CN114109394B - 隧道浅埋软弱围岩高压旋喷桩法地表加固的桩长确定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种隧道浅埋软弱围岩高压旋喷桩法地表加固的桩长确定方法，步骤如下：通过钻孔采样、地质勘探确定隧道浅埋段上覆土层性质和厚度；利用高压旋喷桩法地表加固后软弱围岩开挖形成的土拱效应，结合地表加固后桩体受力分布情况分析，将受力区域进行划分，主要受力区域为I分区，次要受力区为Ⅱ和Ⅱ'分区；确定不同埋深下软弱围岩高压旋喷桩加固区的土拱高度；根据各分区土拱高度确定高压旋喷桩桩长。通过本发明方法可大大缩短桩长，改变目前无论隧道埋深多大都需要从地表加固至隧底的设计方法，减少材料用量，缩短施工周期，节约隧道浅埋段加固成本，对保证隧道浅埋段高压旋喷桩地表加固工程的效果和经济性具有重要意义。

Description

隧道浅埋软弱围岩高压旋喷桩法地表加固的桩长确定方法

技术领域

本发明涉及隧道工程、高压旋喷桩法加固工程领域，具体涉及隧道浅埋软弱围岩高压旋喷桩法地表加固的桩长确定方法。

背景技术

目前，国内外对于高压旋喷桩法的研究主要还是集中在地基处理领域。余东辉在某地基加固工程中以地层沉降、地层应力、桩体变形等为评价指标，采用数值模拟对旋喷桩不同桩长的设计方案进行了效果对比研究，提出了桩长设计方案的优化原则，推荐采用面积比法进行旋喷桩设计。安关峰等通过数值模拟试验对旋喷群桩的承载特性展开了研究，得出了旋喷群桩仅在一定范围内对土体竖向沉降起到限制作用，且对桩底下方土体基本无影响，得出了桩长设计应考虑工程沉降限值的因素，进行合理设计；杨凤灵对高层住宅楼地基加固工程中旋喷桩桩长等参数进行了研究，对于桩长设计其主要通过考虑了地下室底板埋深与桩端持力层两个因素，为满足地层承载力要求，进行旋喷桩桩长的设计参数取值，桩长采用的是全长设计；曾克强结合理论分析和现场试验的方法对旋喷桩复合地基的设计方法进行了研究，综合考虑了加固土层厚度、地层地质条件以及桩体受力状态三方面因素，提出了关于桩长等相关布置的具体设计方法，并推导出有效桩长的计算公式；邢嘉对高压旋喷桩在湿陷性黄土地基应用分析，对桩长设计虽未提出定量数值，但虽桩长设计给出了定性设计要求，即为保证桩能够起到支承作用，并有效防止上部构造，其桩长需穿透整个软弱层至坚硬层。周航等分析了车辆荷载下高压旋喷桩对公路路基的加固作用，并研究了车辆荷载作用下高压旋喷桩加固深度等对加固作用的影响；L i u Dapeng用数值模拟研究了隧道软土地基加固中高压旋喷桩的桩长等参数对地基沉降的影响，分析得出桩长对复合地基最大沉降的影响程度，得出增大桩长可以降低复合地基的最大沉降。

对于高压旋喷桩在地基处理中的应用，其桩长设计仍是停留在定性设计阶段，大多数研究对于高压旋喷桩在地基处理中的桩长设计的理念与我国桩基础设计理念大致相同。其旋喷桩设计主要目的是为了满足承载力和限制地层沉降的要求，而对于桩长设计一般地层性质有所不同。对于下卧层皆为软弱土层，旋喷群桩的侧摩阻力可忽略不计，则其设计近似于端承桩，其加固深度(桩长)需打设至坚硬的持力层，这种情况，其桩长设计则由软弱土层厚度和建筑结构荷载决定，且为全长设计；对于下卧土层为具有一定强度的，侧摩阻力不可忽略的，则其设计近似于摩擦桩，桩长取决于侧摩阻力大小和建筑结构荷载。

由此可见，目前高压旋喷桩设计理论，主要还是将其视作桩基设计，对于地基处理而言，此种设计方法可保证地基稳定，然而对于隧道浅埋段软弱围岩高压旋喷桩而言，显然不合适。但目前隧道浅埋段软弱围岩地表高压旋喷桩法桩长设计绝大部分参考建筑地基处理相关规范及工程经验，缺乏适用于隧道浅埋段软弱围岩地表高压旋喷桩法桩长的指导理论，本发明就是为了突破目前隧道浅埋段软弱围岩地表高压旋喷桩法桩长设计的瓶颈。

