富水含泥粉細砂層隧道水平旋噴加固施工技術

周益兵

（中鐵十六局集團第一工程有限公司，北京市 101300）

0 引 言

在富水含泥粉細砂地質條件下開挖隧道，一直是隧道工程施工領域的難題。目前國內對于水平旋噴樁的使用主要集中在干燥砂層或極軟弱土層方面，對于在富水含泥粉細砂地層中的施工應用報道較少[1-3]。

本文以山西省小浪底引黃工程引水干線2#隧道土洞段全斷面富水含泥粉細砂地層施工為背景，從超前水平旋噴樁的施工原理、旋噴鉆孔設備、工藝流程、加固效果等方面介紹了在富水含泥粉細砂地層條件下的水平旋噴樁加固技術。

1 工程概況

小浪底引黃工程位于山西省運城市境內，是山西大水網“兩縱十橫”中第九橫內的骨干性大型引調水工程，工程自黃河干流上的小浪底水庫向涑水河流域調水。引水干線取水口位于垣曲縣境內小浪底水庫庫區內板澗河入黃口上游600 m的黃河左岸處，末端位于聞喜縣境內的呂莊水庫，線路總長59.6 km。引水干線2#隧道土洞段位于干線的末端，全長6.7km，為無壓隧道。

2 工程水文地質情況

隧道穿越富水含泥粉細砂地層，隧道埋深90～100 m，洞身附近為級配不良砂透鏡體，砂粒為褐黃色粉細砂，飽和，稍密，泥質含量約10%～15%，砂層厚度大，垂直洞軸線方向分布較寬，順洞軸線長度約270 m，占2#隧道土洞段總長度的4%。

地下水類型為承壓水，地下水位線高于隧道洞頂17～31 m，地下水位較高，水量大，砂粒結構松散，顆粒均勻、形狀不規則，級配差，分布較穩定，具有流動性大、承載力小、穩定性差等特點，尤其是砂層分布于隧道拱部且砂層較厚時，對圍巖穩定及施工開挖影響極大，開挖施工過程中極易發生涌水、涌砂突泥現象，施工風險極大，隧道施工過程中發生多次突水事件，單個工作面的突水量最高達到10000 m3/d。

3 水平旋噴樁施工方法

3.1 加固原理

水平旋噴樁是利用高壓漿液在切割破壞地層的同時將漿液注入地層，對前方圍巖進行置換，鉆桿邊旋轉邊后退，利用漿液和土體進行混合，隨著注漿管的旋轉和后退形成具有強度高、勻稱規律的圓柱形樁體，并通過樁位控制技術，在開挖輪廓線周邊形成咬合的樁體，對砂層起到剛性承載支護的作用，同時在隧道周邊形成封閉的止水帷幕墻，將地下水隔阻于開挖輪廓線之外，從而保證隧道施工的安全。

3.2 施工參數

在開挖輪廓線周邊及掌子面布設超前水平旋噴樁，每循環施工長度為15 m，開挖長度10 m，預留5 m作為搭接。

旋噴樁樁長15 m，樁徑500 mm，旋噴壓力45～50 MPa，水泥漿液流量 190 ～220 L/min，噴嘴轉速15～20 r/min，旋噴后退速度20～35 cm/min，咬合旋噴樁環向間距35 cm，咬合范圍15 cm。

周邊咬合旋噴樁成環布設，拱部及側墻布設兩環，底板布設一環，咬合旋噴樁沿開挖面周邊拱部及側墻部位布設并延伸至底板以下1 m范圍，周邊旋噴樁拱部、側墻及底板成環布設。

掌子面布設穩定旋噴樁，外插角0°，用以增強開挖面整體穩定性。

拱部180°范圍內施做完旋噴樁后，及時下入Φ76 mm剛性大管棚，提高樁體的抗剪能力。

3.3 施工機械設備

根據隧道施工斷面大小及圍巖加固的范圍，選擇合適的旋噴鉆孔設備，施工主要設備及性能見表1。

表1 施工主要設備及性能表

3.4 施工步驟

3.4.1 制漿站及輸漿管道

為減短輸漿距離，降低材料損耗，從而達到提高施工效率的目的，第一次施工前在隧道工作面上方地表處集中組建自動化水泥制漿站以及高壓泵站。

制漿站與隧道掌子面通過地表穿孔進行連接，為保證孔位精度，地表穿孔采用井鉆施工，鉆孔完成后下入鋼管，鋼管間采用套管連接，孔壁與鋼管之間間隙采用碎石回填，并預埋Φ42 mm導管對孔壁進行注漿加固，待地表穿孔加固完成后，利用高壓輸漿管從孔內穿入，將制漿站漿液輸送至施工掌子面附近。

3.4.2 止漿墻

為減少冒漿量，施做噴射混凝土止漿墻封閉掌子面，采用C20噴射混凝土，噴射厚度≤50 cm，止漿墻面掛設Φ8 mm鋼筋網片，網格間距15 cm，網片雙層布設；采用Φ25 mm錨桿嵌入掌子面，錨桿長度3.0 m，錨桿間距1.2 m，梅花型布置，錨桿外端與鋼筋網片焊接牢固。

3.4.3 平整場地

設置鉆機操作平臺；鉆機前方設置擋泥池，鉆機后方利用沙袋堆碼設置泥漿沉淀池，方便施工過程中泥漿清理。

3.4.4 放線定位

按照設計坐標對開孔位置進行放樣，誤差≤2 cm；根據樁的起點和終點坐標計算出樁體的外插角，并根據鉆孔的偏距和仰角在鉆機后方放出水平旋噴樁角度控制點。

3.4.5 鉆孔

按照設計外插角度鉆孔，鉆機鉆臂與樁位同軸對孔，鉆孔外插角偏差控制在1%范圍內，鉆至設計深度結束。在鉆孔過程中，對鉆進速度、鉆孔渣樣、孔內出水量等做好詳細記錄，了解前方圍巖地質特性，用以指導下一步的灌漿作業施工。

