隧道工程施工中 高壓水平旋噴樁超前支護技術的應用研究

?賈良

摘 要：針對隧道工程施工過程中富含地下水、圍巖穩定性差等導致地表沉降、隧道變形等問題，使用高壓水平旋噴樁超前支護技術。此支護的主要特點為可控性強、均勻性強、強度高，將實際工程為例，對高壓水平旋噴樁超前支護的施工方式分析。結果表示，使用高壓水平旋噴樁超前支護技術，能夠避免隧道施工過程中地表沉降的問題。

關鍵詞：隧道工程;水平旋噴樁;隧道超前支護

中圖分類號：U455.7 文獻標識碼：A 文章編號：1001-5922（2021）09-0189-04

Research on Application of Advanced Support Technology of High Pressure Horizontal Jet Grouting Pile in Tunnel Construction

Jia Liang

（Shaanxi Railway Institute， Weinan 714000， China）

Abstract：In order to deal with the problems of surface settlement and tunnel deformation caused by rich groundwater and poor stability of surrounding rock during the construction of tunnel engineering， the advanced support technology of high-pressure horizontal jet grouting piles is used. The main features of this support are strong controllability， uniformity， and high strength. Taking the actual project as an example， the construction method of the high-pressure horizontal jet-grouting pile advanced support is analyzed. The results show that the use of high-pressure horizontal jet-grouting pile advanced support technology can avoid the problem of surface settlement during tunnel construction.

Key words：tunnel engineering; horizontal jet grouting piles; tunnel advance support

目前，旋噴樁被廣泛應用到建構筑物地基基坑、溝槽邊坡支護的設計施工中。在使用過程中，旋噴樁為垂直豎向施工，對于軟弱底層、邊坡底層具有加固穩定、防止流土流砂、止水等作用，還能夠作為建構筑物與人工處理地基的樁基礎。在設計隧道工程中，根據隧道外圍水平方向使用旋噴樁技術工藝。在隧道工程設計施工過程中，根據隧道外圍水平方向使用超前支護與隧道軟弱圍巖實現止水加固比較少見，為新型設計施工手段[1]。以此，本文就對隧道工程施工中使用高壓水平旋噴樁超前支護技術進行分析。

1 工程實例

某隧道工程全長5.5km，熱力干線管徑為DN1000，全線使用淺埋暗挖隧道方式進行敷設。公安部和大華路段長度為1075m，處于長安街南側綠化帶中，有402m和現況多層樓層相鄰，距離樓房6～7m，使用加強隧道斷面，拱頂覆土厚度為7～9m。隧道穿越土層為粉細砂、粘質粉土、粉質粘土、中砂層，局部上層滯水，隧道處于地下潛水水位，此地區地下水對于混凝土沒有侵蝕性。圖1為地質剖面結構。

在此項目施工過程中，存在部分難點內容：其一，長安街在此區間斷路面比較窄，城市大部分市政管線都在此工程隧道施工范圍中集中，比如市政供水、天然氣、電信、電力、市政排水管線等，隨著隧道拱頂上部順行[2];相鄰樓房包括紡織工業部、遠洋運輸協會、國家商務部等重要的部門，大部分樓房建成的歷史比較長，隧道距離樓房為6～7m，所以在隧道施工過程中要對地表沉降進行控制，對建筑物安全進行保證;電力隧道、地鐵隧道、通風道等大型市政工程施工時會對工程隧道附近地層造成擾動，地勘報告說明地下局部存在空洞;此工程距離地鐵結構為5～8m，地鐵運營過程中的振動會影響到隧道施工;隧道穿越土層砂層比較厚，具有豐富的含水量，工程施工地段特殊性要求在施工過程中使用嚴格措施。因為在豐富含水層砂層中不容易成孔，會導致出現管涌、流砂等問題[3]。

2 高壓水平旋噴樁超前支護的技術使用

2.1 技術特點

（1）高強度。混合土體、水泥漿實現高壓旋噴，創建固結體，強度比較高。

（2）強均勻性。高壓水泥漿噴射流在成樁過程中能夠破碎大塊土體，對水泥漿液混合，創建土體和水泥漿混合物。

（3）強可控性。在土體破壞范圍中設置水平旋噴漿液，對漿液注入范圍和部位進行控制，通過調節注入參數得出的固結體滿足設計需求。

（4）綜合效果良好。能夠進一步提高復合土體防滲、抗滑、強度與預支撐等作用。

2.2 技術的實施

2.2.1 施工工藝流程

高壓水平旋噴樁超前支護的工藝流程包括預放樁位、定位鉆機、開孔鉆進、分段注漿、檢測終孔、旋噴拔桿、噴樁停止、清洗孔位[4]，圖2為具體施工工藝流程。

使用高壓水平旋噴樁實現超前支護，要求滿足的要求為：噴樁位置的誤差為3m;施工長度比設計打樁長度要大;打設角度誤差不超過2%;在施工現場要開展試驗樁，利用試驗樁對高壓水平旋噴樁施工參數進行確定。在此工程設計過程中，旋轉速度設置為25r/min，漿液壓力設置為40MPa，漿液水灰比設置為1∶1，要求樁體連續均勻，在施工過程中嚴格根據設計樁長、樁數實現施工。

