水平旋噴注漿技術(shù)的理論分析與應用

李占廣

(中鐵十八局集團有限公司第四工程有限公司，天津 300000)

水平旋噴注漿技術(shù)的理論分析與應用

李占廣

(中鐵十八局集團有限公司第四工程有限公司，天津 300000)

水平旋噴注漿技術(shù)起到了防流沙、抗滑移、防滲透的作用。論文在總結(jié)大量前人的研究成果前提下，分析了水平旋噴注漿技術(shù)作用機理，并通過工程實例，總結(jié)了水平旋噴施工工法的技術(shù)分析、設計及施工參數(shù)、工藝流程、檢驗方法和常見問題。

水平旋噴注漿；固結(jié)體；影響因素；施工工藝

1.引言

近年來，隨著國內(nèi)的經(jīng)濟水平飛速發(fā)展，土木工程建設規(guī)模日益擴大，難度不斷提高，土木工程功能化、城市建設立體化、交通高速化和改善綜合居住條件成為現(xiàn)代化土木工程的特征，而在土木建設過程中，巖土加固遇到的問題也越來越多，如施工場地狹窄、土質(zhì)情況復雜多變等。因此，面對這些新的問題傳統(tǒng)的巖土加固處理技術(shù)應不斷的發(fā)展以適應工程建設的需要。

水平旋噴注漿預加固技術(shù)是旋噴注漿加固技術(shù)的一種，就是在土層中水平(亦可作小角度的俯、仰和外斜)鉆進成孔，注漿管呈水平狀，噴嘴由里向外移動進行旋噴、注漿。它適用于砂類土、粘性土、黃土、人工填土等地層。日本和意大利是研究開發(fā)水平旋噴注漿加固技術(shù)較早的國家，意大利RODIO公司于1983年首次將水平旋噴注漿技術(shù)用于隧道預支護，并逐漸把水平旋噴注漿列為加固和保護隧道圍巖的基本方法之一。

國內(nèi)外眾多隧道工程實例已經(jīng)證明，在軟弱地層中應用水平旋噴注漿加固技術(shù)能夠很好的加固地層，且具有施工時無公害、操作簡單安全、材料價格低廉等特點。水平旋噴注漿加固技術(shù)同其它巖土工程領域的新技術(shù)一樣，需要不斷的進行實踐，不斷完善其理論。一項新技術(shù)的發(fā)展需要大量的工程試驗、應用和系統(tǒng)的理論研究作指導，使之進一步的發(fā)展和推廣應用。因此，本文試圖對水平旋噴注漿加固的機理進行研究，并結(jié)合工程實例，進一步改進施工工藝，科學規(guī)范及水平旋噴工法的設計及施工，使它更好的為工程建設服務。

2.水平旋噴預支護技術(shù)的作用機理

水平旋噴超前支護是隧道超前支護的新方法，水平旋噴超前支護的使用，對于消除施工前期的土體變形起到了積極的控制作用。通過對注漿管棚的研究認為，管棚預支護結(jié)構(gòu)在隧道縱軸方向上可視為梁，在橫向上可視為拱，且梁、拱主要承受壓力，水平旋噴超前支護的作用機理與此相同。由于這一結(jié)構(gòu)的支撐作用，限制了圍巖應力的釋放，從而保證了隧道工作面的穩(wěn)定。

(1)防塌方

由于水平旋噴固結(jié)體的作用，減小了工作面上覆的土壓力，穩(wěn)定了圍巖，從而避免了土體塌方，即便有一定程度沉降的產(chǎn)生，也不會發(fā)生災難性事故。

(2)阻斷沉降作用

由水平旋噴固結(jié)體的超前預支護作用，可有效抑制地面和拱頂沉降。

(3)均勻沉降曲線

由于水平旋噴固結(jié)體的承托作用，使得沉降槽沉降集中的程度大幅度減小，沉降總量在減小的同時有向兩端均勻分布的趨勢。

(4)提高土層物理參數(shù)，增大地層自穩(wěn)能力

在傳統(tǒng)教學課堂上，教師“灌輸式”的教學方式，使得學生很難主動參與到知識的探究思考中去。新課程強調(diào)學習方式的變革，要求學生要在“實踐活動”中探究出新知，必須具備“生活經(jīng)驗”。這里所說的經(jīng)驗包括學生已有的生活經(jīng)驗、學習方法、學習習慣等。

