穿越淺埋富水砂層隧道水平旋噴樁加固技術(shù)應(yīng)用研究

趙興巖

中鐵建大橋工程局集團(tuán)第二工程有限公司 廣東 深圳 518000

在淺埋富水砂層隧道施工中科學(xué)運(yùn)用水平旋噴樁加固技術(shù)，可以提高軟弱地質(zhì)穩(wěn)定性，使富水砂層具有良好的承載力和止水效果，避免隧道施工過(guò)程出現(xiàn)涌砂、涌水等安全隱患。水平旋噴樁強(qiáng)度較高，可為隧道開挖施工提供安全保障。由于不同地區(qū)隧道施工的地質(zhì)、水文條件復(fù)雜，隧道加固工藝差異性較大。針對(duì)淺埋富水砂層隧道水平旋噴樁加固技術(shù)的相關(guān)研究，可以有效降低隧道施工風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)，具有重要的經(jīng)濟(jì)效益和推廣價(jià)值。

1 工程概況

莞惠城際GZH-4項(xiàng)目全長(zhǎng)5.300km，位于東莞市東城區(qū)，區(qū)間場(chǎng)地屬剝蝕丘陵及丘間谷底地貌，地形有較大起伏，標(biāo)高在6.2～133.3m之間變化，谷間多為菜地、高爾夫球場(chǎng)、上屯村居民區(qū)。招標(biāo)設(shè)計(jì)線路沿八一大道和松山湖大道進(jìn)行施工，線路布設(shè)需穿越市政道路、旗峰山、高爾夫球場(chǎng)、高速、1.1 km居民區(qū)、黃沙河，然后連接GZH-5標(biāo)段。隧道主要穿越粉質(zhì)粘性土、全風(fēng)化、強(qiáng)風(fēng)化、微風(fēng)化混合片麻巖，局部穿越粗砂層、泥質(zhì)砂巖。項(xiàng)目共設(shè)7座豎井，井深19～52m，暗挖隧道全部通過(guò)豎井開挖。

2 工程特點(diǎn)及重難點(diǎn)

2.1 工程特點(diǎn)

項(xiàng)目全部為區(qū)間暗挖隧道，且均通過(guò)豎井進(jìn)洞施工。隧道經(jīng)過(guò)區(qū)域環(huán)境較復(fù)雜，隧道先后穿越上屯村1.1km居民區(qū)、高爾夫球場(chǎng)、黃沙河、八一大道、環(huán)城路、莞深高速、西南路，對(duì)施工影響較大。暗挖隧道通過(guò)豎井施工，部分豎井較深，提升能力是保證施工進(jìn)度的關(guān)鍵。

2.2 工程施工重難點(diǎn)

2.2.1 施工重點(diǎn)

莞惠城際GZH-4項(xiàng)目施工重點(diǎn)概括起來(lái)主要為“一區(qū)、二水、三井、四路”?！耙粎^(qū)”是指隧道穿越上屯村1.1km居民區(qū)，房屋密集，基礎(chǔ)簡(jiǎn)單，爆破振動(dòng)、地表沉降控制難度較大；“二水”為隧道先后穿越高爾夫球場(chǎng)人工湖、黃沙河，穿越人工湖隧道頂即為湖底，穿越黃沙河段河底有較厚砂層；“三井”是指3、4、5#井，3、4#井深接近50m，5#井井深53m，在工期如此緊迫的情況下深豎井的開挖及出碴是一個(gè)較大難題；“四路”是指隧道先后穿越八一大道、環(huán)城路、莞深高速公路、西南路，4條主干道車流密集，管線密布，地表沉降控制要求較高。

2.2.2 施工難點(diǎn)