高压旋喷桩法在隧道浅埋软弱围岩地表加固的目的、加固机理及作用形式与地基处理应用中有着明显的区别。高压旋喷桩在地基处理工程中，旋喷桩加固的主要目的提高地基承载力，通过桩与桩间土共同形成复合地基承担上部竖向荷载，桩体承担了大部分的荷载作用；而隧道浅埋段高压旋喷桩地表加固，其目的主要是改善围岩整体性和强度、降低渗透性，桩体并不承受上部荷载，是隧道地表超前加固的一种新方式，隧道开挖后，隧道洞内轮廓线范围内的桩体将被挖去，最终以土拱的方式发挥其作用。

隧道浅埋软弱围岩高压旋喷桩地表加固过程中，岩土体在高压浆液的作用下，经过切割、搅拌以及挤压渗透作用，形成了完整桩体，改善了桩周土体的整体性和强度，使得桩周土颗粒具有足够的粘结力与摩擦力，使得隧道轮廓线上方围岩形成一个整体。在隧道开挖后，隧道上部围岩的沉降及自重将会通过桩土界面的挤压和摩擦作用向隧道轴线两侧传递，呈现出中部沉降大，两侧沉降小的现象，并将自重转移到隧道轮廓线外侧桩体上，由外侧桩体传递至基岩层，在整个过程中，隧道围岩稳定性是通过上部加固区桩和土共同组成的“土拱效应”保证的，而地基处理中则是以桩和桩间土形成复合地基来承担上部竖向荷载，这是二者之间的显著差异。因此，隧道浅埋段软弱围岩高压旋喷桩法地表加固设计有别于地基处理应用，不可照搬地基处理应用中的设计方法。

但目前高压旋喷桩法在隧道浅埋软弱围岩地表加固应用设计中，主要还是参考地基处理工程中的设计方法，尤其是对于高压旋喷桩桩长的设计存在着明显的不足。一、未区分高压旋喷桩在隧道浅埋段应用中的加固机理与地基处理中的不同之处，从而忽略了“土拱效应”对于隧道浅埋段旋喷桩受力的影响，在“土拱效应”作用下，隧道开挖后，旋喷桩体存在明显的分区特点，桩长设计应根据旋喷桩实际受力，确定不同区域的桩长，而不是全部施作至地表；二、未考虑高压旋喷桩在隧道浅埋软弱围岩地表加固中围岩防渗的实际需求，即高压旋喷桩在隧道浅埋软弱围岩地表加固中，仅需满足土拱范围内围岩渗透性得到大幅提高，对土拱范围外、地表一定范围的围岩渗透性不做高要求；三、未考虑不同埋深对于隧道浅埋软弱围岩地表高压旋喷桩法加固桩长设计的影响，从而缺少根据不同埋深而调整桩长设计的方法。

目前，对于高压旋喷桩在不同深度下隧道浅埋软弱围岩的桩长设计仍缺乏系统性研究，绝大部分设计仍采用将旋喷桩直接施作至隧道仰拱来保证加固效果，忽略了工程经济效益与高压旋喷桩加固后“土拱效应”的影响，从而造成了不必要的材料浪费和施工周期延长。因此，若按照地基处理的强度和荷载要求进行隧道浅埋段地表高压旋喷桩桩长设计，忽略高压旋喷桩在隧道浅埋软弱围岩地表加固机理的不同，其桩长设计必然过于保守，造成过多的强度冗余，这显然是不合理的。

发明内容

为解决现有技术中高压旋喷桩法在隧道浅埋软弱围岩地表加固应用中桩长设计过于保守的问题，本发明提供了隧道浅埋软弱围岩高压旋喷桩法地表加固的桩长确定方法，提出了高压旋喷桩加固后隧道浅埋段软弱围岩开挖后的“土拱效应”，基于高压旋喷桩布桩时的拱效应受力模式和分区特点，明确了土拱高度与浅埋段埋深之间的关系，通过合理的确定桩长设计方法解决了上述背景技术中提到的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

隧道浅埋软弱围岩高压旋喷桩法地表加固的桩长确定方法，包括如下步骤：

S1、通过钻孔采样、地质勘探确定隧道浅埋段上覆土层性质；

S2、通过钻孔采样、地质勘探确定隧道浅埋段上覆土层厚度；

S3、利用高压旋喷桩法地表加固后隧道浅埋段软弱围岩开挖形成的土拱效应，结合桩体受力分布情况将受力区域进行划分，将主要受力的区域划分为I分区，将次要受力区域划分为Ⅱ分区和Ⅱ'分区；

