穿越淺埋富水砂層隧道水平旋噴樁加固技術應用研究

趙興巖

中鐵建大橋工程局集團第二工程有限公司 廣東 深圳 518000

在淺埋富水砂層隧道施工中科學運用水平旋噴樁加固技術，可以提高軟弱地質穩定性，使富水砂層具有良好的承載力和止水效果，避免隧道施工過程出現涌砂、涌水等安全隱患。水平旋噴樁強度較高，可為隧道開挖施工提供安全保障。由于不同地區隧道施工的地質、水文條件復雜，隧道加固工藝差異性較大。針對淺埋富水砂層隧道水平旋噴樁加固技術的相關研究，可以有效降低隧道施工風險系數，具有重要的經濟效益和推廣價值。

1 工程概況

莞惠城際GZH-4項目全長5.300km，位于東莞市東城區，區間場地屬剝蝕丘陵及丘間谷底地貌，地形有較大起伏，標高在6.2～133.3m之間變化，谷間多為菜地、高爾夫球場、上屯村居民區。招標設計線路沿八一大道和松山湖大道進行施工，線路布設需穿越市政道路、旗峰山、高爾夫球場、高速、1.1 km居民區、黃沙河，然后連接GZH-5標段。隧道主要穿越粉質粘性土、全風化、強風化、微風化混合片麻巖，局部穿越粗砂層、泥質砂巖。項目共設7座豎井，井深19～52m，暗挖隧道全部通過豎井開挖。

2 工程特點及重難點

2.1 工程特點

項目全部為區間暗挖隧道，且均通過豎井進洞施工。隧道經過區域環境較復雜，隧道先后穿越上屯村1.1km居民區、高爾夫球場、黃沙河、八一大道、環城路、莞深高速、西南路，對施工影響較大。暗挖隧道通過豎井施工，部分豎井較深，提升能力是保證施工進度的關鍵。

2.2 工程施工重難點

2.2.1 施工重點

莞惠城際GZH-4項目施工重點概括起來主要為“一區、二水、三井、四路”。“一區”是指隧道穿越上屯村1.1km居民區，房屋密集，基礎簡單，爆破振動、地表沉降控制難度較大；“二水”為隧道先后穿越高爾夫球場人工湖、黃沙河，穿越人工湖隧道頂即為湖底，穿越黃沙河段河底有較厚砂層；“三井”是指3、4、5#井，3、4#井深接近50m，5#井井深53m，在工期如此緊迫的情況下深豎井的開挖及出碴是一個較大難題；“四路”是指隧道先后穿越八一大道、環城路、莞深高速公路、西南路，4條主干道車流密集，管線密布，地表沉降控制要求較高。

2.2.2 施工難點

降水井施工是莞惠城際GZH-4項目施工難點。為提高拱頂W4全風化巖的自穩能力，減少淺埋富水砂層內動水對旋噴樁施工質量的不利影響，應進行該段隧道地表降水。在左線GDZK25+036～GDZK25+076.453、右線GDK25+045～GDK25+080外開挖輪廓線外側4.0m，在兩線路中間右側打設降水井，降水井間距10m，左、右線外側兩排降水井與兩線中間的降水井施工采用梅花形布置。降水井開孔直徑700mm，井管采用直徑400mm焊接鋼筋籠。降水井深度為隧道仰拱以下7.5m，在隧道開挖前15～20天對土體進行降水。降水井施工注意事項：在降水井施工前，明確地下管線位置，做好保護措施；降水井和結構外輪廓線距離約4m，施工過程小導管、鎖腳錨管、錨桿應避開降水井,并間隔3孔井布置1孔觀測井；觀測井布設應準確反映施工現場的水位變化；提前進行降水試驗，以便調整施工工藝和相關設計參數；降水過程同步監測各降水井、觀測井的水位和水量，根據監測結果及時進行調整；充分重視降水對施工環境的影響，施工期間應加強對周圍建筑的沉降監測，為防止降水造成周圍建筑沉降過大，在建筑物附近可設適量的回灌井，以保證建筑安全[1]。

