砂質新黃土隧道水平旋噴樁超前加固施工技術研究

李建軍 燕 波 張俊儒

（1.中鐵十二局集團有限公司 山西太原 030024；2.西南交通大學交通隧道工程教育部重點實驗室 四川成都 610031）

1 前言

隨著我國鐵路建設的不斷發展，與之伴隨著許多在軟弱地層中修建隧道工程的情況［1］。由于軟弱地層自穩能力差，在開挖前如未采取相應加固措施，極易產生掌子面突水、涌砂、塌方等危險［2-4］。水平旋噴施工可對隧道掌子面前方及周圍的軟弱地層進行加固，改善軟弱圍巖的受力特性，在軟弱圍巖的隧道工程施工中具有很好的效果［5-7］。

關于水平旋噴樁超前加固技術的應用，國內外學者進行了相關的研究：王慶國、孫玉永［8］用數值分析的方法建立三維模型，為保證既有鐵路的運營安全，研究了旋噴樁加固對既有鐵路變形的控制效果。安關峰等［9］采用MIDAS-GTS建立三維數值模型，研究了不同條件下（樁長、樁徑、樁間距、布置方式、樁-土接觸面等）旋噴群樁復合地基承載的特性。趙洪波［10］以黃土地區鐵路隧道開挖工程為實例，通過有限元數值計算研究大斷面淺埋黃土隧道采用CD法施工期間的襯砌變形與地面沉降。狄宏規等［11］對斜向高壓旋噴樁技術加強既有線路基的綜合效果進行了探索研究。Mair［12］等基于三維數值模擬的手段，研究了倫敦地區隧道開挖過程引起的黏土固結沉降問題，分析了隧道土體的固結變形規律。從以上分析可以看出，旋噴超前加固技術在各類工程施工中有一定的應用，但在砂質新黃土隧道中鮮有報道。

基于以上背景，本文以蒙華鐵路萬榮隧道為工程實例，針對該段砂質新黃土特殊圍巖條件，采用數值計算方法，在對隧道掌子面穩定性分析的基礎上，研究提出水平旋噴超前加固參數，并形成水平旋噴樁超前加固施工關鍵技術，為類似工程提供經驗及參考。

2 工程概況

萬榮隧道地處山西省運城市萬榮縣，起訖里程DK555+117～DK562+800，為單洞雙線隧道，長7 683 m，最大埋深約90.25 m。該隧道是一座黃土隧道，穿越地層為砂質新黃土，隧道Ⅳ級圍巖180 m，占2.34%；Ⅴ級圍巖7 403 m，占96.36%；Ⅵ級圍巖100 m，占1.3%。進出口、明挖段及斜井洞口段地質為砂質新黃土，具有濕陷性，施工難度大。隧道平面布置如圖1所示。

圖1 萬榮隧道平面布置（單位：m）

3 水平旋噴超前加固參數分析

萬榮隧道圍巖條件較差，為防止施工中隧道掌子面坍塌，需要對隧道不同埋深（10 m、20 m、40 m、60 m）掌子面的穩定性進行分析。若掌子面不穩定，需要采用水平旋噴樁進行超前加固，根據水平旋噴樁采用最大長度加固掌子面的情況，分析其掌子面的加固效果，確定水平旋噴樁作為超前加固是否可行。

蒙華鐵路萬榮隧道采用兩種設備施作水平旋噴樁：第一種為ST60液壓鉆機，每循環旋噴加固長度15 m、開挖12 m、搭接3 m；第二種為TY400多功能鉆機，每循環旋噴加固長度10 m、開挖7 m、搭接3 m。

3.1 建立數值模型

砂質新黃土地質參數較差，黃土又具有濕陷性，遇水后物理力學參數急劇降低，因此在砂質新黃土中進行隧道施工，對掌子面的穩定性分析是非常必要的。本文對蒙華鐵路萬榮隧道的Ⅵ級圍巖，采用FLAC3D有限差分軟件分析掌子面的穩定性，為簡化計算，取二維進行分析，采用Mohr-Coloumb準則。數值計算模型如圖2所示，結合地勘資料，確定地層的物理力學參數如表1所示。

