關(guān)鍵詞：高壓旋噴樁；數(shù)值模擬；加固效果；沉降；圍巖應(yīng)力

中圖分類號：U457+.3 文獻標識碼：A DOl：10.13282/j.cnki.wccst.2025.03.053

文章編號：1673-4874（2025）03-0187-04

0 引言

隨著我國經(jīng)濟的高速發(fā)展，對交通運輸?shù)男枨笾鹉暝黾?，公路覆蓋區(qū)域也越來越廣泛，而我國國土面積大，地域遼闊，修建隧道時不可避免會遇到軟巖等不良地質(zhì)，需要對其采用特殊加固措施，一般的管棚支護，超前小導(dǎo)管注漿等難以滿足工程實際需求，有諸多弊端。高壓旋噴樁超前預(yù)支護技術(shù)在土層加固方面具有很好的效果，可有效地控制支護范圍和質(zhì)量，對土層進行加固，提供可靠的支護措施。許勁松等1依托云南某工程基于解析計算、數(shù)值模擬及現(xiàn)場監(jiān)測方法探究了水平高壓旋噴樁對軟弱圍巖的加固效果，并給出了樁體的取值參數(shù)建議。李滿強[2基于元墩隧道對高壓旋噴樁的加固效果進行了分析，結(jié)果表明采用高壓旋噴樁后隧道的抗?jié)B性等都有所提高。歐陽林等[3以福州地鐵1號線為工程依托，建立數(shù)值模型，分析了高壓旋噴樁聯(lián)合袖閥管注漿等加固措施的加固效果。任鵬[4結(jié)合實際工程，通過現(xiàn)場監(jiān)測、數(shù)值模擬等探究了高壓旋噴樁對軟弱圍巖的加固效果。林目國等5以實際工程為依托探究了高壓旋噴樁在具有溶洞等復(fù)雜地質(zhì)條件下的隧道加固效果。

本文基于某隧道工程，采用數(shù)值模擬方法探究了高壓旋噴樁施工參數(shù)（樁徑、樁長、樁間距）對隧道圍巖力學(xué)響應(yīng)的影響，研究結(jié)果可為工程施工提供參考依據(jù)。

1高壓旋噴樁增強機理分析

高壓旋噴樁的加固機理主要包括噴射壓實作用、土體固化作用、土體摩擦力增加以及地下水位控制作用。通過高壓注漿形成的堅實樁體，增加土體的密實度和穩(wěn)定性，提高土體的承載力和抗剪強度，從而改善軟弱圍巖地質(zhì)條件，保障地下工程的安全性和穩(wěn)定性。具體加固機理如下：

（1）噴射壓實作用：高壓旋噴樁通過高壓注漿技術(shù)將水泥漿或其他適當?shù)臐{料以高速和高壓噴射到地下，形成一個環(huán)形的樁體。在這一過程中，漿液的高速噴射能夠促使土體顆粒的重新排列和土體內(nèi)部孔隙的減少，從而實現(xiàn)土體的局部密實和固結(jié)。

（2）土體固化作用：在高壓注漿的過程中，漿液滲透到土體中，與土體內(nèi)部的顆粒發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成水泥石，從而加固土體。此外，噴入的漿液填滿了土體中的孔隙和裂隙，形成了堅實的樁體，提高了土體的整體強度和穩(wěn)定性。

（3）土體摩擦力增加：高壓旋噴樁的形成增加了土體顆粒間的摩擦力，通過漿液填充和固化，形成一個堅實的樁體，增加土體內(nèi)部的內(nèi)摩擦角，從而提高土體的承載力和抗剪強度。

（4）地下水位控制作用：高壓旋噴樁在施工中常常伴隨著高壓注漿，這種高壓漿液的注入能夠?qū)Φ叵滤黄鸬揭欢ǔ潭鹊目刂谱饔?，減小地下水對軟弱圍巖的侵蝕和沖刷，進一步加強軟弱圍巖地質(zhì)的穩(wěn)定性。

