第三系半成岩富水砂岩隧道水平高压旋喷桩加固机理及参数分析
云南临沧临翔至清水河高速公路王家寨隧道穿越第三系富水半成岩砂岩段，开挖过程中多次发生涌水涌砂、塌方冒顶等地质灾害。隧道先后采用超前小导管、超前管棚、全断面帷幕注浆等方式，都难以取得较好的加固效果。结合王家寨隧道第三系富水半成岩砂质地层特性以及类似地层的桃树坪隧道[1,2]、万荣隧道[3]中水平高压旋喷桩的成功应用案例，提出采用水平高压旋喷桩进行超前预加固。
研究表明[4,5,6]，水平高压旋喷桩在砂质地层、全强风化岩等软弱富水地层中具备极强的适用性，其形成的加固体具备防渗、堵砂等作用，极大改善了地层性质。其加固作用主要体现在桩体对松散岩土体的固结作用[7]、浆液喷射对土体剪切强度的增强作用[8,9]以及形成旋喷拱棚与初支共同承担上覆围岩压力[10]。然而，水平高压旋喷桩在第三系半成岩砂岩富水地层中的应用较少，加固机理不明确，主要集中在加固体的物理力学参数、破坏特征、隧道变形等，对旋喷桩在围岩中所能承受的极限荷载研究尚有不足。
水平高压旋喷桩桩体抗拉强度低，在围岩荷载与水压作用下，桩体易承受过大荷载而发生断裂破坏[11]。为提高水平高压旋喷桩的适用性，部分学者对桩体参数进行优化设计，提出最优形状、最小结构厚度以及适用于不同地层分布的旋喷桩布置方案等[12,13,14]。但目前对于第三系富水半成岩砂岩隧道水平高压旋喷桩加固设计研究较少，设计参数选取缺乏理论研究，主要以工程经验为主，不同设计参数对水平高压旋喷桩加固效果的影响尚不明晰。
以云南临沧临翔至清水河高速公路王家寨隧道为工程依托。通过理论分析、数值模拟以及现场监测方法，阐明第三系富水半成岩砂岩隧道水平高压旋喷桩超前预加固机理；分析水平高压旋喷桩对围岩应力、变形的加固作用以及桩体受力机制，确定旋喷桩适用的极限地下水压力；探明不同桩体参数对水平高压旋喷桩加固效果的影响，并给出参数取值范围建议。
论文为分析水平高压旋喷桩在软弱围岩中的加固机理，采用地基梁理论解析（图1）分析了旋喷桩在支护过程中的弯矩、剪力变化（图2、3），并结合数值模拟探究了桩体的受力模式，提出了水平高压旋喷桩在支护过程中发挥的“梁拱效应”。并通过现场监测进行了验证，最后对旋喷桩体的桩长（图4）、桩径、咬合厚度、搭接长度4个参数进行了优化设计。
结合王家寨隧道第三系半成岩砂岩地层特性，通过理论分析和数值模拟，分析了水平高压旋喷桩的桩体应力与加固机理，采用现场监测验证了分析结果，探究了桩体不同参数对围岩加固效果的影响。主要结论如下：
（1）隧道水平高压旋喷桩超前支护在纵向上能起到较好的梁效应，将上覆扰动围岩施加的荷载传递至后端。在开挖未支护段，拱顶旋喷桩弯矩与轴力最大，剪力也较大，桩体最易发生破坏。拱顶与拱肩桩体整体受拉，边墙处桩体整体受压，且越靠近边墙处桩体轴力越小，说明在横向上旋喷桩能有效发挥拱效应，将拱顶荷载分散至两端边墙处。
（2）随着水压力增大，桩体最大拉应力随之增长，300kPa时达598.21kPa，接近桩体抗拉强度，这与YK22+335.5断面监测情况基本吻合，因此王家寨隧道水平高压旋喷桩超前预加固适用的极限水压力为300kPa。在不超过极限水压力条件下，水平旋喷桩加固可有效发挥梁拱协同作用，围岩沉降与应力控制效果显著，ZK22+221断面监测结果也证明，当水压力为200kPa左右时，地下水压力、围岩拱顶沉降、边墙收敛、围岩-初支应力均趋于稳定，拱顶沉降与围岩-初支应力监测结果与数值模拟结果基本吻合。
（3）水平高压旋喷桩体的桩径、桩长、咬合厚度及搭接长度变化对围岩沉降和应力的影响较小，对桩体应力影响较大。影响程度排序为咬合厚度>桩长>搭接长度>桩径；在小于极限水压300kPa时，建议王家寨隧道第三系半成岩富水砂岩段水平高压旋喷桩桩体参数取桩径65~70cm、桩长10~13m、咬合厚度25cm、搭接长度3~4m。
论文评审意见与作者答复
