水平旋噴樁施工工藝在深圳地鐵施工中的應(yīng)用

(中國(guó)電建市政建設(shè)集團(tuán)有限公司 天津 300000)

一、引言

由于城市地鐵暗挖隧道是在巖土體內(nèi)部進(jìn)行的，無(wú)論其埋深大小，隧道的開挖施工將不可避免地?cái)_動(dòng)地下巖土體，破壞原有土體的應(yīng)力平衡狀態(tài)。因而引起地表沉降和變形，地表沉降到一定的程度，將影響地面建筑物的安全和地下管線的正常使用。更重要的是地鐵線路一般都會(huì)穿越人口密集、地面建筑物林立、地下管網(wǎng)密布的市中心繁華地段，該區(qū)段對(duì)施工產(chǎn)生的地表位移和變形的要求都很高，施工方法的選擇如稍有失誤，將會(huì)造成不可估量的損失。在這種情況下修建隧道，就必須先對(duì)工作面前方沿隧道輪廓線進(jìn)行預(yù)加固，然后再開挖，以保證施工安全。水平旋噴注漿預(yù)加固技術(shù)由于樁間相互搭接，成拱效果好，既有一定強(qiáng)度又能防止?jié)B漏，其加固范圍和加固效果可人為控制，具有良好的工程應(yīng)用前景。

本文首先介紹水平旋噴樁的工藝原理、施工質(zhì)量控制及其工程適應(yīng)性，然后結(jié)合深圳地鐵7號(hào)線7301-1標(biāo)西茶區(qū)間5、7號(hào)聯(lián)絡(luò)線試驗(yàn)段礦山法隧道，詳細(xì)闡述水平旋噴樁的施工方案確定及具體實(shí)施流程，論證水平旋噴樁施工工藝在軟弱地層淺埋暗挖隧道開挖預(yù)支護(hù)工程應(yīng)用上的優(yōu)勢(shì)。

二、水平旋噴樁施工工藝概述

(一)成樁原理

水平旋噴樁施工工法為單管法，鉆孔采用水平定向鉆機(jī)打設(shè)水平孔，鉆進(jìn)至設(shè)計(jì)深度后，拔出鉆桿，且同時(shí)通過水平鉆機(jī)鉆桿、噴嘴以大于35MPa的壓力把配制好的漿液噴射到土體內(nèi)(噴漿壓力為35～38MPa)，借助流體的沖擊力切削土層，使噴流射程內(nèi)土體遭受破壞，與此同時(shí)鉆桿一面以一定的速度(10～12r/min)旋轉(zhuǎn)，一面低速(12～15cm/min)徐徐外拔，使土體與水泥漿充分?jǐn)嚢杌旌希z結(jié)硬化后形成直徑比較均勻，具有一定強(qiáng)度的樁體，從而使地層得到加固，當(dāng)旋噴樁相互咬接后，便以同心圓形式在隧道拱頂及周邊形成連續(xù)的約60cm厚的硬殼體。

(二)工藝流程

水平旋噴樁施工工藝流程見圖1。

圖1 水平旋噴樁施工工藝流程圖

(三)施工步驟

1.施工準(zhǔn)備

首先，檢查鉆機(jī)運(yùn)行是否正常。高壓注漿泵運(yùn)行是否正常，高壓注漿管路是否暢通，壓力表是否正常。其次，測(cè)量放線定樁位，在工作室掌子面由測(cè)量定出樁位，并編好每個(gè)樁號(hào)，用油漆作好樁位標(biāo)志。設(shè)備安裝好后，由測(cè)量人員對(duì)鉆機(jī)的開孔點(diǎn)和尾線點(diǎn)進(jìn)行校正，按技術(shù)交底調(diào)整鉆機(jī)角度、方位，對(duì)準(zhǔn)孔位，控制孔位誤差在±50mm以內(nèi)。

2.鉆進(jìn)

