某高速公路顶管施工诱发路基塌陷成因分析及处治设计

卢波 刘光彬

作者简介：卢 波（1987—），工程师，研究方向：岩土工程勘察设计。

文章以桂林某高速公路顶管施工诱发路基塌陷抢险处治工程为实例，采用微型桩复合地基方案进行加固处理，具有施工程序简单、快速，对土层适用性强，可在较小施工区域施作的特点，与同体积灌注桩相比，具有承载力高的优势［1］，取得了良好的加固处治效果，安全、经济、高效地解决了地基加固问题［2］，对类似工程项目有借鉴意义。

微型桩；路基塌陷；顶管施工；抢险处治

U418.5A120443

0 引言

随着我国高速公路建设的快速发展，路网不断完善，因施工诱发路基塌陷问题日益凸显。在交通量日益增长的当下，对出现的路基塌陷问题需要及时快速抢险处治，同时要确保道路交通不中断。采用传统的大型机械加固处治方案显然很难适应道路恢复通行的迫切需求，因此亟须找到既能快速施工，又能保道路畅通，同时能适应狭小空间施工的方法，本文提出的承载力高的微型桩复合地基加固处治方案，可为类似工程提供参考和借鉴。

1 工程简介

桂林某引水工程采用顶管施工，下穿某高速公路，由6#顶管井顶进至7#接收井，顶管施工采用泥水平衡法，双管下穿高速路，顶管管材为混凝土管，内径为2.4 m，管道净间距为2.94 m，埋深约13 m。在左侧管道顺利顶进穿过高速公路，右侧管道顶至高速公路右幅路肩时，发生了右幅路面应急车道和行车道下沉塌陷，路面裂缝沿左右管道外侧至快车道形成了圈椅状裂缝，裂缝宽度5～10 mm，沉降高差达32.86 cm，如图1所示。

2 工程地质条件简述

2.1 地层岩性

根据地质调查、钻探揭示及室内土工试验结果，场地内地层主要由第四系堆积层（Qml）、第四系残坡积层（Qel+dl）、石炭系下统岩关阶（C1y）地层组成。

2.1.1 第四系人工堆积层（Qml）

素填土：褐黄色，稍密-中密状，主要成分为黏性土及碎石，土质不均匀，为高速公路路基填土，堆填年限约9年，表层0.90 m为路面结构层，已完成自重固结，揭示厚度4.00～5.00 m。

2.1.2 第四系残坡积层（Qel+dl）

（1）黏土：褐黄、褐灰色，可塑-硬塑状，土质较均匀，局部夹灰黑色泥炭、泥煤，韧性及干强度高，揭示厚度5.20～9.00 m。

（2）顶管施工扰动土层：该层成分主要为流塑状黏土及顶管施工置换的泥浆，褐黄色，很湿-饱和，流塑，土质较均匀，韧性及干强度高，揭示厚度2.10～3.20 m。属高压缩性土。具含水量高、孔隙比大、高压缩性、承载力低、变形持续时间长等特点。

2.1.3 石炭系下统岩关阶（C1y）

中风化灰岩：灰色，隐晶质结构，中厚层状构造，节理裂隙稍发育，裂隙多为方解石脉充填，岩体较破碎，岩质较坚硬，岩芯多呈短柱状，少量呈块状、长柱状。局部溶蚀裂隙发育，裂隙多无充填或泥质充填，岩芯多呈碎块状，岩体基本质量等级为Ⅳ级，最大揭示厚度6.80 m。

2.2 岩土力学参数取值

岩土层各力学参数根据原位测试成果、室内试验成果，结合有关规范综合确定，岩土层物理力学及岩土参数建议值见表1。

3 病害路段成因机理分析

3.1 路基病害成因分析

综合钻探和物探等成果，场地地质条件复杂。右幅路基下伏基岩面附近溶蚀裂缝发育，地下水的补给排泄通道较多，水位波动变化较大。顶管下穿高速公路右幅路基段属半岩半土区域，即从位于岩面附近溶蚀裂隙发育区掘进，上半部分为黏土，下半部分为中风化灰岩，且岩面附近黏土具有较强水敏性，在顶管泥水平衡法盾构施工过程中，存在上软下硬的地质条件。在钻头掘进时，上半部分土体切削快于下半部分岩石，但为维持掘进平衡及内部泥浆压力平衡，上半部土体会被不断软化、扰动形成泥浆充填，且范围会随着掘进速度而增大。同时因该段溶蚀裂缝发育，地下水补给排泄通道较多，使得顶管钻进过程中会消耗更多的泥浆水来维持泥浆压力平衡，因此在该段钻进过程出现泥浆流失的情况，使得泥浆压力失衡，为路基塌陷创造了有利条件。随着顶管施工的进程，泥浆不断循环置换，管道附近区域土体软化范围不断增大，形成了结构性破坏土体（顶管施工扰动土层），即形成了路基软弱下卧层，失去了原有土体结构的受力平衡，当达到路基及其下土层自重和车辆荷载作用极限时，发生了路面塌陷变形破坏。

