水平旋噴樁技術(shù)在莞惠城際鐵路淺埋暗挖隧道工程中的應(yīng)用

張明聚，李 方，李 海，劉 義

(1.北京工業(yè)大學(xué)城市與工程安全減災(zāi)省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100124;2.中鐵十三局集團(tuán)有限公司第二工程有限公司，廣東深圳 518000)

控制隧道變形和地表沉降以及減少隧道對(duì)周邊環(huán)境、建筑物的影響是淺埋暗挖隧道施工的關(guān)鍵，所以施工前應(yīng)首先對(duì)隧道掌子面前方土體進(jìn)行超前支護(hù)，隨后再進(jìn)行施工開挖。超前支護(hù)處理得好，不僅能保證隧道在建設(shè)施工中的各項(xiàng)安全而且具有較好的經(jīng)濟(jì)效益。因此，應(yīng)正確選擇超前支護(hù)方法。目前淺埋暗挖隧道常用超前支護(hù)方法主要有水平凍結(jié)法、水平旋噴樁法、超前小導(dǎo)管注漿法、管棚法等。

水平旋噴樁技術(shù)是在水平鉆孔內(nèi)以高壓旋噴的方式壓注水泥漿，在隧道開挖外輪廓形成拱形預(yù)襯砌，以防護(hù)掌子面和地表下沉的超前支護(hù)方法[1]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)水平旋噴樁施工原理、施工設(shè)計(jì)等做了大量研究[2-5]。孟鳳朝[6]研究表明水平旋噴樁在流塑狀砂質(zhì)黏性土隧道施工中能有效提高洞室穩(wěn)定性，建議在隧道掌子面前使用水平旋噴樁并增設(shè)臨時(shí)仰拱。路德富[7]以北京長(zhǎng)安熱力復(fù)線管線的淺埋暗挖隧道為例，對(duì)水平旋噴樁的施工原理和施工設(shè)計(jì)進(jìn)行了探討。提出應(yīng)根據(jù)工程地質(zhì)條件合理確定仰角(一般在3°～5°)，旋噴樁長(zhǎng)度不宜過長(zhǎng)。郭偉[8]以深圳地鐵安托山站—僑香站區(qū)間為例說明了在富水砂層淺埋暗挖隧道施工中應(yīng)用水平旋噴樁施工工藝能有效防止隧道涌沙、涌水事故的發(fā)生，且洞內(nèi)止水效果良好。本文以莞惠城際鐵路為例，將實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)比，分析水平旋噴樁超前支護(hù)控制隧道開挖施工引起的地表沉降的效果。

1 工程概況

莞惠城際GZH-4標(biāo)GDZK19+877—GDZK19+780、GDK19+875—GDK19+780段暗挖隧道穿越皇瑪麗宮在建小區(qū)，與3標(biāo)相接，分界里程為DK19+780。隧道埋深10 m，圍巖等級(jí)Ⅵ級(jí)，采用CD法開挖施工。該段地貌屬丘間谷地，地形略有起伏。

隧道拱頂覆土為素填土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土、砂層。洞身主要穿越砂層、粉質(zhì)黏土、全風(fēng)化混合片麻巖。其中，素填土松散～稍密;淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土具有孔隙比大、壓縮性高、抗剪強(qiáng)度低等特點(diǎn)，具觸變性、流變性;砂層為沖洪積砂層，以粗砂為主，局部為細(xì)砂，富水性大，結(jié)構(gòu)松散～中密，透水性中等～強(qiáng);粉質(zhì)黏土層、全風(fēng)化混合片麻巖土質(zhì)不均，遇水易軟化，無自穩(wěn)能力。以上均屬不穩(wěn)定土體，易受施工擾動(dòng)，極易造成隧道坍塌、側(cè)壁失穩(wěn)等施工危害。

地下水埋深0.8～6.0 m，水位變幅5.2 m，補(bǔ)給來源較好。隧道拱頂以上以地表水補(bǔ)給為主，且圍巖滲透情況較好，仰拱及以下為風(fēng)化裂隙水，水量較為豐富。

2 不同超前支護(hù)措施的數(shù)值模擬

為確定具體施工方案，用FLAC 3D軟件分別對(duì)單排旋噴樁、雙排旋噴樁、小導(dǎo)管注漿三種超前支護(hù)措施進(jìn)行數(shù)值模擬分析。