2.2.2 機器設備和旋噴參數

對鉆機造價、性能、適應條件等進行全面考慮，使用PST-60單臂隧道鉆機和配套7T-505型高壓大流量泵站。此鉆機重量為66t，作業半徑為3.7～6.5m，表1為施工過程中機械設備和材料。

為了提高加固的效果，在實現超前支護前要進行試驗樁和周期性監測。針對高壓水平旋噴樁，加固效果和旋轉速度、漿液壓力、漿液相對密度具有密切關系，在試驗過程中將此因素作為變量設計試驗樁[5]，表2為高壓試驗樁條件。

試驗樁中的樁徑都為600mm，施工長度為8m，樁間距為450mm，回抽速度為25cm/min，施工角度為-3.6°，水泥使用量為150kg/m。試驗樁都在同個區域中，具有相同的地質。對7組試驗樁外管進行查看，表示具有良好的實驗效果。樁身為圓形，沒有縮徑，略微鼓邊。樁體顏色清灰，切割攪拌均勻，并且密實、固結，沒有顆粒狀土塊，表3為樁徑實驗結果。以實驗結果可以看出來，X4試驗樁施工參數的效果最佳，所以旋轉速度為25r/min，漿液壓力為40MPa，漿液水灰比為1∶1的條件中現場施工最佳。實驗結果還表示，通過樁徑分析，在漿液壓力、水灰比、旋轉速度達一定比值時，不會在值增加過程中增大，對試驗樁強度來說，在達一定數值后，值也在增加過程中降低。

2.2.3 施工準備

（1）設備進場和校驗。

（2）測量防線定樁位。

（3）安裝鉆機，對工作平臺平整，安裝高壓泵和油泵。

（4）設備安裝之后，以技術交底調整鉆機角度與方位，并且對準孔位，控制孔位誤差為±50mm左右。

（5）以技術交底需求與施工方案要求，對水泥漿配比，均勻攪拌漿液;在制漿時對漿液比重測量，每孔高噴灌漿后對孔材料用量進行統計;使用高速攪拌機對漿液進行連續均勻的攪拌，攪拌時間在3min以上，一次攪拌時間為4h之內[6]。

2.2.4 打入過程和技術控制

使用專業分包旋噴樁打入設備，空心鉆桿噴嘴在土體中噴射漿液。將水泥漿在攪拌桶中集中攪拌，通過泥漿池收集廢漿和污水，運輸到隧道中并處理。通過“先拱頂、后側墻”順序加固，周邊空位從左到右或者從上到下交替施工。利用專業技術指導與現場技術交底操作，完成前期探索試驗段，總結樁體在圍堰中的成型效果，對注入水泥漿液壓力、比例、成樁綜合質量進行測算。通過自動泄壓系統、自動防控系統、自動側壓系統創建打樁設備，避免大孔內壓力導致地面隆起。將觀測點設置到地表，如果在施工過程中的地表隆起或者沉降在5mm以上，施工要停止，將應急預案啟動調整。在試選過程中，先以實際經驗和相應的數據選擇參數，機械反鏟開挖之后對水泥與水混合摻和在沙土中固化溫度時間進行測量查看，并且查看鉆機各協作泵反饋數據、泵漿情況，包括樁體最里面成型與最后接近掌子面無規則水泥漿土塊效果。從而得出工程作業參數，調整打入角度、樁孔位置、深度。

2.2.5 測控定位

挖30cm×30cm的排漿溝斷面，排漿溝和開挖成型泥漿池接入。對用電設備鉆機、控制閥門、高壓油管等進行檢查，對油液量防爆管進行復核。對高壓壓力表進行監測，高壓泵和鉆桿結合處連通，分析是否開裂、破碎。