檢查確定孔口管安裝牢固后，調(diào)整鉆機(jī)，對(duì)好孔位。將導(dǎo)向鉆頭及第一根鉆桿送入孔口管內(nèi)。在孔口密封采用棉紗、水泥袋等封閉孔口間隙，達(dá)到阻止?jié){液外流的目的。每鉆進(jìn)3m要測(cè)量一次，并做好測(cè)量記錄，一旦發(fā)現(xiàn)偏斜要及時(shí)進(jìn)行糾偏，直到鉆至設(shè)計(jì)深度。

3.高壓噴漿

鉆孔完成后，推出鉆具，將鉆頭處頂部出水孔口封閉，打開鉆頭側(cè)面的噴漿口，從孔底到孔口進(jìn)行水平旋噴樁的旋噴作業(yè)。在孔底高壓噴漿時(shí)停1～2min，然后以12cm/min～15cm/min的提升速度和10cmr/min～12cmr/min的旋轉(zhuǎn)速度緩慢外拔鉆桿，每節(jié)鉆桿的長(zhǎng)度為3.0m，當(dāng)提升至鉆桿接頭位置時(shí)，暫停旋噴注漿，拆除多余鉆桿后將鉆桿推進(jìn)到原旋噴位置前端30cm處開始繼續(xù)旋噴注漿。噴漿至孔口掌子面1.0m時(shí)，停止噴漿，同時(shí)在孔口內(nèi)填充水泥袋等柔性物體。

4.主要施工技術(shù)參數(shù)

水平旋噴樁施工采用單管法，本次試樁使用的水泥強(qiáng)度等級(jí)為P.O42.5R，水灰比為1：1。漿液壓力為36MPa，旋轉(zhuǎn)速度10r/min,拔桿速度15cm/min；單根水泥旋噴樁最大水泥耗量為9000kg，最小水泥耗量為6500kg，水泥平均用量約為370kg/m；正常情況下，每孔鉆孔時(shí)間約為60-120min，單孔旋噴時(shí)長(zhǎng)約為200min，水平旋噴樁單班工作數(shù)量為2根。

三、水平旋噴樁工藝的適用范圍及優(yōu)缺點(diǎn)

(一)水平旋噴樁工藝的適用范圍

1.地層適應(yīng)性

水平旋噴技術(shù)由高壓噴射注漿技術(shù)發(fā)展而來(lái)，因此在地層適應(yīng)范圍上與高壓噴射注漿基本類似。不僅如此，水平旋噴技術(shù)適應(yīng)范圍還受水平旋噴所采用的噴射方式(單管、雙管、多重管等)影響，可適用于處理淤泥、淤泥質(zhì)土、塑、軟塑或可塑粘性土、粉土、砂土、黃土、素填土和碎石土等地層。對(duì)于含大粒徑塊石、大量植物有機(jī)質(zhì)，以及地下水流速過大和已涌水的場(chǎng)地，應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)適應(yīng)結(jié)果確定其適用性。

2.工程適應(yīng)性

水平旋噴的成柱機(jī)理和固結(jié)體性能與豎直旋噴基本相同，可以在旋噴后插入鋼筋以增強(qiáng)固結(jié)體的抗彎、抗剪強(qiáng)度，固結(jié)體周圍地層也因擠壓滲透作用得到一定程度的加固。因此，凡是需要應(yīng)用高壓旋噴的工程，由于條件限制，不能或不適合進(jìn)行豎直鉆孔高壓旋噴時(shí)，都可考慮采用水平或傾斜鉆孔旋噴。水平旋噴作為一種先進(jìn)的高壓灌漿加固技術(shù)，可以適應(yīng)于既有建筑物和新建建筑物地基加固，以及深基坑、地鐵等工程的土層加固或防水。

(二)水平旋噴樁工藝優(yōu)缺點(diǎn)

1.水平旋噴樁工藝優(yōu)點(diǎn)

(1)質(zhì)量?jī)?yōu)。水平攪拌樁樁體外型標(biāo)準(zhǔn)，內(nèi)部質(zhì)量均勻穩(wěn)定，相互咬合的水平攪拌樁就像一道連續(xù)墻，其防坍和防滲效果好，將其作為隧道的超前支護(hù)和止水加固是理想的隧道及地下工程輔助施工工法。

