隧道工程施工中 高壓水平旋噴樁超前支護(hù)技術(shù)的應(yīng)用研究

?賈良

摘 要：針對(duì)隧道工程施工過(guò)程中富含地下水、圍巖穩(wěn)定性差等導(dǎo)致地表沉降、隧道變形等問(wèn)題，使用高壓水平旋噴樁超前支護(hù)技術(shù)。此支護(hù)的主要特點(diǎn)為可控性強(qiáng)、均勻性強(qiáng)、強(qiáng)度高，將實(shí)際工程為例，對(duì)高壓水平旋噴樁超前支護(hù)的施工方式分析。結(jié)果表示，使用高壓水平旋噴樁超前支護(hù)技術(shù)，能夠避免隧道施工過(guò)程中地表沉降的問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：隧道工程;水平旋噴樁;隧道超前支護(hù)

中圖分類號(hào)：U455.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1001-5922（2021）09-0189-04

Research on Application of Advanced Support Technology of High Pressure Horizontal Jet Grouting Pile in Tunnel Construction

Jia Liang

（Shaanxi Railway Institute， Weinan 714000， China）

Abstract：In order to deal with the problems of surface settlement and tunnel deformation caused by rich groundwater and poor stability of surrounding rock during the construction of tunnel engineering， the advanced support technology of high-pressure horizontal jet grouting piles is used. The main features of this support are strong controllability， uniformity， and high strength. Taking the actual project as an example， the construction method of the high-pressure horizontal jet-grouting pile advanced support is analyzed. The results show that the use of high-pressure horizontal jet-grouting pile advanced support technology can avoid the problem of surface settlement during tunnel construction.

Key words：tunnel engineering; horizontal jet grouting piles; tunnel advance support

目前，旋噴樁被廣泛應(yīng)用到建構(gòu)筑物地基基坑、溝槽邊坡支護(hù)的設(shè)計(jì)施工中。在使用過(guò)程中，旋噴樁為垂直豎向施工，對(duì)于軟弱底層、邊坡底層具有加固穩(wěn)定、防止流土流砂、止水等作用，還能夠作為建構(gòu)筑物與人工處理地基的樁基礎(chǔ)。在設(shè)計(jì)隧道工程中，根據(jù)隧道外圍水平方向使用旋噴樁技術(shù)工藝。在隧道工程設(shè)計(jì)施工過(guò)程中，根據(jù)隧道外圍水平方向使用超前支護(hù)與隧道軟弱圍巖實(shí)現(xiàn)止水加固比較少見(jiàn)，為新型設(shè)計(jì)施工手段[1]。以此，本文就對(duì)隧道工程施工中使用高壓水平旋噴樁超前支護(hù)技術(shù)進(jìn)行分析。

1 工程實(shí)例

某隧道工程全長(zhǎng)5.5km，熱力干線管徑為DN1000，全線使用淺埋暗挖隧道方式進(jìn)行敷設(shè)。公安部和大華路段長(zhǎng)度為1075m，處于長(zhǎng)安街南側(cè)綠化帶中，有402m和現(xiàn)況多層樓層相鄰，距離樓房6～7m，使用加強(qiáng)隧道斷面，拱頂覆土厚度為7～9m。隧道穿越土層為粉細(xì)砂、粘質(zhì)粉土、粉質(zhì)粘土、中砂層，局部上層滯水，隧道處于地下潛水水位，此地區(qū)地下水對(duì)于混凝土沒(méi)有侵蝕性。圖1為地質(zhì)剖面結(jié)構(gòu)。

在此項(xiàng)目施工過(guò)程中，存在部分難點(diǎn)內(nèi)容：其一，長(zhǎng)安街在此區(qū)間斷路面比較窄，城市大部分市政管線都在此工程隧道施工范圍中集中，比如市政供水、天然氣、電信、電力、市政排水管線等，隨著隧道拱頂上部順行[2];相鄰樓房包括紡織工業(yè)部、遠(yuǎn)洋運(yùn)輸協(xié)會(huì)、國(guó)家商務(wù)部等重要的部門(mén)，大部分樓房建成的歷史比較長(zhǎng)，隧道距離樓房為6～7m，所以在隧道施工過(guò)程中要對(duì)地表沉降進(jìn)行控制，對(duì)建筑物安全進(jìn)行保證;電力隧道、地鐵隧道、通風(fēng)道等大型市政工程施工時(shí)會(huì)對(duì)工程隧道附近地層造成擾動(dòng)，地勘報(bào)告說(shuō)明地下局部存在空洞;此工程距離地鐵結(jié)構(gòu)為5～8m，地鐵運(yùn)營(yíng)過(guò)程中的振動(dòng)會(huì)影響到隧道施工;隧道穿越土層砂層比較厚，具有豐富的含水量，工程施工地段特殊性要求在施工過(guò)程中使用嚴(yán)格措施。因?yàn)樵谪S富含水層砂層中不容易成孔，會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)管涌、流砂等問(wèn)題[3]。

