水平旋噴樁在風積沙隧道洞口段的應用分析

陳俊龍CHEN Jun-long

（中鐵五局集團第二工程有限責任公司，衡陽 421002）

0 引言

隨著西部地區(qū)建設的進行，越來越多的鐵路在西部大地上鋪設。但是西部地區(qū)山地、丘陵較多，地質情況較為不好，給隧道建設也帶來了諸多挑戰(zhàn)。其中，由風力作用風化搬遷堆積形成的風積沙地層極為常見，這種地層具有抗剪強度低、粘聚力低、結構松散、顆粒單一、自穩(wěn)性差的特點，在外力擾動作用下，非常容易發(fā)生掌子面涌砂、坍塌、拱頂超挖等現象。導致隧道施工安全隱患較大，施工進度緩慢。所以在施工過程中通常需要進行超前支護。

相對于超前小導管、超前管棚、地表注漿等超前支護方法，水平旋噴樁是治理不良地質的一種新型技術。尤其在風積沙這種自穩(wěn)性差的地層中預支護效果較好，在近幾年的發(fā)展中得到廣泛應用，國內學者對水平旋噴樁在風積沙隧道中的應用進行了相關研究。王雪霽通過離散元軟件UDEC 分別模擬水平旋噴樁和垂直旋噴樁在風積沙地層中超前支護的效果，分析了其優(yōu)劣[1]；孫曉紅基于實際工程，應用ABAQUS 軟件模擬了雙水平旋噴樁施工過程，提出了由其引起的地表隆起的計算方法[2]；黃俊文基于神木一號隧道，詳細介紹了水平旋噴樁在風積沙隧道的加固的特點及優(yōu)勢[3]；陳建國以依吞布拉克1 號隧道為例，分析了水平旋噴樁、豎直旋噴樁及地表注漿3 種超前加固方案優(yōu)劣，探索了地表豎直旋噴樁應用的可行性[4]；王曉軍根據現場實際，驗證了水平旋噴內插管棚工法的可行性，并詳細介紹了該工法的施工工藝及特點[5]。

本文以拉林鐵路德吉隧道為依托，結合數值分析和現場實施情況，分析水平旋噴樁在風積沙隧道洞口段的預支護作用和施工工藝。

1 工程概況

德吉隧道進口里程DK103+095，出口里程DK104+810，全長1715m，為單線隧道，隧道最大埋深為276m。沿線上覆為第四系全新統(tǒng)、晚更新統(tǒng)的粉土、粉砂、細角礫土、粗角礫土、塊石土，下伏基巖為雅魯藏布江縫合帶澤當蛇綠巖群變質橄欖巖、安山巖、玄武巖。隧道出口分布有沙壟，移動沙丘厚度為0～2m；出口大部分區(qū)域均分布有沙丘，厚度0～40m。風沙危害程度為中等、屬半固定活動沙地、為輕度～中等沙漠化土地。隧道出口DK104+780～+810段穿越粉細砂地層段，地層結構松散，顆粒單一，粒徑小。采用明挖法施工。DK104+780 為明暗分界里程。該出口地形為典型的風積沙地層（如圖1 所示），在施工過程中極其容易發(fā)生漏沙及坍塌，對隧道出口施工影響較大，所以做好隧道超前支護以及保證支護結構的穩(wěn)定性是本項目的重難點問題。

圖1 風積沙地質現場照片

對于風沙層隧道超前加固方案，超前小導管加固長度較短，加固范圍也較小，效果因此減弱，起不到預期效果。超前大管棚支護也有上述問題，導致依然會有漏沙現象，安全隱患較大，并且在管棚末端，其間距過大，完全起不到應有的固定沙土的效果。豎直旋噴樁在整體下沉過程中，通過在樁頂端形成“懸吊效應”，進而固定沙土，所以豎直旋噴樁要求長度不能過短，否則起不到應有效果，所以經濟上負擔更重。水平旋噴樁在隧道洞口周圍形成加固圈，在受力過程中，起著拱圈的效果，并且其附加自重更小，用料更少，在保證安全的前提下，更加地經濟。因此，本項目采用水平旋噴樁進行超前加固。

