呂濤，董增春，高文立

（1.浙江數(shù)智交院科技股份有限公司，浙江 杭州 310000；2.杭州市交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，浙江 杭州 310006）

0 引言

微型鋼管樁由于截面較小、截面型心矩較小，單根鋼管樁的抗彎能力較弱。其抗滑原理與普通樁鋼筋混凝土抗滑樁有所不同[1]。普通鋼筋混凝土抗滑樁剛度大，其變形主要由樁后土體產(chǎn)生壓裂破壞引起；微型群樁抗彎剛度小，荷載作用下樁身發(fā)生撓曲變形且使樁間土體的塑性區(qū)發(fā)生交叉重疊，從而在滑面附近以及樁頂均產(chǎn)生較大變形。其抗滑效果不是由樁的整體抗滑能力來實(shí)現(xiàn)的，而是通過發(fā)揮微型樁的抗拉強(qiáng)度和樁土地基承載力的優(yōu)勢(shì)來抵抗滑坡推力的。

實(shí)際施工中，微型鋼管樁往往配合土層注漿加固和噴錨支護(hù)使用，通過土層注漿提高被支護(hù)土層自身的巖土性質(zhì)，噴錨支護(hù)后被支護(hù)土體臨空面形成整體，將土壓力傳遞給鋼管樁，鋼管樁通過下端的嵌巖作用和上端錨桿的吊拉作用形成支護(hù)力[2-3]。單排鋼管樁抗彎剛度不足時(shí)，可通過增加鋼管樁排數(shù)調(diào)節(jié)支護(hù)體的剛度，也可通過鋼管內(nèi)灌水泥漿形成鋼管混凝土、增加樁身錨桿數(shù)量來增加支護(hù)體剛度。邊坡加固后，可減小土體的位移變形速率，防止被支護(hù)土體有過大的松動(dòng)而產(chǎn)生連鎖反應(yīng)，導(dǎo)致更大范圍邊坡的整體失穩(wěn)。

1 微型鋼管樁的優(yōu)點(diǎn)

相較于大截面抗滑樁、擋土墻、錨噴支護(hù)等常規(guī)措施，微型鋼管樁有如下優(yōu)點(diǎn)：

（1）微型鋼管樁支護(hù)效果好，可結(jié)合其他支護(hù)方式使用，抗橫向力好[4]。微型鋼管樁結(jié)合土體注漿和噴錨支護(hù)，與被支護(hù)邊坡較好地形成整體，充分發(fā)揮土體本身的抗力，通過鋼管樁下端的嵌巖和上端錨桿的吊拉作用，能較好地抵抗橫向土壓力，且鋼材受拉受剪性能好，賦予支護(hù)體一定的柔性，在安全范圍內(nèi)允許坡面有一定的位移變形，彌補(bǔ)了鋼筋混凝土抗滑樁受拉開裂的不足，對(duì)變形要求不大的臨時(shí)支護(hù)場(chǎng)合尤為適用。

（2）微型鋼管樁施工工藝較簡(jiǎn)單，布置靈活，適用范圍廣，施工面小，不需要大型機(jī)械設(shè)備，只需要鉆機(jī)加注漿即可完成，對(duì)邊坡的擾動(dòng)小，施工效率高，在邊坡滑塌等搶險(xiǎn)救急場(chǎng)合優(yōu)點(diǎn)顯著。

（3）微型鋼管樁剛度易調(diào)節(jié)，可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際需要調(diào)整鋼管直徑、在鋼管內(nèi)部壓注混凝土形成鋼管混凝土柱等方式提升鋼管樁的剛度[5]。必要時(shí)可設(shè)置多排鋼管形成微型樁群，進(jìn)而調(diào)整支護(hù)的整體抗彎性能。