圖2 數值計算模型（單位：m）

表1 圍巖物理力學參數

3.2 掌子面穩定性分析

本文選擇隧道埋深60 m，采用全斷面開挖為最不利工況，針對是否采取水平旋噴樁進行超前加固，分析掌子面的穩定性，確定施工方案。

工況一：隧道埋深60 m不采取超前加固工況下，計算結果如圖3～圖5所示。

圖3 工況一x方向位移（單位：m）

圖4 工況一z方向位移（單位：m）

圖5 工況一Mises等效塑性應變

由圖3、圖4可知當隧道埋深為60 m，采用全斷面開挖，掌子面的擠出位移最大值為11.559 m，最大沉降值為4.92 m。由圖5可知在水平方向塑性區的范圍為13 m，整個滑移帶從掌子面一直貫穿到地表，表明掌子面已經坍塌，需要超前加固，防止施工中隧道掌子面坍塌。

工況二：隧道埋深60 m，采用水平旋噴樁作為超前加固工況下，計算結果如圖6～圖8所示。

圖6 工況二x方向位移（單位：m）

圖7 工況二z方向位移（單位：m）

圖8 工況二Mises等效塑性應變

由圖6、圖7可知當隧道埋深為60 m，采用全斷面開挖及水平旋噴樁加固時，掌子面的擠出位移最大值為11.0 cm，最大沉降值為2.16 cm；由圖8可知，整個塑性區的等效塑性應變的值很小，在水平方向塑性應變大于0.001的塑性區長度為7 m，表明水平旋噴樁一定程度上減小了隧道掌子面的位移和等效塑性應變，提高了掌子面的穩定性。

針對不同埋深隧道采用全斷面開挖時，掌子面前方塑性區長度如表2所示。

表2 掌子面塑性區長度 m

由表2可知，采用水平旋噴樁加固，掌子面塑性區長度明顯減小。每循環采用15 m水平旋噴樁加固，開挖長度為12 m時，對于埋深60 m時，塑性區減小為7 m，加固長度超過塑性區，開挖后，仍保留3 m的加固長度。因此采用15 m水平旋噴樁超前加固，完全可以保證隧道掌子面的穩定。

4 施工關鍵技術

4.1 水平旋噴樁施工工藝

水平旋噴注漿是通過一定直徑的噴嘴在高壓（30.6 MPa）下，將一定量的水泥混合物注入待改良的地層中的一項地層處理技術。傳統注漿主要是集漿液的滲透，因此會受到地層吸收性的限制；旋噴注漿與此不同，主要基于水力劈裂。該技術主要是在高壓、高速下，借助于噴射漿液的力學作用攪拌、壓實、固結地層，提高了地層的力學特性，其滲透性和強度特性與混凝土相等。

該工藝的工序可分為2個關鍵步驟：

（1）采用鉆桿進行鉆孔，深度不小于隧道直徑，鉆桿尾部配有特殊注漿裝置（跟蹤注漿）。

（2）在拔出和旋轉鉆桿的同時，以設定的速度通過跟蹤注漿裝置進行注漿。改良土體的形狀為柱形，水平方向上對洞室形成約束作用，以防止地層變形，豎直方向上可達到保護掌子面超前核心土，增加掌子面的穩定性。因此，可以在成拱效應保護下安全地進行后續隧道的開挖作業。

4.2 施工參數確定

萬榮隧道根據超前地質預報和開挖揭示地質，鑒于隧道內砂層分布起伏不定，超前水平旋噴預加固有全斷面砂層、上臺階砂層、中臺階砂層、下臺階砂層四種特征，且局部厚度大于2 m以上的情況下，采取水平旋噴施工加固。施工中在確保質量安全的前提下，為加快施工進度，進行了方案優化和設備選型，第一種為ST60液壓鉆機，第二種為TY400多功能鉆機。加固范圍主要為：一對掌子面周邊及縱向施作水平旋噴樁，二對上臺階和中臺階拱腳施作鎖腳旋噴樁。兩種鉆機加固全斷面砂層示意圖分別如圖9、圖10所示。