2 工程概況及施工問題

某公路隧道左幅長2030m，洞頂最大埋深為135m；右幅長2 2041m ，洞頂最大埋深為 132m. 隧道采用鉆爆法施工。隧道襯砌形式為：以錨噴混凝土和長管棚、小導(dǎo)管注漿、超前錨桿配合型鋼、格柵鋼架作為初期支護，內(nèi)層用模注混凝土作為二次襯砌的復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)。格柵鋼架主筋采用HRB335鋼筋，箍筋采用R235鋼筋；型鋼鋼架采用I18工字鋼。洞內(nèi)系統(tǒng)錨桿采用普通水泥砂漿錨桿和WTD中空注漿錨桿，WTD中空注漿錨桿用在裂隙發(fā)育的地區(qū)。

施工過程中發(fā)現(xiàn)圍巖自穩(wěn)性差，開挖后拱頂及側(cè)壁易坍塌，初期支護變形速率快，最大累計沉降達7.81cm，遠超規(guī)范限值。同時，裂隙水滲透導(dǎo)致圍巖軟化，承載力顯著降低，而原設(shè)計超前小導(dǎo)管注漿配合型鋼拱架支護因注漿范圍不可控、漿液擴散不均，加固效果不佳。為此選擇高壓旋噴樁加固，其噴射壓實作用可密實裂隙巖體并形成連續(xù)帷幕，樁體固化后增強圍巖抗剪強度。

3不同高壓旋噴樁參數(shù)取值對隧道圍巖影響分析

3.1數(shù)值模型的建立

根據(jù)圣維南原理，數(shù)值模型的計算邊界為隧道開挖斷面的3～5倍洞徑，計算模型的具體尺寸如圖1所示，模型的長、寬、高分別為 100m.20m.80m

3.2 計算工況

為探究高壓旋噴樁施工參數(shù)（樁徑、樁長、樁間距）對隧道圍巖力學(xué)響應(yīng)的影響，建立工況數(shù)值模型進行探究，具體工況如表1所示。計算方法以工況3為基本參數(shù)，而后采用變量法計算不同工況下不同位置處的沉降和豎向圍巖壓力，而后對比不同工況下的圍巖應(yīng)力的變化情況。

3.3計算結(jié)果分析

3.3.1樁徑

如圖2所示，不同位置處隨著高壓旋噴樁樁徑的增大，沉降逐漸減小，拱頂、拱肩、拱腰及拱底處最大沉降分別為5 5.34mm.5.31mm.5.21mm≈5.03mm， 即拱頂沉降要大于其他部位。如圖3所示，不同位置圍巖應(yīng)力隨著高壓旋噴樁樁徑的增大并無明顯增大或減小，還可以看出不同位置處圍巖壓力大小排序為：拱底 gt; 拱腰 gt; 拱肩 gt; 拱頂。

綜合不同樁徑下不同位置處的沉降及圍巖應(yīng)力來看，雖然不同樁徑下沉降值有所變化，但是變化較小。以拱頂處沉降差值為例，不同樁徑下差值僅為 0.29mm ，且不同樁徑下不同位置圍巖應(yīng)力也無明顯的改變。因此，通過改變高壓旋噴樁的樁徑對公路隧道的加固效果并不明顯，且考慮到經(jīng)濟性，因此不推薦通過采用改變樁徑的方式來改善高壓旋噴樁改的加固效果。

3.3.2樁長

如圖4所示，不同位置處隨著高壓旋噴樁樁長的增大，沉降逐漸減小，且在樁長 lt;12 m時的沉降速率要明顯大于樁長 gt; 12m時的沉降速率。以拱頂位置處的沉降為例，樁長從 8m 變?yōu)?2m時，沉降值由5.34cm變?yōu)?.51cm ，差值為 0.83cm ，當樁長從12m變?yōu)?6m時，沉降值由4.51cm變?yōu)?.43cm，差值僅為0.08cm，即可根據(jù)變化速率將其分為快速變化與區(qū)域穩(wěn)定階段。此外，拱頂沉降要大于其他部位。如圖5所示，不同位置圍巖應(yīng)力隨著高壓旋噴樁樁長的增大明顯減小。以拱底為例，樁長為8m時，圍巖應(yīng)力為 128.7kPa ，樁長為16m時，圍巖應(yīng)力為 106.3kPa 。此外，還可以著出不同位置處圍巖壓力大小排序為：拱底 gt; 拱腰 gt; 拱肩 gt; 拱頂。

