竖向注浆微型桩在深竖井支护中的应用研究

摘要：以实际工程为例，总结了竖向注浆微型桩在深竖井土层中的加固机理，并对竖向注浆的相关技术问题进行了讨论与分析，提出了一些建设性的意见，以达到指导同类工程施工的目的。

关键词：深竖井支护，竖向注浆微型桩，加固机理

中图分类号: TU74 文献标识码: 文章编号:

0 引言

随着中国经济持续快速发展与城镇化水平的提高，中国城市地下空间开发利用得到了大发展，地下空间的开发和利用日趋频繁，地下工程的建设在数量和规模上迅速增加，在土地相对紧张的城市密集区域，只能临近既有建筑周边土体开挖工作面，采取竖井开挖技术作业。竖井经过地表，穿越土层，甚至厚土层，进入风化岩层及稳定岩层进行地下空间的开发。然而，针对面临厚土层失稳，垮塌，既有高耸建筑破坏的综合性岩土工程难题，采用何种快速、高效的竖井支护技术，并保证周边地表建筑物的安全首当其冲。

1. 竖向注浆微型桩的研究现状及特点

微型桩即小直径钻孔灌注桩，又称树根桩，一般桩径在7-30cm之间，采用钻孔、强配筋和压力注浆工艺施工，与锚杆类似。最早由意大利F·Lizzi于20世纪50年代提出，80年代中期我国从国外引入，主要应用于地基加固与基础纠偏等领域。目前，将微型桩作为桩基抵抗侧向荷载的研究十分匮乏，其相关工程实例也相对较少，设计理论完全来自于以往经验，设计方法完全照搬桩基理论，而全照搬桩基的设计理论。但是微型桩的直径较小，其受力机理与承载力方式有其自身的规律，又不同于一般大直径桩基，因此研究微型桩具有极其重要的工程意义。

应用竖向注浆微型桩进行具有适用条件广泛、工期短、对岩土体影响小、施工安全简单、经济效益高等突出优点。特别是对于竖井工程的尺寸较小、规模不大、场地受限等因素，采用竖向注浆微型桩更能发挥其机动灵活的特点。微型桩主要解决岩土在开挖后支护实施前土体的自立问题，大面积的微型桩可以支撑已完成的锚喷混凝土重量。它通常为钻机成孔后采用压力注浆成桩。其主要特点有：施工机具小，场地狭窄的施工作业区更为适用；施工振动小、低噪音；对土层适应性强，适用于多种土层，软岩层；桩位布置形式灵活多样，梅花形或者矩形排列；承载能力较高。

2．竖向注浆微型桩加固原理

喷射注浆法加固地基按两阶段进行：第一阶段为钻机打孔，采用普通或专用的钻机。第二阶段为喷射加固，采用高压水泥浆液体，通过微型花管孔口(或者直接向土中)压注浆液。在注浆压力作用下，向钻孔泵送注浆浆液，以克服地层的初始应力和抗拉强度，使其沿垂直于小主应力的平面发生劈裂，最终与土层颗粒胶结成一个整体，形成强度大、压缩性低、抗渗性好的浆液凝固体。目的在于提高土层加固区土体强度及稳定性，为后继竖直工程体开挖支挡提供有利条件。

针对不同的地层情况，作用机理有所不同。对于砂及砂砾石层，可按照有效应力的库仑-莫尔破坏标准进行计算。在各向同性地层中，材料的应力状态与下式相符时即将发生破坏：

式中：—有效大主应力；—有效小主应力；—有效内摩擦角；—有效凝聚力。

地层中由于注浆压力的作用，将使砂砾石土的有效应力减小。当注浆压力达到下式的标准时，就会导致地层的破坏：

式中：—砂或砾石的容量；—水的容重；h—注浆段深度；—地下水位高度；—主应力比。

上述公式所代表的破坏机理按莫尔包线来解释，随着孔隙压力的增加，有效应力就逐渐减少而至与破坏包线相切，表明砂砾石土已开始劈裂。对于粘性土地层中，水力劈裂将引起土体固结及挤出现象，从化学角度出发还包括水泥微粒对粘土的钙化作用。