針對本次工程，本次研究設計了一套改進方案，方案包括在拱部、掌子面和兩側邊墻上共布設70 根水平旋噴樁。這些水平旋噴樁的樁長為15m，樁徑為φ500mm，外插角為2°～5°，環(huán)向間距為0.35m，每10m 一環(huán)。如圖2 和圖3 所示。

圖2 水平旋噴樁正面布置圖

圖3 水平旋噴樁布置大樣圖

2 水平旋噴樁施工力學數值分析

2.1 數值模型

采用FLAC 3D 有限差分軟件，建立X×Y×Z=長×寬×高=80m×60m×30m 的三維數值計算模型。模型中隧道圍巖和襯砌結構均采用實體單元模擬，圍巖被視為Mohr-Coulomb 彈塑性材料，襯砌為線彈性材料；水平旋噴樁采用pile 單元模擬。模型四周及底面采用固定邊界，頂面為自由邊界。建立的模型如圖4 所示。根據設計資料和地質勘察報告，各地層、水平旋噴樁及隧道襯砌結構的主要物理力學參數分別如表1～表3 所示。

表1 地層主要物理力學參數

表2 水平旋噴樁物理力學參數

表3 隧道襯砌結構物理力學參數

圖4 隧道模型圖

2.2 位移變形分析

進行水平旋噴樁預支護后隧道洞口施工完成后的豎向位移分布如圖5 所示。

圖5 豎向位移圖

由圖5 可以看出，在隧道施工后，隧道上方的沉降相對于其他位置較為集中且劇烈。整個施工過程中地層最大沉降為11.44mm，沉降變形在可控范圍內，隧道處于穩(wěn)定狀態(tài)。

施工過程中，隧道洞周各部位的位移變化曲線如圖6所示。

圖6 隧道洞周位移變化

由圖6 可以看出，隧道施工過程中，拱頂豎向位移最為劇烈，達到了11mm。拱腰及拱底豎向位移均較小，均在1mm 之內。左右拱腰橫向位移不到2.6mm，方向為向隧道內收斂擠入。

綜上，在水平旋噴樁的超前支護作用下，隧道位移變形在允許范圍內，圍巖處于穩(wěn)定狀態(tài)，滿足施工安全保障，設計方案中的水平旋噴樁可以達到預期作用。

3 水平旋噴樁施工工藝

3.1 工藝原理

水平旋噴樁是在隧道工作面為不良地層，在隧道施工前，沿著隧道外圍輪廓線進行鉆孔打眼，將鉆頭噴嘴插入，在噴嘴內通過高壓注射調制好的水泥漿液，噴嘴邊后退邊旋轉噴射水泥漿液。水泥漿液與周圍土體混合后形成柱狀水泥土混合物，強度得到顯著增強。多個柱體互相咬合，在隧道外沿形成了一個連續(xù)拱棚，能有效支撐隧道上方軟弱土體[6]。對于風積沙地層，可以防止土體崩塌，粉砂泄露等施工常見事故。

3.2 施工工藝

施工工藝流程圖如圖7 所示。

圖7 施工工藝流程圖

3.2.1 施工準備

搭設施工平臺，挖設廢漿回收排水溝，避免污染。在旋噴鉆機附近安裝漿液制取設備及輸送設備。檢查旋噴鉆機、攪拌設備、泵送設備及輸送管道是否正常，確保漿液能正常注入孔內。

3.2.2 埋設導孔裝置

①先使用吊線和水平尺來調試安裝好開孔器底座，以及對開孔埋設密封裝置進行處理，后進行預開孔施工。②采用φ130mm 鉆頭鉆進開孔，鉆進深度為1～2m；初始開孔角度誤差不超過5‰，采用水平導向器進行校訂。③撤出鉆頭，并將一根直徑φ127mm、長度為0.8～1m 的孔口管埋入已開好的孔內作為導向管，導向管露出地面0.2m。④在孔口周圍置打入4 根直徑12mm 的鋼筋，將鋼筋牢固地焊接到孔口管上，用以加固孔口管的穩(wěn)定。

