灌注桩在土洞塌方处理中的应用

丁有恒 宁永星

（1 山西省东山供水工程建设管理局 山西太原030000；2 山西省水利水电工程建设监理有限公司 山西太原030000）

1 工程情况及地质条件说明

东山供水工程9#隧洞主洞段共2 272.94 m（桩号为YD7+205.92 至YD9+478.86）隧洞开挖衬砌，及9-1#、9-2# 两条施工支洞。其中岩洞409.79 m，土洞1 659.34 m。

本次隧洞塌方区位于9-1#、9-2#控制主洞中部，塌方长度38.22 m。掌子面发生塌方后最大涌泥长达135 m，并在桩号YD8+395.885 附近地表（埋深78 m）形成冒顶塌穴，直径约15 m，地表沉降30～200 cm。《地质勘察专题报告》揭示该段隧洞YD8+389 至YD8+401 段洞顶以上及掌子面至地面之间的土层在重力作用下均产生滑动破坏，YD8+427 至YD8+435段洞顶以上40 m 为塌方松散体，其上12 m 左右为空腔，深7.9～11.2 m，上部为15～20 m 地表覆盖层。开挖过程中揭露的地质情况为含砂低液限黏土层，其特性为：砂为粉细砂，含砂量约占20%。级配不良砂：结构松散，以粉细砂为主，含砂为60%～80%，土为20%～40%，局部夹低液限黏土层。地下水位线位于EL1055左右。

2 塌方处理方案选择

针对该处隧洞塌方，为挺近施工作业掌子面，经咨询有关专家，先后提出冷冻法、化学灌浆法、顶管法、套阀管地表灌浆法、竖井法、地表灌浆法及灌注桩封闭掌子面等措施方法。各方法对比如下。

1）冷冻法：从地表对未开挖洞段采用竖向盐水冷冻，结合地质钻孔探明的塌腔及现场开挖情况，初步确定处理范围为沿洞轴线方向45 m，垂直洞轴线方向10 m，间排距为1.0 m×1.0 m。仅冻结处理总工期约112 d。经咨询测算，冻结管总长约28 600 m，土体冻结加固总费用约3 100 万元（不包含水电费用）。

该方案受温度影响较大，工期与冻结效果可控性较差，且处理费用高昂，因此基本不考虑采用冷冻法处理。

2）化学灌浆法：采用新型双组分化学材料在洞内进行全断面注浆，注浆孔主要布置在隧洞起拱上部，注浆范围为拱顶以上2 m。设备采用双组分气动注浆泵。

由于洞内清淤工作风险大，如采用该方案，需将洞内135 m 塌方体进行固结，固结后开挖至掌子面，再对洞顶覆盖层进行化学灌浆。经测算，洞内塌方体约1 600 m3，则材料总费用2 800 万元；清淤至掌子面后，塌方区洞拱顶以上2 m 范围内注浆，则38 m 洞段钻杆及化灌材料费用共约855 万元。

综上，采用化学灌浆方案处理直接费约为3 655万元（不含塌方区开挖支护）。

该方案投资较大，且根据化学灌浆应用实例来看，该围岩情况下化学灌浆的可靠性较差，因此基本否定该种处理方案。

3）洞内顶管法：需在原开挖洞段扩挖两个工作井，再将顶管管材逐节顶进。考虑扩挖安全风险太高，且洞顶以上80 m 覆盖层导致顶管管材结构承压能力不能满足要求，因此不考虑采用洞内顶管处理方案。

4）套阀管地表注浆方案：主要分为四步，即跟管钻进一次成孔、插入套阀管、灌注套壳料、自下而上分段开环灌浆。根据情况选用水泥浆或水玻璃。灌浆范围为塌方段掌子面上下游各延伸15 m，自洞底高程向上延伸24 m，洞轴线两侧各10 m。灌浆孔间距为1.5 m×1.5 m，梅花状布置。预计施工总工期200 d，施工总投资3 670 万元。

由于该方案投资较大，且洞顶覆盖层太厚，钻孔及灌浆工期不易控制，因此该方案的可行性较差。

5）竖井方案：从洞顶地面线开始开挖、支护至洞底，然后从竖井选取新的工作面将该段隧洞贯通。经咨询、讨论，该方案存在以下问题：（1）沉井结构难以计算。（2）施工中面临诸多不确定性，如下沉过程中是否存在与塌方松散体贯通，造成底部倒灌的情况；是否存在沉井周边土体不均匀，沉井向塌方松散体侧突然倾斜的情况等。（3）根据探明地质情况，施工工期约211 d。施工难度大且工期不可控。

