隧道鉆進富水砂層地段水平旋噴樁技術探討

王曉軍

（邢臺路橋建設集團有限公司，河北 邢臺 054001）

1 引言

注漿是目前治理地鐵隧道砂層不良地質的常用手段，包括帷幕注漿加固法、長管棚注漿加固法、水平旋噴樁加固法等[1]。水平旋噴樁技術主要為采用水平定向鉆機預先鉆取預導孔，當鉆孔到預設長度后旋轉回拉鉆桿，同時通過鉆桿將漿液灌入土體中，在巨大的沖擊力作用下，漿液與土體顆粒充分混合，在膠結硬化后，形成注漿加固體，即水平旋噴樁[2]。此技術可應用于黏土層、砂層、粉細砂層、淤泥層等松散富水地層中隧道開挖前的路基處理，具有廣闊的發展前景[3]。

本文以水平旋噴樁工法為基礎，提出了水平旋噴內插管棚工法，詳細介紹了此工法在施工過程中的重難點，并對現場試驗對水平旋噴內插管棚施工的工藝及設備進行了改進。

2 水平旋噴內插管棚工法

2.1 工藝介紹

水平旋噴內插管棚工法工藝流程主要為：場地“三通一平”→工作井開挖→測放點位及監測點布設→鉆機就位→引進鉆頭（89 mm）鉆進→更換攪拌鉆頭（600 mm）、安裝114 mm鋼管→鉆桿回拉、攪拌、安裝114 mm管棚→安裝泄壓管→鉆頭出洞、封洞→安裝泄壓管、114 mm管內注漿→對注漿加固體進行檢測。

2.2 工作井的開挖及圍護

工作井圍護形式：三面采用TRD插型鋼+內支撐，一面采用雙排φ800 mm@600 mm垂直攪噴樁。工作井土方開挖分層進行，隨深度的增加分層打設水平樁，水平樁打設需隔孔打設，為防止漿液凝固，影響咬合效果，需增加適量緩凝劑。

2.3 工作井端頭加固

根據工法試驗情況，封孔處漏漿明顯，為保證端頭封孔效果，工作井端頭2 m范圍內采用φ600 mm@450 mm旋噴樁進行加固。樁體的設計參數為：樁長L=61~68 m、樁體直徑600 mm、樁體咬合寬度200 mm；技術要求：樁體單軸抗壓強度≥1 MPa；樁體滲透系數＜1×10-7cm/s；外傾角≤1.5°；鉆進偏差≤1/200；樁體咬合率≥90%。

2.4 過街橫通道支護

當拱頂及洞身為砂層段時，周圈設置水平樁，當洞身為粉質黏土段時，僅頂拱、側墻設置。拱部180°打設φ600 mm@400 mm水平攪拌樁，內插φ114 mm大管棚。邊墻及底板外輪廓視地層情況打設φ600 mm@400 mm水平攪拌樁。隧道洞身采用CD法開挖。初支厚300 mm，格柵拱架@0.5 m。

2.5 工法設計要求

鉆進精度需符合要求，以確保長距離鉆進中不影響管線；成樁質量需達標，固結體直徑、咬合寬度等需符合要求；強度、抗滲性能需達到要求；明確斷樁情況并進行原因分析；保證注漿均勻性（漿液與土體混合程度）；保證注漿可控性（漿液注入范圍可控）；保證地層適用性，尤其是砂層段效果。

3 現場試驗

為保證上述工法在富水砂層路段上順利實施，挑選了相同地質條件的路段進行了現場試驗。試驗場地位于東郭莊車輛段，兩工作井間距50 m，結構尺寸均為：寬10 m×長6 m×高4 m。實驗段內開挖3 m×3 m×3 m的基坑1個，回填砂土。加固體直徑600 mm，共施工3根，咬合150 mm，樁心距地表高度為1.8 m。

3.1 施工準備

施工準備包括場地布置、機械設備安裝調試、人員上場和材料購置及儲備等工作。施工前，清除施工場內障礙物，不能清除的做好保護措施，然后整平、壓實；合理布置施工機械、輸送管路和電力線路位置，確保施工場地“三通一平”。鉆機就位后，對鉆機進行調平、對中，調整鉆機的垂直度，保證鉆桿與孔位一致；鉆孔前調試空壓機、泥漿泵，使設備運轉正常。

