粉細(xì)砂地層隧道水平旋噴樁支護(hù)技術(shù)

陳五二

(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司，北京 100055)

在粉細(xì)砂地層中修建鐵路隧道，通常都采用密排鋼管或其它型鋼支護(hù)，但此法的效果不甚理想，如:施工中常常出現(xiàn)漏砂、流砂甚至支撐折斷，核心土失穩(wěn)，施工安全和工程質(zhì)量沒有保證;管棚利用率較低，循環(huán)進(jìn)尺短，施工進(jìn)度慢，當(dāng)開挖邊墻時(shí)，拱腳處砂體受擾動(dòng)后易造成拱背流砂，甚至造成掉拱，等等。

水平旋噴樁是用專用機(jī)械進(jìn)行鉆孔，按規(guī)定速度回轉(zhuǎn)鉆桿，從鉆桿前端用泵高壓噴射水泥系固化材，切削圍巖，強(qiáng)制土顆粒與漿液攪拌混合，膠結(jié)硬化后形成直徑比較均勻，具有一定強(qiáng)度樁體，從而使地層得到加固。結(jié)合大西客運(yùn)專線上白隧道穿越砂層地段介紹水平旋噴樁支護(hù)技術(shù)。

1 工程概況

大西客運(yùn)專線上白隧道為雙線隧道，隧道進(jìn)口里程改DK594+754.6，出口里程改DK596+464.5，全長1 709.9 m。隧道所屬地區(qū)，黃土臺(tái)塬地貌，沖溝發(fā)育，地形起伏較大。隧道最大埋深126.22m。隧道洞身通過地層為:(Q3dl+pl)新黃土、(Q2

pl)老黃土、粉細(xì)砂。其中進(jìn)口段約500 m從粉細(xì)地層中穿越。該砂層物理性質(zhì)為粉細(xì)砂，干燥、密實(shí)、呈松散結(jié)構(gòu)，此種砂層受開挖擾動(dòng)后立刻呈現(xiàn)流砂及涌砂狀態(tài)，短時(shí)間內(nèi)即形成堆積體。圖1為開挖后拱部漏砂的情況。

圖1 拱部漏砂

2 水平旋噴樁的加固原理

水平旋噴樁預(yù)加固是在洞內(nèi)開挖面前方沿隧道開挖輪廓，利用水平旋噴機(jī)按間距55 cm，長20 m左右鉆孔。當(dāng)鉆至設(shè)計(jì)長度后，高壓泵開始輸送高壓漿液，同時(shí)鉆頭一邊旋轉(zhuǎn)一邊后退，并使?jié){液從鉆頭處直徑2.3～2.5 mm的噴嘴中高速射出，射流切割下的砂體與噴出的漿液在射流的攪拌作用下混合，最后凝固成直徑60 cm左右的旋噴柱體，相鄰柱體之間環(huán)向相互咬合，在開挖面前方形成整體性較好的旋噴拱。如此所形成的固結(jié)體強(qiáng)度比原狀砂層有極大程度的提高，又由于高壓射流對固結(jié)體周圍砂體的擠壓和滲透固結(jié)作用，固結(jié)體周圍砂層的物理力學(xué)性能也顯著改善。預(yù)加固在開挖前就已深入到開挖擾動(dòng)范圍以外，所以開挖后預(yù)支護(hù)拱就會(huì)立即發(fā)揮作用，可抑制圍巖的大部分位移，承受大部分地層壓力，從而可保持砂體地層在隧道開挖后的穩(wěn)定，防止漏砂及砂體坍塌，為開挖提供安全可靠的保障。具有以下特性:

(1)在隧道開挖之前，于掌子面前方構(gòu)筑拱形剛性體，來減輕傳到掌子面和支護(hù)上的荷載，控制開挖引起的變形;

(2)水平旋噴樁的漿液被限制在土體破壞的范圍內(nèi)，漿液的注入部位和范圍是可以控制的，可通過調(diào)節(jié)注入?yún)?shù)(如切削土體壓力，固化材料的注入速度，配合比、注入量等)滿足設(shè)計(jì)要求。

