細砂層鐵路隧道水平旋噴樁超前預支護施工技術(shù)

邵永平

（中鐵十七局集團第二工程有限公司 陜西西安 710043）

1 引言

近年來，隨著我國鐵路建設(shè)的快速發(fā)展，穿越不良地質(zhì)條件的隧道工程日益增多［1］。我國西北地區(qū)多為風積砂地層，在這類地層中進行隧道施工的難度非常大，附加的技術(shù)條件也明顯增多［2］。在細砂層超前支護中，通常采用密排鋼管或其他型鋼支護，但此法的效果不甚理想［3］，開挖過程中出現(xiàn)掌子面溜砂、涌砂、滑塌、拱頂超挖、拱背流砂等現(xiàn)象，導致隧道初期支護施工困難，安全隱患突出，施工質(zhì)量無法保證，初期支護沉降變形。

水平旋噴樁技術(shù)是近年來出現(xiàn)的一種新型施工工藝，在地質(zhì)情況復雜的隧道及地下工程中逐漸得到推廣應用［4］，尤其在流塑狀、孔隙率小、開挖后自穩(wěn)能力極差的地層中［5］，通過該技術(shù)改善圍巖沉降曲線分布，松散的細砂層圍巖轉(zhuǎn)換為可整體受力的結(jié)構(gòu)，使得沉降得以向四周傳導分布趨于均勻，并可提高巖層黏聚力和圍巖內(nèi)摩擦角兩項物理參數(shù)，在提高圍巖整體強度方面效果明顯［6-7］。

2 工程概述

蒙西至華中地區(qū)鐵路煤運通道工程設(shè)計為電力牽引，時速≤120 km，規(guī)劃設(shè)計運輸能力2億t/年，為客貨共線鐵路。銀山二號隧道設(shè)計為單洞雙線，位于陜西省延安市安塞縣境內(nèi)，起訖里程DK263＋741.58～DK265＋439.88，隧道全長1 698.3 m。穿越地層為砂質(zhì)新黃土、粉砂、細砂及黏質(zhì)老黃土、砂巖。其中Ⅳ級圍巖630 m，Ⅴ級圍巖1 068.3 m，進出口地段為砂質(zhì)新黃土，隧道進口DK263＋675～DK263＋810段存在溜塌體，溜塌體范圍3.0～18.6 m。

DK263＋940～DK264＋045段，原設(shè)計地質(zhì)情況為第四紀風積新黃土，含細砂，呈松散結(jié)構(gòu)，土石交界處砂質(zhì)新黃土黏粒含量高，含水率較高，下伏白堊系下統(tǒng)洛河組砂巖，泥質(zhì)膠結(jié)，全風化，呈角礫碎石狀松散結(jié)構(gòu)。圍巖級別為Ⅴ級，襯砌類型為Ⅴb土型復合式襯砌，施工工法為三臺階大拱腳臨時仰拱法，超前支護采用超前密排小導管措施。地表位于“V”形沖溝側(cè)，該段覆蓋層厚度22～32 m。

DK264＋035掌子面開挖后上中臺階揭示圍巖地質(zhì)為沖洪積細砂層，黃褐色，夾薄層土，潮濕，稍密，呈松散結(jié)構(gòu)，含少量裂隙水，自穩(wěn)性極差，開挖后極易產(chǎn)生坍塌；下臺階為白堊系砂巖，紫紅色，全風化。通過分析，該地層具有以下特性：（1）以紫紅色細砂、粉細砂為主，顆粒較均勻，顆粒級配差；（2）密實狀態(tài)，可注性差；（3）黏聚力低，觸變性強，無自穩(wěn)能力，施工擾動引起漏砂或塌方，短時間內(nèi)即形成堆積體，無防護時間［8］；（4）開挖后安全風險高，超挖嚴重，噴射混凝土施工困難，進度緩慢。

經(jīng)四方現(xiàn)場查勘，綜合判定將該段落圍巖級別由Ⅴ級變更為Ⅵ級。考慮本段地質(zhì)條件，超前支護由超前密排小導管變更為水平旋噴樁超前預支護。

3 水平旋噴樁預支護技術(shù)

水平旋噴樁預支護技術(shù)，是在隧道開挖面的前方，沿隧道開挖輪廓利用液壓鉆機在地層中水平定向鉆進成孔，或小角度的仰、俯和外插鉆進，按一定的間距、長度鉆孔。當鉆至設(shè)計長度后，利用高壓泵輸送高壓漿液，同時鉆頭一邊旋轉(zhuǎn)一邊后退，使?jié){液從鉆頭的噴嘴中高速射出，射流切割下的砂體與噴出的漿液在射流的攪拌作用下混合，最后凝固成一定強度、一定直徑的旋噴柱體。相鄰柱體之間環(huán)向咬合，以同心圓的形式在隧道拱頂及周邊形成封閉的水平旋噴帷幕體，即在隧道拱部形成一定厚度的加固圈。如此形成的加固體強度比原狀砂層有極大提高，不僅具有良好的梁拱效應，還具有改變周圍土體力學性能的作用。可為隧道開挖提供拱形保護、減小巖土滲透性、提高巖土強度、穩(wěn)定掌子面［9］、減少隧道變形。

