水平旋噴樁施工工藝在深圳地鐵施工中的應用

(中國電建市政建設集團有限公司 天津 300000)

一、引言

由于城市地鐵暗挖隧道是在巖土體內部進行的，無論其埋深大小，隧道的開挖施工將不可避免地擾動地下巖土體，破壞原有土體的應力平衡狀態。因而引起地表沉降和變形，地表沉降到一定的程度，將影響地面建筑物的安全和地下管線的正常使用。更重要的是地鐵線路一般都會穿越人口密集、地面建筑物林立、地下管網密布的市中心繁華地段，該區段對施工產生的地表位移和變形的要求都很高，施工方法的選擇如稍有失誤，將會造成不可估量的損失。在這種情況下修建隧道，就必須先對工作面前方沿隧道輪廓線進行預加固，然后再開挖，以保證施工安全。水平旋噴注漿預加固技術由于樁間相互搭接，成拱效果好，既有一定強度又能防止滲漏，其加固范圍和加固效果可人為控制，具有良好的工程應用前景。

本文首先介紹水平旋噴樁的工藝原理、施工質量控制及其工程適應性，然后結合深圳地鐵7號線7301-1標西茶區間5、7號聯絡線試驗段礦山法隧道，詳細闡述水平旋噴樁的施工方案確定及具體實施流程，論證水平旋噴樁施工工藝在軟弱地層淺埋暗挖隧道開挖預支護工程應用上的優勢。

二、水平旋噴樁施工工藝概述

(一)成樁原理

水平旋噴樁施工工法為單管法，鉆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，且同時通過水平鉆機鉆桿、噴嘴以大于35MPa的壓力把配制好的漿液噴射到土體內(噴漿壓力為35～38MPa)，借助流體的沖擊力切削土層，使噴流射程內土體遭受破壞，與此同時鉆桿一面以一定的速度(10～12r/min)旋轉，一面低速(12～15cm/min)徐徐外拔，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，具有一定強度的樁體，從而使地層得到加固，當旋噴樁相互咬接后，便以同心圓形式在隧道拱頂及周邊形成連續的約60cm厚的硬殼體。

(二)工藝流程

水平旋噴樁施工工藝流程見圖1。

圖1 水平旋噴樁施工工藝流程圖

(三)施工步驟

1.施工準備

首先，檢查鉆機運行是否正常。高壓注漿泵運行是否正常，高壓注漿管路是否暢通，壓力表是否正常。其次，測量放線定樁位，在工作室掌子面由測量定出樁位，并編好每個樁號，用油漆作好樁位標志。設備安裝好后，由測量人員對鉆機的開孔點和尾線點進行校正，按技術交底調整鉆機角度、方位，對準孔位，控制孔位誤差在±50mm以內。

2.鉆進

檢查確定孔口管安裝牢固后，調整鉆機，對好孔位。將導向鉆頭及第一根鉆桿送入孔口管內。在孔口密封采用棉紗、水泥袋等封閉孔口間隙，達到阻止漿液外流的目的。每鉆進3m要測量一次，并做好測量記錄，一旦發現偏斜要及時進行糾偏，直到鉆至設計深度。

3.高壓噴漿

鉆孔完成后，推出鉆具，將鉆頭處頂部出水孔口封閉，打開鉆頭側面的噴漿口，從孔底到孔口進行水平旋噴樁的旋噴作業。在孔底高壓噴漿時停1～2min，然后以12cm/min～15cm/min的提升速度和10cmr/min～12cmr/min的旋轉速度緩慢外拔鉆桿，每節鉆桿的長度為3.0m，當提升至鉆桿接頭位置時，暫停旋噴注漿，拆除多余鉆桿后將鉆桿推進到原旋噴位置前端30cm處開始繼續旋噴注漿。噴漿至孔口掌子面1.0m時，停止噴漿，同時在孔口內填充水泥袋等柔性物體。

4.主要施工技術參數

水平旋噴樁施工采用單管法，本次試樁使用的水泥強度等級為P.O42.5R，水灰比為1：1。漿液壓力為36MPa，旋轉速度10r/min,拔桿速度15cm/min；單根水泥旋噴樁最大水泥耗量為9000kg，最小水泥耗量為6500kg，水泥平均用量約為370kg/m；正常情況下，每孔鉆孔時間約為60-120min，單孔旋噴時長約為200min，水平旋噴樁單班工作數量為2根。

三、水平旋噴樁工藝的適用范圍及優缺點

(一)水平旋噴樁工藝的適用范圍

1.地層適應性

水平旋噴技術由高壓噴射注漿技術發展而來，因此在地層適應范圍上與高壓噴射注漿基本類似。不僅如此，水平旋噴技術適應范圍還受水平旋噴所采用的噴射方式(單管、雙管、多重管等)影響，可適用于處理淤泥、淤泥質土、塑、軟塑或可塑粘性土、粉土、砂土、黃土、素填土和碎石土等地層。對于含大粒徑塊石、大量植物有機質，以及地下水流速過大和已涌水的場地，應根據現場適應結果確定其適用性。