S4、确定不同埋深下隧道浅埋段软弱围岩高压旋喷桩I分区土拱高度；

S5、根据不同埋深下隧道浅埋段软弱围岩高压旋喷桩I分区土拱高度，确定Ⅱ分区和Ⅱ'分区土拱高度；

S6、根据不同埋深下隧道浅埋段软弱围岩高压旋喷桩各分区土拱高度确定高压旋喷桩桩长。

优选的，所述步骤S1中的隧道浅埋段上覆土层性质是流塑-可塑状黏性土、粉土、砂土、素填土、黄土、淤泥质土、耕植土、碎石土或全强风化岩中的一种或几种混合。

优选的，所述步骤S2中的隧道浅埋段上覆土层厚度≤20m。

优选的，所述步骤S3中的桩体受力分布情况是：I分区为主要受力区域，Ⅱ分区和Ⅱ′分区为次要受力区域。

优选的，所述的步骤S4中确定不同埋深下隧道浅埋段软弱围岩高压旋喷桩I分区土拱高度具体是：通过采用数值模拟的方式，建立不同埋深隧道浅埋段高压旋喷桩加固模型，分析不同埋深隧道模型开挖后的应力分布情况，进而确定不同埋深下I分区土拱高度。

优选的，通过采用数值模拟的方式，建立不同埋深隧道浅埋段高压旋喷桩加固模型具体是：分别建立5m、10m、15m、20m埋深隧道浅埋段高压旋喷桩加固模型。

优选的，所述的确定不同埋深下I分区土拱高度具体是：

埋深H≤5m时，I分区土拱高度为4.5m；

5m＜埋深H≤10m时，I分区土拱高度为埋深的1/2，且土拱高度不低于5m；

10m＜埋深H≤20m时，I分区土拱高度为埋深的1/2。

优选的，所述确定Ⅱ分区和Ⅱ'分区土拱高度具体是：

埋深H≤5m时，Ⅱ和Ⅱ'分区土拱高度与I分区土拱高度等高；

5m＜埋深H≤20m时，Ⅱ和Ⅱ'分区土拱高度与I分区土拱高度根据桩体的应力分布近似拟合成光滑曲线，且保证桩体最大应力点在设计桩长范围内。

优选的，所述步骤S6中高压旋喷桩桩长具体为：

埋深H≤5m时，旋喷桩竖向施作至地表；

5m＜埋深H≤10m时，隧道跨度范围内的旋喷桩桩长超出隧道开挖轮廓线5m,隧道跨度外侧的边桩桩长与隧道跨度范围内的桩体顶部连接为一条平顺的拱形线；

10m＜埋深H≤20m时，隧道跨度范围内的旋喷桩桩长超出隧道开挖轮廓线0.6倍埋深，隧道跨度外侧的边桩桩长与隧道跨度范围内的桩体顶部连接为一条平顺的拱形线。

优选的，所述平顺的拱形线幅度应与桩体应力分区曲线幅度一致，且保证桩体最大应力点在设计桩长范围内。

本发明的有益效果是：本发明方法可以根据其不同隧道埋深来确定出合理的桩长设计方案，通过充分考虑高压旋喷桩地表加固后形成的“土拱效应”对于桩体受力的影响来确定土拱厚度与浅埋段埋深之间的关系，进而深度优化了高压旋喷桩桩长设计方法，在保证旋喷桩加固效果的同时，可极大地减少了材料浪费，缩短施工周期，提高工程经济效益，对保证隧道浅埋段高压旋喷桩地表加固工程的效果和节省工程成本具有重要意义。用以解决过去高压旋喷桩桩长设计方法未充分考虑经济效益和加固效果和谐统一的问题，该方法可大大缩短高压旋喷桩桩长，改变目前无论隧道埋深多大都需要从地表加固至隧道的保守设计方法，将能够显著提高高压旋喷法在隧道浅埋软弱围岩加固应用中的可行性。因此该发明对科学研究和工程实践均具有重要意义，还可为编制相应的隧道浅埋段高压旋喷桩法地表加固规范指南提供参考。