傳統(tǒng)注漿效果會受到地層吸收性能的限制，而旋噴漿液主要基于水力劈裂，借助于噴射漿液的力學作用攪拌、壓實、固結(jié)地層，提高地層的力學特性［10］。

4 水平旋噴樁施工工藝

4.1 支護參數(shù)選擇

水平旋噴樁布置按照隧道斷面砂層范圍采用咬合樁設(shè)置，施工過程中旋噴樁設(shè)置范圍可結(jié)合砂層分布情況及時進行調(diào)整。單循環(huán)樁長18 m，樁徑600 mm，樁間距 400 mm，外插角 3°～5°，每循環(huán)搭接3 m，成樁體達到的抗壓強度5.0～8.0 MPa。中臺階設(shè)置旋噴鎖腳樁，采用φ600旋噴樁加固地層后，插入2根 φ42鎖腳錨管，角度斜向下45°，長6 m，縱向間距60 cm。支護布置見圖1。

圖1 水平旋噴樁布置

施工技術(shù)參數(shù)：旋噴壓力35～40 MPa，旋噴轉(zhuǎn)速12 r/min，后退速度20 cm/min。

注漿參數(shù)：注漿材料采用425號普通硅酸鹽水泥，水灰比0.8∶1～1∶1。

4.2 設(shè)備配置及選型

施工設(shè)備配置見表1。

表1 旋噴樁施工設(shè)備配置

4.3 施工工藝流程

水平旋噴樁施工工藝流程見圖2。

圖2 水平旋噴樁施工工藝流程

4.4 工序施工要點

4.4.1 施工準備

（1）平整場地。機械設(shè)備進場檢查，檢查施工用電電源、水源；開挖水泥漿沉淀池、臨時排水溝，做好安全防護及教育培訓工作；準備袋裝水泥、膨潤土等工程材料。

（2）封閉掌子面。采用C25混凝土素噴封閉掌子面，噴射厚度不小于20 cm，如圖3所示。圍巖較差時可打設(shè)錨桿，掛設(shè)鋼筋網(wǎng)片后噴射混凝土，防止掌子面坍塌、流砂及旋噴過程中出現(xiàn)漏漿等現(xiàn)象［11-12］。

圖3 封閉掌子面

（3）樁位放樣。在掌子面采用全站儀放樣開挖輪廓線。放樣時注意根據(jù)現(xiàn)場情況預留變形量，用醒目噴漆標記出旋噴樁樁位，并在斷面上標記樁號。

（4）鉆機安裝就位。安裝前，仔細檢查鉆機、高壓注漿泵是否運轉(zhuǎn)正常，其他配套設(shè)備是否齊全。鉆機就位后，按各孔位坐標要求，用全站儀測量，調(diào)整鉆塔高度、傾角及擺角，使鉆桿軸線方向符合外擴角的要求，調(diào)試鉆機至作業(yè)所需狀態(tài)，如圖4所示。

圖4 鉆機安裝就位

（5）漿液拌制。采用高速攪拌機拌制漿液，注漿材料采用規(guī)格為P.O42.5的硅酸鹽水泥。嚴格按照配合比的要求進行拌制，拌制過程連續(xù)均勻，攪拌時間不小于3 min，隨時檢測漿液稠度，隨用隨拌，不得留置時間過長。為避免出漿口產(chǎn)生堵塞，在出漿口位置設(shè)置過濾網(wǎng)。

（6）試噴。準備好設(shè)計配比的漿液，進行試噴作業(yè)。試噴時將噴嘴對準旋噴區(qū)域，檢查噴射過程噴射壓力、出漿情況是否滿足要求。若噴射過程中出現(xiàn)各類阻礙因素，應在第一時間采取解決措施，營造穩(wěn)定的施工環(huán)境。

4.4.2 水平鉆進

（1）配置循環(huán)漿液。本隧道采用施工用水循環(huán)，成孔困難時可配置膨潤土作為循環(huán)漿液，避免塌孔或成孔困難。

（2）鉆孔。周邊旋噴樁鉆孔按照從下到上或左右交替跳躍式成樁，以保證兩邊強度平衡，減少因鉆桿偏斜造成樁體咬合率低的問題。為確保相鄰旋噴樁的相互咬合，鉆進過程中控制好樁的方位角，方位角誤差控制在±2‰范圍內(nèi)。鉆進中可采用低壓、低流量清水，防止砂礫進入噴嘴，同時可冷卻鉆頭。

