砂質(zhì)新黃土隧道水平旋噴樁超前加固施工技術(shù)研究

李建軍 燕 波 張俊儒

（1.中鐵十二局集團(tuán)有限公司 山西太原 030024；2.西南交通大學(xué)交通隧道工程教育部重點實驗室 四川成都 610031）

1 前言

隨著我國鐵路建設(shè)的不斷發(fā)展，與之伴隨著許多在軟弱地層中修建隧道工程的情況［1］。由于軟弱地層自穩(wěn)能力差，在開挖前如未采取相應(yīng)加固措施，極易產(chǎn)生掌子面突水、涌砂、塌方等危險［2-4］。水平旋噴施工可對隧道掌子面前方及周圍的軟弱地層進(jìn)行加固，改善軟弱圍巖的受力特性，在軟弱圍巖的隧道工程施工中具有很好的效果［5-7］。

關(guān)于水平旋噴樁超前加固技術(shù)的應(yīng)用，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)的研究：王慶國、孫玉永［8］用數(shù)值分析的方法建立三維模型，為保證既有鐵路的運(yùn)營安全，研究了旋噴樁加固對既有鐵路變形的控制效果。安關(guān)峰等［9］采用MIDAS-GTS建立三維數(shù)值模型，研究了不同條件下（樁長、樁徑、樁間距、布置方式、樁-土接觸面等）旋噴群樁復(fù)合地基承載的特性。趙洪波［10］以黃土地區(qū)鐵路隧道開挖工程為實例，通過有限元數(shù)值計算研究大斷面淺埋黃土隧道采用CD法施工期間的襯砌變形與地面沉降。狄宏規(guī)等［11］對斜向高壓旋噴樁技術(shù)加強(qiáng)既有線路基的綜合效果進(jìn)行了探索研究。Mair［12］等基于三維數(shù)值模擬的手段，研究了倫敦地區(qū)隧道開挖過程引起的黏土固結(jié)沉降問題，分析了隧道土體的固結(jié)變形規(guī)律。從以上分析可以看出，旋噴超前加固技術(shù)在各類工程施工中有一定的應(yīng)用，但在砂質(zhì)新黃土隧道中鮮有報道。

基于以上背景，本文以蒙華鐵路萬榮隧道為工程實例，針對該段砂質(zhì)新黃土特殊圍巖條件，采用數(shù)值計算方法，在對隧道掌子面穩(wěn)定性分析的基礎(chǔ)上，研究提出水平旋噴超前加固參數(shù)，并形成水平旋噴樁超前加固施工關(guān)鍵技術(shù)，為類似工程提供經(jīng)驗及參考。

2 工程概況

萬榮隧道地處山西省運(yùn)城市萬榮縣，起訖里程DK555+117～DK562+800，為單洞雙線隧道，長7 683 m，最大埋深約90.25 m。該隧道是一座黃土隧道，穿越地層為砂質(zhì)新黃土，隧道Ⅳ級圍巖180 m，占2.34%；Ⅴ級圍巖7 403 m，占96.36%；Ⅵ級圍巖100 m，占1.3%。進(jìn)出口、明挖段及斜井洞口段地質(zhì)為砂質(zhì)新黃土，具有濕陷性，施工難度大。隧道平面布置如圖1所示。

圖1 萬榮隧道平面布置（單位：m）

3 水平旋噴超前加固參數(shù)分析

萬榮隧道圍巖條件較差，為防止施工中隧道掌子面坍塌，需要對隧道不同埋深（10 m、20 m、40 m、60 m）掌子面的穩(wěn)定性進(jìn)行分析。若掌子面不穩(wěn)定，需要采用水平旋噴樁進(jìn)行超前加固，根據(jù)水平旋噴樁采用最大長度加固掌子面的情況，分析其掌子面的加固效果，確定水平旋噴樁作為超前加固是否可行。

蒙華鐵路萬榮隧道采用兩種設(shè)備施作水平旋噴樁：第一種為ST60液壓鉆機(jī)，每循環(huán)旋噴加固長度15 m、開挖12 m、搭接3 m；第二種為TY400多功能鉆機(jī)，每循環(huán)旋噴加固長度10 m、開挖7 m、搭接3 m。