6）地表灌浆处理方案：费用约2 500 万元。由于注浆深达62 m，经试验性施工，并结合取芯效果，钻孔取芯率偏低，几乎看不到水泥结体，起不到封闭掌子面效果。

根据上述方案比较，均达不到预期效果，最后选取灌注桩施工方案。

3 混凝土灌注桩止推墙参数设计

隧洞净开挖宽度为3.44 m，高3.89 m，混凝土灌注桩止浆墙在洞轴线垂直方向的长度为10 m，采用单排灌注桩的施工方法形成。灌注桩直径Φ80 cm，灌注桩孔中心间距为1.0 m。灌注桩单根长度65 m，伸入洞底3 m。采用Φ20 钢筋，间距20 cm，钢筋笼布置在灌注桩底部20 m，用C25 混凝土灌注，上部采用级配碎石回填至地面，详见图1、图2。

图1 灌注桩孔位布置图

4 灌注桩施工

4.1 施工工艺

测放孔位→护筒埋设→钻机就位→钻孔→泥浆护壁→清孔→吊放钢筋笼→安放导管→灌注混凝土→拔出钢护筒。

4.2 灌注桩成孔设备选型

为保证掌子面两侧封闭效果，灌注桩止浆墙设于隧洞开挖支护区域，考虑钻孔需穿过钢拱架及超前小导管伸入洞底，且为了保证桩体垂直度，故选取冲击钻成孔。

4.3 桩体质量控制

1）防止孔口塌孔，按预设高程埋设直径1 m、高1.5 m 护筒，其外壁填入黏土夯实。

2）采用全站仪定位，利用吊车将钻机就位，千斤顶微调精确对中。

3）造孔。控制钻孔速度，保证成孔的垂直度，根据土层变化调整泥浆的相对密度和粘度，防止塌孔。

（1）在黏土和粉质黏土中，钻进时可采用原土泥浆钻进，在其他土质或不宜成孔段采用膨润土浆液钻进。

（2）在砂性土中施工时视情况调整泥浆相对密度；卵石层钻进时应加大泥浆的相对密度，提高携渣能力。在穿过砂层、砂卵石层时，泥浆相对密度控制在1.3～1.5 g/cm3，以便携砂，保证孔壁稳定。钻孔时控制好钻机起重钢丝绳与钻具的松紧度，减少晃动。

图2 灌注桩竖向断面图

（3）穿越塌方松散体段，存在漏浆、塌孔现象。为确保成桩，采用水泥回填护壁，同时控制钻孔速度等措施，可有效解决。

4）清孔。达设计要求深度后，进行清孔，提高承载力，确保桩基质量。清孔标准：排出的泥浆用手摸捻应无粗颗粒感觉，泥浆密度小于1.25 g/cm，且孔底沉渣允许厚度符合标准规定。

5）钢筋笼吊放。分段制作的钢筋笼采用螺栓连接，每隔3～4 m 装一个十字形加劲架，提高钢筋笼的整体性，避免吊安过程中变形，采用吊车吊放至预设高程。

6）混凝土灌注。导管下至距离孔底0.3 m 处，选用直径为300 mm 的导管，且无漏水、渗水。初灌量要保证导管埋在混凝土中0.8 m 以上。灌注提升严禁将导管提离混凝土，导管埋管深度不小于2 m，保证混凝土连续浇筑。

5 隧洞开挖及支护

灌注桩施工完成后，进入洞内施工，具体如下所述。

图3 隧洞支护断面图

5.1 清淤及掌子面封闭处理

清淤施工采用小挖机配合装载机进行堆积体的开挖和转运。当塌方体清理至止推墙附近后，应停止塌方体清理施工，进行塌方体掌子面的喷混凝土封闭和隧洞段灌浆加固处理，确保后期隧洞施工的安全。

5.2 管棚施工

清淤及掌子面封闭后进行管棚施工，管棚施工主要工序有：管棚施工准备工作→硬化施工平台→测量放线→搭设施工平台、钻机就位→钻孔→钻孔质量检查→管棚安装→管棚内置材料安装→管棚施工结束、掌子面封闭→管棚注浆→待凝后土方开挖施工→开挖至搭接长度后，进行下一循环管棚施工。

5.3 混凝土灌注桩止推墙的凿除

管棚施工完成后，进入灌注桩止推墙掌子面附近，进行掌子面封闭混凝土的凿除和隧洞开挖支护范围内的混凝土灌注桩的拆除，拆除采用破碎锤 ＋人工电锤的施工方式进行拆除。

5.4 剩余土洞段的开挖及支护

剩余土洞段的开挖采用“分台阶开挖和环形开挖预留核心土”的施工方法，支护的施工顺序具体为：开挖合格后→掌子面封闭→工字钢的拼装和固定→连接钢筋和网片的焊接→超前小导管施工→锁脚锚杆施工→C20 喷混凝土施工，详见图3。

6 结论

1）在土洞塌方处理中，以灌注桩型式的止浆墙相较冷冻法、化学灌浆等方法，具有工期短、省投资、可靠性高优势。

2）止浆桩体在水平抗剪性能方面应重点考虑，在长度方面通过摩擦力满足自身稳定即可，承载力可不做要求。

3）为同类工程地质灌注桩施工提供经验参考。