3.2 路基下卧层承载力和沉降变形验算

3.2.1 路基软弱下卧层承载力验算

根据《公路桥涵地基与基础设计规范》（JTG 3363-2019）第5.2.6条软弱下卧层承载力验算公式［3］，计算参数按表1选取；

软弱下卧层（流塑状黏土）修正后的地基承载力特征值fa=20+（19.8×5+19.2×6.2）/（5+6.2）×（5+6.2-3）=179.64 kPa。

在不考虑附加应力，仅考虑自重应力作用下，软弱下卧层顶部自重应力为：

可见，软弱下卧层承载力在自重应力作用下不能满足要求，再加上车荷载作用，会更进一步加剧路基的变形破坏。

3.2.2 路基沉降变形验算

利用GEO5 2022版软件中地基固结沉降分析模块，采用压缩模量法计算路基沉降变形情况，计算参数按表1选取，计算模型及结果见图2。

通过计算分析，路基下伏软弱下卧层流塑状黏土未能满足承载力和沉降变形要求，路面已出现塌陷破坏，最大沉降变形量达34.37 cm，与路面沉降变形监测成果相吻合。

4 处治方案

4.1 加固处治方案

根据病害路段场地工程地质条件和路基病害变形发展特点，结合场地条件，该病害路段治理需解决路基下伏岩面及管道顶部2.10～3.20 m范围流塑状黏土形成的软弱下卧层，同时考虑管道顶部跨越问题，以及交通通行要求，主要加固处治方案有：

方案1：注浆加固方案。该方案属传统的地基加固处治方案，优点在于注浆加固设备简单，占用空间小，具有较强的灵活性和适应性，是较为有效的地基加固处治方案。结合场地条件，主要有以下两方面原因对该方案不利，（1）场地覆盖层主要为粉质黏土，具有较小的孔隙比，对注浆扩散很不利，同时下伏为灰岩，具备岩溶发育的条件，亦会对注浆造成流失，注浆效果不理想；（2）该场地病害主要由顶管盾构下穿，且尚未完成该区段盾构施工，如果采用注浆加固方案势必会对该段顶管进行加固而无法进行下一步施工，造成巨大损失，同时可能会出现注浆涌入顶管段而出现注浆无效的情况，因此排除该方案。

方案2：水泥搅拌桩或高压旋喷加固方案。该方案是软土路基加固处治较为有效的方案，加固处治深度亦在合理的范围。主要缺点是机械设备较大，施工占用工作面多，既有路面结构层需要破除后方可施工，不利于高速公路的抢险处治施工，也不利于交通疏导，该路幅不能中断施工，故未采用该方案。

方案3：微型桩面板跨越方案。该方案属新型方案，采用微型桩做支承，利用钢筋混凝土面板跨越，解决了顶管段顶部加固问题。同时微型桩起到使路面车辆振动峰值加速度快速衰减的作用［4］，有效地传递竖向荷载，确保路基长期稳定。方案利用微型桩穿过软土区，进入管道底部，嵌固于下部基岩中，形成支撑体系；在破除路面结构层的微型桩顶部，设置钢筋混凝土板跨越管道顶区域，起到有效控制路面变形的作用。具体参数为：微型桩（锚筋桩）间距为1.0 m×1.0 m，锚筋桩束由4C32钢筋组成，桩长18 m，嵌入顶管管底约2.0 m，桩顶设置厚50 cm钢筋混凝土面板跨越顶管段，形成锚筋桩支撑棚架结构体系，上部按沥青路面恢复。见图3。

4.2 微型桩方案验算

4.2.1 整体稳定性验算

利用GEO5 2022版中软件群桩设计模块，计算分析微型桩内力变形情况，并验算单桩竖向承载力，计算参数按表1选取，计算模型见图4，位移计算结果见图5和表2。

最大位移沉降值满足《公路路基设计规范》（JTG D30-2015）软土路基变形工后沉降容许值≤100 mm的要求［5］。

4.2.2 微型桩承载力验算

利用GEO5 2022版软件中微型桩模块，根据地层剖面计算微型桩内力及变形情况，计算参数按表1选取，计算模型及结果见图6和表3。

通过上述计算分析，微型桩（锚筋桩）板式跨越方案，能满足竖向承载力及路基变形控制要求。

5 结语

本文以桂林某顶管施工诱发高速公路路基塌陷抢险处治工程为实例，根据路基病害发展及变形情况，结合场地工程地质条件和周边环境、道路交通疏导等，创新性地采用了微型桩面板跨越方案，取得了良好的处治效果，经济效益明显，值得推广应用，同时也总结了以下几点结论：

（1）采用微型桩面板跨越方案可以有效解决路基软弱下卧层引起的路面沉降变形问题，支承作用效果明显，能有效传递路面振动峰值加速度至下部基岩，达到稳定性较好的目的。

（2）与传统注浆、水泥搅拌桩等方案相比，微型桩面板跨越方案具有施工质量、工期及工程造价可控等优势，灵活性强，可靠度高。其施工简便、快速，符合抢险工程的实际需求，有利于生态环境保护。

参考文献

［1］鲁志强，帅品南.微型桩技术在施工中的应用［J］.技术应用，2021，28（9）：74-75.

［2］章裕雄，周 俊，王志龙.微型桩复合地基技术应用［C］.第二十六届华东六省一市土木建筑工程技术交流会论文集，2020.

［3］JTG 3363-2019，公路桥涵地基与基础设计规范［S］.

［4］董 捷，孙京华，戎贺伟.微型桩加固公路路肩数值模拟分析［J］.河北建筑工程学院学报，2019，37（2）：16-19.

［5］JTG D30-2015，公路路基设计规范［S］.