3 穿越富水砂層隧道加固施工方案

暗挖隧道穿越富水砂層段(DK25+036～080)圍巖為Ⅵ級圍巖，采用CD法開挖。隧道地面地形平坦，周圍建筑物主要是廠房及建筑物，與隧道左線輪廓線距離8～20m。隧道拱頂上方地質依次為強風化花崗巖、全風化粉砂巖、粉質粘土、砂層及素填土，洞身主要為強風化混合片麻巖。其中花崗斑巖，節理發育，圍巖破碎，強風化節理裂隙發育，巖體破碎，滲水性強。全風化層呈砂土狀，遇水軟化，開挖過程中易坍塌。隧道位于黃沙河附近，施工現場地下水與黃沙河存在一定水力聯系，且地下水豐富。隧道附近存在廠房等建筑物，為保證隧道開挖施工安全和周圍建筑安全，因此應先進行地表降水，再在洞內采用水平旋噴樁進行超前支護，以滿足設計要求的加固效果[2]。

總體施工方案：（1）右線GDK25+045～GDK25+080段礦山法隧道地表采用?700間距10m管井降水，隧道拱部180°范圍采用?600mm@400mm洞內水平旋噴樁進行超前支護。（2）左線GDZK25+036～GDZK25+076.453段礦山法隧道地表采用?700間距10m管井降水，隧道拱部180°范圍采用?600mm@400mm洞內水平旋噴樁進行超前支護。洞內清淤后，采用網噴混凝土結構封閉左線GDZK25+036、右線GDK25+045掌子面噴射混凝土厚度≥20cm。先在地表打設降水井進行降水，然后在洞內采用水平旋噴咬合樁進行超前支護。

4 水平旋噴樁加固技術

4.1 施工準備

首先，設備進場。檢查鉆機運行情況，檢查啟動柜、三聯泵、液壓油、電機、鉆具、工具、各油管快速接頭、高壓注漿泵等。鉆機應正常運行，啟動柜、三聯泵應完好，液壓油液面高度應在油箱高度的2/3處以上，電機、鉆具、工具、各油管應齊全，避免回油管、機臺各油管出現損傷。高壓注漿泵、壓力表可以正常運行，且注漿管路應暢通。其次，測量放線，確定水平旋噴樁位。在暗挖隧道兩側進行測量放線，確定2個同一里程點，同時測量確定隧道開挖輪廓線、樁位，做好標記和樁號，樁位采用鋼筋進行標志。

4.2 鉆機就位

鉆進安裝前先平整場地和工作平臺，安裝軌道、立柱等，并設置排水溝。鉆機安裝采用250×250mm規格的鋼墊板和直徑Φ16mm的高強螺栓。鋼墊板應固定牢固，且具有一定強度。嚴格控制鉆進安裝施工誤差（如表1所示），在鉆進就位后，合理調整鉆機角度和安裝方位，確保孔位準確。莞惠城際GZH-4項目的水平旋噴樁徑為600mm，樁間距40cm，旋噴壓力40MPa，旋噴轉速20r∕min，漿液流量50L/min，漿液配比以1：1為宜，后退速度20cm∕min[3]。

表1 鉆機安裝允許誤差

4.3 漿液制備

根據隧道加固施工方案和相關規范要求，科學設計水泥漿漿液配比。合理配制漿液，確保漿液攪拌均勻。在漿液制備過程，關注、測量漿液比重。每個樁位在高壓注漿結束后，應及時統計該處漿液用量。漿液制備采用高速攪拌機進行攪拌，制定、攪拌漿液要求連續均勻，保證攪拌時間≥3min，且攪拌1次漿液使用時間應≤4h。

4.4 確定施工范圍

在隧道拱頂180°開挖輪廓線以外為水平旋噴樁施工范圍，將42根Φ600mm的旋噴樁作為隧道超前支護，并在隧道上半部的掌子面，打設9根旋噴加固樁，以加固掌子面土體。旋噴在共設3排，樁間距1000×1500mm，旋噴樁以梅花型進行布置(如圖1所示)。項目所有水平旋噴樁樁長均為15m。每循環預留3m旋噴樁搭接長度，項目中的拱頂旋噴樁外插角為5°。