2 高壓水平旋噴樁超前支護(hù)的技術(shù)使用

2.1 技術(shù)特點(diǎn)

（1）高強(qiáng)度。混合土體、水泥漿實(shí)現(xiàn)高壓旋噴，創(chuàng)建固結(jié)體，強(qiáng)度比較高。

（2）強(qiáng)均勻性。高壓水泥漿噴射流在成樁過(guò)程中能夠破碎大塊土體，對(duì)水泥漿液混合，創(chuàng)建土體和水泥漿混合物。

（3）強(qiáng)可控性。在土體破壞范圍中設(shè)置水平旋噴漿液，對(duì)漿液注入范圍和部位進(jìn)行控制，通過(guò)調(diào)節(jié)注入?yún)?shù)得出的固結(jié)體滿足設(shè)計(jì)需求。

（4）綜合效果良好。能夠進(jìn)一步提高復(fù)合土體防滲、抗滑、強(qiáng)度與預(yù)支撐等作用。

2.2 技術(shù)的實(shí)施

2.2.1 施工工藝流程

高壓水平旋噴樁超前支護(hù)的工藝流程包括預(yù)放樁位、定位鉆機(jī)、開(kāi)孔鉆進(jìn)、分段注漿、檢測(cè)終孔、旋噴拔桿、噴樁停止、清洗孔位[4]，圖2為具體施工工藝流程。

使用高壓水平旋噴樁實(shí)現(xiàn)超前支護(hù)，要求滿足的要求為：噴樁位置的誤差為3m;施工長(zhǎng)度比設(shè)計(jì)打樁長(zhǎng)度要大;打設(shè)角度誤差不超過(guò)2%;在施工現(xiàn)場(chǎng)要開(kāi)展試驗(yàn)樁，利用試驗(yàn)樁對(duì)高壓水平旋噴樁施工參數(shù)進(jìn)行確定。在此工程設(shè)計(jì)過(guò)程中，旋轉(zhuǎn)速度設(shè)置為25r/min，漿液壓力設(shè)置為40MPa，漿液水灰比設(shè)置為1∶1，要求樁體連續(xù)均勻，在施工過(guò)程中嚴(yán)格根據(jù)設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)、樁數(shù)實(shí)現(xiàn)施工。

2.2.2 機(jī)器設(shè)備和旋噴參數(shù)

對(duì)鉆機(jī)造價(jià)、性能、適應(yīng)條件等進(jìn)行全面考慮，使用PST-60單臂隧道鉆機(jī)和配套7T-505型高壓大流量泵站。此鉆機(jī)重量為66t，作業(yè)半徑為3.7～6.5m，表1為施工過(guò)程中機(jī)械設(shè)備和材料。

為了提高加固的效果，在實(shí)現(xiàn)超前支護(hù)前要進(jìn)行試驗(yàn)樁和周期性監(jiān)測(cè)。針對(duì)高壓水平旋噴樁，加固效果和旋轉(zhuǎn)速度、漿液壓力、漿液相對(duì)密度具有密切關(guān)系，在試驗(yàn)過(guò)程中將此因素作為變量設(shè)計(jì)試驗(yàn)樁[5]，表2為高壓試驗(yàn)樁條件。

試驗(yàn)樁中的樁徑都為600mm，施工長(zhǎng)度為8m，樁間距為450mm，回抽速度為25cm/min，施工角度為-3.6°，水泥使用量為150kg/m。試驗(yàn)樁都在同個(gè)區(qū)域中，具有相同的地質(zhì)。對(duì)7組試驗(yàn)樁外管進(jìn)行查看，表示具有良好的實(shí)驗(yàn)效果。樁身為圓形，沒(méi)有縮徑，略微鼓邊。樁體顏色清灰，切割攪拌均勻，并且密實(shí)、固結(jié)，沒(méi)有顆粒狀土塊，表3為樁徑實(shí)驗(yàn)結(jié)果。以實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出來(lái)，X4試驗(yàn)樁施工參數(shù)的效果最佳，所以旋轉(zhuǎn)速度為25r/min，漿液壓力為40MPa，漿液水灰比為1∶1的條件中現(xiàn)場(chǎng)施工最佳。實(shí)驗(yàn)結(jié)果還表示，通過(guò)樁徑分析，在漿液壓力、水灰比、旋轉(zhuǎn)速度達(dá)一定比值時(shí)，不會(huì)在值增加過(guò)程中增大，對(duì)試驗(yàn)樁強(qiáng)度來(lái)說(shuō)，在達(dá)一定數(shù)值后，值也在增加過(guò)程中降低。