附图说明

图1为本发明方法步骤流程示意图；

图2为竖向布桩时土拱效应受力模型示意图；

图3为桩土界面法向应力和切向应力侧视图，图3(a)为桩土界面法向应力侧视图，图3(b)为桩土界面切向应力侧视图；

图4为高压旋喷桩加固后受力分布示意图；

图5为隧道5m埋深时，I分区土拱高度示意图；

图6为隧道10m埋深时，I分区土拱高度示意图；

图7为隧道15m埋深时，I分区土拱高度示意图；

图8为隧道20m埋深时，I分区土拱高度示意图；

图9为埋深10m<H≤20m时旋喷桩竖向桩长加固示意图；

图10为高压旋喷桩桩长优化前后示意图，图10(a)为桩长优化前试验模型图，图10(b)为桩长优化后试验模型图；

图11为高压旋喷桩桩长优化前后桩土界面挤压作用对比示意图，图11(a)为优化前桩土界面挤压作用示意图，图11(b)为优化后桩土界面挤压作用示意图；

图12为高压旋喷桩桩长优化前后桩土界面摩擦作用对比示意图，图12(a)为优化前桩土界面摩擦作用示意图，图12(b)为优化后桩土界面挤压摩擦示意图；

图13为高压旋喷桩桩长优化前后围岩水平应力对比示意图，图13(a)为优化前围岩水平应力示意图，图13(b)为优化后围岩水平应力示意图；

图14为高压旋喷桩桩长优化前后围岩竖向应力对比示意图，图14(a)为优化前围岩竖向应力示意图，图14(b)为优化后围岩竖向应力示意图；

图15为高压旋喷桩桩长优化前后桩体变形示意图，图15(a)为优化前桩体变形示意图，图15(b)为优化后桩体变形示意图；

图16为高压旋喷桩桩长优化前后横断面围岩水平位移对比示意图，图16(a)为优化前横断面围岩水平位移示意图，图16(b)为优化后横断面围岩水平位移示意图；

图17为高压旋喷桩桩长优化前后围岩竖向位移对比示意图，图17(a)为优化前围岩竖向位移示意图，图17(b)为优化后围岩竖向位移示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1-图17，本发明提供一种技术方案：隧道浅埋软弱围岩高压旋喷桩法地表加固的桩长确定方法，具体包括如下步骤：

步骤一、确定隧道浅埋段上覆土层性质

事先对预加固隧道浅埋段进行地质勘探，钻孔探测，确定浅埋段地质情况，本发明的高压旋喷桩加固桩长设计方法主要针对于隧道浅埋软弱地质，主要包括流塑-可塑状黏性土、粉土、砂土、素填土、黄土、淤泥质土、耕植土、碎石土以及全强风化岩等软弱地层。而当地层中含有较多的大粒径块石、坚硬黏性土、含大量植物根茎或有过多的有机质时，本发明提供的桩长设计方法也具有一定的适用性；而对于基岩和碎石土中的卵石、块石、漂石呈骨架结构的地层或地下水流速过大，且地下水具有侵蚀性的工程而言，高压旋喷桩成桩质量易受地下水和块石影响，施工质量难以保证，因此，对于本方法的适用性不强。

步骤二、确定隧道浅埋段上覆土层厚度

隧道浅埋段上覆土层厚度(即隧道埋深)为高压旋喷桩法加固桩长设计方法中的主要控制因素，采用地质钻探等方式，确定隧道浅埋段埋深，针对不同埋深下隧道浅埋软弱围岩地表高压旋喷桩法加固桩长的设计也具有差异性，本发明主要针对隧道浅埋段上覆土层厚度不超过20m的情况，当上覆土层超过20m时，若施工能够保证桩体质量，形成土拱圈，本发明也可适用。

步骤三、根据土拱效应将受力区域进行划分

高压旋喷桩在地基处理工程中，旋喷桩加固的主要作用之一是通过桩与桩间土共同形成复合地基承担竖向荷载，发挥高压旋喷桩的桩体作用，提高地层承载力、减小地基变形沉降；在地基上方建筑施作后，旋喷桩需要承受较大的建筑结构竖向荷载，桩体表面和内部都将产生较大的竖向应力，这两方面的作用均对高压旋喷桩桩长设计提出了较高的要求。

但在隧道浅埋段地表不需要行车、不直接承受较大的外加荷载，利用高压旋喷桩法从地表进行加固后，仅隧道开挖的卸荷作用使围岩的应力发生重分布，旋喷桩仅在桩土协调受力过程中受到侧向挤压和局部的表面摩擦，除边桩底部外桩体内部应力较小；隧道浅埋段地表加固的高压旋喷桩主要作用是改善围岩的整体性和强度、降低渗透性，形成“土拱效应”、减少隧道开挖时的塌方、涌水、突泥地质灾害这与旋喷桩在地基处理应用中的受力机制有巨大区别。

