桩筏基础在隧底深厚土层处理中的应用

桩筏基础在隧底深厚土层处理中的应用

刘学良

云桂铁路广西有限责任公司        广西  南宁   530000

摘 要：地处云贵高原边的广西地区，地势西北高、东南低，地表受侵蚀-溶蚀作用形成低山峰丛洼地、丘陵地貌，地层中溶腔、岩溶裂隙、岩溶管道、暗河、断层、软基等不良质比比皆是，工程师们在此纵多不良地质上建设稳定性要求极高的高速铁路，是考验人类的智慧，本文介绍应用桩筏基础处理高速铁路隧道在岩溶与深厚土层结合的不良地质条件下，采取的措施及施工方法，希为同类工程提供借鉴经验。

关键词：山区高铁  隧道  岩溶 不良地质  深厚溶余土层  桩筏基础

0 引言

贵阳至南宁高速铁路德庆隧道位于广西境内，全长 6610m，隧址区属中低山剥蚀溶蚀峰丛洼地、丘陵地貌，上覆第四系全新统坡洪积层、坡残积层、坡崩积层，下覆二叠系下统茅口组、栖霞组可溶岩，隧道最大埋深约 286m。隧身共有2000m左右穿过土质软弱围岩段，且隧道埋深较浅、基岩面起伏大，围岩主要为黏土层及砾砂土层，围岩稳定性差。部分段落位于峰丛间的隐伏岩溶沟槽中，洞身基本位于土体中，勘探揭示隧底土层最厚可达 10m～70m 左右。

施工该段土质软弱围岩隧道主要存在的问题有：①土质软弱围岩开挖易变形、隧底软硬不均，局部隧底土层巨厚段落可能存在地下水波动引起的基底下沉问题，施工时需加强预加固及衬砌支护措施，加强超前地质预报，对隧底土层换填或加固处理。②段内局部穿过隐伏灰岩峰丛，岩溶强烈发育，洞身岩溶发育段落需加强岩溶处理措施，避免岩溶管道突泥涌水引发上层土体塌陷。③段内土石接触面起伏大，隐伏溶槽发育，施工中需加强超前地质预报，对土石过段加强衬砌及排水措施。④软弱围岩段隧道施工时易发生坍塌，甚至冒顶现象，施工时需加强超前地质预报及支护措施。土质软弱围岩段基底需处理，基底土层泡水易软化，施工中需加强排水、及时支护及时衬砌。

图1 土质软弱围岩断地质结构图

1 方案优化及施工方法

1.1方案化化

隧道洞身穿过土质软弱围岩段，设计采用Vc型复合（桩筏）结构，本隧道为全线控制性工程，为加快施工进度，经反复研究一是加强支护措施优化原Vc型复合（桩筏）段“双侧导洞三台阶”开挖方法为“三台阶加临时仰拱”法。二是原断面4根1.5m桩基优化为2根2m桩基，减少桩基施工时间，加快施工进度。

为了保证优化开挖工法后结构支护措施的安全性，组织开展优化后初期支护结构的安全性检算。为计算隧道初期支护所受的内力，采用荷载-结构法来计算初期支护的内力分布。荷载-结构法认为地层对结构的作用只是产生作用在地下建筑结构上的荷载（包括主动地层压力和被动地层抗力），衬砌在荷载的作用下产生内力和变形。其主要计算思路为：首先计算坍落拱高度确定隧道的深浅埋情况，再根据经验公式确定出结构所承受的荷载，最后利用结构力学的方法求解得到结构的内力分布。

图2 单层初期支护弯矩图（单位：N·m）图3双层初期支护弯矩图（单位：N·m）

图4双侧导洞三台阶法施工工序断面图

图5三台阶加临时仰拱法施工工序及桩基优化图

1.2总体施工方法

Vc型复合（桩筏）段关键施工工序为：开挖（含预加固）及支护、地质补勘、桩基施工、筏板施工、二衬施工等五大工序。开挖方法采用增加工程措施下的三台阶加临时仰拱工法；由设计完善地质补勘重新提交地质报告；桩基采用改装低空旋挖钻机施工；自行式仰拱移动栈桥施作筏板及填充；分层布料拱墙整体衬砌台车及带模注浆技术施工二衬。

