富水粉細砂層隧道全斷面水平旋噴超前預加固施工技術研究

張征

摘要：桃樹坪隧道穿越富水粉細砂層，開挖后砂層無自穩能力，突水涌砂及溜塌現象頻繁，施工進度緩慢且施工風險極高。通過引進國外配套設備及施工技術，對富水粉細砂層隧道采用高強度的水平旋噴超前預加固、掌子面的玻纖錨桿約束加固、中下臺階的鎖腳旋噴樁錨固、多種降水措施，可使軟巖隧道采取大斷面甚至全斷面開挖;在開挖過程中增加了鎖腳旋噴樁工藝，很好的解決了在軟弱砂層下鋼拱架沒有著力點、沉降大等問題，使得高風險隧道轉化為低風險隧道，并在成本控制方面達到了理想的預期效果。

Abstract： Taoshuping Tunnel passes through water-rich silt and fine sand layer. Because the sand layer has no self-stabilization ability after excavation， accidents occur frequently and construction progress is slow. By introducing foreign matching equipment and construction technology， the full-section horizontal rotary jet grouting advanced reinforcement technology is adopted for the tunnel with rich water and fine sand layer. The problems of steel arch without focus and large settlement under soft sand layer are well solved. The high-risk tunnel is transformed into a low-risk tunnel， and the desired effect in cost control is achieved.

關鍵詞：富水粉細砂層;水平旋噴;施工技術

Key words： water-rich silt and fine sand layer;horizontal jet grouting;construction technology

中圖分類號：U456.3+1 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1006-4311（2019）12-0086-05

0 ?引言

桃樹坪隧道主要穿越富水粉細砂層，粉細砂遇水極易軟化，遇水即呈流塑狀，開挖后粉細砂層極易出現涌砂與外擠現象，因基礎自穩能力差，掌子面易變形，從而導致事故的發生。再者，地下含水量較多，也增加了下臺階的施工難度，掌子面開挖時常表現有壁墻滑塌、下沉開裂、背后脫空和變形侵限等，初期支護施工難度極大，施工過程中安全風險因素也較多，這些不利因素都嚴重影響施工的進度，誤工、窩工現象嚴重，施工成本巨增。富水粉細砂層的隧道施工國內外罕見，沒有成熟的施工技術可借鑒。

1 ?工程概況

蘭渝鐵路桃樹坪隧道是蘭渝線上的第一座隧道，該隧道屬于蘭渝線上的控制性工程，桃樹坪隧道全長3225m，起點DK3+430，止點DK6+655，國鐵Ⅰ級雙線隧道，該隧道除進出口共增設5個斜井，各施工口分別使用了三臺階、CRD、雙側壁、水平旋噴超前預加固等多種施工方法總結富水粉細砂層最優的施工方法，本次以桃樹坪隧道出口段水平旋噴預加固施工方法展開技術研究。

2 ?隧道施工工藝原理及施工方案

2.1 工藝原理

在富水粉細砂層進行隧道時，采用全斷面水平旋噴超前預加固施工工藝，施工過程中，以高壓泵作為動力源，借助水平鉆機的噴嘴與鉆桿，把漿液以巨大的能量噴射到土體內甚至射穿土體，然后噴嘴作慢速旋轉與進退，與此同時，切割土體，使用土顆粒與漿液充分攪拌，當漿液凝固后，形成水泥土固結體，其形狀為水平圓柱狀，叫水平旋噴樁。為保證隧道掘進施工過程的安全，更好的做到防滲透、防流砂和抗滑移，當旋噴樁互相咬接以后，采用同心圓方式，在隧道拱頂及周邊，形成封閉的水平旋噴帷幕體。

2.2 隧道施工工藝流程

2.3 隧道施工的技術方案

富水粉細砂層的斷面降水和圍巖加固是施工過程中的兩大難題，為有效解決這些問題，采用全斷面水平旋噴超前預加固施工工藝，不僅實現了安全開挖的目的，也大幅度提升了施工的進度，施工方案的核心技術可用“五加固、三降水”來概括。

2.3.1 “五加固”方案

地層的預加固主要采用多功能地質鉆機SM-14、搖臂鉆機PST-60和配套使用的高壓旋噴設備及設施，進行以下五個方面的旋噴預加固（如圖1），分別為：①加固掌子面周邊長懸臂大直徑水平旋噴樁咬合;②加固側墻大直徑鎖腳旋噴樁的支撐;③加固掌子面玻纖錨桿梅花形旋噴樁;④加固仰拱開挖前的豎直擋砂旋噴樁;⑤加固基底旋噴樁。