由于隧道浅埋段软弱围岩自稳能力极差、地表水和地下水发育的特点而使得隧道浅埋段加固前围岩难以形成土拱，极易发生塌方、突泥、涌水等地质灾害。在地表竖向布桩形式下，地层受力模式发生改变。未加固开挖时，浅埋段围岩松散破碎整体性差，在开挖过程中，隧道轮廓线上方围岩不具有自稳能力，极易出现坍塌，造成“大范围楔形体连续垮塌”。竖向高压旋喷桩地表加固后，隧道轮廓线上方围岩形成一个整体，将自重转移到轮廓线外侧桩体上，并由外侧桩体传递至基岩层，围岩仅发生“小范围少量沉降”。在这个过程中加固后的围岩形成了土拱，发挥了“土拱效应”。

对于隧道浅埋段软弱围岩加固的主要目的是希望在隧道开挖后地层在一定范围内形成“土拱效应”，支承上覆地层竖向自重荷载，而并非是完全置换原有土体。

“土拱效应”是由于土体的不均匀位移引起的，土体内的应力重分布，移动土体把部分自身的压力传递给了相邻的不动土体，这种应力转移是通过土体抗剪强度的发挥而实现的，隧道浅埋软弱围岩高压旋喷桩法地表加固后围岩在暗挖过程中土拱效应的产生需要三个条件：

(1)土体颗粒间具有足够的黏结力与摩擦力

隧道浅埋软弱围岩高压旋喷桩法地表加固过程中，高压浆液将原地层切割搅拌，形成水泥浆液-土层的混合体，混合体凝固后形成具有一定强度的固结体，将桩周土与桩体紧密粘结在一起，形成桩-土复合地层；高压水泥浆液对地层有挤密渗透作用，在压力作用下水泥颗粒渗入土体孔隙，填充地层裂隙从而改善原地层土体性质。高压旋喷桩法加固使得浅埋段地层形成整体。在经过高压旋喷桩法加固后，使得围岩有了足够的黏结力与摩擦力，满足土拱形成条件。

(2)土体内部产生不均匀位移或相对位移

在浅埋段暗挖通过时，隧道上台阶开挖范围内的上部土体产生沉降，这部分沉降土体会带动两侧土体沉降，沉降向隧道轴线两侧传递，距离隧道轴线越近的土体的位移量越大，随着距隧道轴线距离的增大，土体的位移量逐渐减小。此时加固后地层产生不均匀沉降，但沉降量较小在可以接受范围内，拱顶围岩的地表沉降大于两侧边墙，满足土拱形成条件。

(3)存在支撑拱脚的条件

隧道轮廓线上方围岩自重通过桩土界面的摩阻力把部分自身的压力逐渐的传递给了两侧土体，土体内的应力进行了重分布，土体自重压力通过外侧桩体传递至基岩层，满足土拱形成条件，最终形成土拱。

根据上述形成的土拱效应，通过拱效应受力模型对其进行受力分布进行分析，竖向布桩时拱效应受力模型示意图如图2所示，桩土界面法向应力和切向应力如图3所示，图3(a)为桩土界面法向应力侧视图，图3(b)为桩土界面切向应力侧视图，结果显示：在隧道浅埋段软弱围岩通过地表高压旋喷桩加固后，在隧道开挖时上覆桩体存在明显的应力集中现象，通过分析该区域受力分布特征可知，部分区域桩体不承担荷载作用，这部分区域桩体的存在不仅对隧道整体自稳能力无较大提高，同时还增加了地层重量，造成不必要的经济成本损失，因此桩长设计应考虑缩短该区域桩长。

如图4所示，其受力分布存在主要受力区域和次要受力区域，I分区为主要受力区域，Ⅱ分区和Ⅱ'分区为次要受力区域，将受力区域进行划分，将主要受力的区域划分为I分区，将次要受力区域划分为Ⅱ分区和Ⅱ'分区，由图4可知隧道开挖后所产生的应力集中在I分区当中，即旋喷桩桩长范围内仅I分区范围内的桩体发挥了承受荷载的主要作用。

步骤四、确定不同埋深下隧道浅埋段软弱围岩高压旋喷桩I分区土拱高度

隧道浅埋段软弱围岩在加固前无法形成土拱，在高压旋喷桩加固后，围岩强度、完整性得到有效改善，隧道开挖后形成土拱，地层在土拱作用下，可保证隧道地层安全与稳定。土拱高度与隧道埋深相关，不同埋深形成的土拱高度不同。本发明通过采用数值模拟的方式，建立不同埋深(5m、10m、15m、20m)隧道浅埋段高压旋喷桩加固模型，分析不同埋深隧道模型开挖后的应力分布情况，进而确定不同埋深下I分区土拱高度，如图5、图6、图7和图8所示，分别对应埋深为5m、10m、15m和20m下I分区的土拱高度。