（4）微型鋼管樁樁長(zhǎng)易調(diào)節(jié)。微型鋼管樁的施工一般先由鉆機(jī)進(jìn)行鉆孔，樁長(zhǎng)可根據(jù)樁的嵌固深度和實(shí)際鉆孔情況進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，鋼管本身焊接和切割容易，無需事先預(yù)制。當(dāng)臨時(shí)支護(hù)與施工主體在空間位置發(fā)生沖突，如隧道明暗洞交界處護(hù)拱位置范圍內(nèi)有微型鋼管樁支護(hù)時(shí)，可對(duì)樁體進(jìn)行切割處理[6-7]。

（5）施工效率高，造價(jià)低。微型鋼管樁采用鉆機(jī)鉆孔，施工效率相對(duì)較高，工期短，相較于大直徑的抗滑樁，造價(jià)也相對(duì)較低。

2 工程概況

西甄山隧道是義東高速東陽段上一座特長(zhǎng)隧道，隧道進(jìn)洞口為土質(zhì)地層。設(shè)計(jì)暗洞施工方案為留核心土開挖，明洞臨時(shí)防護(hù)為20cm 厚C25 噴混凝土+雙層E6 鋼筋焊接網(wǎng) （15×15cm）、?22 砂漿錨桿 （長(zhǎng)3.5m，間距@1.2×1.2m）梅花形布置。明暗洞交界面垂直開挖施作護(hù)拱時(shí)，掌子面土石交界處的強(qiáng)風(fēng)化巖石產(chǎn)生松弛并局部滑塌，造成已完成的支護(hù)體破損約10m2，護(hù)拱頂仰坡平臺(tái)內(nèi)側(cè)噴射混凝土表面出現(xiàn)兩處裂縫，裂縫長(zhǎng)分別為4.5m、3.3m，縫寬約2mm。

此次仰坡滑塌的主要原因是不同地質(zhì)結(jié)構(gòu)交匯處巖石風(fēng)化程度高，自穩(wěn)能力差，加上護(hù)拱掌子面坡度陡，導(dǎo)致巖體失穩(wěn)產(chǎn)生局部塌落。為保障施工的安全進(jìn)行，防止掌子面出現(xiàn)更大范圍的松動(dòng)引發(fā)連鎖反應(yīng)而造成大面積仰坡失穩(wěn)，采取了以下處理方案：

在明暗洞交界處包含局部坍塌的10m范圍內(nèi)，豎向打設(shè)一排長(zhǎng)8m、間距0.5m 的?108×6mm 注漿鋼管，嵌巖深度不小于2m，鋼管尾部采用?22 鋼筋焊接連成整體（鋼筋排距1m），每根鋼管兩側(cè)垂直掌子面各打設(shè)一根長(zhǎng)5m 的?42×4mm 注漿小導(dǎo)管，同時(shí)在掌子面自上而下打設(shè)四排長(zhǎng)5m 的小導(dǎo)管、小導(dǎo)管縱橫間距1×0.5m，梅花形布置，尾部采用?22-U 型鋼筋與?108 鋼管抱焊，排架鋼管與巖面間采用雙層E6 鋼筋焊接網(wǎng)（15cm×15cm）和C25 噴混凝土支護(hù)，滑塌范圍用C25噴混凝土填充密實(shí)。鋼管樁加固前及加固后情況分別如圖1、圖2所示。

圖1 鋼管樁加固前（滑塌區(qū)用C25混凝土回填）

圖2 鋼管樁加固后

3 邊坡監(jiān)測(cè)

為監(jiān)測(cè)隧道暗洞護(hù)拱基礎(chǔ)開挖引起的掌子面變形，本項(xiàng)目在左洞掌子面上部地表設(shè)置了5 個(gè)沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置及監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)如圖3所示。