通長24m的鉆桿，可加固范圍為24m。周邊水平旋噴樁樁體之間緊密咬合形成完整的帷幕體系，可充分保護開挖對周圍砂層圍巖產生擾動，對流沙與涌泥起到阻擋作用;掌子面采用梅花形布置玻纖錨桿旋噴樁，可避免土體朝外側流塌，從而對掌子面的正前方土體起到穩定作用，從而保證了開挖過程的安全;傳統施工中采用鎖腳錨桿，本方案中采用鎖腳旋噴樁體系，進行初期支護時，該體系可產生強力支撐作用，可臨時使支護體系封閉成環，使軟巖隧道的“落底”工序變的比較安全。在隧道兩側斜向下方30～45°設鎖腳旋噴，樁長8m，樁徑600mm，左右拱腳和每榀拱架間均加以設置，打樁完畢后，在樁內打設長8m直徑89mm鋼管， 以此提升樁體的韌性、抗彎以及抗折等性能，同時可將鋼管與拱架用槽鋼焊接進而形成整體;兩側及仰拱開挖端頭設置豎直擋砂旋噴樁，旋噴長度為6m，間距為50cm，樁體之間緊密咬合形成一道擋砂墻，防止仰拱開挖過程中出現突泥涌水，導致隧道內擠變形，避免坍塌現象;基底面以下設置梅花型的旋噴，防止基底突泥涌水及為運營安全提供安全保障。（圖 3）

2.3.2 “三降水”施工

因本工程地處富水粉細砂層，降水問題是施工中的一大難題，因富水粉細砂的滲透系數小，采用傳統的花管排水降水方法，降水效果并不明顯。經試驗證明，采用掌子面超前真空法降水、后續輔以斜向輕型井點降水及深管井降水三者相結合的降水方案，取得了良好的降水效果，即被稱為“三降水設計”，①掌子面超前真空法降水;②斜向輕型井點降水;③深管井降水。

掌子面環向打設12個，環向間距2m，長度為18m、直徑60mm的超前真空降水孔，掌子面也水平布設4個相同規格的真孔降水孔，所有降水孔末端與真空泵相連接，利用真空泵的負壓將掌子面前方為開挖砂層內的飽和水集中抽排，以保證在開挖過程中砂層達到少水、無水以及無壓的狀態。垂直深管布置成梅花形，管道直徑600mm、深度15m，同時延隧道方向間距約5m布置，靠近掌子面的適當位置，在仰拱開挖前施做。必要時邊墻兩側各設置1排降水管，進行真空輕型井點降水，降水管長度5.0m，間距50cm，可根據實際情況調整間距，外插角60°。

3 ?隧道施工過程中的質量控制要點

3.1 掌子面泄水孔、泄壓孔的施工

為防止在高壓水平旋噴過程中，封閉掌子面因噴射壓力過大引起的掌子面坍塌。在掌子面中心位置布設4個泄水、泄壓孔。施工過程如下：首先放線定孔位，并準確測量孔外插角;采用PST-60型搖臂鉆機鉆孔，水泥漿護壁成孔，同時準備好濾水管;頂入濾水管，成孔后退出鉆桿，及時頂入濾水管，防止塌孔;洗濾水管，采用高壓水或高壓風洗管，防止泥漿封堵濾水層，影響泄水效果;同時，要保證泄水管濾水層安裝牢固，以防止沙土流入泄水管，成孔后及時下管，并安裝牢固。

3.2 玻纖錨桿的施工

3.2.1 施工工藝及施工過程

玻纖錨桿施工工藝流程如下：鉆孔→設置玻纖錨桿→注水試驗→注漿作業→第一段注漿達到要求→第二段注漿→補注、所有段達到要求→結束注漿。掌子面玻纖錨桿施工過程如下：放線定位并準確測量孔外插角;使用搖臂鉆機PST-60型進行鉆孔，鉆至設計深度，同時做好施工記錄，記錄內容包括地質描述和鉆孔記錄，然后與原設計地質圖進行比較，確定是否需要工程變更，或者繼續開展下一工序的注漿作業。對于無法采用搖臂鉆機PST-60型開展施工的位置，可使用多功能地質鉆機SM-14;旋噴、設錨桿，待鉆孔到設計深度以后，開展旋噴加固施工，旋噴柱的直徑400mm和孔底15m為加固范圍;噴射完畢后退鉆桿，把玻纖錨桿（直徑40mm）放入孔內設計深度，開展封孔作業;依據漿液的設計配合比進行漿液配制配置完畢后，要強力攪拌使其混合均勻;為有效控制旋噴對周圍區域產生壓力作用，施工中要選取合理的旋噴順序，本工程中采用發散和集中性方式，即由外到內受力，從而使掌子面的穩定狀態不受到旋噴的影響，同時，在旋噴時，還要測定漿液凝膠時間與返漿率，同時做好施工記錄，保證玻纖錨桿的錨固質量與注漿施工效果。