降水井施工是莞惠城際GZH-4項(xiàng)目施工難點(diǎn)。為提高拱頂W4全風(fēng)化巖的自穩(wěn)能力，減少淺埋富水砂層內(nèi)動(dòng)水對(duì)旋噴樁施工質(zhì)量的不利影響，應(yīng)進(jìn)行該段隧道地表降水。在左線GDZK25+036～GDZK25+076.453、右線GDK25+045～GDK25+080外開挖輪廓線外側(cè)4.0m，在兩線路中間右側(cè)打設(shè)降水井，降水井間距10m，左、右線外側(cè)兩排降水井與兩線中間的降水井施工采用梅花形布置。降水井開孔直徑700mm，井管采用直徑400mm焊接鋼筋籠。降水井深度為隧道仰拱以下7.5m，在隧道開挖前15～20天對(duì)土體進(jìn)行降水。降水井施工注意事項(xiàng)：在降水井施工前，明確地下管線位置，做好保護(hù)措施；降水井和結(jié)構(gòu)外輪廓線距離約4m，施工過(guò)程小導(dǎo)管、鎖腳錨管、錨桿應(yīng)避開降水井,并間隔3孔井布置1孔觀測(cè)井；觀測(cè)井布設(shè)應(yīng)準(zhǔn)確反映施工現(xiàn)場(chǎng)的水位變化；提前進(jìn)行降水試驗(yàn)，以便調(diào)整施工工藝和相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)；降水過(guò)程同步監(jiān)測(cè)各降水井、觀測(cè)井的水位和水量，根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果及時(shí)進(jìn)行調(diào)整；充分重視降水對(duì)施工環(huán)境的影響，施工期間應(yīng)加強(qiáng)對(duì)周圍建筑的沉降監(jiān)測(cè)，為防止降水造成周圍建筑沉降過(guò)大，在建筑物附近可設(shè)適量的回灌井，以保證建筑安全[1]。

3 穿越富水砂層隧道加固施工方案

暗挖隧道穿越富水砂層段(DK25+036～080)圍巖為Ⅵ級(jí)圍巖，采用CD法開挖。隧道地面地形平坦，周圍建筑物主要是廠房及建筑物，與隧道左線輪廓線距離8～20m。隧道拱頂上方地質(zhì)依次為強(qiáng)風(fēng)化花崗巖、全風(fēng)化粉砂巖、粉質(zhì)粘土、砂層及素填土，洞身主要為強(qiáng)風(fēng)化混合片麻巖。其中花崗斑巖，節(jié)理發(fā)育，圍巖破碎，強(qiáng)風(fēng)化節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體破碎，滲水性強(qiáng)。全風(fēng)化層呈砂土狀，遇水軟化，開挖過(guò)程中易坍塌。隧道位于黃沙河附近，施工現(xiàn)場(chǎng)地下水與黃沙河存在一定水力聯(lián)系，且地下水豐富。隧道附近存在廠房等建筑物，為保證隧道開挖施工安全和周圍建筑安全，因此應(yīng)先進(jìn)行地表降水，再在洞內(nèi)采用水平旋噴樁進(jìn)行超前支護(hù)，以滿足設(shè)計(jì)要求的加固效果[2]。

總體施工方案：（1）右線GDK25+045～GDK25+080段礦山法隧道地表采用?700間距10m管井降水，隧道拱部180°范圍采用?600mm@400mm洞內(nèi)水平旋噴樁進(jìn)行超前支護(hù)。（2）左線GDZK25+036～GDZK25+076.453段礦山法隧道地表采用?700間距10m管井降水，隧道拱部180°范圍采用?600mm@400mm洞內(nèi)水平旋噴樁進(jìn)行超前支護(hù)。洞內(nèi)清淤后，采用網(wǎng)噴混凝土結(jié)構(gòu)封閉左線GDZK25+036、右線GDK25+045掌子面噴射混凝土厚度≥20cm。先在地表打設(shè)降水井進(jìn)行降水，然后在洞內(nèi)采用水平旋噴咬合樁進(jìn)行超前支護(hù)。

4 水平旋噴樁加固技術(shù)

4.1 施工準(zhǔn)備

首先，設(shè)備進(jìn)場(chǎng)。檢查鉆機(jī)運(yùn)行情況，檢查啟動(dòng)柜、三聯(lián)泵、液壓油、電機(jī)、鉆具、工具、各油管快速接頭、高壓注漿泵等。鉆機(jī)應(yīng)正常運(yùn)行，啟動(dòng)柜、三聯(lián)泵應(yīng)完好，液壓油液面高度應(yīng)在油箱高度的2/3處以上，電機(jī)、鉆具、工具、各油管應(yīng)齊全，避免回油管、機(jī)臺(tái)各油管出現(xiàn)損傷。高壓注漿泵、壓力表可以正常運(yùn)行，且注漿管路應(yīng)暢通。其次，測(cè)量放線，確定水平旋噴樁位。在暗挖隧道兩側(cè)進(jìn)行測(cè)量放線，確定2個(gè)同一里程點(diǎn)，同時(shí)測(cè)量確定隧道開挖輪廓線、樁位，做好標(biāo)記和樁號(hào)，樁位采用鋼筋進(jìn)行標(biāo)志。