3.1 建立數(shù)值模型

砂質(zhì)新黃土地質(zhì)參數(shù)較差，黃土又具有濕陷性，遇水后物理力學(xué)參數(shù)急劇降低，因此在砂質(zhì)新黃土中進(jìn)行隧道施工，對掌子面的穩(wěn)定性分析是非常必要的。本文對蒙華鐵路萬榮隧道的Ⅵ級圍巖，采用FLAC3D有限差分軟件分析掌子面的穩(wěn)定性，為簡化計算，取二維進(jìn)行分析，采用Mohr-Coloumb準(zhǔn)則。數(shù)值計算模型如圖2所示，結(jié)合地勘資料，確定地層的物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

圖2 數(shù)值計算模型（單位：m）

表1 圍巖物理力學(xué)參數(shù)

3.2 掌子面穩(wěn)定性分析

本文選擇隧道埋深60 m，采用全斷面開挖為最不利工況，針對是否采取水平旋噴樁進(jìn)行超前加固，分析掌子面的穩(wěn)定性，確定施工方案。

工況一：隧道埋深60 m不采取超前加固工況下，計算結(jié)果如圖3～圖5所示。

圖3 工況一x方向位移（單位：m）

圖4 工況一z方向位移（單位：m）

圖5 工況一Mises等效塑性應(yīng)變

由圖3、圖4可知當(dāng)隧道埋深為60 m，采用全斷面開挖，掌子面的擠出位移最大值為11.559 m，最大沉降值為4.92 m。由圖5可知在水平方向塑性區(qū)的范圍為13 m，整個滑移帶從掌子面一直貫穿到地表，表明掌子面已經(jīng)坍塌，需要超前加固，防止施工中隧道掌子面坍塌。

工況二：隧道埋深60 m，采用水平旋噴樁作為超前加固工況下，計算結(jié)果如圖6～圖8所示。

圖6 工況二x方向位移（單位：m）

圖7 工況二z方向位移（單位：m）

圖8 工況二Mises等效塑性應(yīng)變

由圖6、圖7可知當(dāng)隧道埋深為60 m，采用全斷面開挖及水平旋噴樁加固時，掌子面的擠出位移最大值為11.0 cm，最大沉降值為2.16 cm；由圖8可知，整個塑性區(qū)的等效塑性應(yīng)變的值很小，在水平方向塑性應(yīng)變大于0.001的塑性區(qū)長度為7 m，表明水平旋噴樁一定程度上減小了隧道掌子面的位移和等效塑性應(yīng)變，提高了掌子面的穩(wěn)定性。

針對不同埋深隧道采用全斷面開挖時，掌子面前方塑性區(qū)長度如表2所示。

表2 掌子面塑性區(qū)長度 m

由表2可知，采用水平旋噴樁加固，掌子面塑性區(qū)長度明顯減小。每循環(huán)采用15 m水平旋噴樁加固，開挖長度為12 m時，對于埋深60 m時，塑性區(qū)減小為7 m，加固長度超過塑性區(qū)，開挖后，仍保留3 m的加固長度。因此采用15 m水平旋噴樁超前加固，完全可以保證隧道掌子面的穩(wěn)定。

4 施工關(guān)鍵技術(shù)

4.1 水平旋噴樁施工工藝

水平旋噴注漿是通過一定直徑的噴嘴在高壓（30.6 MPa）下，將一定量的水泥混合物注入待改良的地層中的一項地層處理技術(shù)。傳統(tǒng)注漿主要是集漿液的滲透，因此會受到地層吸收性的限制；旋噴注漿與此不同，主要基于水力劈裂。該技術(shù)主要是在高壓、高速下，借助于噴射漿液的力學(xué)作用攪拌、壓實、固結(jié)地層，提高了地層的力學(xué)特性，其滲透性和強(qiáng)度特性與混凝土相等。

