高壓旋噴注漿技術在富水砂層隧道中的應用

楊朝帥 王光輝

(1.中鐵隧道集團有限公司,河南 洛陽 471009; 2.中鐵隧道集團科學技術研究院有限公司，河南 洛陽 471009; 3.中鐵隧道集團勘測設計研究院有限公司,河南 洛陽 471009)

高壓旋噴注漿技術在富水砂層隧道中的應用

楊朝帥1,2,3王光輝1,2,3

(1.中鐵隧道集團有限公司,河南 洛陽 471009; 2.中鐵隧道集團科學技術研究院有限公司，河南 洛陽 471009; 3.中鐵隧道集團勘測設計研究院有限公司,河南 洛陽 471009)

結合蘭渝鐵路桃樹坪隧道出口工程實況，提出了高壓旋噴注漿加固和洞內降水的綜合加固方法，解決了施工中仰拱水量大、流砂涌水、支護結構開裂等問題，實現了大斷面施工機械化，有效加快了施工進度，經濟效益良好。

高壓旋噴注漿，隧道，富水砂層，機械化施工

0 引言

隨著我國今后越來越多隧道工程的規劃建設，穿越不良地質條件的大斷面隧道施工工程也越來越多，往往將隧道斷面化整為零，分割成多個開挖部[1]，采用CRD、雙側壁導坑法等小斷面人工開挖，工序復雜，臨時支撐數量多，很難配備大型機械設備，施工組織難度大，進度緩慢，成本高，施工風險大。為了解決這一問題，目前對于不良地質條件下的大斷面隧道往往都通過超前加固等方法加固超前核心土，然后再實現全斷面或分部開挖的大斷面施工[2-5]。目前的超前加固方法有很多，有全斷面預注漿、凍結法、降水法、預切槽，旋噴注漿、掌子面穩定、帷幕注漿等,施工中輔以信息化監控量測技術，可確保施工安全[6-11]。這些技術在以往的市政隧道和山嶺隧道施工中起到了一定的作用。

對于富水粉細砂地層的單洞雙線大斷面鐵路隧道工程，由于其施工難度大：拱頂和掌子面易坍塌、突水突泥、拱腳易失穩、隧底涌水等，必須有針對性的綜合多種加固和預加固技術聯合應用，才能確保施工安全，并實現大斷面機械化開挖。為此，本文依托蘭渝鐵路桃樹坪隧道出口工程，綜合了“水平高壓旋噴注漿超前預支護、掌子面高壓旋噴注漿+玻璃纖維錨桿預加固+隧道洞內降水”技術，有針對性的對圍巖進行分部分塊加固處理，并通過現場監控量測數據反饋，實現了該軟弱圍巖地層隧道三臺階大斷面機械化快速施工，有效縮短了工期，該項施工技術具有極大的推廣應用價值。

1 工程概況

桃樹坪隧道穿行于黃河高階地下部，全隧道設計圍巖為Ⅵ級。開挖揭示進出口及各斜井地層主要為未成巖遇水粉細砂層(隧道進口工作面為砂層含水較少，其余井口工作面多為飽和含水)，其中夾雜有不連續卵礫石土地層。地層特點：自穩能力差，無膠結，稍有擾動即成松散粉狀結構，在富水時基本無自穩能力，呈流塑狀，軟化現象明顯，極易發生溜塌。圍巖情況見圖1。

2 超前加固設計

2.1 圍巖變形分析

隧道開挖過程真實變形情況如圖2，圖3所示，可以看到開挖后的圍巖變形位移分為先行位移、初始位移和測量位移，這三個位移的總和即為最終總位移。先行位移在掌子面前方未開挖圍巖處產生，包括先行拱頂沉降和先行水平預收斂，其最大值在掌子面處。在軟弱圍巖中最大先行位移可達總位移的60%，對隧道的穩定性往往有決定性影響，因此必須采取超前預加固等輔助工法進行控制先行位移，之后才能繼續開挖施工；初始位移為掌子面通過后到開始進行位移監測之間的圍巖變形位移，一般根據經驗確定；監測位移為初始位移后通過進行監測得到的位移量值，一般占總位移量的30%。另外，開挖過程中由于卸荷作用，在掌子面上及其前方的超前核心土內部，都會產生沿隧道軸向方向的擠出、預擠出變形。

從圍巖變形原理可以看到，采用輔助加固方法對相應部位圍巖進行超前預加固，抑制先行位移和掌子面擠出位移，從而實現安全施工。

2.2 旋噴樁施工參數設計

根據現場情況和目前擁有的機械設備配置，桃樹坪隧道出口工程采用高壓噴射注漿加固法對隧道圍巖外圍進行旋噴樁+鋼管管棚超前預加固，并對掌子面前方的超前核心土進行高壓旋噴注漿+玻璃纖維錨桿進行加固，另外輔以輕型井點降水，確保隧道順利開挖。具體參數設計如下：1)隧道周邊樁間距50 cm，樁徑60 cm；2)隧道工作面樁間距150 cm，梅花形布設，樁徑60 cm；3)旋噴壓力:40 MPa～50 MPa；4)水泥漿流量:170 L/min，轉速:10 r/min；5)旋噴后退速度:5 cm/8 s，根據實際情況可進行調整。