2.1 數(shù)值模擬模型和邊界條件

計(jì)算模型選取水平方向(X軸)長(zhǎng)30 m，隧道軸向(Y軸)長(zhǎng)20 m，豎直方向(Z軸)長(zhǎng)29 m。因?yàn)閷?shí)際隧道軸向長(zhǎng)9.038 m，豎直方向長(zhǎng)8.980 m，所以將隧道模擬為半徑4.5 m的圓柱體。隧道圍巖采用六面體單元。模型左右兩側(cè)邊界施加水平方向的位移約束，前后兩側(cè)邊界施加沿軸向的位移約束，下邊界施加豎向約束，頂部為自由表面，不進(jìn)行任何約束。

2.2 模型參數(shù)

隧道使用CD法施工，分4步開挖。因隧道埋深僅為10 m，屬淺埋隧道，故將其巖性簡(jiǎn)化為4層，見表1。

表1 模型參數(shù)

2.3 地表沉降結(jié)果對(duì)比分析

因隧道下穿城市主要道路和一在建高層小區(qū)，故對(duì)隧道開挖時(shí)地表沉降提出了高要求。因城市淺埋暗挖隧道開挖的第1步和第2步對(duì)地表沉降的影響較大，現(xiàn)以隧道開挖后地表沉降值為控制量，將隧道開挖前2步數(shù)值模擬結(jié)果歸納為圖1。

圖1 隧道開挖前2步數(shù)值模擬結(jié)果

從圖1可得，水平旋噴樁超前支護(hù)能有效控制隧道開挖后的地表沉降，而且模擬施工效果比小導(dǎo)管超前注漿好，考慮到經(jīng)濟(jì)效益以及該隧道施工過程中地表沉降預(yù)警值30 mm，沉降速率＜2 mm/d的要求[9]，實(shí)際施工中采用單排水平旋噴樁施工。

3 水平旋噴柱施工

3.1 支護(hù)方案

此段隧道開挖輪廓范圍內(nèi)幾乎全是砂層，地質(zhì)條件差、埋深淺(10 m)，控制地表沉降是工程難點(diǎn)所在，所以拱頂采用了水平旋噴樁施工，隧道底部開挖輪廓線外同時(shí)帷幕注漿起到支護(hù)、防水等效果。

為確保洞內(nèi)斷面注漿時(shí)不發(fā)生地面冒漿，同時(shí)又能達(dá)到掌子面開挖時(shí)不涌水、涌泥，首先在洞內(nèi)拱頂180°開挖輪廓線以外打設(shè)1圈水平旋噴樁作為超前支護(hù)，同時(shí)作為止水、止?jié){帷幕。然后在隧道上半部掌子面打設(shè)9根旋噴加固樁來穩(wěn)定掌子面土體。水平旋噴樁完成后，在隧道下半斷面洞內(nèi)及其開挖輪廓線以外4 m范圍內(nèi)進(jìn)行帷幕注漿。

3.2 水平旋噴樁施作范圍

在隧道開挖輪廓線以外采用42根φ600 mm@450 mm旋噴樁作為超前支護(hù)，同時(shí)在上半部掌子面設(shè)置3排間距1.0 m×1.5 m，梅花形布置的旋噴樁來穩(wěn)定掌子面前方土體。旋噴樁布置示意如圖2。樁長(zhǎng)均為15 m，每循環(huán)預(yù)留3 m的旋噴樁搭接長(zhǎng)度，拱頂旋噴樁外插角為3°～5°。

圖2 旋噴樁布置示意(單位:mm)

3.3 主要施工參數(shù)

旋噴樁直徑600 mm，樁間距450 mm，旋噴壓力40 MPa，旋噴轉(zhuǎn)速20 r/min，水泥漿漿液流量50 L/min，漿液配合比1∶1，后退速度20 cm/min。

3.4 施工技術(shù)要求

①水平旋噴樁位置偏差±3 cm;②打設(shè)角度偏差在2‰以內(nèi);③施工后長(zhǎng)度不小于設(shè)計(jì)樁長(zhǎng);④樁體應(yīng)確保均勻、連續(xù)，滿足設(shè)計(jì)強(qiáng)度要求并達(dá)到止水效果;⑤水平旋噴樁現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)應(yīng)嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)樁數(shù)、樁長(zhǎng)、樁徑和樁位等施工;⑥應(yīng)在施工現(xiàn)場(chǎng)先進(jìn)行2根樁的成樁試驗(yàn)，通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)掌握單位時(shí)間噴漿量、噴漿壓力、旋噴速度、拔鉆速度等技術(shù)參數(shù)，確定最佳施工工藝以及最佳施工參數(shù);⑦樁體施工過程連續(xù)不中斷。

