工技术参数。总结了黄土隧道水平旋喷施工技术要点。测试表明。水平旋喷桩能有效提高地基承载力,确保静宁隧道的施工安全。可为今后黄土地区隧道设计和施工提供有价值的经验。我国是世界上黄土分布面积最广的国家.随着西部大开发的进行.黄土地区高等级公路建设不断发展,黄土地区公路隧道不断增加。根据黄土地区隧道所处的地质条件。结合黄土地区隧道的修筑技术研究这一国家西部交通建设项目111。将黄土地区隧道划分为纯黄土隧道及核心部分为泥岩的黄土隧道两大类。黄土围岩特点为疏松具有大孔隙、湿陷性极强、强度低、隧道围岩拱效应极低。隧道核心部分为Q:黄土。黄土颗粒大、粉砂含量较高、相对较密实,为低湿陷性黄土.含水量小于7%时强度相对较高。隧道开挖后围岩自稳时间较短。核心部分为红色泥岩的黄土隧道.洞口两端浅埋段地质条件与纯黄土隧道较为一致。隧道核心部位为第三系红色泥岩,由于泥岩成岩作用较差。泥质含量高,强度较低,属极2工程概况平(凉)一定(西)高速公路为西部大通道银川至武汉公路在甘肃省境内的组成路段。是甘肃第一条利用亚洲开发银行贷款建设的公路项目。也是甘肃乃至整个西北与东部发达地区陆路交通运输的主动脉。静宁隧道是平定高速公路上最长的黄土隧道,为该线路的重点控制工程。隧道进出口段洞室为浅埋饱和黄土地层,围岩软弱。含水量大,地基承载力低,软岩,围岩特性介于土质隧道与岩石隧道之间鲫。黄土形成时代相对较晚。其物理力学性质相对较差,加之黄土区的地形地貌、工程地质、水文地质、气候等条件比较复杂,导致黄土隧道修筑过程中病修改稿返回日期:2009—1l埘作者简介:张11尧(1977-),女,工程师.从事公路、桥梁及隧道工程的施工与管理工作'E—m8il:柏iayjg@163.COIn.第47卷第1期(总第33011)2010年2月出版V01.47。No.1。Total.No.330Feb.2010万方数据 36现代隧道技术水平旋喷桩预支护在软弱黄土隧道中的试验研究土体垂直节理发育。大孔隙多。随大气降水的入渗,洞室有渗水、滴水现象。施工过程中,受施工机械扰动等因素影响.地基出现液化.洞内路面泥泞,施工机械下陷,甚至造成车辆万向传动装置断裂,施工被迫停工。极大地制约着工程进度.如不实施必要的处治措施,将直接影响全线的按期完工。隧址区位于静宁盆地北部边缘梁峁区,上行线隧道长2600MODERNTUNNEI.I,INGTECHNOLOGY压喷射流,借助高压喷射流的切削和混合,使注入剂和土体混合,达到改良土质的目的171。结合围岩地质条件,经计算分析,参考旋喷桩在其它工程项目的应用情况,确定水平旋喷桩加固体的直径为60cm。长度15m,纵向间距6m,外插角40,布置如图1所示。m,下行线隧道长2679m,为上下行(a)纵向布置分离式隧道,属浅埋松软黄土和弱胶结岩石型长隧道。地处陇西旋卷构造体系的六盘山旋回褶带以西、祁吕弧型褶带以北,即陇西系向南收敛部位。地表被厚层黄土所覆盖,地质构造痕迹不明显。根据勘察资料。隧址分布的地层自上而下为呐(1)第四系上更新统新黄土(Qi‘),覆盖整个山梁,揭露层厚18.7—48.8m,垂直节理发育,半坚硬一硬塑状,实测天然含水量14.65%一17.92%。(2)第四系上更新统饱和黄土(Q;),潮湿一饱和,硬塑一软塑状,实测含水量22.6%~32.1%,压缩模量4.22~11.31MPa,具中等压缩性。层厚3.9-40.5m。(b)横向布置图1水平旋喷桩布置示意(单位:cm)Fig.1Configurationofhorizontal(3)第四系中更新统老黄土(萌”),层厚38.25~71.6In,土质不均匀,较致密,含水量较大,多呈硬塑(4)第三系上新统泥岩(N2),与上覆黄土呈不整jetgroutingpiles状。局部呈软塑状,具中等偏低压缩性。3.2施工技术参数利用水平旋喷桩超前支护技术加固黄土隧道软地基为首次应用。设计控制指标、施工工艺参数、施工质量控制无经验可借鉴。为此,课题组与平定高速公路LDl0和LDll合同段联合,有代表性地选用不同的技术参数进行了现场试桩。共计完成3组试桩。每组2根,共6根试桩,严格控制相互咬合。为促凝、实现早强.在水泥浆液中加入了0.5%0三乙醇胺及0.5%无机盐。试桩施工控制参数如表l所示。主要施工设备有:(1)BGP90/50—90型高压注浆泵;(2)衡阳探矿机械厂生产的HT一150型钻机。为检验水平旋喷桩试桩效果,3d后开挖抽样检查成桩效果,检查项目包括每根桩成桩直径、外插角、成桩长度及其抗压强度,结果见表2。试验表明。桩体整体性好,桩径均匀,无明显缩径现象。6根试桩3d抗压强度均大于2.53MPa,有效桩径大于60cm,水平旋喷桩能提高饱和黄土地基承载力。满足强度和变形的要求。根据工程勘察资料反映出的地层性状、地下水情况及现场试验结果,最终确定的水平旋喷桩施工参数如表3所示。第47卷第1期(总第330期)2010年2月出版V01.47。No.1。Total.No.330合接触,泥质胶结,具遇水软化、缩水干裂性,粉砂质含量高。弱风化一未风化,成岩作用差,岩石单轴抗压强度0.45MPa,泊松比0.22。属极软岩。