3.2.2 玻纖錨桿施工技術要點

孔底旋噴段施做盡量采用Φ200mm長2m加固體，便于下一步開挖施工;玻纖錨桿必須下入旋噴柱孔底，如沒有達到孔底需重新擴孔將錨桿下入設計深度;采取間隔跳孔施工，防止串漿和漏漿;封孔必須嚴實，防止漏漿，影響注漿施工及錨固質量。

3.2.3 玻纖錨桿質量檢查

注漿結束后，對注漿效果進行檢查評價，確定注漿質量，為下一步施工提供依據和保障。通過整理注漿資料，及分析注漿施工中的P-Q-t曲線，進而定性評價注漿效果;注漿結束后匯總注漿量，通過反算分析地層填充率，進一步確定地層中漿液的填充實際情況，進而定量確定注漿效果。

3.3 周邊降水孔的施工

為防止在高壓水平旋噴過程中，封閉隧道周邊因噴射壓力過大引起坍塌。在開挖周邊位置布設周邊降水孔。施工步驟和掌子面泄水孔、泄壓孔工藝步驟相同。

3.4 高壓旋噴施工

3.4.1 施工工藝及施工過程

高壓旋噴施工流程如下：施工準備→放線測量→復核點位→鉆機就位→調整角度定位→鉆孔、檢查成孔、洗孔→設噴管→開始噴射注漿。高壓旋噴孔施工過程如下：按設計要求放線定孔位，誤差不大于2cm，并準確測量孔外插角;鉆孔使用PST-60型搖臂鉆機，還要隨時對鉆機的工作狀況進行觀察，確保孔外插角不大于1%，當不能采用PST-60型施工的部位，使用SM-14鉆機開展作業;將鉆桿下到設計噴射深度，鉆桿要設有調試好壓力的噴嘴;準確測量漿液比重，依據涌水量和地質情況，水泥漿漿液的配比可進行調整優化;把噴射管下到設計深度的位置，開始旋噴，待漿液流出孔口后，即按設計的提升速度、旋轉速度，自內往外開始噴射、旋轉、提升，到設計的終噴位置停噴，撤出噴射管、更換鉆頭，開展下一孔的施工;為便于下一工序開挖工作，采用自上而下的噴射順序;噴射完畢后，要及時對噴射管道進行沖洗，防止產生堵管;相鄰兩樁的施工時間間隔要小于12h。

3.4.2 施工過程質量保證措施

應進行水平和垂直方向的校正，保證鉆桿與樁位吻合，偏差控制在10mm內;旋噴樁施工前應根據不同深度土質變化情況，選定合適的旋噴、提升速度及噴嘴直徑等旋噴參數。旋噴管樁到達預定深度后進行高壓射水試驗，試驗合格后才能進行噴射漿液，待達到預定壓力的漿液排量后，方可逐漸提升旋噴管。深層旋噴時應先噴漿，在逐漸旋噴和提升，防止扭斷注漿管;必要時，要對鉆孔時所使用泥漿護壁的重量比進行控制，水：膨潤土=1：0.07～0.1，比重為1.0～1.2;勻速后退、自前往后的進行高壓噴射注漿作業;噴射漿液時，要根據設計要求對壓力和注漿量進行控制，保持管路系統的處于暢通與密封狀態;如施工中設備出現故障，為避免樁體斷裂，要馬上停止噴射與后退，并及時對故障進行排除;如因漿液噴射不足，樁體的設計直徑受到影響，要開展復噴作業;因故停噴后重新恢復施工前，應將噴頭前移30cm，采取重迭搭接噴射處理后，方可繼續后退及噴射注漿，同時對中斷深度和時間進行記錄。停機超過2h時，要對泵體輸漿管進行清洗，然后才能繼續作業;為避免噴射施工時樁管產生堵塞，必須對水泥漿液過濾;要經常對水泥漿液密度進行測試，當漿液密度大于設計指標時，要暫停噴注施工作業，并立即將漿液濃度調整到設計指標后，才能繼續開展噴注施工;噴注施工中，要對高壓泵的壓力、鉆機后退速度、漿液流量、耗漿量和轉速進行經常性的檢查;當不冒漿時，可采用減小后退速度或增加總漿量的措施，當冒漿量大于總注漿量的20%時，要復噴處理或增加注漿壓力;完成噴注施工后，要連續把管棚推入孔內同時進行注漿并填滿。

