水平旋噴加固在富水未成巖粉細砂層中的應用

孫國慶，殷九榮

(1.中鐵隧道集團技術中心，河南洛陽 471009;2.重慶交通建設有限責任公司，重慶 400010)

0 引言

目前，豎直旋噴加固技術已經得到了廣泛的應用，而在一些埋深大或無法在地面進行垂直加固的工程中，就需要采用水平旋噴加固方法加固土體。由于水平旋噴加固能防止隧道滲漏和坍塌［1］，水平旋噴加固技術已受到業界的重視和關注，并在我國城市地下空間開發和軌道交通建設中得到了一定的應用。伴隨著交通事業的發展，在一些深埋山嶺大斷面隧道施工中經常遇到大范圍的軟弱地層，為確保施工安全，一般借助降水、注漿等輔助工法對地層進行改良、加固，而隧道開挖大都采取雙側壁導坑法、CD法或CRD工法等化整為零進行小斷面開挖［2］。由于小斷面以人工開挖為主，工法復雜、工序轉換多、施工組織難，不僅增加了成本，而且施工進度極其緩慢。為了實現軟弱富水地層隧道安全、高效開挖施工，擬采用高壓水平旋噴技術進行地層改良。但水平旋噴因技術難度大，日本和意大利等早期研究國家目前的技術水平處于領先，其最典型的做法是沿拱部外緣用水平鉆孔旋噴柱體，互相搭接形成拱棚，在其保護下進而用臺階法施工［3］。目前，我國很少有采用該工法施工的大斷面，本文以蘭渝鐵路某隧道為試驗點，進行軟弱地層高壓水平旋噴加固及超前支護技術研究，以滿足軟弱地層大斷面機械化開挖施工要求。

1 工程概況

蘭渝鐵路某隧道全長3 225 m，設計為雙線隧道，隧道軌面以上凈空面積為87.31 m2。穿行于黃河高階地下部，地形起伏大，隧道最小埋深約12 m。地表上溝谷發育，下切較深。隧道穿行主要地層為:第四系砂質黃土、風積砂質黃土、沖積卵石土、粗圓礫石及細圓礫土。全隧設計圍巖為Ⅴ級，開挖揭示進出口及各斜井地層主要為粗細圓礫土、卵石土及遇水未成巖粉細砂，圍巖級別變更為Ⅵ級。無水時該地層開挖后較密實，穩定性較好，但遇水后具流塑性，基底承載力急劇降低。卵石土層充填差、無膠結，出露后極易引起滑塌。在施工的7個工作面中有6個遭遇富水粉細砂層，開挖后涌砂、突水、溜塌現象頻繁，導致無法及時初期支護施作，已施作的初期支護出現變形、開裂、坍塌等。根據開挖揭示結合工程地質分析，洞身所處第三系富水粉細砂巖特征如表1所示。

表1 地層物理力學指標統計表Table 1 Physical and mechanical parameters of strata

隧道施工過程采用真空降水改良地層并通過雙側壁導坑中間架設橫支撐進行開挖施工，單洞開挖面被劃分為12個小作業面分步開挖支護，施工進度緩慢。為開發新技術，加快施工進度，在隧道出口采用意大利PST－60多功能地質搖臂鉆機及其配套設備進行水平旋噴超前預加固。

2 水平旋噴加固機制

高壓旋噴的本質是漿液在地層中侵蝕、替換過程，其移走了部分地層介質顆粒，并硬化后形成有高強度和低滲透性的土壤與漿液混合替代品。在高壓旋噴加固施工中，通過噴嘴將高壓液體注入地層，利用液體抽空［4］、噴射流的沖擊以及水楔的劈裂作用使地層液化發生破壞［5］;再使水泥漿與切碎后的土體充分攪拌混合后形成加固體。富水砂層由于粉細砂極易液化，且流動性好，因此在水平旋噴引孔過程中，在高壓水的沖擊作用下，鉆孔周邊細砂隨水沿鉆桿壁流出，發生抽空現象，并經過高壓漿液的充填擠壓，在鉆孔周形成直徑約60 cm的水泥樁加固體［6］。固結體強度等級可以比原圍巖提高3—4級，可達4～10 MPa;對于黏土類圍巖，固結體也比原圍巖提高 1—3級，可達 1～5 MPa［8］。

