水平旋噴加固技術在砂土軟巖隧道中的應用

弋琰

隨著近幾年交通事業的發展，施工中隧道的數量不斷增多，隧道施工中經常面對穿越不良地質、構造復雜等軟弱圍巖，砂土屬軟弱圍巖之一。由于砂土軟弱圍巖施工中極易出現突水、涌泥、坍塌、拱架背后脫空、變形侵限、地面沉陷等現象，如果加固措施不到位，不但危及施工安全，甚至會影響到運營安全。因此隧道施工中的超前預加固技術非常重要，不僅可以提高軟弱地層的強度和圍巖穩定性，更重要的是可以保證在安全的前提下高效、順利地完成施工任務。水平旋噴樁作為隧道超前預加固技術之一，其技術在不斷更新中得到了成功應用。

1 水平旋噴樁加固原理

水平旋噴樁是通過水平定向鉆機鉆孔，鉆進到設計深度后，回撤鉆桿，過程中通過高壓泵以大于35 MPa的壓力把配制好的漿液噴射到砂土體內，噴射時帶壓將一定范圍內的砂土體稀釋，并在噴嘴作緩慢旋轉和進退的同時切割砂土體，把砂土顆粒與漿液攪拌充分攪拌混合。待漿液凝固后，形成水平圓柱狀水泥砂土固結體即成水平旋噴樁，水平旋噴樁可以顯著提高砂土體的強度和結構特性，當旋噴樁相互咬合后，便以同心圓形式在隧道拱頂及周邊形成封閉的水平旋噴帷幕體，起到防流沙、抗滑移、防滲透、防坍塌和防止因隧道開挖而使地層過度失水引起的地表沉降的作用。目前水平旋噴樁設計參數：樁徑500 mm～600 mm，樁長15 m～24 m，相鄰兩根樁相互咬合100 mm，前后循環搭接長度300 mm～500 mm。樁中心距離開挖線為25 cm～30 cm，樁的坡度為5%～10%。

總結其原理就是利用高壓噴射注漿加固軟弱地層，沿拱部外緣施作相互咬合的水平鉆孔旋噴柱體，前后循環相互搭接形成拱棚，達到超前預加固的目的，在它的保護下進行開挖作業，確保隧道安全施工。成樁斷面示意圖見圖1。

2 施作空間要求

隧道中施作水平旋噴樁需要足夠的工作空間。需沿原隧道輪廓位置拱頂和邊墻分別外擴70 cm～90 cm的施工空間，以便于搭設工作平臺，放置鉆機，調整施工角度。在距需施打旋噴樁的里程8 m～10 m處開始做擴大斷面，擴大至計劃的里程點封堵掌子面，由于旋噴樁注漿時的壓力很大，所以掌子面的噴混凝土強度不宜小于 C25，封堵厚度不能小于200 mm，并配以 Ф8 mm @200 mm×200 mm鋼筋網。

3 旋噴樁設備

1)水平旋噴機。目前國內用于水平旋噴樁施工的水平鉆機類型較多，較先進的水平鉆機屬意大利生產的PST-60水平旋噴臺車，其次是意大利C6履帶式鉆機。國內鉆機采用改裝后的XY-2，GY-2A型鉆機較為經濟實用，目前已具備傳感器定向、深孔鉆進、鉆孔精度高、輕便靈活、解體性強、液壓移動、液壓鉆進等優點。水平旋噴樁施工的關鍵在于鉆機的選型，因此，施工中根據巖性進行鉆機設備配套非常重要。鉆機的轉速、頂進力和扭矩直接決定了施工的進度和成樁效果。

2)高壓注漿泵。高壓注漿泵是砂土軟巖隧道施工水平旋噴注漿形成帷幕進行超前預加固的關鍵設備之一。泵的壓力與流量直接影響旋噴樁長度、直徑的大小和強度。高壓泵的重要性能除壓力外，再就是流量的控制。目前我國研制的YZB-32型高壓注漿泵和天津生產的聚能泵壓力可達到60 MPa，均能滿足壓力、流量的無級調節要求。