(2)效率高。水平旋噴樁無(wú)需成孔，其鉆進(jìn)、攪拌、注漿同步進(jìn)行，施工速度快，每小時(shí)成樁 15 m 左右，與小導(dǎo)管注漿、大管棚和冷凍法相比其效率要高。

(3)安全可靠。采用水平攪拌樁作為隧道超前支護(hù)和止水加固措施，因其質(zhì)量穩(wěn)定，防坍防滲效果好，在它的保護(hù)下進(jìn)行隧道開挖，施工安全有保障。另外將其應(yīng)用于城市淺埋隧道施工，還有以下優(yōu)點(diǎn):可以避免過分抽排地下水引起地表下沉；可以避免采用小導(dǎo)管注漿等產(chǎn)生地表隆起；可避免大管棚成孔過程中使地表產(chǎn)生較大沉降等不良影響。

(4)操作方便，水平攪拌樁的施工無(wú)需大型設(shè)備，其工藝簡(jiǎn)單，容易掌握，操作方便。

2.水平旋噴樁工藝缺點(diǎn)

水平旋噴注漿作為軟土隧道的超前支護(hù)或加固措施具有優(yōu)質(zhì)高效、安全可靠、操作方便、經(jīng)濟(jì)實(shí)用等優(yōu)點(diǎn)，但也有著一些不足之處，例如，樁長(zhǎng)受限制，一般為8～12 m，若樁長(zhǎng)太長(zhǎng)其尾部容易向下偏移；如遇障礙物則難以處理，一旦卡鉆則只好將鉆桿鉆頭丟棄。

四、工程實(shí)例

(一)工程概況

深圳地鐵5、7號(hào)線聯(lián)絡(luò)線全長(zhǎng)452.197m，位于留仙大道和沙河西路十字路口西南象限，北接5號(hào)線留西區(qū)間，南接7號(hào)線西茶區(qū)間，起點(diǎn)里程為5號(hào)線端預(yù)留接口LIDK0+070.150，設(shè)計(jì)終點(diǎn)為聯(lián)絡(luò)線LIDK0+381.957處，長(zhǎng)度311.807m。LIDK0+204.000～LIDK0+345.000約141m依次下穿壯麗商廈、西麗幼兒園和留仙賓館三棟建筑物，下穿段平面主要位于半徑為150m的小半徑曲線上。隧道埋深12m～16.5m，主要穿越粉質(zhì)粘土和全風(fēng)化花崗片麻巖，局部穿越強(qiáng)、中風(fēng)化花崗片麻巖；下穿段主要處于半徑為150m的小半徑曲線上。

(二)下穿段工程地質(zhì)條件

5、7號(hào)線聯(lián)絡(luò)線隧道基本穿越粉質(zhì)粘土、全、強(qiáng)、中、微風(fēng)化花崗片麻巖層中。下穿建筑物段隧道埋深12m～16.5m，采用礦山法施工，主要穿越粉質(zhì)粘土和全風(fēng)化花崗片麻巖，局部穿越強(qiáng)、中、微風(fēng)化花崗片麻巖，線路縱段主要處于32‰的縱坡上。

(三)工程設(shè)計(jì)情況

5、7號(hào)線聯(lián)絡(luò)線下穿建筑物段隧道原設(shè)計(jì)采用冷凍法施工，考慮到凍結(jié)法輔助工法施工工藝較專業(yè)、現(xiàn)場(chǎng)工期要求緊迫等因素，經(jīng)多次專家工法論證后，調(diào)整為以水平旋噴為主的方案，即留仙賓館下穿硬巖段采取管棚支護(hù)+半斷面注漿加固方案，并于通過硬巖段后進(jìn)行單排水平旋噴樁+全斷面注漿的試驗(yàn)加固方案。