①埋深H≤5m时，I分区土拱高度为4.5m，如果低于4.5m，则无法形成可承受荷载的土拱。

②5m＜埋深H≤10m时，I分区土拱高度为埋深的1/2，拱结构I分区高度由埋深来决定，基于地质条件的不确定因素，且土拱高度不低于5m。

③10m＜埋深H≤20m时，I分区土拱高度为埋深的1/2，拱结构I分区高度由埋深来决定，且不得低于隧道埋深的一半。

步骤五、确定Ⅱ分区和Ⅱ'分区土拱高度

隧道浅埋段高压旋喷桩的土拱效应所形成的不同区域(I、Ⅱ和Ⅱ'分区)，外轮廓呈现出光滑过度现象，因此Ⅱ和Ⅱ'分区高度其取决于I分区土拱高度。

埋深H≤5m时，Ⅱ和Ⅱ'分区土拱高度与I分区土拱高度等高；

5m＜埋深H≤20m时，Ⅱ和Ⅱ'分区土拱高度与I分区土拱高度应根据桩体的应力分布近似拟合成光滑曲线，且保证桩体最大应力点在设计桩长范围内。

步骤六、确定不同深度隧道浅埋软弱围岩高压旋喷桩桩长

在综合了上述所有步骤后，确定完隧道浅埋段上覆土层性质与上覆土层厚度后，综合分析了“土拱效应”及土拱高度后，得到了如下隧道浅埋软弱围岩地表高压旋喷桩加固的桩长确定方法，

埋深H≤5m时，旋喷桩竖向施作至地表，由于I分区土拱平均高度达4.5m，施工过程中应尽量保护上覆土层不受扰动，避免施工不当对土拱造成的破坏，以防治土拱范围内的桩体受到破坏。

埋深H满足5m＜埋深H≤10m时，隧道跨度范围内的旋喷桩桩长超出隧道开挖轮廓线5m,隧道跨度外侧的边桩桩长，其竖向施作长度满足与隧道跨度范围内的桩体顶部连接为一条平顺的拱形线，平顺的拱形线幅度应与桩体应力分区曲线幅度一致。

10m＜埋深H≤20m时，隧道跨度范围内的旋喷桩桩长超出隧道开挖轮廓线0.6倍埋深，如图9所示，隧道跨度外侧的边桩桩长，其竖向施作长度满足与隧道跨度范围内的桩体顶部连接为一条平顺的拱形线，平顺的拱形线幅度应与桩体应力分区曲线幅度一致，且保证桩体最大应力点在设计桩长范围内。

隧道浅埋段高压旋喷桩地表加固整体桩长，应保证桩端嵌入坚硬基岩0.5m或底面平行于隧道边墙，根据实际开挖围岩情况确定。依据本发明方法，根据隧道浅埋段的埋深，对原高压旋喷桩设计方案进行桩长设计优化，减少Ⅱ和Ⅱ'分区高压旋喷桩施作长度，减少不必要的浪费和强度冗余。

以下通过广东云茂高速公路新屋隧道浅埋软弱围岩地表高压旋喷桩法加固工程来进行验证。

新屋隧道浅埋段工程概况：广东云茂高速公路新屋隧道为分离式隧道，左线全长2501m，右线全长2452m。隧道浅埋段为：左线隧道ZK84+579～ZK84+859段和右线隧道K84+606～K84+795段，最小覆土层厚度约为6.85m，最大段长280m。隧道范围内分布多处浅埋段，浅埋段最小覆土厚度约为6.85m，浅埋段位于冲沟处，为构造剥蚀丘陵地貌，线路分布多处水塘和地表沟槽，区域汇水面积大，地下水系发育。新屋隧道隧址区地层岩性以粉质粘土、变质砂岩、花岗岩及其风化层为主，浅埋段地层自上而下主要为：耕植土、粉质粘土、淤泥质粉质粘土、碎石土、全强风化变质砂岩、中风化变质砂岩。隧道浅埋段洞身大部分位于全强风化变质砂岩中，围岩级别为Ⅴ级。

