喷射注浆柱加固湿陷性黄土地基中隧道基础的位移与应力特性
摘 要
湿陷性黄土隧道地基加固是隧道工程施工过程中的新挑战。通过对富士窑黄土隧道的现场位移和应力监测，研究了高压喷射注浆桩对深埋大跨度隧道湿陷性黄土隧道地基的加固作用。现场监测方法用于解决隧道地基沉降，附加应力，土压力，岩石压力等性能。结果表明，桩顶应力和桩间土压力分两个阶段随时间逐渐增加：在开始的45天内应力迅速增加，此后应力趋于逐渐稳定。此外，应力随着距隧道中心线的距离而均匀增加，并且隧道侧壁的岩石压力趋向于在施工后的两个月内保持稳定。隧道地基上的附加应力会随时间呈线性增加，并且会在隧道截面的垂直和水平方向上均匀分布。隧道地基的沉降也随着时间而逐渐增加，并且从施工开始到50天时趋于稳定。此外，不同监测点的沉降在相同深度处相似。研究成果将进一步提高黄土隧道隧洞底部加固的理论知识，不仅可以有效指导黄土隧道的设计与施工，降低疾病的治理成本，而且可以提供必要的基础研究数据和科学的理论依据，修订公路隧道和铁路隧道的相应规范。
1 介绍
近年来，地质灾害频发[1–3],随着岩土工程 [4，5]和土木工程[6–9]的发展, 随着中国实施西部大开发战略，在复杂的地质地区建造了大量的隧道工程[10–16]。黄土隧道的建设已成为隧道领域的重点，并获得了许多相关的实践经验和理论成果[17–23]。 然而，随着黄土隧道项目数量的增加，新的挑战出现了。由于许多黄土隧道基础薄弱，在隧道施工过程中出现了问题。具体来说，一些黄土隧道地基的土壤不致密，或具有较高的含水率，造成隧道仰拱施工困难。此外，许多隧道地基都位于湿陷性黄土中[24，25]。当遇到水时，这些基础会不均匀地沉降[26–29], 这会导致衬里结构进一步开裂[30–32]。此外，一些黄土隧道膨胀，使得倒曲率难以稳定维持[33，34]。对于这种黄土地基，应采取一定的加固措施，以控制过度变形和不均匀沉降，从而确保地基的稳定性。但是，由于隧道围岩质量差，隧道的施工空间极其狭窄[35，36], 在施工过程中必须减少对围岩的干扰，这限制了可用的加固方法。
已有的一些与隧道基础加固相关的研究[37, 38]；特别是，研究已经分析了根桩[39–41]，压实桩[42], 和旋喷桩[43]。喷射注浆桩已成为隧道基础上最重要的加固方法，并因其成本低，施工效率高，扰动小，适用范围广等特点而日益受到人们的欢迎。另外，它已经越来越多地用于黄土高速公路隧道中。例如，在土家湾隧道中，在高水位的软弱黄土路段采用喷射注浆桩，发现基础稳定性加强。大头山黄土隧道在松散土段采用喷射注浆桩，有效地控制了变形[44]。根据以前的文献，隧道地基加固的研究主要集中在铁路隧道上。很少有研究集中在一般的公路隧道基础上，尤其是在湿陷性黄土公路隧道上。然而我们看到，在施工过程中，越来越多的可塌陷的黄土路基需要加固。目前，由于缺乏施工经验和理论研究，对湿陷性黄土隧道地基的处理基本参照《湿陷性黄土地区建筑施工规范》[45] 和《建筑基础设计规范》[46]。 这些指南假定隧道基础和一般建筑基础之间没有差异。实际上，由于围岩的承载作用和隧道地基的卸荷作用，其应力与一般地基工程相比差异很大[47]。因此，湿陷性黄土公路隧道的地基加固是隧道施工中迫切的工程问题，探讨加筋隧道地基的变形和应力变化具有重要意义。因此，本文研究了富士窑黄土公路隧道项目（大截面三车道黄土隧道）。根据现场监测资料，研究了旋喷桩加固的湿陷性黄土地基的变形和应力变化，以进一步评价其加固效果。这项研究丰富了我们对湿陷性黄土隧道的基础加固技术和理论的理解，并提出了可以进一步提高隧道质量的建议。
2 工程概述
湿陷的黄土隧道地基在遇水时沉降不均匀，导致隧道衬砌进一步开裂。另外，一些黄土隧道在施工期间会发生膨胀，并且难以维持倒曲率。在黄土隧道较弱的情况下，不仅在施工阶段还会发生明显的变形，而且在未进行加固的隧道运营期间也会发生变形。
藤窑隧道是甘肃省第一条三车道超大断面隧道，位于兰州市黄河北岸的高栏县城。该隧道双线总长为1532m，最大埋深为112m。隧道开挖面积超过17㎡，开挖宽度为17m，开挖高度为11m，该隧道的围岩坡度为V[48]，隧道穿过黄土脊。隧道的入口在黄土沟渠的一侧，出口在秋家沟的上游。隧址地层包括全新统第四系冲洪积和冲洪积黄土状砂质粉土、上更新统风积黄土和冲洪积黄土以及上更新世细砂层。在该处，黄土洞穴直径约1.0〜6.0 m，深度约1.5〜2.0 m。同时，许多洞穴正在积极扩大中。在雨季，地表水通常会沿着山洞向下渗透到隧道区域，这可能会极大地影响隧道的安全性。而且，在隧道区域中形成了具有相对较大厚度的可折叠黄土。在工程特性上，湿陷性黄土属于亚稳结构，可以承受高的垂直载荷，在干燥时少量沉降。这种土壤特别容易受到某些水质条件的影响，这显示出沉降量的增加，润湿后负载能力的下降，并对该地区建造的基础设施造成安全隐患[49–51]。普通风积黄土的可塌陷厚度为0〜20 m，具有II-III级自重塌陷。冲积性黄土状土壤的可塌陷厚度为10〜20 m，一般为I-II级非自重塌陷。最后，含水层位于隧道的设计高度以下，并且围岩通常处于干燥至微湿。隧道的纵向轮廓如图1所示。
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