3水平旋喷桩处治方案3.1方案设计在软弱、松散、富水地层中修建隧道工程,采用超前预加固辅助工法已得到地下工程界的广泛认同和应用。目前超前预加固方法主要有:超前小导管、超前小导管预注浆、大管棚、深孔注浆、水平旋喷桩、高压旋喷桩、水平搅拌桩和水平冻结等。采用水平旋喷法有利于降低隧道工程造价、缩短工期和保证施工安全,在软弱富水地层中,还具有抗渗止水和加固围岩的双重效果。目前,水平旋喷法已受到相关行业的重视和广泛关注,在我国具有广阔的应用前景。鉴于工程实际情况,依据文献【6】拟对静宁隧道松软浅埋黄土段实施水平旋喷桩超前支护技术加固地基。水平旋喷桩基本原理为通过高压注浆泵将注入剂形成高Feb.加lO万方数据 37现代隧道技术裟:裂芸吕≯ELⅢGTable1水平旋喷桩预支护在软弱黄土隧道中的试验研究表l水平旋喷桩试桩施工控制参数ConstructioncontrolparametersofhorizontaljetgroutingpilesF’一…。I组号LABC提升速度灰水比(m。:m_)1:0.7l:11:1喷嘴孔径/nan222喷嘴个数|令ll1外加剂/kg三乙醇胺1.11.751.65旋喷压嗣/MPa252020/(m/min)O.250.28O.30无机盐ll17.516.5l表2水平旋喷桩试桩结果Table2Test酽。…一’;桩号赶resultsofhorizontaljetgroutingpiles成桩长度/m1514.615.514.915.115.6施=亡耗时/rain平均直径/cm74727l687371外插角水泥用量A2.22.23.53.53.33.33d抗压强度,MPa2.532.593.563.883.253-3l28d抗压强觑/MPa4.754.87.377.696.516.88“。)445533彳AlA2BlB2ClC2889098908086表3水平旋喷桩施工参数Table3Constructionparametersofhorizontaljetgroutingpiles『提升速度灰水比喷嘴孔径/nun2喷嘴个数|个l旋喷压力,MPa’25—30外加剂/kg三乙醇胺1.754…I.《/(m/n[1in)0.25一O.30(me:m)1:0.7无机盐二17.53.3施工关键技术水平旋喷桩属隐蔽工程,在施工过程中严格按距孔口0.5m处停止旋喷作业,立即退出钻杆,用棉纱塞堵孔口,以防浆液外泄。旋喷完毕后及时清洗管路和机械,废浆外运。旋喷过程中一般都会出现冒浆现象,如果冒浆量小于注浆量20%。30%为正常现象,超过30%或完全不冒浆时.应查明原因并及时采取措施。从试桩实际情况来看。还应特别注意以下技术要点:(1)由试桩知,单根水平旋喷桩施工时间平均为1.5h,每个施工断面的施工时间为15h。因而应合理安排施工工序,在保证质量和施工安全前提下加快施工速度,同时在工作面设临时方木支撑或采用喷混凝土及时封闭工作面,防止围岩长时间暴露引起流变失稳[7-s]。(2)施工期间加强监控量测,提高量测频率,及时了解围岩变化情况。用量测数据适时修正施工参数嗍。遇围岩变形突变应尽快查明原因,确保施工安照图l所示布孔,并控制好浆液配置、钻孔及旋喷、冒浆处理等关键工序,确保水平旋喷桩施工质量。钻机、注浆泵、搅拌机、贮浆桶等就位后,按照设计配合比配置浆液。均匀拌合,拌和时间不少于3min。水泥浆从搅拌机倒人贮浆桶前经筛过滤。防止出浆口堵塞。然后按照先两侧、后中间的顺序进行旋喷施工,横向每次间隔一个桩体,左右交替进行,严格控制桩间咬合率。为保证桩径和桩间咬合,采用复喷工艺,即推一次、进一次、再退一次,共计三次旋喷。桩体前端旋喷时,加大旋喷压力或降低喷嘴的旋转提升速度可增强加固效果。根据现场试桩情况。单根旋喷桩注浆结束标准为:一是当注浆压力逐步升高。达到设计终压并继续注浆10min以上;二是单桩注浆量达到设计注入量.注浆结束时的进浆量在20—30L/min以下。当达到上述标准后,旋喷机在苎竺堂苎!塑!璺苎苎竺塑!垫!!竺!星些璺V01.47,NO.1。Total.NO.330Feb.2010万方数据 38水平旋喷桩预支护在软弱黄土隧道中的试验研究-_I-●lII●_●--ii——milli●●_I●I●__l-I●●_●l_-l____徽裂删G现代隧道技术全。(3)单根桩施工完毕后。要对注浆过程中的各种记录资料综合分析,检查注浆压力和注浆量是否达到设计要求。另外。水平旋喷桩加固体3天强度需达到IOMPa。不满足要求时应及时采取相应措施补救。(4)围岩岩性为饱和黄土,旋喷过程中应设置专门废浆池,防止浆液外泄,旋喷完毕后及时清洗管路和机械,废浆外运,避免浆液漫流,泡软地层,加剧围岩失稳【m121。Fig.2累计量测时间,d薹彗蠢抛狮m瑚啪啪孵∞∞o图2典型断面位移一时间曲线DisplacementsV8.timecurveofonetypicalsection4水平旋喷桩应用效果评价依据试桩结果.在静宁隧道软弱浅埋黄土段上行线SK207+450一SK207+700、SK209+300一SK209+900。