超長水平旋噴樁止水帷幕技術(shù)在富水砂層中的應(yīng)用研究

羅 姍

(中鐵三局集團(tuán)有限公司，山西太原 030000)

水平旋噴樁技術(shù)因其加固地層效果好、止水性能優(yōu)良等特點(diǎn)，在解決流塑狀、小孔隙率、開挖后自穩(wěn)能力極差的地層加固施工中均有相關(guān)成熟的工程案例及相關(guān)的理論研究[1-8]。相關(guān)研究表明，采用水平旋噴樁預(yù)加固后，隧道拱頂最大沉降減小約53%， 洞周塑性區(qū)面積減小約3/4。管棚配合旋噴樁預(yù)加固工法可有效地控制拱頂沉降，以及工作面和拱腳的水平位移，是軟弱圍巖地區(qū)隧道開挖預(yù)加固的有效方法[9]。高壓水平旋噴樁技術(shù)先后在我國蘭渝鐵路桃樹坪隧道、大西客專上白隧道、廈深客專梁山隧道取得了良好的應(yīng)用效果[10-12]。目前，常用的水平旋噴樁長度一般不超過20 m，在富水粉砂地層中，超長旋噴樁與箱涵頂進(jìn)施工對旋噴樁的鉆孔角度、旋噴壓力、止水性能均提出了較高的控制要求。

1 工程概況

包頭市工業(yè)園區(qū)東路及配套管線工程采用頂進(jìn)法下穿既有京包、集包鐵路。京包雙線和集包雙線均為國鐵Ⅰ級線路，京包雙線設(shè)計(jì)行車速度為120 km/h，集包雙線設(shè)計(jì)行車速度為200 km/h。京包線路基填高為2～3 m，路基填料以粉土為主；集包線路基基礎(chǔ)采用梅花形布置的碎石樁加固，路基填高為4～5 m。場地內(nèi)以人工填土、粉土、粉細(xì)砂地層為主，地下水穩(wěn)定水位為2.9～3.0 m。施工場地距離黃河3 km，地下水位較高，地質(zhì)條件較差。為確保線路安全，施工中不允許降水，線路外側(cè)護(hù)管涵頂進(jìn)施工工作井間距為79 m，涵管位于地面以下7.4 m，工程位置關(guān)系見圖1。

圖1 工程位置關(guān)系及測點(diǎn)布置(單位：m)

2 工程重難點(diǎn)

(1)頂進(jìn)施工段既有路基強(qiáng)度低，加固與支護(hù)技術(shù)選擇難度大。頂進(jìn)施工區(qū)域內(nèi)主要為粉土、粉細(xì)砂地層，且鄰近既有鐵路線，常規(guī)的加固方法難以實(shí)施。

(2)護(hù)管涵頂進(jìn)施工兩側(cè)工作井之間的距離達(dá)到79 m。為確保路基變形在控制范圍內(nèi)，對加固體的整體剛度要求較高。

(3)施工區(qū)域不具備降水條件，加固控制難度大。頂進(jìn)范圍內(nèi)土層遇水易產(chǎn)生大的變形和坍塌，且施工區(qū)域范圍內(nèi)地下水位高，補(bǔ)給通道暢通。對加固技術(shù)的止水要求高，施工控制難度大。

(4)頂進(jìn)施工下穿京包和集包鐵路，其中集包鐵路設(shè)計(jì)速度為200 km/h(按照高速鐵路標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行運(yùn)營管理)，對路基的變形控制要求高。

3 護(hù)管涵超前加固施工總體思路

水平旋噴樁可對梁、拱、土體進(jìn)行綜合改良。在含水量較高的地層進(jìn)行旋噴施工時(shí)，水泥漿液擴(kuò)散并填充縫隙，起到止水效果。為確保超前加固效果，通過現(xiàn)場對比，確定采取在護(hù)管涵兩側(cè)工作井內(nèi)對向施作高壓水平旋噴樁并在中間進(jìn)行搭接的方法，進(jìn)行超前支護(hù)和頂進(jìn)涵內(nèi)外部土體的加固。

4 護(hù)管涵超前加固超長水平旋噴樁施工

(1)超長水平旋噴樁主要參數(shù)

樁長42 m，搭接段長5 m，壓力為42 MPa，樁徑為0.6 m，上傾角度為2°，旋噴樁加固區(qū)頂部距離京包線路基為5～6 m(如圖2所示)。

圖2 水平旋噴樁布孔斷面(單位mm)