該工藝的工序可分為2個關(guān)鍵步驟：

（1）采用鉆桿進(jìn)行鉆孔，深度不小于隧道直徑，鉆桿尾部配有特殊注漿裝置（跟蹤注漿）。

（2）在拔出和旋轉(zhuǎn)鉆桿的同時，以設(shè)定的速度通過跟蹤注漿裝置進(jìn)行注漿。改良土體的形狀為柱形，水平方向上對洞室形成約束作用，以防止地層變形，豎直方向上可達(dá)到保護(hù)掌子面超前核心土，增加掌子面的穩(wěn)定性。因此，可以在成拱效應(yīng)保護(hù)下安全地進(jìn)行后續(xù)隧道的開挖作業(yè)。

4.2 施工參數(shù)確定

萬榮隧道根據(jù)超前地質(zhì)預(yù)報和開挖揭示地質(zhì)，鑒于隧道內(nèi)砂層分布起伏不定，超前水平旋噴預(yù)加固有全斷面砂層、上臺階砂層、中臺階砂層、下臺階砂層四種特征，且局部厚度大于2 m以上的情況下，采取水平旋噴施工加固。施工中在確保質(zhì)量安全的前提下，為加快施工進(jìn)度，進(jìn)行了方案優(yōu)化和設(shè)備選型，第一種為ST60液壓鉆機(jī)，第二種為TY400多功能鉆機(jī)。加固范圍主要為：一對掌子面周邊及縱向施作水平旋噴樁，二對上臺階和中臺階拱腳施作鎖腳旋噴樁。兩種鉆機(jī)加固全斷面砂層示意圖分別如圖9、圖10所示。

圖9 全斷面砂層ST60鉆機(jī)旋噴布孔示意（單位：cm）

圖10 全斷面砂層TY400鉆機(jī)旋噴布孔示意（單位：cm）

在具體了解萬榮隧道工程地質(zhì)和水文地質(zhì)特性的基礎(chǔ)上及確保施工質(zhì)量安全的前提下，充分發(fā)揮所選設(shè)備的功能和優(yōu)勢，通過現(xiàn)場反復(fù)試驗研究，確立了“拱頂咬合緊密封，邊墻密貼不漏砂，底部扎實保穩(wěn)定，中間穩(wěn)固不坍溜”水平旋噴樁超前加固方案制定原則，對水平旋噴樁參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，降低了成本，減少了投資，加快了施工進(jìn)度。

利用TY400鉆機(jī)小而巧的施工特點，通過3個臺階對掌子面進(jìn)行加固，既保證了旋噴加固效果，又避免了轉(zhuǎn)換臺階、調(diào)整施工工序，做到了旋噴、開挖工序銜接緊湊，施工安全快速推進(jìn)。施工中根據(jù)砂層段落地質(zhì)情況，進(jìn)行水平高壓旋噴施工，及時分析、總結(jié)、確定了施工參數(shù)，確立了“頂密封、邊密貼、底扎實、中穩(wěn)定”旋噴方案制定原則，即水平旋噴樁“拱頂咬合緊密封、邊墻密貼不漏砂、底部扎實不下沉、中間穩(wěn)定不坍溜”。

旋噴樁參數(shù)：周邊旋噴樁徑50 cm，間距40 cm，咬合10 cm，樁長10 m，搭接3 m；掌子面正面旋噴樁徑40 cm，樁長7 m，不搭接，于開挖輪廓線內(nèi)1 m設(shè)置，環(huán)向間距1.5 m，上、中臺階核心部位旋噴樁間距1.5～2 m。鎖腳旋噴樁徑60 cm，縱向間距60 cm，樁長4 m。所有旋噴樁內(nèi)插φ42鋼管（t＝5 mm）加強(qiáng)樁體抗剪強(qiáng)度；下臺階砂層厚度小于1 m時，僅采用φ42超前密排小導(dǎo)管加固，長度3 m，每兩榀拱架施作一次。全斷面砂層超前預(yù)加固樁布置按照隧道斷面204.28°范圍進(jìn)行布置，旋噴設(shè)計外插角為3%～5%（要分孔計算每根樁的偏角和仰角，成孔定位要精確），成樁體達(dá)到的抗壓強(qiáng)度為5～8 MPa。根據(jù)土質(zhì)地層采用小導(dǎo)管超前支護(hù)，砂層采用水平旋噴超前支護(hù)的原則進(jìn)行施工，采用TY400鉆機(jī)旋噴單樁（周邊及掌子面）時間為1.5 h左右，鎖腳旋噴樁為1 h左右。萬榮隧道全斷面砂層采用2臺TY400鉆機(jī)每循環(huán)旋噴施作時間不超過5 d，月進(jìn)度可保證16 m。