下行线XK207+500一XK207+820、XK209+300一XK209+820采用单管旋喷方法进行了水平旋喷桩施工。随后进行了桩体开挖检查、桩体钻孔取芯及试块无侧限抗压强度试验。桩体开挖结果表明,旋喷桩桩体均匀,随机抽样桩桩径均大于60cm,试块3d5结论针对平定高速公路静宁隧道浅埋暗挖、围岩软弱特点.提出实施水平旋喷桩超前支护技术。这种技术不论土体结构、渗透性如何。都能很方便地应用于隧道工程,具有较强的适应性和可操作性。通过设计、试桩及现场施工。得出以下结论:(I)实践证明水平旋喷桩超前支护技术运用于黄土隧道软弱地基加固的设计施工是成功的。该技术在减少隧道围岩沉降变形、提高地基承载力方面优势明显,填补了黄土隧道工程应用领域的空白。(2)在进行水平旋喷桩施工时,应严格执行施工技术要点,并加强现场监控量测,用回归分析结果科学指导施工。(3)该技术在类似松软浅埋黄土隧道工程中具有较大的推广应用前景,本工程实践为该项技术的应用积累了经验。无侧限抗压强度为3.2—3.6MPa,满足地基承载力要求。现场监控量测结果显示,隧道平均总沉降量为63film.围岩周边收敛总变形平均值为209mill.隧道变形时态曲线回归分析后发现无突变等异常。典型断面围岩收敛与拱顶沉降曲线如图2所示。该隧道上行线已于2008年8月贯通,下行线于2008年lO月贯通,在实施水平旋喷桩至隧道贯通期间隧道结构、围岩稳定,状态良好,说明水平旋喷桩超前支护技术取得了良好效果。参考文献References【l】谢永利,康军,杨晓华,等.黄土地区隧道的修筑技术研究【R】.长安大学,2004.XieYongli,KangJim,YangXiaohua,etal.StudyonConstructionTechniqueofHighwayTunnelinloessArea闻.Xi'amChang'anUniversity,2004.【2】赖金星,谢永利,李宁军.黄土软岩公路隧道防排水合理结构型式研究叨.岩土力学,2007,28(3):614-618LaiJinxing,XieYongii,LiNingjun.ResearchonReasonableSectionConfigurationofSoilWaterproofingandDrainageinLoessandSoftSurroundingRockRoadTunnel叨.RockandMechanics,2007,28(3):614-618【3】王亚琼,谢永利,晏长根.黄土公路隧道病害治理实例研究【J】.工程地质学报,2008,16(4):557—562WangYaqiong,XieYongli,YahChanggen.DetectionandTreatmentofRoadTunnelDistressesinLoess-ACaseStudy叨.Jo,mmlofEngineeringGeology,2008,16(4):557-562【4】甘肃省交通规划勘察设计院有限责任公司,平凉(罗汉洞)至定西高速公路两阶段施工图设计限】.兰州,2005GansuProvincialCommunicationsofExpresswayfromPlanning,Survey&DesignInstituteCo.,Lld,TheConstructionalDrawingDesignofTwoPhasesPingiiang(Luohandong)toDingxi【RI.].舳zhou,2005第47卷第1期(总第330期)2010年2月出版V01.47,No.1,Total.No.330Feb.2010万方数据 39黼戛穸蚍斟G现代隧道技术-Ill——【5】JTGD70-2004公路隧道设计规范[S】.北京:人民交通出版社,2004JTGD70-2004DesignSpecificationofHighwayTunnelIS].Beijing:ChinaCommunicationsPress,2004…~一I—I—一II水平旋喷桩顸支护在软弱黄土隧道中的试验研究I————————I——I———I——I———1●—I●———-—-_●——_—■____—-—●-___———_●—_—_—_——-—_-———●_●—___—一【6】龚晓南.地基处理手册【M】.北京:中国建筑工业出版社,2008GongXiaonan.Subsoil&FoundationHandlingHandbook[M】.Beijing:ChinaArchitectureandBuildingPress,2008【7】7JTGF60-2009公路隧道施工技术规范【S】.北京:人民交通出版社,2009JTGF60—2009TechnicalSpecificationsforConstructionofHighwayTunnelS].Bering:ChinaCommunicationsPress,2009【8】孙星亮,刘勇,王朝建.国内外水平旋喷注浆加固技术的应用发展【J】.