3.4.6 漿液配制

按照設計配合比要求配置水泥漿液，漿液比重必須滿足要求，漿液使用前應進行過濾。高壓旋噴灌漿材料采用425普通硅酸鹽水泥，漿液配比為 W∶C=（0.8～1）∶1。根據地質情況和涌水量，水泥漿液配比可進行適當調整，如有必要可摻入外加劑。

3.4.7 旋噴

噴射管前伸至設計深度后，停止鉆進，開始旋噴。嚴格按照設計要求確定的后退速度、旋轉速度，自前往后開始噴射、旋轉，后退至接近設計樁部尾端位置時停止噴射，并退出噴射管，進行下一孔施工。

3.4.8 沖洗

噴射結束后，向漿液罐中注入適量清水，開啟高壓泵，清理全部管路中的水泥漿液，并將噴漿管頭上的附著砂土清理干凈，以防堵塞。

3.5 水平旋噴樁施工控制要點

（1）施工前應根據當前的水文地質情況，確定合理的施工技術參數和漿液配比。

（2）旋噴樁施工遵循“先外環后內環、先周邊后掌子面、自下而上、左右交替”的施工順序。

（3）必要時，鉆孔采用比重為1.0～1.2（水∶膨潤土 =1∶0.07～0.1（重量比））的護壁泥漿。

（4）水泥漿液水灰比為 0.8∶1～1∶1，根據現場實際調整。

（5）高壓噴射灌漿時必須連續不中斷，自前往后、勻速后退，噴射過程中旋噴壓力和灌漿量應達到設計要求。

（6）含水地層的旋噴施工過程中，冒漿量小于灌漿量的30%為正常現象，若＞30%或完全不冒漿時，應查明原因，并調整旋噴參數。

（7）冒漿量過大時，通常為有效噴射范圍與噴漿量不匹配有關，應提高噴射壓力或適當加快后退速度。

（8）旋噴過程中如因機械出現故障中止旋噴，應停止后退和噴射以防樁體中斷。

（9）因故停噴后在繼續旋噴施工前，應向前復噴50 cm進行搭接處理，避免出現斷樁現象，之后方可繼續后退噴灌，同時記錄停噴的部位深度和時間。停噴＞2 h時，按斷樁處理，重新鉆孔至設計深度，重新旋噴。

4 水平旋噴樁加固效果評價

4.1 灌漿量監測

為保證樁體的施工質量，水平旋噴樁在施工過程中應對旋噴過程中的水泥灌漿量進行計錄和觀察，并結合冒漿量的大小判斷灌漿是否異常。對于在富水含泥粉細砂地層中的水平旋噴樁施工，灌漿效果大致可根據以下幾個條件進行判斷：

（1）灌漿量不低于設計值。

（2）用于噴灌的水泥漿液水灰比、比重、膠凝時間符合設計要求。

（3）冒漿量小于灌漿量的30%；當冒漿量＞30%時，極可能影響成樁效果，此時因查明原因并及時采取措施；在松散地層中施工時，不冒漿或斷續冒漿的情況則應視為正常現象。

（4）旋噴和后退連續、均勻；在含水地層中施工時，后退速度不應過快。

通過查閱該段旋噴樁的施工記錄，并對灌漿時間以及灌漿量等數據進行分析，確定同時滿足以上條件，以此判斷噴灌達到了抗滲和加固的效果。

4.2 物理檢查

在圍巖加固完成后，開挖前通過檢查孔施工，以檢驗前方圍巖加固效果，為圍巖加固效果評價和隧道開挖施工提供依據。現場檢查通過實測檢查孔滲水量，并根據檢查孔渣樣分析檢查孔位置地質改良情況。

通過鉆孔檢查發現，渣樣以水泥碎末為主，孔內滲水較少，達到了抗滲的效果。對樁體進行鉆芯取樣，并進行單軸抗壓強度試驗，抗壓強度為5～8 MPa。

4.3 開挖地層揭露

開挖地質揭示：富水含泥粉細砂地層在水平旋噴加固后，圍巖處于干燥或局部滴水狀態，旋噴樁咬合效果較好，成樁直徑均勻，無斷樁、縮頸等現象，達到了理想的圍護效果；起到了較好的止水效果；掌子面局部存在漿脈，漿脈飽滿清晰，說明在水平旋噴樁的樁體的形成過程中，水泥漿液在高壓的作用下對樁體附近的地下水通道起到了充填滲透以及固結的效果，同時也對附近粉細砂地層起到了擠密加固的效果。

4.4 圍巖變形監測

對隧道拱頂沉降變形進行觀測，根據量測和選取的回歸方程推算出，最終位移值為10.1 mm，推算出基本穩定時間第20 d時，位移量達9.1 mm，位移率達90%，此后拱頂趨于穩定狀態，未出現沉降變形隨時間延長而明顯變化的現象。

5 結語

綜上所述，本文以山西省小浪底引黃工程引水干線2#隧道土洞段為背景，針對在土洞段富水含泥粉細砂地層施工過程中容易出現的地質災害，通過采用超前水平旋噴樁對富水含泥粉細砂地層進行加固施工，達到了抗滲、防塌、控沉、以及安全開挖的目的。解決了富水含泥粉細砂層無縫咬合以及成樁均勻性的問題，成樁效果理想，止水以及加固效果良好，保證了施工質量與安全，為今后類似地層的隧道施工提供了經驗參考。