采用地表高压旋喷桩法进行加固，旋喷桩直径0.6m，三角形布桩，间距1.2m，注浆压力20～24MPa，喷嘴提升速度18cm/mi n，转速14～18r/mi n，采用双管旋喷，气流压力约为0.7MPa，水灰比为1:1。横向加固范围为左右均超出隧道开挖轮廓线3m，加固宽度约为19m，加固深度为嵌入中风化变质砂岩层0.5m。

以10m埋深为例，建立未优化高压旋喷桩分析模型和采用本发明优化后高压旋喷桩分析模型，如图10所示，二者仅存在桩长设计的差别。

试验结果主要通过对比高压旋喷桩桩长优化前与优化后，隧道开挖时的围岩受力变形特点，如图11-17所示，主要通过对比高压旋喷桩桩长设计优化前后桩土界面挤压力、桩土界面摩擦力、桩体变形、围岩水平位移、围岩竖向位移、围岩水平应力、围岩竖向应力的变化值，根据图11和图12可知，优化工况中隧道开挖后所有桩体侧面均与土体发生较大的挤压作用和摩擦作用，表明所有桩体都承受土体自重产生的荷载；摩擦作用从加固区中心到加固区边缘逐渐增大，与桩长优化前中I分区下部的桩土相互作用具有相同的趋势。根据图13和图14可知，横断面上桩土的应力分布是连续的，桩土界面未出现应力突变，表明桩体与其周围土体的整体性较好，在加固区域可共同受力。此外，在优化工况中围岩的水平应力及竖向应力最大值均出现在加固区边桩底部，且加固区中部的桩土主要受水平应力；这与桩长优化前中的I分区的拱形受力结构趋势基本一致。通过对桩长优化后及桩长优化前围岩应力值对比可知，桩长优化后的桩土界面摩擦作用最大值约为桩长优化前中的3倍，桩土界面挤压作用略大于桩长优化前，但桩体最大应力值与桩长优化前差别极小；可见，削减竖向加固范围的优化方案使桩体的承力性能得到了更大的发挥，且未对桩体受力带来明显的额外负担，即在充分发挥桩体加固性能的同时未影响桩体的安全性。根据图15可知，桩长优化后的桩体和土体整体性好，同样形成了拱形结构共同承担土体自重产生的荷载；此外，桩体的全部竖向范围均参与了荷载的分担，根据图16和图17可知，桩长优化后围岩的最大位移发生在原Ⅱ分区附近的地表处，土体最大水平位移值约为5cm；在桩长优化前，Ⅱ分区的桩体产生约15cm的水平挠曲，但土体的水平位移极小；可见，桩长优化后隧道浅埋段覆盖层发生了一定的土体松动。桩长优化后的地表最大沉降值约10cm，较之优化前中的7.5cm有所提升。桩长优化前和桩长优化后隧道开挖面拱顶位置的沉降均在15cm左右，两者差值极小；可见采用优化方案加固后的围岩同样具有较强的自稳能力，能够保障隧道的施工安全。

综上分析可知，减小竖向加固范围后的优化加固方案会造成少量的地表沉降，但隧道依然可以自稳且拱顶沉降较之优化前并无较大变化，表明采用优化方案并未明显损失隧道洞内的支护效果。

根据对隧道浅埋段高压旋喷桩桩长优化前后的围岩变形、桩土相互作用及围岩应力等的分析可知，在高压旋喷桩桩长优化后的桩体变形、桩土作用、桩土受力模式均与桩长优化前中的I分区下部情况相同，即桩土共同受力形成拱形结构；竖向加固范围虽有所减小，但桩体的加固性能得到更充分的发挥，加固区开挖后的洞内稳定性未受到明显削减。

在桩长优化加固方案中隧道开挖时的洞内稳定性与未优化方案下几乎相同，所有桩体部分均参与拱结构的组成使桩体性能充分发挥，且明显地减小了材料的使用量；总体而言，隧道浅埋段地表高压旋喷桩加固的桩长设计确定优化方案具有较高的可行性，可大大缩短高压旋喷桩桩长，改变目前无论隧道埋深多大都需要从地表加固至隧道的保守设计方法，减少了不必要的浆液损失和材料浪费，极大地缩短了高压旋喷桩施工周期，极大地节约了隧道浅埋段加固成本减少了不必要的浆液损失和材料浪费，对保证隧道浅埋段地表高压旋喷桩地表加固工程的效果和经济性具有着重要意义。

尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换,凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.隧道浅埋软弱围岩高压旋喷桩法地表加固的桩长确定方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、通过钻孔采样、地质勘探确定隧道浅埋段上覆土层性质；