實際施工中，水平旋噴樁相互搭接，且固結(jié)體漿液向周圍土體滲透。使得水平旋噴固結(jié)體與其周圍的土體成為一個整體，從而極大地增強了土層的自穩(wěn)能力。由于水平旋噴超前支護的以上作用，在隧道穿越施工中，如隧道穿越重要建筑物、重要管線等得到廣泛應用。圖1所示的是水平旋噴超前支護的示意圖。

圖1 水平旋噴超前支護示意圖

3.水平旋噴注漿技術(shù)施工工法分析及應用

3.1 施工設備技術(shù)方案

國內(nèi)以往的水平旋噴施工多采用傳統(tǒng)的旋噴裝置加以改造，這樣的機械設備在施工質(zhì)量、精度、效率上都難以保證質(zhì)量，并且也不符合新形式下巖土工程建設的需要。日本及歐美一些國家水平旋噴注漿加固技術(shù)開發(fā)較早，設備比較先進已經(jīng)形成一套完整水平旋噴施工機械設備體系。SJ-180型水平旋噴鉆機采用全液壓系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)，鉆機配備雙動力源，履帶行走，結(jié)構(gòu)緊湊，施工范圍廣。動力頭工作行程長，施工速度快(工期短)，鉆孔和旋噴一次完成，工效高。鉆孔角度自動顯示，定位精確，施工精度高，具有很好的運用前景。水平旋噴注漿技術(shù)的主要機械設備有水平旋噴機和高壓注漿泵兩大部分。

(1)水平旋噴機

國外的水平旋噴機一般都是將鉆噴機構(gòu)安裝在多功能鉆車上，既能鉆水平孔又能鉆豎直孔，這樣的多功能鉆車可以進行多種作業(yè)。

(2)高壓注漿泵

高壓注漿泵是隧道水平雙液旋噴注漿成拱預支護的關鍵設備。泵的壓力與流量直接影響旋噴樁成樁效果及其直徑的大小和強度。

3.2 工法的設計

(1)設計原則

水平旋噴作為一直新興的巖土加固技術(shù)，目前尚無統(tǒng)一的設計規(guī)范，根據(jù)《建筑地基處理技術(shù)設計規(guī)范JGJ79-2002》中有關高壓噴射注漿法的設計要求，高壓噴射注漿法的設計應根據(jù)半經(jīng)驗半理論的方法加以判斷、確定，有條件的可以針對施工地層進行現(xiàn)場試驗，以確定旋噴樁的樁徑、強度與地層間的關系。因此，水平旋噴樁設計應遵循以下原則：

①水平旋噴樁的設計要考慮多方面因素，場區(qū)土層條件、水文地質(zhì)條件、地面荷載條件，隧道埋深以及隧道結(jié)構(gòu)斷面各項參數(shù)、施工方法等等。綜合考慮施工參數(shù)對加固區(qū)變形的影響，在確保地表結(jié)構(gòu)安全使用的同時，保證施工的安全。在設計時綜合考慮各種因素條件下，力求面面俱到。

②對于復雜環(huán)境條件下巖土加固的問題，對水平旋噴樁的長度、水平旋噴樁施工的精度等有很高的要求，這樣，在設計水平旋噴樁時必須考慮工藝的可行性，以滿足施工要求，保證工程進度。

(2)孔位布置設計

孔位布置方式根據(jù)工程性質(zhì)確定，一般隧道預加固施工中，應現(xiàn)根據(jù)地層、因素，確定水平旋噴樁的直徑大小，根據(jù)直徑大小考慮孔位布置。一般樁間應充分考慮搭接效果。一般設計樁徑相互搭接不宜小于300mm。噴射管分段提升的搭接長度不得小于200mm。尤其在截水工程中尚需要采取可靠方案或措施保證相鄰樁的搭接，防止截水失敗。在普通硅酸鹽水泥漿中摻入2%～4%的水玻璃，可顯著提高固結(jié)體的抗?jié)B性。

