地表高壓旋噴樁加固技術在新屋隧道淺埋段的應用研究

馮 波

(中鐵十一局集團有限公司， 重慶 400000)

我國交通運輸行業已進入高速時代，對公路、鐵路選線提出了更高要求。我國山嶺眾多，新建高速公路、高速鐵路，隧道占比越來越高，隧道建設中遇到淺埋段的情況不可避免。

隧道進出口淺埋段覆蓋層巖土體多破碎，風化嚴重，節理裂隙發育，洞身溝谷淺埋段易匯集地表水，隧道開挖后圍巖受卸荷、遇水軟化效應影響較大，淺埋段開挖時極易出現坍塌、涌突水等災害，對隧道建設帶來較大困難。

現階段隧道淺埋段常用的加固方法分為洞內加固及洞外地表加固，洞內有超前小導管注漿、洞內水平旋噴樁、超前小導管、超前錨桿加固等[1-3]。隧道淺埋段的地表加固方法包括注漿法、水泥土攪拌樁法和高壓旋噴樁法等[4-7]。

高壓旋噴樁法是利用高速漿液對地層土體進行切割、攪拌，使漿土混合并凝固為具有一定強度和完整性的固結體以對地層進行加固的方法[8-11]，它可提高地層強度、抗滲性、完整性及開挖后的圍巖穩定性，減小淺埋段地表沉降，改善支護結構受力，降低圍巖滲透性，減少隧道后期運營階段的襯砌水害，確保隧道施工及運營安全。在隧道軟弱淺埋段，高壓旋噴樁法具有適用地質條件范圍廣、成樁效果好、加固深度大、施工設備簡單、對周圍生態環境影響小的特點，因此，該法在隧道軟弱淺埋段地表加固工程中應用較廣。

依托云茂高速公路新屋隧道高壓旋噴樁地表加固工程，旨在介紹高壓旋噴樁法在隧道軟弱淺埋段加固應用中的施工工藝及方法，并提出施工技術難題的解決方案，結合現場監測對新屋隧道淺埋段的加固效果進行評價。

1 雙管法高壓旋噴樁加固技術

1.1 施工工藝

雙管法高壓旋噴樁法施工流程可分為施工準備、鉆機就位、制備水泥漿、鉆孔插管、提鉆旋噴、樁頭處理、機具清洗、補漿等，如圖1所示。

圖1 高壓旋噴樁施工工藝流程

1.2 施工過程

1.2.1 施工準備

1) 施工前應明確樁位、編號、施工順序、水電線路和機具預設位置；2) 確定施工工藝及機械器具、配套設備、廢漿處理措施；3) 對施工場地進行處理：將地表軟弱土層進行清理，使地層能夠承受旋噴樁機自重而不陷沉，保證場地平整，能將樁機水平放置，做好場地四周排水，為廢漿處理做準備；4) 在平整后的場地中安置機具，連接儀器。應保證高噴旋噴的鉆孔機具應滿足能在施工地層中單獨鉆進成孔；所用的輸漿管、噴頭、噴射鉆噴桿應密封可靠；輸漿管應連接順直，噴嘴定向應準確。

1.2.2 鉆機就位

移動旋噴樁機到指定樁位，將鉆頭對準孔位中心，同時整平鉆機，放置平穩、水平，鉆桿的垂直度偏差不大于1%～1.5%。鉆機就位后，首先進行低壓(0.5 MPa)射水試驗，用以檢查噴嘴是否暢通、壓力是否正常。

1.2.3 制備水泥漿

水泥漿制備按設計的配合比進行，步驟如下：1) 將水加入桶中，再將水泥倒入，開動攪拌機攪拌10 min～20 min；2) 擰開攪拌桶底部閥門，放入第1道篩網(孔徑為0.8 mm)，過濾后流入漿液池；3) 通過泥漿泵抽進第2道過濾網(孔徑為0.8 mm)，第2次過濾后流入漿液桶中備用。

1.2.4 鉆孔插管

1) 啟動鉆機，同時開啟高壓泥漿泵低壓輸送水泥漿液，使鉆桿沿導向架振動、射流成孔下沉，直到樁底設計標高；2) 插管過程中應注意觀察工作電流不大于額定值，為防止泥砂堵塞噴嘴，可用較小壓力(0.5 MPa～1.0 MPa)邊下管邊射水。旋噴樁插管如圖2所示。