(四)施工情況

為驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案的可行性，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際地質(zhì)情況，選擇在LIDK0+296～ LIDK0+276施作水平旋噴+全斷面注漿試驗(yàn)。由于本段隧道主要處于全風(fēng)化、礫質(zhì)黏土層，開挖時(shí)極易產(chǎn)生涌砂、涌水現(xiàn)象，傳統(tǒng)礦山法超前支護(hù)措施已無(wú)能為力。綜合分析隧道所處地質(zhì)條件，考慮到施工安全、施工工期、工程造價(jià)及對(duì)周圍環(huán)境影響等因素，本段暗挖隧道采用水平旋噴樁進(jìn)行超前支護(hù)，其支護(hù)方案如下述。

1.水平旋噴樁施工

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)條件和計(jì)算的相關(guān)參數(shù)，在隧道拱部180°范圍設(shè)置單排水平旋噴樁；旋噴樁樁徑600mm，樁間距400mm，環(huán)向相鄰樁咬合200mm，標(biāo)準(zhǔn)單循環(huán)每根樁長(zhǎng)20m，其中含相鄰循環(huán)旋噴樁縱向搭接長(zhǎng)度3.0m。注漿范圍布置詳見圖2。

圖2 單排水平旋噴及斷面注漿范圍示意圖

圖3 單排水平旋噴縱斷面示意圖

本試驗(yàn)段旋噴漿液材料采用P.O42.5R水泥，水灰比為：1:1；水泥用量為：350kg/m；注漿壓力不小于35MPa。在鉆孔及旋噴施工中，按照“先兩邊、后中間”順序進(jìn)行旋噴施工，環(huán)向每次間隔1個(gè)，孔位從下到上，左、右交替進(jìn)行，跳躍式成樁,保證兩邊強(qiáng)度平衡。鉆機(jī)定位調(diào)整角度、方位，對(duì)準(zhǔn)孔位，孔位誤差控制在±50mm以內(nèi)。開孔時(shí)慢進(jìn)，鉆至1m后，按正常速度鉆至設(shè)計(jì)深度；當(dāng)漿液從噴嘴噴出并達(dá)設(shè)計(jì)壓力后開始旋噴，樁前端原地旋噴不少于30s。采用復(fù)噴工藝，即退1次,進(jìn)1次,再退1次,共計(jì)3次旋噴作，以保證樁徑和樁間咬合。樁前端旋噴時(shí)加大壓力或降低噴嘴的旋轉(zhuǎn)提升速度，當(dāng)旋噴至孔口0.5m時(shí)停止，并立即退出鉆桿,進(jìn)行封孔作業(yè)，必要時(shí)采取低壓補(bǔ)注漿。

按照水平旋噴樁+全斷面注漿試驗(yàn)段的要求，于2014年6月15日正式開始進(jìn)行了水平旋噴樁施工試驗(yàn)，至2014年6月29日施工結(jié)束，歷時(shí)15天，共完成了30根水平旋噴樁的試驗(yàn)，同時(shí)完成3根水平旋噴樁的取芯工作。

2.全斷面注漿施工

為加強(qiáng)拱部加固體的強(qiáng)度和剛度，待水平旋噴樁施工完后，進(jìn)行全斷面注漿，確保開挖面穩(wěn)定。隧道掌子面上半斷面開挖輪廓內(nèi)及下半斷面開挖輪廓外3m范圍內(nèi)采用水泥-水玻璃雙液漿超前預(yù)注漿加固，注漿孔間距1.5m，漿液擴(kuò)散半徑1.5m，梅花形布置，每循環(huán)加固長(zhǎng)度為15m，預(yù)留3m上一循環(huán)已注漿段作為本循環(huán)止水(漿)盤。工藝流程圖如圖4所示。

