水平旋噴樁預加固技術在侖頂隧道中的應用

(中鐵二局集團有限公司 四川 成都 610000)

一、引言

淺埋暗挖法在應用于大斷面松散軟弱地層時，安全性較差，容易出現地表沉降量超限、塌方等問題，在開挖前必須對地層進行超前加固或超前支護，以提高洞周圍巖自身的承載能力[1]。水平旋噴樁預加固技術是在常規旋噴樁注漿基礎上發展起來的一種新技術[2]，該技術在提高復合土體強度、防滲、抗滑、預支撐等多重效果的同時，能夠降低成本、提高效率、縮短周期，提高施工安全程度。本文通過工程實踐，對水平旋噴樁施工工藝和質量控制進行分析和研究，進而得出總結經驗，以期為類似工程實踐提供參考依據。

二、工程概況

新建合肥至福州鐵路侖頂隧道起訖里程為DK743+262.2～DK743+731，全長468.8m，洞身圍巖主要為凝灰質石英砂巖，褶皺不發育，全隧均為Ⅴ級圍巖。隧道進、出口明暗交接里程分別為DK743+479.2、DK743+714，進出口均采用帽檐斜切式緩沖結構洞門(L-17m)。隧道出口端DK743+694～DK743+714段采用洞口定向水平旋噴樁超前預支護。

隧道出口暗挖段所處場地范圍內的巖土分層,表層為第四系坡殘積粉質黏土，淺黃色，硬塑，厚0～10m;下伏J3c侏羅紀長林組凝灰質石英砂巖，全～弱風化，全風化厚2～12m；強風化厚大于13m；下為弱風化層，青灰、灰白色，節理、裂隙較發育，地下水為孔隙潛水及裂隙水，較發育。

三、水平旋噴樁設計及施工工藝

(一)設計樁體參數

在隧道拱部180°范圍內布置69根水平旋噴樁，樁徑為0.5m，環向間距0.35m，外插角1～3°，旋噴樁樁長：L=20m。其樁位的布置見圖1。

圖1 樁位布置

(二)施工工藝

(1)工藝概述：水平旋噴樁施工工藝主要適用于砂類土、黏性土、黃土及小粒徑的砂礫層。該工藝是在不良地質隧道工作面前方，采用水平定向鉆機沿隧道開挖輪廓線鉆孔[3]，達到預定深度后，邊后退邊高壓旋噴注漿，相鄰的旋噴固結體相互搭接咬合，在隧道拱頂及周邊形成封閉旋噴帷幕體。

(2)主要機具設備：HTG-500型旋噴鉆機、鉆具、XPB-90E型高壓注漿泵各1套，20m3螺桿空壓機、攪漿機、儲漿罐、BW-320型泥漿泵、SE-1型有線導向儀各1臺。

(3)施工參數：①水泥漿配合比：mc:mw=1：1；②水泥用量為成樁體積的30%；③注漿壓力：35～40MPa；④旋噴速度：15～20cm/min。

(4)施工工藝流程：樁位測放→設備安裝調試→開孔埋設裝置→水平鉆孔→回撤旋噴→封孔→清洗管道及設備。

四、質量控制措施

1.漿液水灰比大小直接影響成樁固結體的強度，單位加固體中的水泥漿含量越高，噴射的漿液越稠，則加固強度越高。為了保證漿液與土體的攪拌均勻程度，在施工前要進行工藝性試樁，由試驗室試驗后提供最佳水灰比。

2.鉆機選型：應根據設計鉆孔深度及孔徑選用鉆機，施鉆時應有導向架。

3.旋噴次序：先鉆噴拱頂中央孔，然后每次間隔一個孔位從上到下，左右交替直到底部。再從上到下、左右交替、跳孔施工[4]所缺孔位，使后旋噴孔固結體能填補兩孔間空隙。

4.漿液配制：漿液攪拌必須均勻，每桶攪拌時間不少于5min，一次攪拌使用時間亦控制在4h以內。在制漿過程中需隨時測量漿液比重，每孔高壓噴漿結束后應統計該孔的材料用量和漿液的累計噴入量，嚴禁使用配比不準確的漿液。