在作業面利用渣車運土，利用堆填機械進行整平。通過腳手架進行樁孔的定位，在掌子面實現鉆桿定位時，工作人員要進行糾正和觀測。在需要開挖掌子面外輪廊處實現全站儀定位，對紅色圓圈標記，將鋼筋打入內部。和全部鋼筋樁位連接就能夠精準定位開挖線型與范圍，在開挖前將已經封堵掌子面混凝土層進行破除，使其作為旋噴樁鉆桿支撐托架，對鉆孔精度進行保證。

根據實驗室配合比，在圓桶中對水泥漿進行拌制。以鉆桿壓力與打入情況，與內部圍巖與土體結合，對排除廢液粘稠度進行查看，實現拌制時間的合理調整，避免凝結固化。

2.2.6 調整樁孔

根據測量輪廊標記鉆孔位置，通過專人在樁孔定位處對操作手指揮，組對準鉆頭頂住掌子面。如果樁孔無法對準，要先使用撬棍輔助定位[7]。

2.2.7 高壓旋轉壓進

將電力設備和液壓設備開通，通過合理速度轉動空心合金鉆桿，在松軟土體中壓進。砂土具有較大的摩擦力，適當的添加膨潤土、清水能夠降低摩阻力，避免鉆桿卡住、擰斷和彎折，構成良好成型孔徑，并且使每個鉆桿都牢固的連接。

2.2.8 壓入水泥漿

通過連接長度和圖紙的設計，記錄鉆桿進入的深度，在土層最前端原位旋轉，壓入水泥漿液，使壓力和速度緩慢的調整。對壓力進行控制，并且對壓力表時刻觀察。在拔出后利用專人將外漏的鉆桿拆除，和高壓泵管道連接，避免漏漿過多。然后對掌子面樁部開展后端孔，填充材料。

2.2.9 安管和封孔

為了使旋噴樁抗剪強度，將89mm×4mm鋼管安裝到樁孔中，要拔出時通過土工布封閉樁空洞，避免孔口流出水泥漿。在樁孔洞中水泥漿溢水后，要通過鉆機輔助人工壓入鋼管。如果旋噴樁補插鋼管，在樁空洞中水泥漿溢水半小時后利用土工布封堵鉆孔空洞。如果插入鋼管，要在插入之后立刻使用土工布將鋼管和孔洞之間鋼管控與縫隙封堵。

2.2.10 清理工作

利用清水對每根樁高壓部位清洗，如果管道中具有水泥漿，要將水源壓入，工作人員通過末端對水液清潔情況進行查看，判斷清洗是否干凈。

2.2.11 成樁質量檢測

單樁通過孔內成像、鉆孔取芯、角度測量的檢測，旋噴壓力會對旋噴轉固結體造成影響，對孔位誤差控制在50mm以下。單樁鉆孔取芯過程中的角度偏斜，對樁徑進行判斷。利用孔內成像對樁體均勻性進行檢測，組合試驗通過取芯方式對質量強度和咬合搭接進行檢測[8]。

3 結語

旋噴壓力能夠對固結體質量影響，在不改變漿液重度與噴嘴參數時，旋噴軸中壓力和流速平方為正比關系，壓力越大，說明具有較大的固結體直徑。漿液水灰比大小能夠對成樁固結體強度造成影響，要通過實驗室試驗之后，得到最佳的水灰比。一般，旋噴漿液和砂體要均勻攪拌，從而提高旋噴樁的強度。所以，為了使旋噴樁樁身強度得到提高，可以使用控制后退旋噴速度或者重復旋噴攪拌施工工藝。

參考文獻

[1]文妮，趙春彥.基于高壓水平旋噴樁超前支護技術的隧道施工技術研究[J].公路工程，2019，044（001）：135-139.

[2]邵永平.細砂層鐵路隧道水平旋噴樁超前預支護施工技術[J].鐵道建筑技術，2019（11）： 105-108+134.

[3]趙恒.淺談高壓水平旋噴樁開挖防護技術在五虎墩隧道工程中的應用[J].門窗，2019（16）： 264-265.

[4]李磊磊，李彥強.水平旋噴樁施工工藝在深圳地鐵施工中的應用[J].水利水電施工，2018（006）：67-71.

[5]范森.鐵路隧道風積砂層高壓水平旋噴樁超前加固施工技術[J].價值工程，2018，37（15）：141-144.

[6]羅姍.超長水平旋噴樁止水帷幕技術在富水砂層中的應用研究[J].鐵道勘察，2018，15（2）：73-76.

[7]呂海濱.泥漿比重在鉆孔灌注樁施工質量控制中的應用研究[J].粘接，2020，041（01）：111-114.

[8]王丹，趙敏.基于云架構的建筑工程粘接成本集成管理平臺設計[J].粘接，2020，41（03）：121-124+155.