圖4 全斷面注漿堵水工藝流程圖

本次注漿采用劈裂式注漿工藝，水泥+水玻璃漿液，比例1：0.5～1:1，以現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)確定；水泥漿液采用普通硅酸鹽,強(qiáng)度等級(jí)≥Po42.5，水灰比1:0.6～1:1；水：水玻璃(體積比)=1:1～1:0.3,Be=30～35°，M=2.6，雙液凝固時(shí)間控制在2～3分鐘左右。單循環(huán)(8m)注漿量水泥用量為38.45t，水玻璃25m3。

五、水平旋噴樁檢驗(yàn)與檢測(cè)

(一)取芯位置的選擇

為了驗(yàn)證水平旋噴樁+全斷面注漿的支護(hù)效果，分別選擇了掌子面SY0(樁長(zhǎng)13米)、左7(20米)、右8(20米)計(jì)三根水平旋噴樁，進(jìn)行檢測(cè)，位置如圖5所示；抽芯率3/31=9.7%>4%，2/30=6.7%>4%，均符合設(shè)計(jì)要求。詳見圖6所示。

圖5 取芯樁號(hào)及位置圖

圖6 水平旋噴樁孔芯樣照片

(二)檢驗(yàn)結(jié)果

(1)左7芯樣

芯樣在全風(fēng)化花崗巖層成樁效果較好，0m～4.0m和16m～20m芯樣較為破碎；

(2)右8芯樣

芯樣在全風(fēng)化花崗巖層成樁效果較好，0m～6.0m和17m～20m芯樣較為破碎。

(3)SY0芯樣

芯樣在全風(fēng)化花崗巖層成樁效果較好，0.0m～4.0m局部芯樣破碎。

(三)開挖面效果情況

本段暗挖隧道在水平旋噴樁超前支護(hù)作用下，在封閉的拱殼內(nèi)施工，有效地防止了涌砂、涌水的發(fā)生，洞內(nèi)止水效果良好，隧道采取“短進(jìn)尺、勤支護(hù)，步步為營(yíng)”等措施進(jìn)行開挖。現(xiàn)場(chǎng)開挖情況如圖7、8所示。

圖7 開挖面連成片的水平旋噴樁

圖8 無(wú)水開挖面

整個(gè)開挖過程，對(duì)應(yīng)地表沉降最大值2.57cm<3cm；房屋主體承重部分無(wú)明顯裂紋及差異沉降。

六、結(jié)論

經(jīng)過試驗(yàn)段施工證明：

(1)采用單管法水平旋噴樁，在全風(fēng)化花崗巖、礫質(zhì)黏土地層中進(jìn)行施工，漿液壓力為36MPa，旋轉(zhuǎn)速度為12r/min，拔桿速度為15cm/min，水泥消耗370kg/m的施工參數(shù)能滿足水平旋噴樁的成樁質(zhì)量。

(2)試驗(yàn)段水平旋噴樁水泥土芯樣15天齡期的最大抗壓強(qiáng)度為9MPa，最小抗壓強(qiáng)度為6.8MPa，平均強(qiáng)度為7.5MPa，15天的芯樣抗壓強(qiáng)度已滿足設(shè)計(jì)技術(shù)要求的28天的4.0MPa要求。

(3)水平旋噴能相互咬合，成樁直徑550～650mm。

(4)開挖過程中，掌子面無(wú)水漬；掌子面開洞后，無(wú)滲水、漏水；滿足止水要求。

(5)施工及開挖過程中，隧道拱頂、地面建構(gòu)筑物、地表等監(jiān)測(cè)點(diǎn)變化均未超標(biāo)，滿足施工要求。

由以上說(shuō)明：?jiǎn)闻潘叫龂姌?全斷面加固注漿輔助加固措施有效的改良了隧道圍巖，有效的保證了礦山法施工中掌子面的穩(wěn)定。水平旋噴樁在礦山法隧道超前支護(hù)中的應(yīng)用，使礦山法隧道在軟弱地層中施工獲得成功，打破了以往礦山法隧道的施工瓶頸，突破了傳統(tǒng)礦山法超前支護(hù)理念，拓寬了傳統(tǒng)礦山法的適用范圍，給礦山法隧道超前支護(hù)增添了一種新的輔助措施。