2.2.3 施工準(zhǔn)備

（1）設(shè)備進(jìn)場(chǎng)和校驗(yàn)。

（2）測(cè)量防線定樁位。

（3）安裝鉆機(jī)，對(duì)工作平臺(tái)平整，安裝高壓泵和油泵。

（4）設(shè)備安裝之后，以技術(shù)交底調(diào)整鉆機(jī)角度與方位，并且對(duì)準(zhǔn)孔位，控制孔位誤差為±50mm左右。

（5）以技術(shù)交底需求與施工方案要求，對(duì)水泥漿配比，均勻攪拌漿液;在制漿時(shí)對(duì)漿液比重測(cè)量，每孔高噴灌漿后對(duì)孔材料用量進(jìn)行統(tǒng)計(jì);使用高速攪拌機(jī)對(duì)漿液進(jìn)行連續(xù)均勻的攪拌，攪拌時(shí)間在3min以上，一次攪拌時(shí)間為4h之內(nèi)[6]。

2.2.4 打入過(guò)程和技術(shù)控制

使用專業(yè)分包旋噴樁打入設(shè)備，空心鉆桿噴嘴在土體中噴射漿液。將水泥漿在攪拌桶中集中攪拌，通過(guò)泥漿池收集廢漿和污水，運(yùn)輸?shù)剿淼乐胁⑻幚?。通過(guò)“先拱頂、后側(cè)墻”順序加固，周邊空位從左到右或者從上到下交替施工。利用專業(yè)技術(shù)指導(dǎo)與現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)交底操作，完成前期探索試驗(yàn)段，總結(jié)樁體在圍堰中的成型效果，對(duì)注入水泥漿液壓力、比例、成樁綜合質(zhì)量進(jìn)行測(cè)算。通過(guò)自動(dòng)泄壓系統(tǒng)、自動(dòng)防控系統(tǒng)、自動(dòng)側(cè)壓系統(tǒng)創(chuàng)建打樁設(shè)備，避免大孔內(nèi)壓力導(dǎo)致地面隆起。將觀測(cè)點(diǎn)設(shè)置到地表，如果在施工過(guò)程中的地表隆起或者沉降在5mm以上，施工要停止，將應(yīng)急預(yù)案啟動(dòng)調(diào)整。在試選過(guò)程中，先以實(shí)際經(jīng)驗(yàn)和相應(yīng)的數(shù)據(jù)選擇參數(shù)，機(jī)械反鏟開(kāi)挖之后對(duì)水泥與水混合摻和在沙土中固化溫度時(shí)間進(jìn)行測(cè)量查看，并且查看鉆機(jī)各協(xié)作泵反饋數(shù)據(jù)、泵漿情況，包括樁體最里面成型與最后接近掌子面無(wú)規(guī)則水泥漿土塊效果。從而得出工程作業(yè)參數(shù)，調(diào)整打入角度、樁孔位置、深度。

2.2.5 測(cè)控定位

挖30cm×30cm的排漿溝斷面，排漿溝和開(kāi)挖成型泥漿池接入。對(duì)用電設(shè)備鉆機(jī)、控制閥門(mén)、高壓油管等進(jìn)行檢查，對(duì)油液量防爆管進(jìn)行復(fù)核。對(duì)高壓壓力表進(jìn)行監(jiān)測(cè)，高壓泵和鉆桿結(jié)合處連通，分析是否開(kāi)裂、破碎。