2.工程適應性

水平旋噴的成柱機理和固結體性能與豎直旋噴基本相同，可以在旋噴后插入鋼筋以增強固結體的抗彎、抗剪強度，固結體周圍地層也因擠壓滲透作用得到一定程度的加固。因此，凡是需要應用高壓旋噴的工程，由于條件限制，不能或不適合進行豎直鉆孔高壓旋噴時，都可考慮采用水平或傾斜鉆孔旋噴。水平旋噴作為一種先進的高壓灌漿加固技術，可以適應于既有建筑物和新建建筑物地基加固，以及深基坑、地鐵等工程的土層加固或防水。

(二)水平旋噴樁工藝優缺點

1.水平旋噴樁工藝優點

(1)質量優。水平攪拌樁樁體外型標準，內部質量均勻穩定，相互咬合的水平攪拌樁就像一道連續墻，其防坍和防滲效果好，將其作為隧道的超前支護和止水加固是理想的隧道及地下工程輔助施工工法。

(2)效率高。水平旋噴樁無需成孔，其鉆進、攪拌、注漿同步進行，施工速度快，每小時成樁 15 m 左右，與小導管注漿、大管棚和冷凍法相比其效率要高。

(3)安全可靠。采用水平攪拌樁作為隧道超前支護和止水加固措施，因其質量穩定，防坍防滲效果好，在它的保護下進行隧道開挖，施工安全有保障。另外將其應用于城市淺埋隧道施工，還有以下優點:可以避免過分抽排地下水引起地表下沉；可以避免采用小導管注漿等產生地表隆起；可避免大管棚成孔過程中使地表產生較大沉降等不良影響。

(4)操作方便，水平攪拌樁的施工無需大型設備，其工藝簡單，容易掌握，操作方便。

2.水平旋噴樁工藝缺點

水平旋噴注漿作為軟土隧道的超前支護或加固措施具有優質高效、安全可靠、操作方便、經濟實用等優點，但也有著一些不足之處，例如，樁長受限制，一般為8～12 m，若樁長太長其尾部容易向下偏移；如遇障礙物則難以處理，一旦卡鉆則只好將鉆桿鉆頭丟棄。

四、工程實例

(一)工程概況

深圳地鐵5、7號線聯絡線全長452.197m，位于留仙大道和沙河西路十字路口西南象限，北接5號線留西區間，南接7號線西茶區間，起點里程為5號線端預留接口LIDK0+070.150，設計終點為聯絡線LIDK0+381.957處，長度311.807m。LIDK0+204.000～LIDK0+345.000約141m依次下穿壯麗商廈、西麗幼兒園和留仙賓館三棟建筑物，下穿段平面主要位于半徑為150m的小半徑曲線上。隧道埋深12m～16.5m，主要穿越粉質粘土和全風化花崗片麻巖，局部穿越強、中風化花崗片麻巖；下穿段主要處于半徑為150m的小半徑曲線上。

(二)下穿段工程地質條件

5、7號線聯絡線隧道基本穿越粉質粘土、全、強、中、微風化花崗片麻巖層中。下穿建筑物段隧道埋深12m～16.5m，采用礦山法施工，主要穿越粉質粘土和全風化花崗片麻巖，局部穿越強、中、微風化花崗片麻巖，線路縱段主要處于32‰的縱坡上。

(三)工程設計情況

5、7號線聯絡線下穿建筑物段隧道原設計采用冷凍法施工，考慮到凍結法輔助工法施工工藝較專業、現場工期要求緊迫等因素，經多次專家工法論證后，調整為以水平旋噴為主的方案，即留仙賓館下穿硬巖段采取管棚支護+半斷面注漿加固方案，并于通過硬巖段后進行單排水平旋噴樁+全斷面注漿的試驗加固方案。

(四)施工情況

為驗證設計方案的可行性，根據現場實際地質情況，選擇在LIDK0+296～ LIDK0+276施作水平旋噴+全斷面注漿試驗。由于本段隧道主要處于全風化、礫質黏土層，開挖時極易產生涌砂、涌水現象，傳統礦山法超前支護措施已無能為力。綜合分析隧道所處地質條件，考慮到施工安全、施工工期、工程造價及對周圍環境影響等因素，本段暗挖隧道采用水平旋噴樁進行超前支護，其支護方案如下述。

1.水平旋噴樁施工

根據現場地質條件和計算的相關參數，在隧道拱部180°范圍設置單排水平旋噴樁；旋噴樁樁徑600mm，樁間距400mm，環向相鄰樁咬合200mm，標準單循環每根樁長20m，其中含相鄰循環旋噴樁縱向搭接長度3.0m。注漿范圍布置詳見圖2。

