含水疏松沙層隧洞地層加固方法對比

牛 軍

(甘肅省引洮工程建設管理局，甘肅 蘭州 730000)

含水疏松沙層隧洞地層加固方法對比

牛 軍

(甘肅省引洮工程建設管理局，甘肅 蘭州 730000)

引洮供水一期工程總干渠7號隧洞在樁號60+931.0～改60+875.6段為含水疏松粉細沙層段，先后分段采用了帷幕灌漿、水平旋噴樁、水平凍結法等地層加固方法，對此地層三種加固方法結合實際施工情況，分別從施工技術、施工方案、施工過程及施工經驗總結這四個方向進行介紹，并進行相關對比。

隧洞,含水疏松沙層,帷幕灌漿,水平旋噴樁,水平凍結法,分析,對比

引洮供水一期工程總干渠7號隧洞設計縱坡i=1/1 650，圓形斷面，開挖直徑5.75 m，襯砌后凈直徑4.96 m。設計采用1臺單護盾TBM全斷面掘進機獨頭掘進及C45鋼筋混凝土管片拼裝襯砌的施工。TBM從出口掘進至樁號60+931.0位置進入含水疏松沙地層，掌子面和已襯砌部分管片出現具承壓的涌水涌沙，泥沙陸續涌入盾體內造成TBM主機部分約3/4的部位被埋。由于施工遇到了難以預知和難以攻克的地質問題，在采取各種措施脫困后TBM仍無法恢復掘進，出口工作面遂停止TBM掘進施工。樁號60+931.0～改60+875.6段為含水疏松沙層，施工區域埋深約240 m。疏松砂層自穩性差，成洞困難，開挖后極不穩定，坍塌嚴重，掌子面極易涌水涌砂。為此，先后分段采用了帷幕灌漿、水平旋噴樁加固、水平凍結加固等地層加固方法。現就此三種地層加固方法結合實際施工進行對比。

1 帷幕灌漿

1.1帷幕灌漿施工技術

帷幕灌漿施工是將漿液灌入地層的裂隙、孔隙，在地層中形成連續的隔水帷幕，減小水在地層中流動性，達到加固地層目的，以保證開挖和構筑施工的安全。

1.2總體施工方案

第一步：對前方地層進行帷幕灌漿加固。首先在樁號60+931.0處設置止漿墻(厚約2 m)，傾角為65°(往進口方向傾斜)。注漿孔布置和注漿預測效果見圖1。本循環灌漿縱向長度為15 m，有效加固長度扣除2 m厚止漿墻后為13 m，徑向加固范圍為開挖輪廓線外5 m。完成本循環灌漿后預計能實現開挖8 m。

第二步：在灌漿效果檢查完畢并合格以后，在拱頂180°范圍布設管棚，布設完成后拆除止漿墻并向前開挖。

1.3施工過程

灌漿材料采用普通硫鋁酸鹽水泥單液漿為主，輔助普通水泥—水玻璃雙液漿。灌漿施工中根據現場灌漿情況對灌漿材料進行合理選擇，同時對漿液配比進行調整。

灌漿順序按照“由外到內、間隔跳孔”的原則進行，以達到控域灌漿、擠密加固的目的；灌漿過程中可在灌漿工作面選取5個～6個灌漿孔，鉆至設計深度，不灌漿退鉆，作為排水、排砂孔，以提高地層可灌性的目的。

設計單孔灌漿結束標準：灌漿過程中，壓力逐漸上升，流量逐漸下降，當灌漿壓力達到5 MPa～7 MPa時，即可結束該孔灌漿，或當灌漿量達到2.0 m3/m、壓力仍不上升時，要調整漿液凝固時間，同時采取小量多次原則，以保證注漿壓力達到設計值，方可停止該孔灌漿。

實際灌漿過程中，灌漿壓力迅速上升，流量急劇下降，灌漿壓力很快達到5 MPa～7 MPa后，灌漿壓力仍持續上升，最大達到30 MPa，單孔平均灌漿量仍不足0.5 m3/m。地層隨著注漿量的增加，導致注漿壓力達到較高壓力，注漿量都很小，最終不得不終止所有孔灌漿。

1.4分析

該含水疏松沙層中主要為粉細砂，漿液在地層中流動性較差，在實際施工中發現，通過灌漿很難達到理想的阻水帷幕。

2 水平旋噴樁加固

2.1水平旋噴樁施工技術

噴射注漿法又稱旋噴法注漿，簡稱旋噴樁。水平旋噴是以高壓泵為動力源，通過水平鉆機、鉆桿、鉆頭、噴嘴把配制好的漿液噴射到土層中。在噴嘴作緩慢進退和旋轉的過程中，噴射出的漿液把一定范圍內的土層切削、摧毀，與漿液在原位充分攪拌混合，形成大致水平的柱狀水和泥土的固結體，即水平旋噴樁；當多個旋噴樁相互咬合后，在隧洞開挖區域周圍形成封閉的帷幕，防止地層中水滲透的同時，還起到一定的支護作用。

2.2總體施工方案

從樁號改60+875.6處設置止漿墻(厚約2 m)，傾角為65°(往出口方向傾斜)。在止漿墻向外100 mm處設置一圈水平旋噴樁，樁徑為550 mm，樁間距為400 mm，旋噴樁長度18 m，傾角1°，共計49根(見圖2)，環間搭接約5 m，實際開挖約13 m。