圖9 全斷面砂層ST60鉆機旋噴布孔示意（單位：cm）

圖10 全斷面砂層TY400鉆機旋噴布孔示意（單位：cm）

在具體了解萬榮隧道工程地質和水文地質特性的基礎上及確保施工質量安全的前提下，充分發揮所選設備的功能和優勢，通過現場反復試驗研究，確立了“拱頂咬合緊密封，邊墻密貼不漏砂，底部扎實保穩定，中間穩固不坍溜”水平旋噴樁超前加固方案制定原則，對水平旋噴樁參數進行了優化，降低了成本，減少了投資，加快了施工進度。

利用TY400鉆機小而巧的施工特點，通過3個臺階對掌子面進行加固，既保證了旋噴加固效果，又避免了轉換臺階、調整施工工序，做到了旋噴、開挖工序銜接緊湊，施工安全快速推進。施工中根據砂層段落地質情況，進行水平高壓旋噴施工，及時分析、總結、確定了施工參數，確立了“頂密封、邊密貼、底扎實、中穩定”旋噴方案制定原則，即水平旋噴樁“拱頂咬合緊密封、邊墻密貼不漏砂、底部扎實不下沉、中間穩定不坍溜”。

旋噴樁參數：周邊旋噴樁徑50 cm，間距40 cm，咬合10 cm，樁長10 m，搭接3 m；掌子面正面旋噴樁徑40 cm，樁長7 m，不搭接，于開挖輪廓線內1 m設置，環向間距1.5 m，上、中臺階核心部位旋噴樁間距1.5～2 m。鎖腳旋噴樁徑60 cm，縱向間距60 cm，樁長4 m。所有旋噴樁內插φ42鋼管（t＝5 mm）加強樁體抗剪強度；下臺階砂層厚度小于1 m時，僅采用φ42超前密排小導管加固，長度3 m，每兩榀拱架施作一次。全斷面砂層超前預加固樁布置按照隧道斷面204.28°范圍進行布置，旋噴設計外插角為3%～5%（要分孔計算每根樁的偏角和仰角，成孔定位要精確），成樁體達到的抗壓強度為5～8 MPa。根據土質地層采用小導管超前支護，砂層采用水平旋噴超前支護的原則進行施工，采用TY400鉆機旋噴單樁（周邊及掌子面）時間為1.5 h左右，鎖腳旋噴樁為1 h左右。萬榮隧道全斷面砂層采用2臺TY400鉆機每循環旋噴施作時間不超過5 d，月進度可保證16 m。

（2）ST60鉆機

根據ST60鉆機旋噴加固距離長、旋噴精度高、旋噴速度快的特點，合理確定旋噴平臺，優化旋噴工作室，最大程度發揮ST60鉆機旋噴優勢。根據三臺階開挖法，考慮與三臺階開挖步驟銜接，結合現場實際情況，擬充分利用下臺階（填充面高度）作為旋噴作業平臺。中、下臺階盡量緊跟，上臺階開挖支護到位后，中、上臺階盡量縮短，初支閉合成環進行洞渣回填、壓實形成作業平臺，平臺距拱頂高度控制在9 m左右。掌子面用網噴混凝土封閉，噴射厚度10～20 cm，并在掌子面做好返漿圍擋，統一由一側排至返漿回收池。經比選和借鑒國內外水平旋噴經驗，工作室采用漸變式，長7 m，最大斷面比原開挖輪廓擴大70 cm，即可滿足ST60鉆機工況。

全斷面砂層旋噴參數：周邊旋噴樁φ500 mm，環向間距40 cm，掌子面正面旋噴樁φ400mm，間距結合掌子面地質及臺階高度設置，鎖腳旋噴樁φ600 mm，縱向間距60 cm，長4m。旋噴樁內插φ42鋼管以加強抗剪強度，漿液配比0.6∶1～1.2∶1。為確保掌子面穩定，同時滿足ST60鉆機定位要求，掌子面采用φ400水平旋噴樁加固，第一圈旋噴樁距開挖輪廓線1 m布置，環向間距1.0 m；第二圈距開挖輪廓線2.5 m布置，環向間距1.5 m；第三圈距開挖輪廓4 m，環向間距1.5 m。正常情況下，萬榮隧道全斷面砂層采用ST60鉆機，單樁旋噴15～18 m／h，每循環旋噴施作時間一般為8 d，月進度可保證18 m。