在作業(yè)面利用渣車運(yùn)土，利用堆填機(jī)械進(jìn)行整平。通過(guò)腳手架進(jìn)行樁孔的定位，在掌子面實(shí)現(xiàn)鉆桿定位時(shí)，工作人員要進(jìn)行糾正和觀測(cè)。在需要開(kāi)挖掌子面外輪廊處實(shí)現(xiàn)全站儀定位，對(duì)紅色圓圈標(biāo)記，將鋼筋打入內(nèi)部。和全部鋼筋樁位連接就能夠精準(zhǔn)定位開(kāi)挖線型與范圍，在開(kāi)挖前將已經(jīng)封堵掌子面混凝土層進(jìn)行破除，使其作為旋噴樁鉆桿支撐托架，對(duì)鉆孔精度進(jìn)行保證。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)室配合比，在圓桶中對(duì)水泥漿進(jìn)行拌制。以鉆桿壓力與打入情況，與內(nèi)部圍巖與土體結(jié)合，對(duì)排除廢液粘稠度進(jìn)行查看，實(shí)現(xiàn)拌制時(shí)間的合理調(diào)整，避免凝結(jié)固化。

2.2.6 調(diào)整樁孔

根據(jù)測(cè)量輪廊標(biāo)記鉆孔位置，通過(guò)專人在樁孔定位處對(duì)操作手指揮，組對(duì)準(zhǔn)鉆頭頂住掌子面。如果樁孔無(wú)法對(duì)準(zhǔn)，要先使用撬棍輔助定位[7]。

2.2.7 高壓旋轉(zhuǎn)壓進(jìn)

將電力設(shè)備和液壓設(shè)備開(kāi)通，通過(guò)合理速度轉(zhuǎn)動(dòng)空心合金鉆桿，在松軟土體中壓進(jìn)。砂土具有較大的摩擦力，適當(dāng)?shù)奶砑优驖?rùn)土、清水能夠降低摩阻力，避免鉆桿卡住、擰斷和彎折，構(gòu)成良好成型孔徑，并且使每個(gè)鉆桿都牢固的連接。

2.2.8 壓入水泥漿

通過(guò)連接長(zhǎng)度和圖紙的設(shè)計(jì)，記錄鉆桿進(jìn)入的深度，在土層最前端原位旋轉(zhuǎn)，壓入水泥漿液，使壓力和速度緩慢的調(diào)整。對(duì)壓力進(jìn)行控制，并且對(duì)壓力表時(shí)刻觀察。在拔出后利用專人將外漏的鉆桿拆除，和高壓泵管道連接，避免漏漿過(guò)多。然后對(duì)掌子面樁部開(kāi)展后端孔，填充材料。

2.2.9 安管和封孔

為了使旋噴樁抗剪強(qiáng)度，將89mm×4mm鋼管安裝到樁孔中，要拔出時(shí)通過(guò)土工布封閉樁空洞，避免孔口流出水泥漿。在樁孔洞中水泥漿溢水后，要通過(guò)鉆機(jī)輔助人工壓入鋼管。如果旋噴樁補(bǔ)插鋼管，在樁空洞中水泥漿溢水半小時(shí)后利用土工布封堵鉆孔空洞。如果插入鋼管，要在插入之后立刻使用土工布將鋼管和孔洞之間鋼管控與縫隙封堵。

2.2.10 清理工作

利用清水對(duì)每根樁高壓部位清洗，如果管道中具有水泥漿，要將水源壓入，工作人員通過(guò)末端對(duì)水液清潔情況進(jìn)行查看，判斷清洗是否干凈。

2.2.11 成樁質(zhì)量檢測(cè)

單樁通過(guò)孔內(nèi)成像、鉆孔取芯、角度測(cè)量的檢測(cè)，旋噴壓力會(huì)對(duì)旋噴轉(zhuǎn)固結(jié)體造成影響，對(duì)孔位誤差控制在50mm以下。單樁鉆孔取芯過(guò)程中的角度偏斜，對(duì)樁徑進(jìn)行判斷。利用孔內(nèi)成像對(duì)樁體均勻性進(jìn)行檢測(cè)，組合試驗(yàn)通過(guò)取芯方式對(duì)質(zhì)量強(qiáng)度和咬合搭接進(jìn)行檢測(cè)[8]。

3 結(jié)語(yǔ)

旋噴壓力能夠?qū)探Y(jié)體質(zhì)量影響，在不改變漿液重度與噴嘴參數(shù)時(shí)，旋噴軸中壓力和流速平方為正比關(guān)系，壓力越大，說(shuō)明具有較大的固結(jié)體直徑。漿液水灰比大小能夠?qū)Τ蓸豆探Y(jié)體強(qiáng)度造成影響，要通過(guò)實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)之后，得到最佳的水灰比。一般，旋噴漿液和砂體要均勻攪拌，從而提高旋噴樁的強(qiáng)度。所以，為了使旋噴樁樁身強(qiáng)度得到提高，可以使用控制后退旋噴速度或者重復(fù)旋噴攪拌施工工藝。

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