2 隧底桩筏结构设计

深厚黏土层段落隧底采用桩筏基础，筏板为厚度1.5m的钢筋混凝土结构，桩基为桩径2.0m的钻孔桩，桩顶与筏板刚接，桩底嵌入基岩不小于2m，桩长以设计单位组织地质补勘后确定，同一横断面上布置2根桩基，横向桩中心间距8.4m。筏板纵向12m设置一道施工缝，单个筏板单元内桩基布置图如下：

图6 桩筏段隧道横断面设计图                图7 单个筏板单元内的桩基布置平面图

3 桩筏结构隧道施工方法

（1）洞身开挖及初支

开挖采用三台阶预留核心土临时仰拱法进行施工；初期支护采用中管棚+小导管联合超前支护（适当提高注浆压力）、强锁脚、双层支护、径向注浆等方式提高围岩力学性能和支护强度，确保施工安全。

（2）筏板桩基施工

本隧道深厚黏土层段落达2000余米，为保证高铁沉降要求，隧底均采用桩筏基础，共需施工桩基720余根，为了快速且安全完成如此大量桩基工程，采用机械快速成桩，开展了冲击成孔法、旋挖成孔法、旋挖+冲击组合成孔等钻孔试验。由于设桩段隧道本身位于土层，经试验冲击钻振动对初期支护存在破坏，存在极大安全隐患，排除了冲击钻方案。旋挖是成孔速度最快的施工方法，但隧道洞内空间有限，无法采用常规的旋挖钻机，经与钻机厂家合作研发了低空旋挖钻机，但仍由于洞内高度限制钻机伸缩长度，钻进深度只能在40m以内，最终成为桩基成孔的主要施工设备。

图8 低空旋挖钻机图                                 图9 隧道内旋挖钻孔施工

对40m以上桩基，利用改型旋挖钻先钻至40m，为确保频繁冲击作用下已成桩段孔壁稳定性，防止坍孔，埋设全钢护筒（40m范围），最后采用冲击钻施工，在冲击钻孔过程中，对洞身观察（桩基位置纵向前后50米范围初期支护表面进行详细观察）、拱顶下沉、洞周收敛、钢架应力、临时加固系统应力监测等进行监控，数据出现异常，立即停止作业分析制定处理措施，确保初期支护稳定。

图10 钢拱架内力测点布置示意图                图11 钢拱架内力现场数据采集

本隧道基底深厚土层桩筏结构桩基均设计为端承桩，设计前进行逐孔钻探，根据钻探地质柱状图详细分析地质结构，指导设计桩长，在施工施工单位时再详细核对设计地质情况，存在异样联系设计动态调整桩基长度，最终由设计单位确认后终孔，确保桩基入岩深度不小于2米。

（3）筏板施工

筏板在桩基检测合格后，根据二衬分模里程，采用有效长度24米以上长栈桥分段开挖。筏板分底层筏板与填充层两次完成，在底层筏板施工控制好桩头入板长度，两侧准确预埋好边墙连接钢筋，横向施工缝埋设橡胶止水带与膨胀止水条，混凝土连续浇筑成型。

4 桩筏结构效果评价

岩溶地区修建隧道穿越软弱地层，隧道基底处理受隧道开挖的影响和洞室净空尺寸的限制，由于隧道开挖、施工支护、断面稳定、基底加固等在时间和空间的相互影响和干扰，国内目前主要采用基底换填、水泥注浆、水泥土挤密桩、树根桩、水泥旋喷桩等处理方式。为有效解决岩溶隧道穿越深厚软弱地层采用钻孔桩+筏板基底处理洞内操作空间受限、桩基施工对隧道初期支护结构稳定的影响、洞内交通畅通等问题。施工中通过改装的低净空旋挖钻机，使其能在低净空隧道内进行钻孔施工，且通过合理的施工组织，在隧道开挖掘进时能同步施工，保证洞内其他工序正常施工，使全 线控制工程不再受控制。

桩筏结构与隧道拱墙二次衬砌全环刚性连接，在喀斯特地貌岩溶强烈发育的地质条件下，桩基有效的避免了岩溶或溶腔中水流对基底浸蚀而引起隧道变形，全断面整体钢筋混凝土结构有效抵抗洞身全方位土压力，经工后长期监测数据均满足高速铁路沉降要求，为后期高铁运营安全提供了有力保障。

参考文献：

1.《高速铁路隧道工程施工质量验收标准》TB10753-2010

2.《高速铁路隧道工程施工技术规程》Q/CR9604-2015

3. 桩筏结构设计文件等。

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