根据竖井主动（被动）土压力公式可知：

式中：—主动土压力，—被动土压力；q—基坑顶面的荷载强度（KPa）；C—土的内聚力（KPa）；—土的内摩擦角；—土的重度（kN/m3）；

对于注浆，使得土体周围浆液凝固体的C数值增大，减小，增大。

3．工程实例分析

3.1 工程概况

重庆市轨道交通六号线红旗河沟车站为一座地下岛式暗挖车站换乘站，通风竖井尺寸为13.1m×6.7m，竖井口与理想大厦（砼26+1F/-2F）平面距离仅约7m，竖井周边地表覆土为第四系全新统的人工填土层,厚度2.1-8.6m。原设计采用全断面铺设早强砂浆锚杆+挂网喷射混凝土，工字钢进行加强措施，但当施工锁口完成后，土层填筑土层松散，竖井壁局部出现地下渗水，施工时采取向井壁采取止水措施后，渗水得到缓解，继续竖井开挖后，局部土层出现黑色淤泥。且根据竖井周边监测数据显示，水平变形累计值皆有增大趋势，周边建筑物基础暂未出现情况，为减小对周边填土的扰动，为保证既有结构施工安全，现场采取紧急处理方式，将土层回填入坑内，先保证坑内外土体平衡。考虑现场工作面狭小，最后设计调整为竖井周边地表竖向微型桩注浆加固土体，方案为：两排长10米，直径Φ203mm钢管桩钢管桩，壁厚t=6mm,梅花型间距500mm×650mm,钢管桩嵌入岩层以≥3倍桩径，钢管上部2米范围内不开孔，沿竖向2米以下每隔30cm,钻两个Φ10的孔，出浆孔交错布置;钢管内插16工字钢加强初期刚度，早强水泥砂浆填充密实，设置利用施工竖井锁口将两排微型桩形成整体，竖向注浆快速施工。

图1 加固断面示意图

3.2 有限元计算模型的建立

本文采用通用有限元软件Midas GTS V.2.0.5进行施工阶段模拟分析，土体本构模型采用莫尔-库伦模型。衬砌结构采用弹塑性各向同性体材料模拟，锚杆采用线单元模拟，衬砌采用板单元模拟，微型桩注浆加固土层采用等代刚度调整加固土层属性设置。

竖井开挖分析按照以下施工步序进行工况模拟。工况一，在原始土体上进行竖井锁口施工。工况二，等代模拟微型桩加固土层，调整加固体材料属性。工况三，进行开挖步骤一，即锚喷支护。工况四，进行开挖步骤二，循环开挖步，直至坑底。

3.3 有限元仿真结果分析

计算步骤按照施工阶段顺序进行，首先模拟原始地应力，土体的开挖是在前一计算步骤所得地应力分布的基础上进行的，根据结构整体刚度的改变，按实际开挖方法施加地层释放荷载，并求解开挖后的应力场。

3.4 相关分析结果讨论

通过以上模型分析可知，加入微型桩能显著改善结构的应力应变曲线，减少结构与土层的相对位移。

由图2对比分析得出：土体应力随着开挖高度的增加而逐渐增大。若不采用微型桩处理，土体最高应力达到2600KPa，加入微型桩处理后，最大应力减小为2120 KPa，减小幅度达到22%；土移的变化也较为显著。土体最初状态最大位移为25mm，采用微型桩处理后，位移逐渐变化为19mm，减小幅度接近30%。另外，采用注浆微型桩处理后，对于锚杆和喷射混凝土的受力也有显著的改善。锚杆最初轴向力为48KN，随着微型桩的加入，锚杆轴力逐渐减小，最后变化为23KN，降幅率达到50%；在未加入微型桩处理之前，喷射混凝土平面应力为11MPa，处理之后变化为4.2MPa，变化幅度如此之大，原因主要为微型桩参与受力之后，为喷射混凝土承担了一部分应力，从而喷射混凝土层面应力减小。

图2 加固前后应力、位移、锚杆轴力对比图

3.5 工期优势分析

由开挖竖井施工日志记录数据对比分析：1-4施工周期（约20天）原设计未考虑加固措施，开挖进尺累计深度增速较缓，数据显示每个施工周期开挖深度约1.25米；第5-9施工周期（约20-45天）中停止开挖进尺，进行竖井周围土层微型桩加固；第10施工周期竖向注浆加固完成后，达到设计强度，施工开挖进尺加快，第11-15施工周期内（约50-75天），开挖深度累计值明显增加，保证周边建筑安全的同时，施工速度明显改善，达到平均每个施工周期6米深度。按照实际监测施工进度可见：若进行竖井周围土层微型桩加固，至少在施工进度上可以节省时间。由此推断，加上微型桩加固工期，11个施工周期即可完成上述项目，至少在工期上提前30%的时间，为后继工期节省了相当时间。

4.结语

（1）通过实践表明：竖向注浆微型桩加固邻近建筑物土层的方法对于深竖井加固处理行之有效，其施工简单方便，能够很好的起到工程要求的效果。

（2）竖向注浆微型桩解决了竖井软弱土层的强度及稳定性问题，保证了施工的安全。此外，由于竖向注浆微型桩充分利用周边土体的自承能力，减小扰动，与桩锚体系相比，造价低，施工场地受限因素小，机具小，方便。可以节省施工时间从而降低造价。

（3）竖向注浆微型桩能显著改善土体的应力与变形，并且对结构锚杆与喷射混凝土层的结构性能也有显著改善。

（4）采用竖向注浆微型桩加固后，开挖进尺可以大大加深，使得同时开挖面大面积增大，能有效缩短工程工期。

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