3.2 引進鉆頭鉆進

把鉆機移至鉆孔位置，對準孔位用水平尺掌握機臺及鉆桿水平，墊牢機架，經技術人員檢測合格后方可開鉆。如發現鉆機傾斜，須停機找平后再開鉆。鉆進采用水沖法作業，鉆機內配置高壓泵，鉆頭前端有切削土體的可旋轉葉片，鉆頭前端設置出水孔，鉆頭尾部的信號發射器配合地表的移動式信號接收器組成雷達定位系統，可以隨時糾偏。土壤在高壓水沖擊及鉆頭推進力的作用下沖散成孔。鉆桿直徑為89 mm，即引孔孔徑89 mm。引孔的鉆孔垂直度允許偏差≤3.0%，鉆孔位置允許偏差為50 mm。鉆進速度控制在50 cm/min，4.5 m的鉆桿通過內外交錯的連接方式一節一節鉆進土層。鉆進過程若遇到異常情況，要及時查明原因，采取相應措施，對地層變化、顆粒大小、硬度等要詳細記錄，鉆孔結束后，由技術人員進行質量檢查，合格后方可進行下道工序施工。

3.3 換攪拌鉆頭并連接管棚

引孔鉆頭貫穿土層后，將引孔鉆頭拆卸，換上直徑為600 mm的攪拌鉆頭，攪拌鉆頭內側有出漿口，外側有連接管棚的卡扣，管棚為鋼結構直徑114 mm，壁后6 mm，每根管棚長3 m，管棚鋼管連接在攪拌鉆頭一端隨著鉆桿回拉內插入樁體，鋼管棚段間用絲扣連接。

3.4 設置泄壓孔并封堵端頭

攪拌鉆頭換置完畢并連接好管棚后，啟動鉆機開始回拉，回拉的同時攪拌土體并噴射注漿，攪拌鉆頭出洞段1 m范圍內停止噴射注漿，待管棚到位后人工清除出洞段1 m范圍內松動土體。將1根直徑為10 cm的L形PVC管一端插入洞內1 m，另一端出口垂直向上長度為0.5 m，安置好泄壓孔并用速凝混凝土進行封堵。

3.5 試驗總結

設計樁直徑為60 mm，樁間距為45 mm，設計樁咬合為39.7 mm，通過現場試驗結果與設計數據進行對比可得：試驗數據與設計數據基本吻合，說明鉆孔引進工藝相對成熟；管棚拖曳工藝效果良好；成樁線性良好，偏移較小；樁間距和咬合長度基本符合設計要求；樁體基本完整。

同時通過本次試驗也發現了該工法及設備存在一些不足，引孔鉆桿直徑為89 mm，回拉時鉆桿直徑為600 mm，一次性回拉擴孔有塌孔的風險，且擴孔對地表擾動較大，易出現管棚下垂、鉆頭糊鉆、攪拌不充分的現象，部分成樁不均勻。

4 工藝及設備改進

針對現場試驗發現的上述問題，本文創新性地對水平旋噴內插管棚工法在工藝上進行了優化，由一次擴孔改為兩次擴孔，并根據新工法的要求對設備進行了改進。

4.1 工藝介紹

優化后工藝流程：場地“三通一平”→工作井開挖→測放點位及監測點布設→鉆機就位→引進鉆頭（89 mm）鉆進→更換出渣鉆頭（300 mm）、連接300 mm出渣鋼管排渣→更換攪拌鉆頭（600 mm）、安裝114 mm鋼管→鉆桿回拉、攪拌、安裝114 mm管棚→安裝泄壓管→鉆頭出洞、封洞→安裝泄壓管、114 mm管內注漿→對注漿加固體進行檢測。

4.2 設備改進

根據二次擴孔需求，設計了出渣鉆頭及出渣鋼管。一次擴孔回拉時，出渣鉆頭前端連接出渣鋼管后端連接鉆桿，出渣鉆頭設有破土齒、破土出水口、密封前倉。密封前倉可支撐周圍土體、承受水壓，避免出現之前試驗糊鉆的情況。土體鉆頭通過分動器與出渣鋼管連接。鉆機通過鉆桿給鉆頭提供高壓射流。鉆機帶動鉆頭回拉，在破土齒旋轉及高壓射流雙重作用下打碎土體使之沿空心鋼管排渣，回拉的同時間歇連接鋼管。