3.4.3 旋噴樁成樁質量檢查

旋噴成樁時，若出現異常情況，待水泥漿凝固后，若有必要對旋噴樁進行檢查，可用SM-14地質鉆機取芯檢查;注漿完成后，在開挖輪廓線范圍內打設檢查孔，檢測注漿效果，每循環檢查孔5個，其中拱部2個，左右邊墻各一個，底部一個，檢查孔直徑為110mm，長度15m。

3.4.4 實際效果分析

周邊旋噴加固樁采用樁徑為60cm、間距為50cm、相互咬合10cm、樁深度18m、縱向搭接3m、外插角5°，每各環噴樁施旋工完畢后，開挖初支進尺15m。因前方土體產生滑移，導致工作面產生失穩，加速了地表沉降與結構變形，掌子面采用玻璃纖維錨桿旋噴樁加固，樁間距1.5×1.5m，梅花型布設。

3.4.5 旋噴樁施工注意事項

采用噴射厚度不小于20cm噴設混凝土封閉工作面，首先要對水平情況和中線進行精確控制，搭設的工作平臺要牢固可靠，其上采用枕木與竹夾板進行鋪設;一字排列高壓泵、將鉆機和其它注漿設備;根據施工的需要設置廢漿池與臨時邊溝;要嚴格根據設計配合比的要求，對漿液進行配置并拌和均勻，未避免出漿口產生堵塞，水泥漿液倒入貯漿桶前，要對其進行過濾，漿液的拌和時間大于3min;施工應按“先工作面，后周邊”順序開展旋噴施工，孔位按照從左到右、從下到上的的順序交替作業，周邊采用間隔1根樁的形式進行作業;為確保兩邊強度平衡，控制由于鉆桿偏移導致成樁間咬合率低的問題，施工中使用跳躍式成樁施工方法;根據設計外插角，對每個樁的偏角與仰角進行計算，借助三維坐標技術，使鉆機精準定位;開始鉆孔時，要緩慢進行，當進入1m后，才可按正常速度鉆進，直達設計深度;當漿液達設計壓力后，開展旋噴作業，在樁前端，噴嘴的原地旋噴時間要大于30s;為彌補當前國內水平鉆旋噴施工退進速度快的弊病，進一步保證樁間與樁徑的咬合率，施工中使用復噴工藝，即分3次進行旋噴作業，退1次、進1次、再退1次，隨著復噴的次數增多，固結體的增徑效果越好，因咬合率提高;樁前端旋噴時，因受外插角的影響，為保證樁前端加固效果，要放緩噴嘴旋轉、加大噴射壓力或提高噴射速度;為避免漿液外泄，當旋噴到孔口3m時，要立刻停止作業并退出鉆桿，同時塞堵孔口;旋噴作業完成后，要及時對管路和設備清洗，同時外運廢漿。

4 ?施工效果和檢測結果分析

4.1 成樁效果的對比

在水平旋噴施工過程中，借助高壓噴漿過程，吊地層充分攪拌，這樣形成整體樁，而不是僅僅進行置換，傳統的注漿過程僅僅采用在地層內劈裂、滲透，水平旋噴施工過程與傳統施工工藝有本質區別。由于地質條件的差異，旋噴樁的成樁效果也不相同，如圖5-圖7所示。

4.2 返漿率和成分分析

水平旋噴施工過程中，要特別注重返漿率這個參數，當沒冒漿時，可采用增大泵送漿液流量的方式或放緩后退速度的方式來調整這個參數，當冒漿量大于單根注漿量20%時，采用復噴處理或增加注漿壓力的措施，以避免斷樁與縮徑事故的產生。經過實驗室送樣分析，得出的返出漿液的成分分析表如表1。