圖1 水平旋噴樁加固范圍斷面圖

4.5 鉆進

先打2個探孔確定施工現場的地層情況，最大程度地減少軟弱不良地質對鉆孔角度和鉆進施工質量的影響。再根據探孔實際情況，確定鉆進角度，調整鉆機對準孔位（如圖2所示）。將鉆頭和第1根鉆桿送入孔口管，打開密封裝置和循環液排出口。項目循環漿液采用膨潤土、聚丙乙烯、火堿制作。正式鉆進時按鉆進角度，鉆至設計深度。鉆進施工時容易出現堵住噴嘴的問題，應密切關注循環液壓力變化，并在鉆進過程中將循環液壓力嚴格控制在1.0～2.0MPa范圍，以防鉆進過程出現砂石堵塞噴嘴的問題。當鉆機移到下一孔位時，應先檢查相鄰樁的成樁時間，確保相鄰樁的成樁時間超過初凝時間，再進行后續樁的施工。當前一根樁的漿液強度達到一定要求后后施工的樁才能開鉆，相鄰樁應相互咬合，一般情況下移至下一孔位時，適宜跳過1～3根樁再施工。

圖2 水平旋噴施工示意圖

4.6 高壓旋噴

高壓噴漿參數：漿液配比為1：1，注漿壓力為35～40MPa。高壓噴漿作業為跳躍式成樁，應確保強度一致,以預防鉆桿偏移、樁間咬合率低等問題。高壓注漿泵應滿足泵壓40MPa要求，泵壓符合設計要求即可正式開始噴漿。注意預防鉆桿接頭處漏氣問題，發現漏氣則退回鉆桿，及時查出問題原因，重新密封后再施工。注意預防噴嘴堵住、堵死，發現問題應及時全部退回鉆桿，并進行疏通，然后重新下管，施工至設計深度，再進行旋噴。高壓噴漿施工至孔底時，應先停留片刻，再將鉆桿緩向外拔出。在高壓噴漿過程中由專人負責控制泵壓，當泵壓過低時應暫停作業，解決問題后再繼續作業。鉆桿外拔至孔口0.50m，停止注漿將鉆桿拔出。注意拔出的鉆桿應馬上進行清洗，清洗采用高壓清水，可以防止殘留漿液凝固問題，預防下次施工出現殘留顆粒物堵塞噴嘴問題。每根水平旋噴樁施工完畢后，應采用清水對管道及設備進行高壓沖洗，以防管道內出現殘渣，清洗干凈后即可移至下一樁位繼續施工[4]。

4.7 封孔

高壓旋噴至掌子面0.50m處，即可停止噴漿。先拆除密封裝置，關閉循環液排出口，然后將鉆桿、鉆頭快速拔出，再關閉大球閥。注漿完成后將壓力表安裝在循環液排出口進行漿液補注，將補注壓力控制在1.0MPa左右為宜，補注結束48h即可將大球閥進行缷除。

5 水平旋噴樁施工注意事項

鉆桿連接、卸除應快，并注意清洗干凈接頭，防止鉆桿殘留雜物堵塞噴嘴，并保證循環液排出口為暢通狀態。為預防循環液排出口出現堵塞，應保證密封裝置和返漿通道暢通、設備運行狀態正常。旋噴樁施工過程應嚴格控制返漿量，將其控制在規范20%為宜。

如果孔內無法疏通，為防止出現抱鉆等情況，則可緩慢退出鉆桿，在鉆孔返漿正常后，可重新下鉆桿，繼續進行高壓旋噴作業。高壓旋噴時因故障中斷時，應結合故障原因采取有效措施及時進行處理。高壓旋噴過程出現機械故障時，應盡量縮短中斷施工的時間，并盡快恢復作業。當中斷施工的時間＞2h時，應采取補救措施。恢復高壓旋噴后，鉆桿應多伸出30cm，以保證漿液凝結的連續性。當施工過程發生冒漿時，及時封堵孔口；若出漿量大可加入適量速凝劑，并嚴格控制噴漿速度[5]。

6 結語

為保證軟弱不良地質的隧道水平旋噴樁加固效果，在施工前應根據項目地質水文條件，做好施工降水措施，并嚴格檢查施工機械設備，確保安全有效并可以正常運行。在水平旋噴樁施工過程中，嚴格按照相關規范進行操作，水平旋噴樁施工效果滿足隧道加固要求，并有效提升隧道施工安全。