4.3 施工操作要點

（1）施工準備

根據現場實際情況，按設備工況要求進行準備，包括掌子面封閉、場地平整、測量放樣、漿液配置、泥漿池施作等，同時做好專用電力線、專用信息傳輸聯絡系統準備，確保現場滿足施工要求。

（2）鉆孔定位

首先，注重入門引導。學生對專業的興趣是建立在專業入門時的引導上，學生剛剛接觸專業是培育學生興趣的最佳時機，因此教師應該在專業入門的引導上下功夫，讓每一名學生都能找到自己感興趣的點，這樣才能培養學生的專業興趣，讓學生真的能夠“鉆進去，學出來”。在學生剛剛接觸專業時，應注重學習方法的傳授，而不是知識的傳授，告訴學生怎么學，學什么，比給學生講一個知識點重要得多。同時教師要在課程中融入專業的文化，培養學生對專業的責任感和使命感，這也能提高學生對所學專業的興趣。

分孔計算每根樁的偏角和仰角形成交底，現場技術人員和鉆機司機在鉆孔之前按鉆孔方位角進行點位復測和角度定位調整，確保施工精度。

（3）鉆孔旋噴

旋噴前復核各項注漿參數，設置好鉆機旋噴的轉速和提拔速度；開始旋噴后時刻關注孔口返漿情況，及時調整提拔速度，并做好記錄。旋噴完成后應及時清洗注漿泵和旋噴鉆頭。

（4）回漿倒運

旋噴回漿收集至泥漿池后，采用泥漿泵抽送至罐車，運輸至洞外。

（5）插入無縫鋼管

旋噴完成后應及時插入無縫鋼管；每節鋼管長度視現場具體情況而定，6～9 m最佳，兩節鋼管之間采用內插φ22螺紋鋼并焊接的方式進行對接。

（6）施工監測

施工過程中為保證隧道結構的安全，防止因注漿壓力過大而引起支護結構及周邊圍巖局部發生變形［13］，需對工作面后方進行實時監測，監測范圍掌子面后方30 m，監測頻率2次／d，如出現特殊情況立即停止旋噴，查明原因，采取相應措施。

4.4 施工效果

由3.2節數值計算結果可知，采用15 m水平旋噴樁超前加固后，隧道掌子面塑性區長度明顯減小，完全可以保證隧道掌子面穩定。采用水平旋噴樁超前加固掌子面效果如圖11所示。

由圖11可知，采用水平旋噴樁加固掌子面后，在掌子面及周邊形成了承載環，提高了掌子面的整體承載力。旋噴樁直徑最大為60 cm，最小為40 cm，密集分布在掌子面及周邊，加固了圍巖。通過水平旋噴樁預加固掌子面15 m，一次開挖12 m，預留3 m搭接，可保證掌子面前方穩定。因此砂質新黃土隧道掌子面采用水平旋噴樁超前加固是完全可靠的。

圖11 水平旋噴樁加固效果

5 結束語

萬榮隧道穿越砂質新黃土地層，圍巖條件較差，極易發生涌砂、坍塌等危險，施工難度大。為確保工程安全、順利完工，本文對萬榮隧道砂質新黃土地層水平旋噴樁超前加固施工技術進行研究，保證了施工質量及安全，為今后黃土隧道的施工提供技術支撐。

（1）采用數值模擬的方法分析了隧道在不同埋深、有無水平旋噴樁超前加固時隧道掌子面的情況，結果表明：無超前加固時隧道掌子面塑性區較大，當施作水平旋噴樁超前加固后，隧道掌子面的塑性區明顯減小，加固效果顯著。

（2）針對TY400和ST60兩種鉆機，優化各自施工參數：ST60鉆機每循環旋噴加固長度15 m、開挖12 m、搭接3 m；TY400多功能鉆機，每循環旋噴加固長度10 m、開挖7 m、搭接3 m。

（3）研究形成“拱頂咬合緊密封，邊墻密貼不漏砂，底部扎實保穩定，中間穩固不坍溜”為原則的水平旋噴樁超前加固施工關鍵技術。