試驗過程：直接取樣稱重得到總重W，總重量W=（水泥+土重）Wce+水重Ww+砂重Ws;水泥和土的混合重量Wce（Wce=Wc+We），數據可從分離試驗中取得;純砂重Ws借助分離試驗取得;設計文件中，原狀土內土含量是15%，通過換算取得土重We=0.176Ws;水灰比的計算：Ww：Wc=1：Ww/Wc;水含量Ww=W-Ws-Wce;根據Wce（水泥+土重），減掉土含量，可計算得出水泥含量，Wc=Wce-We。

4.3 成樁抽樣抗壓強度試驗

全部的試件尺寸（mm）為Φ100×100，受壓面積（mm2）為7850，由表1中實驗數據可得出以下幾點結論：

①采用水平旋噴施工后，自然成樁的樁體抗壓強度均值達10.8MPa，與傳統注漿工藝產生的膠結體相比，其強度大大提高，可對砂層變形進行了更為有效的控制。采用鋼管對樁芯進行補強，可有效抵抗外來壓力對樁體及支撐的作用，這些外來壓力包括不良砂層的地應力、水壓力和土壓力等，從大大提升了施工工程的安全性。

②逐個對樁體試件抗壓強度進行分析，樁芯部位比樁側部位的抗壓強度高20～30%，主要是因為設計時各樁間相互咬合，系統整體受力，避免局部產生應力集中，提升了樁體外側的抗壓強度。因樁體中心到周邊壓力不斷減少，在靠外側樁體的密度也變小，含沙、石、周邊砂層原狀土較多，水泥量較少，因此其抗壓強度降低。

5 ?質量控制措施

5.1 旋噴樁質量控制標準

5.2 質量保證措施

嚴格按照設計要求及《建筑地基處理技術規范》（JGJ79-2012）的標準和設計要求進行施工;細化技術交底，做好業務培訓，掌握設計要求、技術參數，使“干活的人”真正明白設計要求;現場施工管理人員提高管理水平和業務能力，使相關管理人員絕對掌握設計要求，熟知各工序質量驗收標準，使“監管人”掌握驗收標準;檢查人提高對問題的分析和判斷能力，準確剖析問題產生的原因，使“檢查人”能夠發現錯在哪里;對噴漿速度進行控制，提升速度要小于0.14m/min，要均勻、連續的進行噴漿，如噴漿時產生注漿壓力驟然下降或上升、大量串漿、大量冒漿等異常情況，要立即停機，把鉆機提出地表，當故障排除后，為避免產生斷樁，重復噴射接樁時要加深0.4m;推行技術人員帶班制，要及時對施工過程中的質量隱患進行發現并排除，根據設計要求，還要密切注意漿液壓力、初凝時間、注漿流量、旋轉提升速度等參數;當實際情況和工程地質報告不符時，施工記錄要詳細如實的對施工實際情況進行記錄，這些實際情況包括實際孔深、孔位、地下障礙物、每個鉆孔內的漏水、涌水、洞穴等。

6 ?結論

在富水粉細砂層隧道運用水平旋噴超前預加固施工工藝，在軟巖隧道施工技術領域取得了創新和突破，更新了我國軟巖隧道施工理念。富水粉細砂層屬于典型軟弱圍巖，開挖過程中極易誘發坍塌問題，造成經濟的損失和人員的傷亡，目前對富水粉細砂層隧道開挖和注漿加固進行研究較少。本文結合實踐工作經驗，對桃樹坪隧道超前預加固技術進行系統研究。富水粉細砂層通過全斷面水平旋噴超前預加固處理效果與傳統隧道施工方法相比有以下特點：

①水平旋噴預支護有一定的強度，又能防止滲漏，在軟弱松散砂層情況下施工無塌孔之慮，且動態注漿容易控制。比傳統的小導管注漿更能有效地控制加固范圍，比管棚法更方便操作、功效有大的提升，更能很好的節約材料和時間;

②在開挖過程中使用強度較高的鎖腳旋噴樁代替傳統的鎖腳錨桿，有效解決了在軟弱砂層下鋼拱架沒有有效的著力點、沉降大等問題;

③該施工方法有效規避了安全風險，加快了施工進度，提高了施工效率，創造了效益，實現了軟巖隧道施工技術領域的創新和突破，解決了富水粉細砂層的施工難題，提高了隧道施工質量;

④該施工方法機械配套要求非常高，且噴漿過程中返漿量大，利用率低。

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