4.2 鉆機(jī)就位

鉆進(jìn)安裝前先平整場(chǎng)地和工作平臺(tái)，安裝軌道、立柱等，并設(shè)置排水溝。鉆機(jī)安裝采用250×250mm規(guī)格的鋼墊板和直徑Φ16mm的高強(qiáng)螺栓。鋼墊板應(yīng)固定牢固，且具有一定強(qiáng)度。嚴(yán)格控制鉆進(jìn)安裝施工誤差（如表1所示），在鉆進(jìn)就位后，合理調(diào)整鉆機(jī)角度和安裝方位，確?？孜粶?zhǔn)確。莞惠城際GZH-4項(xiàng)目的水平旋噴樁徑為600mm，樁間距40cm，旋噴壓力40MPa，旋噴轉(zhuǎn)速20r∕min，漿液流量50L/min，漿液配比以1：1為宜，后退速度20cm∕min[3]。

表1 鉆機(jī)安裝允許誤差

4.3 漿液制備

根據(jù)隧道加固施工方案和相關(guān)規(guī)范要求，科學(xué)設(shè)計(jì)水泥漿漿液配比。合理配制漿液，確保漿液攪拌均勻。在漿液制備過(guò)程，關(guān)注、測(cè)量漿液比重。每個(gè)樁位在高壓注漿結(jié)束后，應(yīng)及時(shí)統(tǒng)計(jì)該處漿液用量。漿液制備采用高速攪拌機(jī)進(jìn)行攪拌，制定、攪拌漿液要求連續(xù)均勻，保證攪拌時(shí)間≥3min，且攪拌1次漿液使用時(shí)間應(yīng)≤4h。

4.4 確定施工范圍

在隧道拱頂180°開挖輪廓線以外為水平旋噴樁施工范圍，將42根Φ600mm的旋噴樁作為隧道超前支護(hù)，并在隧道上半部的掌子面，打設(shè)9根旋噴加固樁，以加固掌子面土體。旋噴在共設(shè)3排，樁間距1000×1500mm，旋噴樁以梅花型進(jìn)行布置(如圖1所示)。項(xiàng)目所有水平旋噴樁樁長(zhǎng)均為15m。每循環(huán)預(yù)留3m旋噴樁搭接長(zhǎng)度，項(xiàng)目中的拱頂旋噴樁外插角為5°。

圖1 水平旋噴樁加固范圍斷面圖

4.5 鉆進(jìn)

先打2個(gè)探孔確定施工現(xiàn)場(chǎng)的地層情況，最大程度地減少軟弱不良地質(zhì)對(duì)鉆孔角度和鉆進(jìn)施工質(zhì)量的影響。再根據(jù)探孔實(shí)際情況，確定鉆進(jìn)角度，調(diào)整鉆機(jī)對(duì)準(zhǔn)孔位（如圖2所示）。將鉆頭和第1根鉆桿送入孔口管，打開密封裝置和循環(huán)液排出口。項(xiàng)目循環(huán)漿液采用膨潤(rùn)土、聚丙乙烯、火堿制作。正式鉆進(jìn)時(shí)按鉆進(jìn)角度，鉆至設(shè)計(jì)深度。鉆進(jìn)施工時(shí)容易出現(xiàn)堵住噴嘴的問(wèn)題，應(yīng)密切關(guān)注循環(huán)液壓力變化，并在鉆進(jìn)過(guò)程中將循環(huán)液壓力嚴(yán)格控制在1.0～2.0MPa范圍，以防鉆進(jìn)過(guò)程出現(xiàn)砂石堵塞噴嘴的問(wèn)題。當(dāng)鉆機(jī)移到下一孔位時(shí)，應(yīng)先檢查相鄰樁的成樁時(shí)間，確保相鄰樁的成樁時(shí)間超過(guò)初凝時(shí)間，再進(jìn)行后續(xù)樁的施工。當(dāng)前一根樁的漿液強(qiáng)度達(dá)到一定要求后后施工的樁才能開鉆，相鄰樁應(yīng)相互咬合，一般情況下移至下一孔位時(shí)，適宜跳過(guò)1～3根樁再施工。