2.3 旋噴樁加固設計

根據隧道圍巖的變形情況，有針對性的對不同部位進行旋噴樁加固設計(見圖4，圖5)，具體如下：1)隧道周邊旋噴樁護殼+鋼管管棚：其作用是抑制隧道開挖過程中的先行變形，包括先行收斂和先行沉降，另外還有止水帷幕的作用，其長度為18 m，搭接3 m，外插角5°，每一循環開始時施作30 cm厚度的護拱。2)掌子面水平旋噴樁+玻璃纖維錨桿：其作用是抑制掌子面前方超前核心土的縱向擠出變形。長度18 m，搭接15 m，樁體角度下傾5°～10°，原因是防止掌子面土體下滑塌方。3)鎖腳旋噴樁加固：其作用是防止隧道結構整體下沉，增加隧道結構的整體穩定性。長度9 m，外插角為45°和30°。4)帷幕旋噴樁：作用是在仰拱開挖過程中，將待澆筑的仰拱給圍閉起來，形成封閉的工作空間，防止外部流砂和地下水涌入。長度8 m，樁體垂直。每一循環仰拱施工時，將上一循環的帷幕旋噴樁巖仰拱底部破除，剩余的樁體在一定程度上能夠起到支撐隧道底部的承托作用，因此也叫隧底旋噴樁。

2.4 輕型井點降水

正洞中、下臺階開挖后，在中、下臺階兩側拱腳下方500 mm安設長度5 m降水管，外插角60°，縱向間距0.5 m～1.0 m。若仰拱部位存在層間滯水，可在仰拱開挖前，在帷幕前方設置1排輕型井點降水管。

3 施工過程

3.1 旋噴樁施工

機械配套：主要設備有意大利土力公司生產的PST-60搖臂鉆機、SM-14多功能地質鉆機、7T-505J高壓泵和SGM14漿液自動攪拌站組成的水平旋噴樁施工設備等。

具體如圖6，圖7所示。

施工要點：1)鉆孔施工中，為保持孔內通暢，利于成孔，以2 MPa～4 MPa的壓力輸送清水；2)因故停噴，恢復施工前，應采取搭接噴射處理，搭接30 cm～50 cm。同時，應記錄中斷深度和時間；3)如漿液噴射不足，影響樁體的設計直徑時，應及時進行復噴，保證成樁直徑滿足要求。

PST-60鉆機進行水平旋噴樁施工見圖8，SM14鉆機進行鎖腳旋噴樁施工見圖9，拱頂旋噴樁護殼咬合情況見圖10。

3.2 降水施工

工藝流程為：排放總管→埋設井點管→安裝真空泵→檢查調試→降水→拔井管。

輕型井點降水施工見圖11。

3.3 開挖支護施工

經過超前預加固后可以進行三臺階法施工，初期支護采用型鋼+網噴混凝土，二襯為C45鋼筋混凝土。加固后施工作業空間大，能夠充分利用大型機械設備，實現安全快速施工。施工進度達到24 m/月(未采用該工法進行超前加固時月進度為12 m，且存在二襯開裂現象)，極大縮短了工期，提高了經濟效益，施工效果良好。大型挖機開挖施工見圖12。

4 施工監測

在開挖過程中，對隧道進行變形監測，主要包括拱頂沉降和水平收斂監測，監測結果如圖13所示，可以看到最大變形量均在135 mm以內，這對軟巖隧道來說非常小，表明超前預加固對圍巖穩定的效果是明顯的，能夠保證安全施工。DK6+301拱頂下沉時間變化曲線圖見圖13。

5 結語

1)高壓旋噴注漿分區加固能夠有針對性的解決富水砂層隧道先行位移大和掌子面易失穩的問題，同時能夠穩定拱腳，控制沉降。2)通過采用洞內綜合降水，降低了砂層含水量，一定程度上提高了地層穩定性，同時也實現了隧道內無水作業。3)經超前加固后的地層，可實現三臺階大斷面機械化施工，施工進度達24 m/月，從而取得了顯著的經濟效益。

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On application of high-pressure jet grouting technique in rich-water sand tunnels

Yang Chaoshuai1,2,3Wang Guanghui1,2,3

(1.ChinaRailwayTunnelGroupCo.,Ltd,Luoyang471009,China; 2.ScientificandTechnicalInstituteCo.,Ltd,ChinaRailwayTunnelGroup,Luoyang471009,China; 3.SurveyandDesignInstituteCo.,Ltd,ChinaRailwayTunnelGroup,Luoyang471009,China)

Combining with the tunnel exit of Taoshuping Tunnel along Lanzhou-Chongqing Railway, the paper points out the comprehensive consolidation methods for the high-pressure jet grouting consolidation and cave dewatering, and solves the problems including the big amount of inverted water volume, quicksand and water inflow, and cracks in support, so as to realize the mechanization of the large-section construction and accelerate the construction progress and better economic benefits.

high-pressure jet grouting, tunnel, rich water and sand stratum, mechanization construction

1009-6825(2017)02-0167-03

2016-11-09

楊朝帥(1986- )，男，碩士，工程師

U455.5

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