探矿工程(岩土钻掘工程)'2001,(1):8—1lSunXingliang,LiuYong,WangZhaojian.AdvancesintheHorizontalJet-groutingStabilizationTechniqueatHomeandAbroad【J】.ExplorationEngineering(Drilling&Tunneling),2001,(1):8一l1【9】仝学让,薛模美.水平旋喷桩在地铁暗挖隧道施工中的应用阴.现代隧道技术,2003,40(03):51—54TongXuerang,XueMomei.AppfieafionofHorizontalRotaryJetGroutingPilesinMetroBuiltbyMiningMethod叨.ModemTun-0D3):51-54al,JetGroutingAppHedtoanellingTechnology,2003,40【10]Dugnani,G.Rodio【11】SebastinoS.p.A.Guatteri,G.Roberti,P.etonLargeUrbanTwinTunnelinCampinas,Brazil[C].ProceedingsoftheInternationalConferencePelizza,DanieleSollMechanicsandFoundationEngineering。1989:1351—1354Peih.SoilandRockReinforcementsinTunnelling[J].TunnellingandUndergroundSpaceTechnology,1993,8(3):223-233.【12]Johnson.JetGroutingAidsDriveageinLooseRock叨.TunnelsandTunnelling,1989,(10):53—54ApplicationofPre-supporting丽thHorizontalJetforaWeakLoessTunnelYangJiangu02GroutingPiles瓤Xia01(1GansuProvinceRoadWangYuttzhou3TianBi耐University,Xi"anandBridgeConstructionGroupCo.,Ltd.,Lllngholl730000;2HighwaySchool,Chang'an710064;3Qm叫VocationalandTechnicalInstituteofCommunication,I.anzhou730070)AbstracthorizontalConsideringthecharacteristicsofsoilnla88ofahighwaytunnelinweakloess,pre-supportingwithordertoimprovethebearingcapabilityoftunneljetgroutingpilesWasusedonportalsectioninfoundation.Diameter,length,longitudinalintervalsofhorizontalotherjetgroutingpilesweredeterminedpreliminarilybasedsoilOncalculationandbywatertakingsomeprojectsforreference.Accordingtothegeologicalconditionsofmass,differentcementratios,pressuresofjetgrouting,liftingvelocitiesofdrillersandotherconstructionparameterswereputtolarge-scalefieldtest.Diameter,length,3dadjustedandnewand28dcompressivestrengthsofalltestpileswe托checked,onwhichpre--designwasweredesignindexes.constructionparametersobtained.Engineeringappficationhasprovedthestrongadaptabilityandmaneuverabilityofjetgroutingimproved.Thispapercallpiles.Besides,bearingcapabilityandstabilityoftunnelfoundationwerereferenceindesignandconstructionofhighwaytunnelsinweakloess.KeywordstechnologyHighwaytunnel;Horizontalbetakenforjetgroutingpiles;Tunnelfoundationreinforcement;Pre-supporting第47卷第1期(总第330期)2010年2月出版V01.47。No.1,Total.No.330Feb.2010万方数据 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