4 施工工藝

4.1 施工準備

1)檢查鉆機、高壓注漿泵運行是否正常，鉆具、工具是否齊全，其他配套設備是否齊全。2)鋼筋網噴射混凝土封閉掌子面，在掌子面測量標出隧道開挖輪廓線，放線定樁位，并編好每個樁號，便于施工時工序寫實。3)根據現場實況搭設工作平臺，由于施作空間為圓弧形，工作平臺要求可上下、左右移動。4)開挖排水溝和漿液沉淀池，廢水和溢漿通過排水溝流入沉淀池后外運，避免出現浸泡拱腳和污染施工現場的現象。

4.2 鉆機及高壓泵就位

隧道水平旋噴樁超前預加固施工一般自拱腳開始，根據空間大小可以采取多臺鉆機同時平行作業。水平旋噴鉆機就位時，機座要平穩，然后調整鉆機角度、方位，對準孔位，孔位誤差控制在±10 mm以內，傾角與設計誤差一般不得大于1°。

4.3 制備漿液

隧道內施作水平旋噴樁在沒有特殊情況下一般采取單液旋噴，水泥漿漿液配比為1∶1。漿液在高壓泵配套的專制攪拌桶內由專人用高速攪拌機拌制，拌制過程中隨時測量漿液比重，拌制漿液必須連續均勻，攪拌時間不少于3 min。漿液根據施工數量和進度拌制，做到隨拌隨用，防止漿液過剩造成浪費和污染。

4.4 鉆進

按照測量定位的樁位孔施鉆，采用φ73 mm～φ146 mm鉆頭鉆進。調整鉆機對準孔位，將導向鉆頭及第一根鉆桿送入孔內。鉆桿通過導軌定向，鉆進時采用高壓水輔助，鉆頭前端有φ10 mm～φ15 mm的水眼，鉆進時高壓噴射，切割鉆孔周圍砂土，起到輔助鉆進作用。每鉆進3 m要測斜一次，并做好測斜記錄，每次測斜角度偏差不超過3%。一旦發現偏斜超差要進行糾偏，直到鉆至設計深度。鉆進過程不能間斷，防止出現塌孔現象。

4.5 高壓噴漿成樁

鉆進至設計深度后，調整噴嘴位置，關閉水路，轉換為高壓噴漿，逐漸提高漿液壓力。噴漿時在孔底停留3 min～5 min，然后邊高壓噴漿邊緩慢拔出鉆桿。外拔鉆桿速度根據圍巖地質條件確定，高壓泵壓力要大于35 MPa。

為確保成樁質量，旋噴過程必須連續，防止出現斷樁、縮樁及堵嘴現象。另外旋噴速度及壓力直接決定了成樁的質量，壓力和速度控制好后，可以使切割的砂土體與漿液充分攪拌混合，形成均勻的水平圓柱狀水泥砂土固結體，即水平旋噴樁，起到很好的超前預加固支撐作用。

成樁時當噴漿至孔口掌子面1.0 m距離段必須做好封孔工作。孔口處的止漿裝置一般為大球閥。每根樁施工完畢后都應用清水高壓沖洗管道及設備，確保管道內不留漿液，清洗完畢后移至下一樁位。因為漿液初凝及待強需要時間，所以下一樁位應該間隔施作，間隔2根～3根施作較為理想。

5 結語

水平旋噴樁超前預加固技術在砂土層中效果較好，高壓旋噴后在隧道周邊形成封閉的水平旋噴帷幕體，帷幕體平均抗壓強度接近C15等級混凝土，可承受大部分地層壓力，保持砂土軟巖在開挖后的穩定，具有組合梁的效應。在水平旋噴樁相互咬合形成的帷幕體的保護下，隧道開挖采用短進尺、勤支護、快施工原則，能安全地通過砂土軟弱松散圍巖段，有效地控制圍巖收斂、防止坍塌、地面沉降現象，確保地表管線、構筑物及道路交通安全。

［1］ 李治國.隧道巖溶處理技術［M］.北京：鐵道標準設計，2003.

［2］ 周愛國.隧道工程現場施工技術［M］.北京：人民交通出版社，2004.

［3］ 王夢恕.中國隧道及地下工程修建技術［M］.北京：人民交通出版社，2010.

［4］ 耿新文.云臺山隧道泥砂巖互層段開挖施工技術［J］.山西建筑，2010，36(6)：304-305.