(2)超長水平旋噴樁施工工藝及方法

施工工藝及方法如圖3所示。

圖3 水平旋噴樁施工工藝

①放線定位：測量并放線定位。

②鉆孔：通過試樁確定水平旋噴樁鉆桿向上的偏角(2°)，用于防止水平旋噴樁樁端偏下距離過大。

③下噴射鉆桿：將鉆桿下至設(shè)計(jì)噴射深度。

④制漿：采用P.O42.5的普通硅酸鹽水泥。根據(jù)地質(zhì)條件和涌水量，可以適當(dāng)調(diào)整水泥漿漿液的配比。

⑤噴射：待漿液流出孔口后，即按設(shè)計(jì)的提升速度、旋轉(zhuǎn)速度進(jìn)行噴射作業(yè)。

⑥噴射順序：自上而下進(jìn)行，以利于下一步開挖施工。

⑦沖洗：噴射結(jié)束后，應(yīng)及時(shí)將管道沖洗干凈，以防堵塞。相鄰兩樁施工間隔時(shí)間應(yīng)不大于12 h。

(3)水平旋噴樁施工技術(shù)要點(diǎn)

①根據(jù)設(shè)計(jì)的點(diǎn)位進(jìn)行放樣定位，其中心允許誤差不大于2 cm。

②采用比重為1.0～1.2(水:膨潤土=1∶0.07～0.1(重量比))的泥漿護(hù)壁。

③高壓旋噴噴射故障處理、停噴后復(fù)噴等控制要點(diǎn)與常規(guī)高壓旋噴工藝類似。

(4)護(hù)管涵頂進(jìn)施工

護(hù)管涵下穿集包、京包線均采用人工頂管法施工，頂管為內(nèi)徑2.5 m、壁厚0.29 m的預(yù)制鋼筋混凝土管道，雙向頂進(jìn)總長度為80 m，單節(jié)管長2 m。主要施工流程如下。

①頂管設(shè)備安裝

圓管涵計(jì)算最大頂力為7 600 kN，采用3 200 kN千斤頂3臺(tái)，備用1臺(tái)。主頂油缸固定在支架上，并與管道中心的垂線對稱，其合力的作用點(diǎn)應(yīng)在管道中心的垂直線上。頂進(jìn)時(shí)在千斤頂與護(hù)管涵間安裝頂鐵和分配梁，頂鐵軸線應(yīng)與管道軸線平行、對稱(如圖4、圖5)。

圖4 安裝導(dǎo)軌

圖5 第一管節(jié)頂進(jìn)

②管節(jié)吊裝

單節(jié)管自重約13 t，由1臺(tái)70 t汽車吊吊裝，人工配合校正位置。下管前應(yīng)先對其外觀進(jìn)行檢查，確認(rèn)合格后方可用起重設(shè)備吊至工作導(dǎo)軌上。

③測量和校正糾偏

在工作坑內(nèi)設(shè)置觀測站，中線測量采用全站儀，高程測量采用水準(zhǔn)儀。

(5)加固效果

通過現(xiàn)場測試，確定其單位時(shí)間內(nèi)涌水量滿足設(shè)計(jì)要求(20 L/h)。樁體間的咬合及搭接效果良好，護(hù)管涵頂進(jìn)施工中旋噴加固及頂進(jìn)施工情況見圖6。

圖6 旋噴加固及頂進(jìn)施工情況

5 監(jiān)控量測

為確保既有京包線、集包線在頂進(jìn)涵施工過程中路基沉降變形安全可控，不影響線路正常運(yùn)行，沿頂進(jìn)涵方向?qū)扔芯┌€、集包線進(jìn)行沉降變形監(jiān)控，測點(diǎn)布置如圖1所示，在整個(gè)頂進(jìn)施工監(jiān)測周期內(nèi)的沉降曲線如圖7所示。

圖7 沉降曲線

監(jiān)測結(jié)果表明，在整個(gè)頂進(jìn)涵施工過程中，路基本體有一定沉降，最大沉降發(fā)生在工作井周圍，為測點(diǎn)CJ01和CJ08，沉降量分別為4.4 mm、4.12 mm，沉降未超限；對線路進(jìn)行靜態(tài)檢查，未發(fā)現(xiàn)明顯的軌道質(zhì)量變化。

6 結(jié)論

(1)在富水、粉土、粉砂地層且不具備降水的條件下，42 m水平旋噴樁護(hù)管涵內(nèi)外兩側(cè)同步止水帷幕能有效加固土體，且止水效果良好。

(2)超長水平旋噴樁所采用的壓力和鉆孔角度未對既有鐵路路基產(chǎn)生大的影響。

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