圖2 單排水平旋噴及斷面注漿范圍示意圖

圖3 單排水平旋噴縱斷面示意圖

本試驗段旋噴漿液材料采用P.O42.5R水泥，水灰比為：1:1；水泥用量為：350kg/m；注漿壓力不小于35MPa。在鉆孔及旋噴施工中，按照“先兩邊、后中間”順序進行旋噴施工，環向每次間隔1個，孔位從下到上，左、右交替進行，跳躍式成樁,保證兩邊強度平衡。鉆機定位調整角度、方位，對準孔位，孔位誤差控制在±50mm以內。開孔時慢進，鉆至1m后，按正常速度鉆至設計深度；當漿液從噴嘴噴出并達設計壓力后開始旋噴，樁前端原地旋噴不少于30s。采用復噴工藝，即退1次,進1次,再退1次,共計3次旋噴作，以保證樁徑和樁間咬合。樁前端旋噴時加大壓力或降低噴嘴的旋轉提升速度，當旋噴至孔口0.5m時停止，并立即退出鉆桿,進行封孔作業，必要時采取低壓補注漿。

按照水平旋噴樁+全斷面注漿試驗段的要求，于2014年6月15日正式開始進行了水平旋噴樁施工試驗，至2014年6月29日施工結束，歷時15天，共完成了30根水平旋噴樁的試驗，同時完成3根水平旋噴樁的取芯工作。

2.全斷面注漿施工

為加強拱部加固體的強度和剛度，待水平旋噴樁施工完后，進行全斷面注漿，確保開挖面穩定。隧道掌子面上半斷面開挖輪廓內及下半斷面開挖輪廓外3m范圍內采用水泥-水玻璃雙液漿超前預注漿加固，注漿孔間距1.5m，漿液擴散半徑1.5m，梅花形布置，每循環加固長度為15m，預留3m上一循環已注漿段作為本循環止水(漿)盤。工藝流程圖如圖4所示。

圖4 全斷面注漿堵水工藝流程圖

本次注漿采用劈裂式注漿工藝，水泥+水玻璃漿液，比例1：0.5～1:1，以現場試驗確定；水泥漿液采用普通硅酸鹽,強度等級≥Po42.5，水灰比1:0.6～1:1；水：水玻璃(體積比)=1:1～1:0.3,Be=30～35°，M=2.6，雙液凝固時間控制在2～3分鐘左右。單循環(8m)注漿量水泥用量為38.45t，水玻璃25m3。

五、水平旋噴樁檢驗與檢測

(一)取芯位置的選擇

為了驗證水平旋噴樁+全斷面注漿的支護效果，分別選擇了掌子面SY0(樁長13米)、左7(20米)、右8(20米)計三根水平旋噴樁，進行檢測，位置如圖5所示；抽芯率3/31=9.7%>4%，2/30=6.7%>4%，均符合設計要求。詳見圖6所示。

圖5 取芯樁號及位置圖

圖6 水平旋噴樁孔芯樣照片

(二)檢驗結果

(1)左7芯樣

芯樣在全風化花崗巖層成樁效果較好，0m～4.0m和16m～20m芯樣較為破碎；

(2)右8芯樣

芯樣在全風化花崗巖層成樁效果較好，0m～6.0m和17m～20m芯樣較為破碎。

(3)SY0芯樣

芯樣在全風化花崗巖層成樁效果較好，0.0m～4.0m局部芯樣破碎。

(三)開挖面效果情況

本段暗挖隧道在水平旋噴樁超前支護作用下，在封閉的拱殼內施工，有效地防止了涌砂、涌水的發生，洞內止水效果良好，隧道采取“短進尺、勤支護，步步為營”等措施進行開挖。現場開挖情況如圖7、8所示。

圖7 開挖面連成片的水平旋噴樁

圖8 無水開挖面

整個開挖過程，對應地表沉降最大值2.57cm<3cm；房屋主體承重部分無明顯裂紋及差異沉降。

六、結論

經過試驗段施工證明：

(1)采用單管法水平旋噴樁，在全風化花崗巖、礫質黏土地層中進行施工，漿液壓力為36MPa，旋轉速度為12r/min，拔桿速度為15cm/min，水泥消耗370kg/m的施工參數能滿足水平旋噴樁的成樁質量。

(2)試驗段水平旋噴樁水泥土芯樣15天齡期的最大抗壓強度為9MPa，最小抗壓強度為6.8MPa，平均強度為7.5MPa，15天的芯樣抗壓強度已滿足設計技術要求的28天的4.0MPa要求。

(3)水平旋噴能相互咬合，成樁直徑550～650mm。

(4)開挖過程中，掌子面無水漬；掌子面開洞后，無滲水、漏水；滿足止水要求。

(5)施工及開挖過程中，隧道拱頂、地面建構筑物、地表等監測點變化均未超標，滿足施工要求。

由以上說明：單排水平旋噴樁+全斷面加固注漿輔助加固措施有效的改良了隧道圍巖，有效的保證了礦山法施工中掌子面的穩定。水平旋噴樁在礦山法隧道超前支護中的應用，使礦山法隧道在軟弱地層中施工獲得成功，打破了以往礦山法隧道的施工瓶頸，突破了傳統礦山法超前支護理念，拓寬了傳統礦山法的適用范圍，給礦山法隧道超前支護增添了一種新的輔助措施。