(3)注漿量計算

根據(jù)計算所需的噴漿量和設計的水灰比，可確定水泥的使用數(shù)量。水泥漿液的水灰比視工程地質(zhì)特點或?qū)嶋H工程要求確定，可取0.8～1.5，常用1.0。目前注漿量計算有體積法和噴量法兩種，實際計算時取其計算結(jié)果的較大值作為設計噴射注漿量。

3.3 水平旋噴注漿技術(shù)應用實例

天津地鐵2號線第十三合同段，設計里程AK18+441.359～AK20+093.102，包括沙柳路站(主體、出入口、風道)、沙柳路站～博山道站區(qū)間、博山道站(主體、出入口、風道)的基坑、結(jié)構(gòu)、防水、回填等工程。

隧道主要通過③-1、③-2、④-1-a、④-1-b淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土-粉質(zhì)粘土，各層物理力學指標見表1。

表1 各層地層物理力學指標

根據(jù)原設計，洞內(nèi)起初僅采用長管棚支護體系，但效果甚差，安全、質(zhì)量、進度無法保證，一度處于停工狀態(tài)。后經(jīng)10多位地下工程界的專家、學者綜合論證，建議優(yōu)先選用水平旋噴樁并輔以小導管注漿加固的施工方案。最終工程采用周邊單層咬合水平旋噴樁加固為主、雙層小導管注漿為輔，工作面采用間隔水平旋噴樁的超前預加固方案，最終工程達到了“安全、經(jīng)濟、快速、優(yōu)質(zhì)”的目標。

4.結(jié)論

本文通過對水平旋噴加固技術(shù)的射流性質(zhì)、結(jié)構(gòu)構(gòu)造、作用機理、現(xiàn)場施工、影響因素、常見問題的處理等方面的研究和論述，得到了如下結(jié)論：

(1)水平旋噴就是水平方向的高壓噴射注漿，其加固的效果與高壓噴射流的性質(zhì)密切相關；

(2)水平旋噴樁有良好的隧道預加固效果；

(3)水平旋噴技術(shù)在地層適應范圍上與高壓噴射注漿基本類似，可適用于處理淤泥、淤泥質(zhì)土、流塑、軟塑或可塑粘性土、粉土、砂土、黃土、素填土和碎石土等地層。

[1]孫星亮，劉勇，王朝建.國內(nèi)外水平旋噴注漿加固技術(shù)的應用發(fā)展[J].探礦工程(巖土鉆掘工程)，2001(3)：8-11.

[2]Yoshida，Kenji，Kataoka，Isao，Yoshida，Hiroshi，Yokoo，Mitsuru，Horii，Kiyoshi.Analyseshydrodynamic structure of water jet and its application to jet grouting.Proceedings of the 4th ASME/JSME Joint Fluids Engineering Conference：Volume 1，part B，F(xiàn)orums，2003，741-746.

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Theoretical Analysis and Application of Horizontal Rotary Jet Grouting Technology

LI Zhan-guang

(China Railway 18th Bureau (Group) the 4th Engineering Co., Ltd., Tianjin 300000, China)

Horizontal rotary jet grouting technology makes a difference on defending drifting sand, deterring slipping, and defending permeating. In the paper, on the basis of the large number of previous research results, analyzing the effect mechanism and through the examples summarizing the technical analysis, design and working parameter, technological process, inspection procedure, and so on, frequently problems of horizontal rotary jet grouting technologies.

horizontal rotary jet grouting; jet-grouted solid; effect factors; construction technology

2017-02-25

李占廣(1982- )，男，大學，中鐵十八局集團有限公司第四工程有限公司工程師，研究方向：土木工程施工。

TU472

A

1671-3974(2017)02-0074-03