(3)鉆桿在旋轉(zhuǎn)和后退的過程中，在噴射壓力作用下，迫使土粒向與噴嘴移動(dòng)相反的方向移動(dòng)，與漿液攪拌混合形成固結(jié)體，故加固體的均勻性好。

3 水平旋噴樁設(shè)計(jì)

沿隧道斷面拱部150°范圍內(nèi)布設(shè)，旋噴樁樁徑為600 mm，為保證支護(hù)效果，防止漏沙，涌砂，采用咬合樁布置，樁間距為450 mm，其橫斷面布置見圖2。根據(jù)現(xiàn)場條件，第一循環(huán)段處理6 m，插入角15°，以后每循環(huán)段處理18 m，插入角5～10°。搭接長度1 m，超前殘余長度為4 m。

圖2 旋噴樁橫斷面(單位:cm)

施工技術(shù)參數(shù):壓力大于25 MPa，提升速度10～25 cm/min，旋轉(zhuǎn)速度20～25 r/min;雙噴嘴2.3～2.5 mm。

漿液配比:采用425號(hào)普通硅酸鹽水泥，水灰比0.75～1.0，根據(jù)現(xiàn)場情況可加入水泥重量3% 的水玻璃和0.02%的鋁粉。

4 施工工藝

4.1 施工工藝

(1)封閉掌子面，每循環(huán)水平攪拌樁施工前應(yīng)先用噴混凝土封閉掌子面，防止掌子面坍塌和涌砂、流泥;(2)鉆孔至設(shè)計(jì)深度后，先只做原地旋噴，待返漿由導(dǎo)漿管流出后方可開始提升;(3)全孔雙噴嘴施工，因故中途噴嘴堵塞時(shí)立即停噴、提鉆，處理后方可繼續(xù)施工;(4)封口成樁，退出鉆頭孔口用棉紗木塞等將孔口封住，防止?jié){液外流。(5)施工采取間隔跳躍式施工，應(yīng)保證隔兩鉆孔施工。

4.2 施工工藝流程(圖3)

圖3 施工工藝流程

5 水平旋噴樁效果

從上白隧道實(shí)施水平旋噴樁開挖效果看，旋噴樁的咬合達(dá)到了預(yù)期的效果。現(xiàn)場照片見圖4。現(xiàn)場檢查樁的直徑為55～65 cm，咬合寬度為10～20 cm，基本上達(dá)到了設(shè)計(jì)的要求。現(xiàn)場也從旋噴樁體中鉆取巖芯測試最低抗壓強(qiáng)度為3.2 MPa。從隨后隧道開挖施工情況來看，基本上滿足隧道開挖期間的施工支護(hù)，未發(fā)生大的漏砂和流砂的情況，既保障了施工安全，同時(shí)也加快了施工進(jìn)度。

圖4 水平旋噴樁現(xiàn)場效果照片

6 結(jié)論及建議

(1)水平旋噴樁的有效施作，為粉細(xì)砂地層隧道施工提供安全可信的保障。能為以后軟弱圍巖的隧道工程超前預(yù)加固技術(shù)提供可借鑒的施工經(jīng)驗(yàn)。

(2)水平旋噴樁在我國隧道工程中研究和應(yīng)用較少，目前大多數(shù)施工工藝還處于試驗(yàn)、摸索階段，針對隧道工程部分配套設(shè)備(如定位、移動(dòng)等)尚處于空白，部分工序還依賴人工操作的熟練程度;但隨著我國地下工程的發(fā)展，水平旋噴樁的研究也將進(jìn)一步深入，相信它將會(huì)在軟弱圍巖的地下工程施工中得到更加廣泛的應(yīng)用。

(3)在本隧道施工中，發(fā)現(xiàn)部分咬合樁在尾部處出現(xiàn)樁徑不均勻、咬合效果差的現(xiàn)象，建議在當(dāng)前的設(shè)備和施工環(huán)境中適當(dāng)減少單根樁長，采用12 m為宜。

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