5.水平旋噴樁樁位與設計位置的偏差不得大于5cm，樁徑應大于50cm，相鄰樁的搭接不應小于30cm。樁體應連接，不能出現斷樁、縮徑等情況。

6.嚴格控制鉆孔深度，應確保施工樁長達到設計要求，嚴禁在未達到設計孔深的情況下進行旋噴機后退旋噴作業。

7.鉆進速度不宜過快，并應適時地加入后退動作，修正鉆頭鉆進軌跡，以提高鉆孔精度。依據地層條件合理調整給進力，控制鉆孔深度、旋噴速度，避免斷樁，確保旋噴樁樁長達到設計值。嚴禁未達到設計深度及尚未旋噴滿的情況下進行后退旋噴作業[5]。

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8.儀器監測糾偏：在孔位開始鉆進前使用水準儀和經緯儀準確調整鉆進方向，同時在鉆頭內部安裝有測控設備的水平導向儀，每鉆進4m要使用水平導向儀測量一次，及時進行導向糾偏，確保預導孔精度,嚴格控制樁孔打設方向，并做好每個鉆孔施工原始記錄。其工作示意見圖2。

圖2 導向糾偏示意

9.旋噴漿液與土體的攪拌均勻程度是影響樁體強度的關鍵因素。當旋噴漿液與土體攪拌越均勻，其旋噴樁的強度就越高。因此,為了提高旋噴樁的樁身強度可以采用控制后退旋噴速度或重復旋噴攪拌的施工工藝。

10.拔桿噴漿過程的質量控制

(1)旋噴壓力是影響旋噴樁固結體質量的主要因素。高壓噴漿前應檢查高壓注漿泵，在達到35MPa時，才可開始噴漿施工；

(2)旋噴時，應邊噴邊轉動邊后退，鉆桿旋轉速度調整到20r/min，旋噴端頭后退速度為15～18cm/min，以后保持在20cm/min；

(3)在中途卸桿時，先停止后退，旋噴5圈，然后通知停止送漿。卸桿完畢恢復給漿后，先旋轉3 ～ 5圈再后退，這樣可以防止出現斷樁；

(4)在高壓噴漿時，泵工應隨時注意觀察泵壓變化，當發現泵壓過低或過高時應及時停止噴漿，查明原因后再恢復高壓噴漿。鉆桿拔至離孔口1.5m處高壓泵停止注漿，先關閉漿液輸送通道，再緩慢拔出鉆桿，進行封孔作業。

11.在含水量較大的土層鉆進時，對噴咀易發生堵塞的情況采取以下處理措施

(1)當堵塞時，因沒有沖洗清水故阻力大，扭矩劇增轉速也會下降，這時應停止給進，調整速度，及時查明原因，待扭矩下降后再正常給進；

(2)在后退旋噴作業時，若噴咀堵塞，泥漿泵壓力表指示壓力將急劇升高，這時應停止送漿。迅速退出鉆桿和噴頭，換上新的噴頭并鉆進到原先噴射處，再正常送漿，繼續后退旋噴作業。卸下的噴頭、噴咀應立即清除堵塞物，分析堵塞原因，防止再次出現；

(3)因故需較長時間中斷旋噴時，亦及時用清水沖洗輸送漿液系統，防止硬化劑沉淀在管路內。

12.每次旋噴施工完畢，應將泵體及管道內殘渣沖洗干凈，以防固結。

13.旋噴流出的廢漿應通過專用排漿溝縱向排出，注意勿使廢漿液聚集或流經拱腳處，以免泡軟拱腳地層。

14.旋噴樁施工地段，應根據《鐵路隧道監控量測技術規程》[6]有關規定，加強監控測量，以確保施工安全。

五、水平旋噴樁加固效果

根據地質雷達測試和鉆孔取芯驗證，高壓旋噴樁的成樁質量、嚙合效果較好，樁體直徑達70cm，巖芯的抗壓強度最小5.5MPa，最大可達8.7MPa，符合設計28d樁體強度應大于5MPa要求，通過預加固處理技術提高土體自穩強度。經后期反復觀測，水平旋噴樁預支護能有效地控制土體地層下沉，使隧道開挖、支護能夠安全、快速地進行。

六、結語

倫頂隧道采用水平旋噴樁預加固技術，開挖后立即發揮作用，旋噴固結體相互嚙合形成的旋噴拱棚支護能承受大部分地層壓力，具有梁效應和土體改良加固效應，達到了控制變形的目的。實踐證明水平旋噴樁預加固技術在砂土軟巖層中的應用是安全可行的，該技術具有顯著的社會和經濟效益，值得推廣和借鑒。