水平旋噴超前加固施工過程先沿隧道拱部外緣施工咬合水平旋噴樁體，并在樁體內置入鋼管棚，使形成的固結體拱棚除了有橫向抗壓能力外，還具有縱向抗彎能力［8］，起到固流砂、防坍塌、控沉降作用。在開挖工作面內均勻布置一定數量的旋噴樁，并通過調節旋噴壓力，形成大頭樁體并置入玻璃纖維錨桿，提高工作面縱向抗擠壓能力，避免工作面突出，達到穩定工作面實現大斷面機械開挖目的。水平旋噴加固工法示意圖如圖1所示。

圖1 高壓水平旋噴加固工法示意圖(單位:cm)Fig.1 Consolidation by horizontal jet grouting(cm)

3 水平旋噴加固方案

3.1 水平旋噴方案設計

根據富水砂層地質特點及在開挖施工中易出現風險點，水平旋噴方案設計主要以解決避免拱頂坍塌，并確保開挖面穩定為目的。結合設備能力，水平旋噴縱向循環加固長18m，每循環開挖15m，預留3m作為開挖安全巖墻。周邊旋噴為咬合樁，內置鋼管棚，加強樁體剛度，工作面為大頭樁，內置φ35 mm玻璃纖維錨桿，確保樁體抗拉拔能力。方案設計如圖2所示。

1)工作面封閉。工作面采用C20噴射混凝土掛網封閉，厚50 cm。

2)泄壓孔。為避免在旋噴過程中地層壓力上升，引起工作面失穩，在工作面均勻布置4個泄壓孔，孔徑90 mm，縱向長18 m。

3)周邊旋噴樁+管棚孔。沿隧道開挖輪廓線外布置水平旋噴孔，樁徑60 cm，開孔間距40 cm，樁體咬合20 cm，外插角5°，旋噴完成后在孔內下入φ89 mm管棚，長度18 m(與樁體一致)，共計56根。

4)工作面旋噴樁穩定孔。在開挖工作面范圍按照1.5 m×1.5 m間距，梅花形布置，旋噴完成后樁內下入玻璃纖維錨桿，共53根。其15～18 m段，采用大頭樁，樁徑80 cm，其余樁徑60 cm。

5)底部旋噴樁。在拱腰管棚孔以下以及底部共布置2排旋噴樁，長18 m，共計旋噴孔58個。

6)環向泄水孔。由于地層富水，為避免地層涌水影響開挖，在超前支護旋噴樁外布置12個環向泄水孔，達到泄水降壓目的，確保開挖施工安全。

循環共設計各類旋噴樁171根。為保證旋噴工作面穩定，對孔口段3 m范圍內不進行旋噴作業。

3.2 水平旋噴參數

水平旋噴過程根據設計樁徑和加固段長選擇合適旋噴參數(如表2所示)。

表2 水平旋噴注漿參數Table 2 Parameters of horizontal jet grouting

3.3 旋噴材料

水平旋噴采用普通水泥單液漿，漿液水灰質量比為 1∶1。

3.4 水平旋噴順序

水平旋噴施工作業順序為:工作面泄壓孔—管棚旋噴孔—工作面穩定旋噴孔—底部環向旋噴孔—泄水孔。

對于同一序孔按照跳孔間隔施工的原則進行。

3.5 水平旋噴作業流程

水平旋噴作業流程如圖3所示。

圖3 水平旋噴作業流程圖Fig.3 Flowchart of horizontal jet grouting

4 高壓水平旋噴主要機械設備配置

水平旋噴主要設備采用意大利進口機械PST－60多功能地質搖臂鉆機(見圖4)以及配套7T－505J高壓泵站(見圖5)。

圖4 水平旋噴機及作業圖Fig.4 Horizontal jet grouting equipment

圖5 水平旋噴高壓泵站Fig.5 Pump station for horizontal jet grouting

4.1 PST－60多功能地質搖臂鉆機

PST－60多功能地質鉆機是領先國際先進技術的特種機械，大臂長24 m，自質量64 t，主要動力部件為大臂、動力頭、旋轉搖臂，手動、自動及遠程控制系統和遙控操作裝置等。其配置參數如表3所示。

表3 PST－60單臂隧道鉆機主要技術參數Table 3 Parameters of PST－60 single-boom drilling machine

4.2 漿液攪拌設備和高壓泵

漿液攪拌設備為SGM45水泥攪拌站擁有2個35t容量的水泥立罐，并且配備一個20 t備用水泥存儲罐;配備自動拌漿系統及設備運轉情況檢查系統;2個攪拌桶雙軸攪拌可完成連續拌漿作業要求，保證了快速成樁時的水泥漿供給;高壓泵為土力公司設計生產的7T－500J型注漿機，最大壓力為90 MPa，最大流量為599 L/min，功率為373 kW。配備自動壓力控制系統。