3.2.3 鉆進

①調整鉆機姿態(tài)，將鉆桿對準導向管。②旋噴順序：先施工拱頂0#孔，然后按照從上到下、從左到右的順序間隔鉆進噴射。旋噴固結體可以形成連續(xù)的拱棚，使相鄰旋噴樁之間沒有空隙。③將旋噴鉆頭和鉆桿插入孔口管內，開啟旋噴鉆機，同時旋轉鉆頭并往里鉆進。在中途連桿時，將輸漿管連接器和過渡短桿一起拆卸，并裝配到待裝桿的尾部，然后連接后續(xù)桿與機上桿。④每鉆進2m 進行一次水平測量，并做好測量記錄。如果發(fā)現有偏斜，要及時進行糾偏，直到鉆探達到設計深度。

3.2.4 制漿旋噴

①采用攪拌機攪拌，按照提前試驗確定的配合比加入水泥及水等材料，每桶攪拌時間不少于3min。②為了防止管道堵塞，在漿液進入儲漿桶之前，需要對其進行過濾處理，并在桶內的吸漿管上安裝濾網。③旋噴時，邊后退邊噴射，鉆桿轉速調整為20r/min，旋噴端部三根桿時后退速度為0.15-0.18m/min，剩余旋噴樁后退速度調整為0.2m/min。拆除鉆桿時，停止后退，旋噴5 圈后停止噴漿。鉆桿拆完后，先原地旋轉噴射3～5 圈再后退，避免斷樁。④返漿處理：在施工過程中，會有一些泥漿從孔內返出，同時，水泥漿也會有一部分返出。為了處理這些返漿，在施工平臺附近設置一個泥水分離器，將返出的漿液導入分離器，然后將廢渣運送到棄碴場。⑤設備管道沖洗：施工結束后，使用高壓清水沖洗設備管道，將管道內的殘留雜物全部清洗干凈。

4 現場實施效果

現場進行水平旋噴樁施工并進行驗核，水平旋噴樁布樁數量及形式均符合要求，每根樁的長度大于15m，樁徑大于500mm，均滿足設計要求。按照規(guī)范要求，在每根檢測樁樁徑方向1/4 處、樁長范圍內垂直鉆孔取芯，其完整性、均勻性均符合要求，取上、中、下不同深度的3 組試樣做側限抗壓強度試驗，其強度大于5MPa，符合要求。在施工過程中，通過水平旋噴樁超前支護形式，未發(fā)生大范圍漏沙、土體崩塌等現象，隧道開挖安全得到了極大的改善。

結合現場實施，可以得到水平旋噴樁具有下列效果：

4.1 防護能力強

通過水平旋噴樁的形式，將水泥漿注射入到風積沙中，增加風積沙地層中的含水量，提高了其穩(wěn)定性。通過離散元數值模擬分析可知，在旋噴樁的作用下，風積沙體的穩(wěn)定性有了明顯提升。同時，洞周塑性區(qū)范圍減小，初期和二襯的受力也得到明顯改善。旋噴樁之間相互咬合，不留間隙，形成連續(xù)的拱棚，一方面可以承受上部及周圍風積沙對開挖面的壓力，另一方面漏沙的情況得到了改善，保障了開挖的安全，加快了開挖速度。由試驗數據可知，固結體的強度接近于C10。此外，在覆蓋層壓力較大時，通過在旋噴樁中增設大口徑鋼管進行進一步的加固，能夠有效提高固結體的抗彎和抗剪強度。

4.2 可控性

水平旋噴樁深入掌子面的角度可以調整，深度可以控制，噴射前可調整水泥漿配合比，旋噴過程中可以控制水泥漿的噴射速度、噴射壓力、鉆桿鉆速、噴射量，因此水平旋噴樁可以將水泥漿限定在土體破壞范圍內，相比其他支護方式更具有可控性。

4.3 均勻性

水平旋噴樁是利用動能將沙體破壞，將水泥漿與沙體均勻的攪拌在一起，得到結構均勻的加固體。

4.4 效率高，經濟實用

因旋噴樁的可控性，減少了水泥漿的注入量，水泥用量僅為100-150kg/m，不需要大量的人力物力，施工速度比大管棚和超前小導管提高2-3 倍。

5 總結

風積沙作為一種特殊的地質現象，因其獨特的性質而引起了工程界的普遍關注，國內外針對風積沙隧道的施工提出了較多的方法，皆有不錯的成效。本文依托拉林鐵路德吉隧道采用水平旋噴樁對風積沙隧道進行超前支護，取得了不錯的成效，積累了豐富的施工經驗，拉林鐵路也于2021 年6 月25 日順利開通，圓滿的完成了施工任務。