綜合不同樁長下不同位置處沉降及圍巖應(yīng)力來看，不同樁長下沉降值有所變化，且變化較大，在樁長12m之前沉降下降較快。而不同樁長下不同位置圍巖應(yīng)力也有了明顯了改變。因此，通過改變高壓旋噴樁的樁長對公路隧道的加固效果明顯，且在樁長為12m時加固效果較好，在樁長超過12m之后，雖然從沉降及應(yīng)力來看有所改變但變化較小，因此不推薦通過采用超過12m的樁長來改善高壓旋噴樁的加固效果。

3.3.3樁間距

如圖6所示，不同位置處隨著高壓旋噴樁樁間距的增大，沉降逐漸增大，且隨著樁間距的不斷增大，沉降速率也逐漸增大。拱頂、拱肩、拱腰及拱底處最大沉降分別1 1.6.57mm.6.51mm.6.24mm 及6. 17mm ，即拱頂沉降要要大于其他部位。且隨著樁間距的增大沉降不斷增大并未出現(xiàn)明顯的穩(wěn)定趨勢。如圖7所示，不同位置圍巖應(yīng)力隨著高壓旋噴樁樁間距的增大明顯增大，還可以看出不同位置處圍巖壓力大小排序為：拱底 gt; 拱腰 gt; 拱肩 gt; 拱頂。

綜合不同樁間距下不同位置處沉降及圍巖應(yīng)力來看，不同樁間距下沉降值有所變化，且變化較大。以拱頂處沉降差值為例，不同樁間距下差值較大，且不同樁間距下不同位置圍巖應(yīng)力變化也較為明顯。因此，通過改變高壓旋噴樁的樁間距對公路隧道的加固效果明顯。

3.3.4施工參數(shù)取值及效果分析

根據(jù)以上各小節(jié)的分析內(nèi)容，選取高壓旋噴樁的參數(shù)為樁徑0.6m、樁長 12m. 間距 1.4m ，其加固效果如圖8所示。由圖8可知，采用高壓旋噴樁加固后，不同位置的沉降均明顯減小。以拱頂位置處沉降為例，加固前沉降為 7.81cm ，而加固后沉降為 5.34cm_c 。不同位置的圍巖應(yīng)力也在高壓旋噴樁加固后有所減小，以拱頂位置處圍巖應(yīng)力為例，加固前圍巖應(yīng)力為143. 1kPa ，而加固后圍巖應(yīng)力則變?yōu)?121kPa 。綜上所述，在采用高壓旋噴樁加固后，無論是從沉降還是圍巖應(yīng)力都有了明顯的減小。

4結(jié)語

（1）拱頂沉降要大于其他部位。不同位置圍巖應(yīng)力隨著高壓旋噴樁樁徑的增大并無明顯增大或減小，不同位置處圍巖壓力大小排序為：拱底 gt; 拱腰 gt; 拱肩 gt; 拱頂。通過改變高壓旋噴樁的樁徑對公路隧道的加固效果并不明顯。

（2）通過改變高壓旋噴樁的樁長對公路隧道的加固效果明顯，且在樁長為12m時加固效果較好，在樁長超過12m之后，雖然從沉降及應(yīng)力來看有所改變但變化較小，不推薦通過采用 gt;12m 的樁長來改善高壓旋噴樁改的加固效果。

（③）不同樁間距下沉降值有所變化，且變化較大。以拱頂處沉降差值為例，不同樁間距下差值較大，且不同樁間距下不同位置圍巖應(yīng)力變化也較為明顯。

（4）高壓旋噴樁通過噴射壓實、土體固化、增加土體摩擦力及控制地下水位等機理，改善軟弱圍巖地質(zhì)條件。采用樁徑 0.6m 、樁長 12m 、間距1.4m的高壓旋噴樁加固后，隧道不同位置沉降和圍巖應(yīng)力顯著減小，拱頂沉降從7.81cm減至 5.34cm ，圍巖應(yīng)力從 143.1kPa 降至121kPa_o W

參考文獻

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收稿日期：2024-12-12