圖3 明暗洞交界處掌子面測(cè)點(diǎn)布置圖

如圖4所示，從現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可知，在采用微型鋼管樁結(jié)合錨噴加固前，掌子面頂部累計(jì)下沉量不斷增加，下沉速率最高達(dá)0.8mm/d，7d 內(nèi)累計(jì)沉降量達(dá)5.8mm，坡頂?shù)孛骈_裂，掌子面有大面積滑塌失穩(wěn)趨勢(shì)。加固后，下沉速率明顯減緩，最終趨于穩(wěn)定，加固后至穩(wěn)定的累計(jì)沉降值僅2.4mm。可見加固效果顯著，加固方案安全可行。

圖4 3#測(cè)點(diǎn)沉降量

4 數(shù)值分析

為更好地研究微型鋼管樁在隧道掌子面的應(yīng)用效果，有效推測(cè)加固后掌子面的整體變形，對(duì)本項(xiàng)目工況進(jìn)行三維建模計(jì)算分析。

4.1 模型參數(shù)

本文在建模時(shí)對(duì)邊坡參數(shù)進(jìn)行適當(dāng)?shù)膬?yōu)化取整，模型范圍寬度取掌子面微型鋼管樁處理范圍三倍以上，模型大小取60m×42m×36m。

為方便建模，對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化轉(zhuǎn)換，鋼管樁按剛度等效折算成混凝土連續(xù)墻，?108 鋼管尾部抱箍的兩個(gè)小導(dǎo)管，按截面積等效簡(jiǎn)化為一根，與鋼管端部結(jié)點(diǎn)耦合，小導(dǎo)管注漿對(duì)土體的加固效果通過提升土體的黏聚力和內(nèi)摩擦角進(jìn)行模擬。巖土單元采用摩爾庫倫本構(gòu)模型，混凝土、鋼材采用彈性本構(gòu)模型。各材料參數(shù)如表1所示。

表1 各地層及材料力學(xué)參數(shù)

4.2 施工工況

根據(jù)實(shí)際開挖工序，本項(xiàng)目分三步進(jìn)行開挖支護(hù)。

（1）開挖深度2.5m，開挖后做仰坡和開完面施加20cm 后噴射混凝土，同時(shí)施作微型鋼管樁，鋼管樁嵌巖深度2.5m。

（2）開挖深度2.5m，開挖后掌子面施加20cm 后噴射混凝土，同時(shí)垂直掌子面施加4排注漿小導(dǎo)管，小導(dǎo)管長(zhǎng)5m，縱橫間距1×0.5m，梅花形布置。

（3）開挖最后2.5m，開挖后掌子面施加20cm 厚噴射混凝土。

所建模型及計(jì)算云圖如5所示。

對(duì)左洞掌子面滑塌區(qū)加固后，施工階段位移情況如圖6、圖7所示。

圖5 三維計(jì)算模型圖

圖6 數(shù)模計(jì)算云圖（豎向沉降）

圖7 數(shù)模計(jì)算云圖（總體位移）

4.3 計(jì)算結(jié)果分析

從計(jì)算云圖中可見，隧道明暗洞交界處掌子面坡頂最大豎向沉降量為2.1mm，與實(shí)際監(jiān)測(cè)中加固后累計(jì)沉降量2.4mm非常接近，該模型能較好地反應(yīng)實(shí)際的施工工況。隧道掌子面整體最大位移僅5.75mm，整體變形量較小，滿足施工技術(shù)要求。

5 結(jié)語

采用微型鋼管樁結(jié)合錨噴支護(hù)，對(duì)隧道明暗洞交界臨時(shí)掌子面的加固效果良好，能夠滿足安全施工的要求，施工效率高，作業(yè)面小，投入相對(duì)較小，比較經(jīng)濟(jì)合理。用本文的數(shù)值模擬分析方法，能較好地反映掌子面開挖時(shí)頂端發(fā)生的豎向位移，進(jìn)而分析掌子面及明洞段邊坡的整體位移變形，判斷掌子面及邊坡的加固效果和整體穩(wěn)定情況，可為今后此類工程的處理提供借鑒和參考。