2.3施工過程

根據設計先打設中間孔，再打設外圍孔。采用水平定向鉆機打設水平孔。鉆進至設計深度后，拔出鉆桿，通過水平鉆機、鉆桿、噴嘴以35 MPa～40 MPa的壓力把配制好的漿液噴射到土層內,借助流體的沖擊力切削土層，同時鉆桿一面以一定的速度(20 r/min)旋轉，一面低速(15 cm/min～30 cm/min)緩慢外拔，使土體與水泥漿充分攪拌混合，膠結硬化后形成直徑比較均勻，具有一定強度(因地質情況不同強度為1.0 MPa～8.0 MPa)的樁體，從而使地層得到加固。

當所有旋噴樁施工完成后，通過取芯，旋噴樁之間相互咬接較差，部分樁間取芯發現樁間沒有咬接，同時旋噴的均勻性較差、斷樁較多，無法滿足開挖施工需要。

2.4分析

水平定向鉆機在打設水平孔過程中，鉆桿受重力影響，向下偏并有一定弧度；同時，受地層、操作等影響，水平鉆孔自身有一定的誤差，從而導致各樁間的方位角偏差較大，造成旋噴樁之間相互咬接較差，部分樁間沒有咬接。

由于所施工地層為含水粉細沙層，水平高壓旋噴過程中，旋噴速度、拔鉆速度、噴漿壓力、單位時間噴漿量等技術參數不易控制，從而導致形成的旋噴樁均勻性較差，有部分斷樁出現。

3 水平凍結法加固

3.1水平凍結法施工技術

凍結法是利用人工制冷設備，把地層中的水和土膠結成凍土，并有一定厚度和強度，以隔絕地下水與地下工程的聯系，以便在凍結壁的保護下進行地下工程掘砌施工。

3.2總體施工方案

在帷幕灌漿和水平旋噴樁加固均未成功之后，先對帷幕灌漿段從樁號60+931處向進口方向進行全斷面水平凍結加固地層，然后進行礦山法暗挖并一次支護至60+909.6處，接著從水平旋噴樁段改60+875.6和60+909.6處相向同時水平凍結加固地層。

設計從樁號60+931處向進口方向水平凍結長度25 m，開挖并支護21.4 m；設計凍結壁厚2.5 m，凍結孔64個(凍結孔布置平剖面圖見圖3)，積極凍結50 d，凍結壁的厚度和強度達到設計要求后進行開挖支護施工。

從樁號改60+875.6和60+909.6處相向同時水平凍結加固地層，設計凍結壁厚2.5 m，兩個斷面共布置凍結孔69個(凍結孔布置平剖面圖見圖4)，積極凍結60 d，凍結壁的厚度和強度達到設計要求后進行開挖支護施工。

3.3施工過程

在實際施工過程中，先進行凍結孔水平鉆孔和凍結機房安裝施工，然后進行積極凍結施工，在凍結壁的厚度和強度達到設計要求后，最后進行開挖和構筑施工。兩段凍結均按原計劃工期，安全順利的完成開挖及構筑施工。

3.4分析

地層水平凍結法加固施工是把天然巖土變成有一定厚度和強度的凍結帷幕，開挖和構筑施工在凍結內幕內進行。其在地基加固方面，適用范圍廣，成功率可達100%，在安全、工期和造價方面均可控。

4 結語

在同一程種地層中，使用三種地層加固工法，通過對三種工法的對比，發現帷幕灌漿和水平旋噴樁加固地層有一定的局限性，適用性差，成功率低，在安全、工期及造價方面，均不可控；而凍結法施工適用性強，在其他加固工法不成功的條件下，可以有效完成地層凍結加固施工，保證工程安全順利完成。

[1] 雷文敏.萬開高速公路鐵峰山2#隧道右線突水段治水施工技術方案[J].西南公路，2010(1):41-44.

[2] 葛寨輝.富水粉細砂層拆除被困TBM刀盤注漿加固技術[J].隧道建設，2012(S2):105-110.

[3] 趙彥峰.利用水平旋噴樁處理隧洞開挖涌砂[J].甘肅水利水電技術，2012，48(8):57-58.

[4] 吳高偉,許 健，任伯鋒.濕陷性黃土隧洞水平旋噴樁加固效果研究[J].甘肅科技，2014,30(9):82-85.

[5] 陸 路,石榮劍,李兆坤,等.人工凍結法在富水砂層地鐵洞門加固工程中的應用[J].鐵道建筑,2013(4):51-53.

[6] 趙時運,周興榮,王宗金.凍結施工技術在橋梁樁基工程中的應用[J].西部探礦工程，2000(1):40-42.

Comparisonofstrengtheningmethodsforwater-drawingsand-layertunnel

NiuJun

(GansuProvinceYintaoProjectConstructionManagementBureau,Lanzhou730000,China)

Main channel Yintao water supply project of No. 7 tunnel in pile No. 60+931.0 to 60+875.6(changed) segment for water bearing loose silt sand, has adopted in different sections of curtain grouting, horizontal jet grouting pile, horizontal freezing reinforcement method of formation. The formation of three reinforcement methods combined with the actual construction situation, respectively from the construction technology, construction scheme, construction process and construction experience of the four directions are introduced, and the related comparison.

tunnel, waterborne loose sand layer, curtain grouting, horizontal jet grouting pile, horizontal freezing method, analysis, contrast

1009-6825(2017)28-0163-02

2017-07-26

牛 軍(1964- )，男，高級工程師

U455

A