圖2 高壓旋噴樁鉆孔插管

1.2.5 提升噴漿管、攪拌

1) 噴漿管下沉到達設計深度后，停止鉆進，但保持旋轉不停；2) 高壓泥漿泵壓力增到施工設計值，保持坐底噴漿30 s；3) 邊噴漿邊旋轉，按照設計和現場試驗確定的提升速度提升鉆桿。若為雙管法施工，在達到設計深度后，應立即接通高壓水管、空壓管，開動高壓清水泵、泥漿泵、空壓機和鉆機進行旋轉，并用儀表控制壓力、流量和風量，分別達到預定數值時開始提升，直至達到預期的加固高度后停止。

1.2.6 樁頭部分處理

1) 當旋噴管提升接近地表時，應降低提升速度旋噴；2) 旋噴管離地表1 m時暫停提升，保持旋噴數秒后再向上慢速提升0.5 m；3) 離地表0.5 m時再次暫停提升，保持旋轉數秒后慢速提升至停漿面。

1.2.7 清洗

施工完畢應把注漿管、壓漿機等機具設備沖洗干凈，管內、機內不得殘存水泥漿液。清洗管道常用方法是把水泥漿液換成水，在地面上噴射，直至把泥漿泵、注漿管軟管內的漿液全部排出。

1.2.8 補漿

噴射完成后，由于漿液的析水作用，一般均有不同程度的收縮，使固結體頂部出現凹穴，要及時用水灰比為1∶1的水泥漿進行補灌。

2 旋噴樁施工中易出現的問題及預防措施

2.1 不同性質地層下的樁體縮頸

對穿越多種地層的樁體而言，其施作過程中若旋噴參數保持不變，極易造成在不同地層樁徑不一。為避免堅硬地層中的成樁發生明顯縮頸形成“葫蘆樁”，主要采取增加復噴次數、增強噴射壓力的方式進行處理，以此提高樁體直徑。對整個樁體在不同地層中施作時，可通過調整旋噴參數和復噴次數來保持樁體直徑的一致性。

2.2 高壓旋噴樁冒漿量異常

在旋噴過程中，隨著噴射管的提升，通常會有部分漿液會裹挾巖土體顆粒沿噴漿管壁冒出地面，即冒漿。根據工程經驗，冒漿(內有土粒、水及漿液)量小于噴漿量20%屬正常現象，超過20%或完全不冒漿則屬于非正常情況，應查明原因。冒漿不正常的常見原因及可采取的措施如下：

1) 施作時不冒漿。通常是由地層中存在較大空隙引起，可在漿液中摻加適量的速凝劑縮短固結時間，使漿液在一定土層范圍內迅速凝固，阻止后續漿液從裂隙滲出；此外，若縫隙體積不大，也可在空隙地段增大噴漿量，填滿空隙后再繼續正常旋噴。

2) 冒漿量過大。主要是因有效噴射范圍與噴漿量不相適應，噴漿量大大超過旋噴固結所需的漿量所致。減少冒漿量的措施通常有提高噴射壓力、適當縮小噴咀孔徑、加快提升速度和旋轉速度3種。

2.3 高壓旋噴樁樁頂凹穴

當采用水泥漿液進行旋噴時，由于漿液的析水作用，漿液與巖土體攪拌混合后的凝固過程中會出現不同程度的收縮，造成在固結體頂部出現一個凹穴，其深度一般0.3 m～1.0 m。旋噴樁硬化后樁頂凹穴如圖3所示。

圖3 固結體頂部凹穴

樁頂凹穴現象對加固區的防滲堵水極為不利，若隧道淺埋段的高壓旋噴樁地表加固工程有防滲要求，則必須采取措施對凹穴現象予以消除。目前常用的處理措施為：在旋噴完畢后開挖出固結體頂部，在凹穴中灌注混凝土，或在凹穴中再次進行旋噴，直至填滿凹穴。