5 高壓水平旋噴施工

5.1 封閉掌子面

旋噴工作面坡度修整為60～70°，撐子面按1.5m×1.5m間距打設φ22 mm×2.5 m的鋼筋錨桿，鋪掛φ8 mm×1.2 m×1.2 m的鋼筋網片，鋼筋網片相互搭接12 cm，電焊焊接，用綁扎絲固定在鋼筋錨桿上，噴射C25混凝土，厚度為30～50 cm。工面前方開挖一道高1.2 m、寬1 m的沉淀池收集廢液及返漿排渣。

5.2 污水沉淀池修建

為滿足施工環境要求，設置洞內外三級沉淀處理池將旋噴廢液及廢漿分級沉淀處理。

5.3 高壓水平旋噴施工

1)鉆機定位后，放下兩邊4個支柱腿。將內燃機動力轉換為電力供給動力系統，根據地質特點調整動力頭旋轉轉速，泵送高壓水，壓力為2 MPa，水量為150 L/min，待高壓水到達鉆頭，確認高壓旋噴頭無堵塞方可勻速推進鉆頭入孔鉆進。

2)鉆進過程中噴孔噴出高壓水，清洗孔周邊砂土，輔助孔內快速排渣，防止卡鉆。引孔至設計深度后，停止推進，加大供水流量，往復移動鉆桿，清洗孔內淤渣。

3)洗孔完成后，根據設計要求，將配置好的漿液泵送旋噴作業，泵出的壓力(工作壓力)和流量可根據不同地質和不同需求進行調整。高壓泵是為三缸往復活塞式可變頻泵，連續穩流送漿避免旋噴頭被堵塞，從而保證旋噴從始至終的連貫性，避免縮樁、斷樁。

4)當泵送漿壓力達到設計30～40 MPa后，孔口開始返漿，設置全自動后退旋噴模式開始旋噴，后退速度為1 cm/(1.2～1.5)s。旋噴后退至設計位置通知泵站停止供漿，進行下一孔作業。

5)每次旋噴施工前和旋噴施工完成后都要對漿液攪拌機、中間水泥漿過濾網、高壓泵活塞缸、出漿閥和高壓輸送管路等進行徹底的清洗，防止殘留水泥漿結塊堵塞閥件、輸送管道、旋噴孔，影響旋噴安全和質量。

5.4 置入鋼管棚和玻璃纖維錨桿

當設計孔樁旋噴完成后，根據不同設計需要，借助鉆機輔助工作臂一次完成鋼管棚和玻璃纖維錨桿的安設。

6 成樁效果

富水砂層通過周邊咬合樁施工及工作面穩定旋噴樁施工，滿足了防坍和穩定開挖工作的技術要求，在國內實現了在軟弱地層大斷面開挖目的。旋噴成樁效果和穩定工作面效果如圖6和圖7所示。

7 開挖施工

在隧道富水砂層施工中，采用降水方法改良地層后人工雙側壁導坑進行分層開挖，月開挖進度為5～6 m。經過高壓水平旋噴加固后，同樣地層采取人工配合機械上下臺階法進行開挖施工，月開挖進度為25～30 m，是常規施工的5倍。不僅施工效率明顯提高，而且作業安全性大幅度提高，具有較明顯的社會效益和經濟效益。

8 結論與討論

1)隧道開挖出露的旋噴樁均為φ60cm左右，未出現縮樁、斷樁等現象，樁體均勻，樁體強度達到20 MPa以上。

2)水平高壓旋噴加固軟弱地層在隧道開挖輪廓線外形成相互咬合的帷幕保護樁，形成止水、防流砂效果，并結合工作面穩定旋噴，滿足軟弱地層安全開挖的技術要求。

3)采用水平旋噴超前支護，提高地層的自穩能力，實現軟弱地層機械化大斷面開挖，較傳統的軟弱地層人工開挖方法，施工效率大幅度提高。

4)由于富水砂層水平旋噴僅在周邊形成咬合樁，而工作面樁體間仍存在透水性，僅僅通過旋噴樁難以達到改良地層滿足安全開挖的目的，開挖施工過程仍要配合降水施工。

5)采用進口旋噴設備施工進度快，施工質量高，但其加固費用也較高，應對旋噴設備進一步研究、吸收和消化，使設備及配件國產化，降低施工成本。

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