4.3 出渣鉆頭排泄土渣

引孔鉆頭鉆進工序與前文一致，此處不再贅述。引孔鉆頭貫穿土層后，將引孔鉆頭拆卸，換上直徑為300 mm的出渣鉆頭，出渣鉆頭上設置出水口。噴水壓力在0.1~3 MPa，由鉆機提供動力。攪拌鉆頭另一側連接上直徑300 mm的空心鋼管，空心鋼管壁厚5 mm，每段長3 m，用粗牙螺紋絲扣、卡扣快接法或螺栓連接。出渣鉆頭在鉆機動力作用下邊回拉邊打碎土體使之沿空心鋼管排渣，空心鋼管連接出渣鉆頭端部也設置有出水口，利用水壓將打碎土體從管內沖出。出渣鉆頭回拉速度控制在50 cm/min，每回拉1 m待鋼管中渣土排盡，且流出清水后再繼續施作。鋼管不是一次性連接完成的，而是邊回拉邊連接鋼管，防止鋼管自重引起的撓度影響。

4.4 換攪拌鉆頭并連接管棚

出渣鉆頭貫穿土層回到始發井后，將出渣鉆頭拆卸，接收井一端的鋼管換上直徑為600 mm攪拌鉆頭。攪拌鉆頭的前端連接分動器，分動器上有連接管棚的接口，管棚為鋼結構，直徑114 mm，壁厚6 mm，每根管棚長3 m，管棚鋼管連接在攪拌鉆頭一端隨著鉆桿帶動鋼管回拉向內插入樁體，鋼管節段間用絲扣連接（管棚為直徑114 mm的鋼管，內含長150 mm內絲扣，用直徑108 mm的連接鋼管進行絲扣連接，連接鋼管兩側分別有長150 mm的螺旋絲扣），鉆桿回拉時，相鄰兩根管棚的首節鋼管長度分別為3 m和1.5 m，其余鋼管為3 m/節，確保管棚鋼管接頭錯開1.5 m。管棚不是一次性連接完成，而是邊回拉邊接長管棚鋼管。

4.5 設置監測管并封堵端口

攪拌鉆頭出洞段1 m范圍內停止噴射注漿，待管棚到位后，人工清除出洞段1 m范圍內松動土體。在管棚上用鋼絲綁上監測管，監測管為直徑30 mm的PVC花管，花管壁厚5 mm，花管上花孔孔徑為15 mm，監測管和鋼管棚一樣，每根長度為3 m，每根監測管上有1個球閥開關，在監測管的末端漿液出口處設置1個端頭管，端頭管與檢測管絲扣連接，端頭管上攜帶1個壓力傳感器和電磁穩壓閥，電磁穩壓閥在管內壓力≤0.5 MPa時是封閉的，當壓力大于0.5 MPa時，電磁穩壓閥會打開排漿泄壓。監測管的連接方式是先把與端頭管連接的監測單管的球形閥關閉再將端頭管卸下，絲扣連接上新的3 m監測管，再將端頭管接在檢測管整體的末端，打開關閉的球形閥門。具體施作配合管棚連接同步施作，保證攪噴樁全程保壓泄壓。孔內壓力過大會導致地表隆起破壞，壓力過小會導致地表塌陷破壞且漿液留存率低。安置好監測管和管棚后，用速凝混凝土進行封堵。混凝土設計直徑600 mm，標號C20，通過水∶砂∶碎石為1∶1∶1配制，加入質量比為30%的水玻璃，使其能夠速凝。用混凝土封堵洞口時，應在鋼管棚周圍纏繞幾層塑料編織袋，防止混凝土凝結后，管棚無法隨著攪拌鉆頭回拉。

4.6 回拉攪噴

每回拉3 m，將出渣鋼管卸掉一節，再將鉆桿和新出土層的出渣鋼管連接，如此循環將所有的出渣鋼管拉出土層。回拉攪噴過程是一個鉆桿回拉、鉆頭攪拌和漿液噴射三者協調進行的過程。攪拌充分的同時將漿液與打碎的土體充分混合形成致密結實的水泥土。注漿材料為水泥單液漿，水灰比為1∶1。開始先拌送水泥漿，然后開啟泥漿，待達到設計參數，端頭管壓力值正常后再開始回拉鉆桿。噴注中若遇故障等特殊情況時，噴管必須沿回拉方向的反向延伸10 cm才能開始繼續噴注，以保證加固體的水平連續性。一根樁施作完成后，根據設計鉆孔位置進行跳孔施作，施作過程重復上述操作。本例中鉆孔間距為45 cm，樁的直徑為60 cm，故兩樁之間重合15 cm，全部施工完畢后形成水平攪噴內插管棚樁連續墻。

5 結語

本文以水平旋噴技術為基礎，提出了水平旋噴內插管棚工法，證明了此工法的可行性，并根據試驗發現了該工法的缺陷，對其工藝及設備進行了改良，使之能更有效地應用于富水砂層路段地基處理，從而有助于地鐵建設過程中安全穿越淺埋第四系富水砂層，具有廣闊的發展前景和較高的實際應用價值。