（2）ST60鉆機(jī)

根據(jù)ST60鉆機(jī)旋噴加固距離長、旋噴精度高、旋噴速度快的特點，合理確定旋噴平臺，優(yōu)化旋噴工作室，最大程度發(fā)揮ST60鉆機(jī)旋噴優(yōu)勢。根據(jù)三臺階開挖法，考慮與三臺階開挖步驟銜接，結(jié)合現(xiàn)場實際情況，擬充分利用下臺階（填充面高度）作為旋噴作業(yè)平臺。中、下臺階盡量緊跟，上臺階開挖支護(hù)到位后，中、上臺階盡量縮短，初支閉合成環(huán)進(jìn)行洞渣回填、壓實形成作業(yè)平臺，平臺距拱頂高度控制在9 m左右。掌子面用網(wǎng)噴混凝土封閉，噴射厚度10～20 cm，并在掌子面做好返漿圍擋，統(tǒng)一由一側(cè)排至返漿回收池。經(jīng)比選和借鑒國內(nèi)外水平旋噴經(jīng)驗，工作室采用漸變式，長7 m，最大斷面比原開挖輪廓擴(kuò)大70 cm，即可滿足ST60鉆機(jī)工況。

全斷面砂層旋噴參數(shù)：周邊旋噴樁φ500 mm，環(huán)向間距40 cm，掌子面正面旋噴樁φ400mm，間距結(jié)合掌子面地質(zhì)及臺階高度設(shè)置，鎖腳旋噴樁φ600 mm，縱向間距60 cm，長4m。旋噴樁內(nèi)插φ42鋼管以加強(qiáng)抗剪強(qiáng)度，漿液配比0.6∶1～1.2∶1。為確保掌子面穩(wěn)定，同時滿足ST60鉆機(jī)定位要求，掌子面采用φ400水平旋噴樁加固，第一圈旋噴樁距開挖輪廓線1 m布置，環(huán)向間距1.0 m；第二圈距開挖輪廓線2.5 m布置，環(huán)向間距1.5 m；第三圈距開挖輪廓4 m，環(huán)向間距1.5 m。正常情況下，萬榮隧道全斷面砂層采用ST60鉆機(jī)，單樁旋噴15～18 m／h，每循環(huán)旋噴施作時間一般為8 d，月進(jìn)度可保證18 m。

4.3 施工操作要點

（1）施工準(zhǔn)備

根據(jù)現(xiàn)場實際情況，按設(shè)備工況要求進(jìn)行準(zhǔn)備，包括掌子面封閉、場地平整、測量放樣、漿液配置、泥漿池施作等，同時做好專用電力線、專用信息傳輸聯(lián)絡(luò)系統(tǒng)準(zhǔn)備，確?，F(xiàn)場滿足施工要求。

（2）鉆孔定位

首先，注重入門引導(dǎo)。學(xué)生對專業(yè)的興趣是建立在專業(yè)入門時的引導(dǎo)上，學(xué)生剛剛接觸專業(yè)是培育學(xué)生興趣的最佳時機(jī)，因此教師應(yīng)該在專業(yè)入門的引導(dǎo)上下功夫，讓每一名學(xué)生都能找到自己感興趣的點，這樣才能培養(yǎng)學(xué)生的專業(yè)興趣，讓學(xué)生真的能夠“鉆進(jìn)去，學(xué)出來”。在學(xué)生剛剛接觸專業(yè)時，應(yīng)注重學(xué)習(xí)方法的傳授，而不是知識的傳授，告訴學(xué)生怎么學(xué)，學(xué)什么，比給學(xué)生講一個知識點重要得多。同時教師要在課程中融入專業(yè)的文化，培養(yǎng)學(xué)生對專業(yè)的責(zé)任感和使命感，這也能提高學(xué)生對所學(xué)專業(yè)的興趣。