4.4.3 高壓旋噴

（1）旋噴。鉆進到設(shè)計深度后開始旋噴，旋噴壓力35～40 MPa。為了保證端頭旋噴質(zhì)量，先原位旋噴0.5 min，旋噴前5 m時，后退速度保持在15～18 cm/min，以后可升到20 cm/min，回抽速度要經(jīng)常測量校正。

（2）卸管。先停止回抽，旋轉(zhuǎn)5圈停止送漿后再卸管。卸管后要盡快將進管與前端連接，恢復送漿旋轉(zhuǎn)5圈后再回抽。

（3）停噴。每孔旋噴到距孔口0.5 m時停止旋噴退出鉆頭后，立即用木塞包水泥袋堵住孔口，以防止?jié){液大量外泄。

4.4.4 管道清洗

每根樁旋噴完畢后，及時清洗管道及設(shè)備，避免管內(nèi)漿液凝固或殘留物堵塞噴嘴。清洗完成后移至下一樁位。

4.4.5 廢漿液處理

每循環(huán)旋噴樁施工完成后，及時清除泥漿池內(nèi)的廢漿液。廢漿液按規(guī)定處理，不得亂排亂棄。

5 水平旋噴樁施工效果評價及建議

5.1 施工效果評價

從銀山二號隧道水平旋噴樁施工效果看，旋噴樁的咬合程度達到了預期效果，樁體沿開挖輪廓線布置均勻，現(xiàn)場檢查樁的直徑達到了65～75 cm，咬合寬度20～35 cm，檢測樁體無側(cè)限抗壓強度達到了12.1 MPa。經(jīng)選取三個監(jiān)控量測斷面分析，10 d后仰拱初支成環(huán)，拱頂沉降穩(wěn)定，累計沉降值分別為65.4 mm、56.5 mm、54.2 mm，拱頂沉降得到有效控制。表明水平旋噴樁施工解決了隧道開挖期間拱頂漏砂、坍塌、沉降變形大的問題。每循環(huán)開挖進尺達1 m，保障了施工安全和進度要求。

5.2 存在的問題及建議

（1）水平旋噴樁開挖后，前端侵限部位需要人工破除，造成樁體破壞，支護作用降低；后端樁體上仰角度過大，樁下砂層掉落，采用噴射混凝土回填，成本增加。建議在施工中采取增加工作室措施，或改進鉆桿鉆進過程中的角度控制措施，對樁體外插角精確控制。

（2）本隧道采用單噴嘴旋噴設(shè)備，采用單漿液噴射，容易出現(xiàn)樁體不均勻現(xiàn)象，可采用雙噴嘴旋噴工藝解決。

（3）施工中要根據(jù)實際情況，考慮預留變形量，通過實際觀測數(shù)據(jù)指導現(xiàn)場施工，在施工過程中循序改進使支護參數(shù)達到最優(yōu)［13］。

（4）旋噴過程中要對噴漿量進行計算，同時要注意檢查注漿流量、空氣壓力、注漿泵壓力、鉆桿后退速度、轉(zhuǎn)速等參數(shù)是否符合要求，若發(fā)現(xiàn)異常，應及時查明原因并采取相應措施，確保水平旋噴樁的施工效果及作業(yè)安全。

（5）現(xiàn)場施工的臨時泥漿池要做好安全防護工作，采用塑料布封底，避免泥漿外滲，造成拱腳或仰拱浸泡。

6 結(jié)束語

通過施工實踐，對比水平旋噴樁超前預支護技術(shù)與傳統(tǒng)超前小導管注漿、超前大管棚等預支護技術(shù)，具有以下幾個方面的優(yōu)點：

（1）水平旋噴樁超前預支護技術(shù)解決了細砂層隧道開挖時涌砂、流砂、掌子面坍塌及沉降變形大的問題，形成的承載拱圈有一定的強度，加固體均勻程度好，具有良好的止漏砂、止水效果，可以起到加固掌子面、減少隧道變形的作用。

（2）水平旋噴樁超前支護具有加固范圍可控、操作方便、成本低、效率高的優(yōu)點。

（3）使開挖支護施工安全性得以提升，同時，進度要求也得以保障。

（4）該隧道采用鎖腳旋噴樁代替?zhèn)鹘y(tǒng)的鎖腳錨桿，解決了軟弱砂層下鋼架沒有著力點的問題，有效控制了初期支護的沉降和變形。

根據(jù)軟弱地層條件，通過調(diào)整旋噴的各項技術(shù)參數(shù)及支護范圍，進行動態(tài)設(shè)計，水平旋噴樁超前預支護施工技術(shù)成為黏性土、砂類土、泥巖及小粒徑砂礫層和破碎帶隧道全斷面或臺階法開挖施工的有效支護措施。