圖2 水平旋噴施工示意圖

4.6 高壓旋噴

高壓噴漿參數(shù)：漿液配比為1：1，注漿壓力為35～40MPa。高壓噴漿作業(yè)為跳躍式成樁，應(yīng)確保強(qiáng)度一致,以預(yù)防鉆桿偏移、樁間咬合率低等問(wèn)題。高壓注漿泵應(yīng)滿足泵壓40MPa要求，泵壓符合設(shè)計(jì)要求即可正式開始噴漿。注意預(yù)防鉆桿接頭處漏氣問(wèn)題，發(fā)現(xiàn)漏氣則退回鉆桿，及時(shí)查出問(wèn)題原因，重新密封后再施工。注意預(yù)防噴嘴堵住、堵死，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題應(yīng)及時(shí)全部退回鉆桿，并進(jìn)行疏通，然后重新下管，施工至設(shè)計(jì)深度，再進(jìn)行旋噴。高壓噴漿施工至孔底時(shí)，應(yīng)先停留片刻，再將鉆桿緩向外拔出。在高壓噴漿過(guò)程中由專人負(fù)責(zé)控制泵壓，當(dāng)泵壓過(guò)低時(shí)應(yīng)暫停作業(yè)，解決問(wèn)題后再繼續(xù)作業(yè)。鉆桿外拔至孔口0.50m，停止注漿將鉆桿拔出。注意拔出的鉆桿應(yīng)馬上進(jìn)行清洗，清洗采用高壓清水，可以防止殘留漿液凝固問(wèn)題，預(yù)防下次施工出現(xiàn)殘留顆粒物堵塞噴嘴問(wèn)題。每根水平旋噴樁施工完畢后，應(yīng)采用清水對(duì)管道及設(shè)備進(jìn)行高壓沖洗，以防管道內(nèi)出現(xiàn)殘?jiān)?，清洗干凈后即可移至下一樁位繼續(xù)施工[4]。

4.7 封孔

高壓旋噴至掌子面0.50m處，即可停止噴漿。先拆除密封裝置，關(guān)閉循環(huán)液排出口，然后將鉆桿、鉆頭快速拔出，再關(guān)閉大球閥。注漿完成后將壓力表安裝在循環(huán)液排出口進(jìn)行漿液補(bǔ)注，將補(bǔ)注壓力控制在1.0MPa左右為宜，補(bǔ)注結(jié)束48h即可將大球閥進(jìn)行缷除。

5 水平旋噴樁施工注意事項(xiàng)

鉆桿連接、卸除應(yīng)快，并注意清洗干凈接頭，防止鉆桿殘留雜物堵塞噴嘴，并保證循環(huán)液排出口為暢通狀態(tài)。為預(yù)防循環(huán)液排出口出現(xiàn)堵塞，應(yīng)保證密封裝置和返漿通道暢通、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)正常。旋噴樁施工過(guò)程應(yīng)嚴(yán)格控制返漿量，將其控制在規(guī)范20%為宜。

如果孔內(nèi)無(wú)法疏通，為防止出現(xiàn)抱鉆等情況，則可緩慢退出鉆桿，在鉆孔返漿正常后，可重新下鉆桿，繼續(xù)進(jìn)行高壓旋噴作業(yè)。高壓旋噴時(shí)因故障中斷時(shí)，應(yīng)結(jié)合故障原因采取有效措施及時(shí)進(jìn)行處理。高壓旋噴過(guò)程出現(xiàn)機(jī)械故障時(shí)，應(yīng)盡量縮短中斷施工的時(shí)間，并盡快恢復(fù)作業(yè)。當(dāng)中斷施工的時(shí)間＞2h時(shí)，應(yīng)采取補(bǔ)救措施?；謴?fù)高壓旋噴后，鉆桿應(yīng)多伸出30cm，以保證漿液凝結(jié)的連續(xù)性。當(dāng)施工過(guò)程發(fā)生冒漿時(shí)，及時(shí)封堵孔口；若出漿量大可加入適量速凝劑，并嚴(yán)格控制噴漿速度[5]。

6 結(jié)語(yǔ)

為保證軟弱不良地質(zhì)的隧道水平旋噴樁加固效果，在施工前應(yīng)根據(jù)項(xiàng)目地質(zhì)水文條件，做好施工降水措施，并嚴(yán)格檢查施工機(jī)械設(shè)備，確保安全有效并可以正常運(yùn)行。在水平旋噴樁施工過(guò)程中，嚴(yán)格按照相關(guān)規(guī)范進(jìn)行操作，水平旋噴樁施工效果滿足隧道加固要求，并有效提升隧道施工安全。