3.5 質(zhì)量保證措施

①試驗(yàn)樁施工完成后應(yīng)進(jìn)行各項(xiàng)樁的質(zhì)量檢測(cè)，主要檢測(cè)其樁長(zhǎng)、強(qiáng)度、樁徑等指標(biāo)。②鉆頭在鉆進(jìn)過程中受到鉆桿本身重力和高壓漿液對(duì)土體的削切作用，會(huì)產(chǎn)生明顯下移，為此旋噴樁的上仰角應(yīng)根據(jù)樁徑、樁長(zhǎng)、隧道坡度、地層情況確定，從拱底往上采用間隔1根進(jìn)行施工。③施工過程中，操作人員隨時(shí)記錄鉆進(jìn)速度、噴射壓力、噴漿量等有效施工參數(shù)。施工過程中應(yīng)嚴(yán)格控制，做到發(fā)現(xiàn)問題及時(shí)處理。④高壓旋噴時(shí)應(yīng)全孔連續(xù)進(jìn)行，若中途拆卸噴射管，則應(yīng)進(jìn)行復(fù)噴，搭接長(zhǎng)度不小于200 mm。供漿正常的情況下，孔口回漿密度變小且不能滿足設(shè)計(jì)要求時(shí)，應(yīng)加大進(jìn)漿密度。

3.6 施工過程

隧道自穿越富水砂層時(shí)開始使用水平旋噴樁超前支護(hù)，每個(gè)循環(huán)15 m，使用1臺(tái)旋噴鉆機(jī)。隧道斷面共有旋噴孔42個(gè)，自兩邊從上而下依次編號(hào)，施工中每次間隔1個(gè)孔位自上而下、左右交替旋噴直到隧道上斷面底部，然后再從上到下、左右交替補(bǔ)噴剩余孔。鉆孔深度16.5 m，鉆孔角度為3°～5°。

4 施工效果

在洞內(nèi)進(jìn)行旋噴樁及注漿作業(yè)時(shí)，在洞內(nèi)外布置監(jiān)控量測(cè)點(diǎn)，對(duì)掌子面初支在施工過程中產(chǎn)生的變形進(jìn)行監(jiān)測(cè)。為了反映水平單排旋噴樁超前支護(hù)在實(shí)際工程中控制地表沉降的效果，現(xiàn)將其數(shù)值模擬結(jié)果和實(shí)際監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)比如圖3。

圖3 數(shù)值模擬結(jié)果和實(shí)際監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)比

由圖3可知:地表沉降監(jiān)測(cè)值和模擬值變化規(guī)律幾乎一致。數(shù)值模擬結(jié)果能比較準(zhǔn)確真實(shí)地反應(yīng)實(shí)際情況。監(jiān)測(cè)值較模擬值偏大，經(jīng)分析是由于城市道路上交通活荷載和在建小區(qū)施工荷載對(duì)淺埋隧道影響所致。

5 結(jié)論

深圳莞惠城際鐵路GZH-4標(biāo)淺埋暗挖隧道采用水平旋噴樁超前支護(hù)，成功穿越飽和粉細(xì)砂層及礫砂層，通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和施工，得出以下結(jié)論:

1)數(shù)值模擬結(jié)果和實(shí)際監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)比表明，使用水平旋噴樁能有效控制隧道開挖后的地表沉降。

2)隧道開挖后水平旋噴樁咬合而成的拱殼承擔(dān)的圍巖壓力較大，施工時(shí)應(yīng)選擇合適的水泥漿配合比及旋噴工藝，以保證水平旋噴樁有較好的剛度。

3)水平旋噴樁超前支護(hù)施工時(shí)，應(yīng)嚴(yán)格執(zhí)行施工技術(shù)要點(diǎn)，并加強(qiáng)隧道監(jiān)測(cè)量控，用監(jiān)測(cè)和數(shù)值模擬結(jié)果科學(xué)指導(dǎo)隧道施工。

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