S2、通过钻孔采样、地质勘探确定隧道浅埋段上覆土层厚度；

S3、利用高压旋喷桩法地表加固后隧道浅埋段软弱围岩开挖形成的土拱效应，结合桩体受力分布情况将受力区域进行划分，将主要受力的区域划分为I分区，将次要受力区域划分为Ⅱ分区和Ⅱ'分区；

S4、确定不同埋深下隧道浅埋段软弱围岩高压旋喷桩I分区土拱高度；

S5、根据不同埋深下隧道浅埋段软弱围岩高压旋喷桩I分区土拱高度，确定Ⅱ分区和Ⅱ'分区土拱高度；

S6、根据不同埋深下隧道浅埋段软弱围岩高压旋喷桩各分区土拱高度确定高压旋喷桩桩长。

2.根据权利要求1所述的隧道浅埋软弱围岩高压旋喷桩法地表加固的桩长确定方法，其特征在于：所述步骤S1中的隧道浅埋段上覆土层性质是流塑-可塑状黏性土、粉土、砂土、素填土、黄土、淤泥质土、耕植土、碎石土或全强风化岩中的一种或几种混合。

3.根据权利要求1所述的隧道浅埋软弱围岩高压旋喷桩法地表加固的桩长确定方法，其特征在于：所述步骤S2中的隧道浅埋段上覆土层厚度≤20m。

4.根据权利要求1所述的隧道浅埋软弱围岩高压旋喷桩法地表加固的桩长确定方法，其特征在于：所述步骤S3中的桩体受力分布情况是：I分区为主要受力区域，Ⅱ分区和Ⅱ′分区为次要受力区域。

5.根据权利要求1所述的隧道浅埋软弱围岩高压旋喷桩法地表加固的桩长确定方法，其特征在于：所述的步骤S4中确定不同埋深下隧道浅埋段软弱围岩高压旋喷桩I分区土拱高度具体是：通过采用数值模拟的方式，建立不同埋深隧道浅埋段高压旋喷桩加固模型，分析不同埋深隧道模型开挖后的应力分布情况，进而确定不同埋深下I分区土拱高度。

6.根据权利要求5所述的隧道浅埋软弱围岩高压旋喷桩法地表加固的桩长确定方法，其特征在于：通过采用数值模拟的方式，建立不同埋深隧道浅埋段高压旋喷桩加固模型具体是：分别建立5m、10m、15m、20m埋深隧道浅埋段高压旋喷桩加固模型。

7.根据权利要求1所述的隧道浅埋软弱围岩高压旋喷桩法地表加固的桩长确定方法，其特征在于：所述的确定不同埋深下I分区土拱高度具体是：

埋深H≤5m时，I分区土拱高度为4.5m；

5m＜埋深H≤10m时，I分区土拱高度为埋深的1/2，且土拱高度不低于5m；

10m＜埋深H≤20m时，I分区土拱高度为埋深的1/2。

8.根据权利要求1所述的隧道浅埋软弱围岩高压旋喷桩法地表加固的桩长确定方法，其特征在于：所述确定Ⅱ分区和Ⅱ'分区土拱高度具体是：

埋深H≤5m时，Ⅱ和Ⅱ'分区土拱高度与I分区土拱高度等高；

5m＜埋深H≤20m时，Ⅱ和Ⅱ'分区土拱高度与I分区土拱高度根据桩体的应力分布近似拟合成光滑曲线，且保证桩体最大应力点在设计桩长范围内。

9.根据权利要求1所述的隧道浅埋软弱围岩高压旋喷桩法地表加固的桩长确定方法，其特征在于：所述步骤S6中高压旋喷桩桩长具体为：

埋深H≤5m时，旋喷桩竖向施作至地表；

5m＜埋深H≤10m时，隧道跨度范围内的旋喷桩桩长超出隧道开挖轮廓线5m,隧道跨度外侧的边桩桩长与隧道跨度范围内的桩体顶部连接为一条平顺的拱形线；

10m＜埋深H≤20m时，隧道跨度范围内的旋喷桩桩长超出隧道开挖轮廓线0.6倍埋深，隧道跨度外侧的边桩桩长与隧道跨度范围内的桩体顶部连接为一条平顺的拱形线。

10.根据权利要求9所述的隧道浅埋软弱围岩高压旋喷桩法地表加固的桩长确定方法，其特征在于：所述平顺的拱形线幅度应与桩体应力分区曲线幅度一致，且保证桩体最大应力点在设计桩长范围内。

Images