分孔計算每根樁的偏角和仰角形成交底，現(xiàn)場技術(shù)人員和鉆機(jī)司機(jī)在鉆孔之前按鉆孔方位角進(jìn)行點位復(fù)測和角度定位調(diào)整，確保施工精度。

（3）鉆孔旋噴

旋噴前復(fù)核各項注漿參數(shù)，設(shè)置好鉆機(jī)旋噴的轉(zhuǎn)速和提拔速度；開始旋噴后時刻關(guān)注孔口返漿情況，及時調(diào)整提拔速度，并做好記錄。旋噴完成后應(yīng)及時清洗注漿泵和旋噴鉆頭。

（4）回漿倒運(yùn)

旋噴回漿收集至泥漿池后，采用泥漿泵抽送至罐車，運(yùn)輸至洞外。

（5）插入無縫鋼管

旋噴完成后應(yīng)及時插入無縫鋼管；每節(jié)鋼管長度視現(xiàn)場具體情況而定，6～9 m最佳，兩節(jié)鋼管之間采用內(nèi)插φ22螺紋鋼并焊接的方式進(jìn)行對接。

（6）施工監(jiān)測

施工過程中為保證隧道結(jié)構(gòu)的安全，防止因注漿壓力過大而引起支護(hù)結(jié)構(gòu)及周邊圍巖局部發(fā)生變形［13］，需對工作面后方進(jìn)行實時監(jiān)測，監(jiān)測范圍掌子面后方30 m，監(jiān)測頻率2次／d，如出現(xiàn)特殊情況立即停止旋噴，查明原因，采取相應(yīng)措施。

4.4 施工效果

由3.2節(jié)數(shù)值計算結(jié)果可知，采用15 m水平旋噴樁超前加固后，隧道掌子面塑性區(qū)長度明顯減小，完全可以保證隧道掌子面穩(wěn)定。采用水平旋噴樁超前加固掌子面效果如圖11所示。

由圖11可知，采用水平旋噴樁加固掌子面后，在掌子面及周邊形成了承載環(huán)，提高了掌子面的整體承載力。旋噴樁直徑最大為60 cm，最小為40 cm，密集分布在掌子面及周邊，加固了圍巖。通過水平旋噴樁預(yù)加固掌子面15 m，一次開挖12 m，預(yù)留3 m搭接，可保證掌子面前方穩(wěn)定。因此砂質(zhì)新黃土隧道掌子面采用水平旋噴樁超前加固是完全可靠的。

圖11 水平旋噴樁加固效果

5 結(jié)束語

萬榮隧道穿越砂質(zhì)新黃土地層，圍巖條件較差，極易發(fā)生涌砂、坍塌等危險，施工難度大。為確保工程安全、順利完工，本文對萬榮隧道砂質(zhì)新黃土地層水平旋噴樁超前加固施工技術(shù)進(jìn)行研究，保證了施工質(zhì)量及安全，為今后黃土隧道的施工提供技術(shù)支撐。

（1）采用數(shù)值模擬的方法分析了隧道在不同埋深、有無水平旋噴樁超前加固時隧道掌子面的情況，結(jié)果表明：無超前加固時隧道掌子面塑性區(qū)較大，當(dāng)施作水平旋噴樁超前加固后，隧道掌子面的塑性區(qū)明顯減小，加固效果顯著。

（2）針對TY400和ST60兩種鉆機(jī)，優(yōu)化各自施工參數(shù)：ST60鉆機(jī)每循環(huán)旋噴加固長度15 m、開挖12 m、搭接3 m；TY400多功能鉆機(jī)，每循環(huán)旋噴加固長度10 m、開挖7 m、搭接3 m。

（3）研究形成“拱頂咬合緊密封，邊墻密貼不漏砂，底部扎實保穩(wěn)定，中間穩(wěn)固不坍溜”為原則的水平旋噴樁超前加固施工關(guān)鍵技術(shù)。