2.4 高壓旋噴樁鉆孔垂直度偏差

在高壓旋噴樁加固工程具有較高防水要求時，對樁體垂直度有較高要求。樁體之間應保持較好的搭接距離，通常高壓旋噴樁垂直度偏差不應大于1%，實際鉆孔位置與設計位置偏差不應大于50 mm[12]。在實際高壓旋噴樁加固工程中，鉆孔垂直度的保持是一個技術難點，施工中常常出現鉆桿偏斜，以致樁體傾斜，顯著降低了防水效果。出現鉆桿偏斜主因有以下2種：

1) 高壓旋噴樁機位置擺放不當。施工過程中，受現場條件限制、施工人員工作經驗的影響，旋噴樁機設備可能一開始就出現了擺放傾斜的情況；施工過程中，旋噴樁機動力系統振動較大，試驗區地表耕植土層承載力不足，也可能造成樁機枕木兩端不均勻沉降，引起樁機傾斜。

2) 地層存在孤石，造成鉆頭鉆進偏移。對于鉆孔垂直度偏差，根據情況可采取以下不同措施：

(1) 為保證初始施作時設備擺放平整，預先對場地整平，在枕木下方布設石塊降低樁機不均勻沉降；鉆機就位后，現場配備水平尺，每鉆進1 m～2 m用水平尺校核1次機架水平度，不符合要求時立即糾正，做到施工全過程采用水準尺校準樁機垂直度。

(2) 對于孤石造成鉆頭偏移的情況，采用了降低鉆頭鉆進速度、增加鉆頭旋噴速度的措施；卵石層鉆進困難時，下鉆速度保持在5 cm/min左右，旋噴速度保持在18 r/min左右，具體施工參數根據現場情況，并由機具操作人員現場作出適當調整。

3 工程應用

3.1 工程概況

新屋隧道為分離式雙向4車道隧道，單洞長約2 500 m，淺埋段位于隧道洞身，在隧道縱向總長約400 m，位于溝谷地段，最小覆土層厚度約為7 m。淺埋段圍巖等級為Ⅴ級，隧道掌子面采用三臺階法開挖，上臺階采用機械開挖，開挖進尺1 m，中臺階、下臺階和仰拱采用爆破開挖。初期支護由間距50 cm的I20a型鋼、長度3.5 m的Φ25中空注漿錨桿、Φ6鋼筋網、26 cm的C25噴射混凝土組成。二次襯砌采用50 cm厚C30混凝土，鋼筋Φ22@5。超前支護采用雙層小導管，長度4.0 m。鎖腳采用3.5 m長Φ42導管，每環12根。

圍巖為耕植土、粉質粘土、淤泥質粉質粘土、細砂、粉質粘土、強風化變質砂巖、中風化變質砂巖。地表水系發育，淺埋段位于洞身段，為多條沖溝交匯處，周圍山體陡峭，匯水面積較大，地表常年有溪水流淌，有排水形成的天然沖溝，且淺埋段附近存在魚塘和大片水田，如圖4所示。

圖4 淺埋段場地情況

現場施工期間排水的困難極大，隧道洞內圍巖穩定性差，對隧道建設及運營帶來了極大隱患。

3.2 加固范圍

淺埋段高壓旋噴樁橫向加固范圍為隧道左右洞兩側各超出輪廓線3 m，橫向整體加固寬度約19 m。旋噴樁加固深度為打入強風化變質砂巖層0.5 m，如圖5所示。

單位：cm

3.3 加固參數

高壓旋噴樁主要設計參數為樁體直徑60 cm，樁間距為120 cm，采用三角形布樁方式；施工參數為漿液壓力22 MPa～24 MPa、提升速度18 cm/min、漿液流量75 L/min～80 L/min、提升速度15 r/min～18 r/min；漿液采用水灰比1∶1的純水泥漿液。

3.4 分層施工及困難

新屋隧道淺埋段高壓旋噴樁最大樁長15 m，豎向加固范圍內自上而下依次是耕植土、粉質粘土、卵石土、全風化變質砂巖、強風化變質砂巖，5種地層性質差異較大。耕植土和粉質粘土層的密實度、標準貫入值均較小，土體軟弱，成樁效果較好；卵石土中卵石強度較高，對漿液切割土體的作用進行了一定的阻擋，樁徑無法保證；全風化變質砂巖、強風化變質砂巖的密實度、標貫值相對較大，采用在軟土中的常用施作參數，漿液壓力不足以充分切割攪拌地層，成樁質量亦難以保證。

新屋隧道試驗區覆蓋層存在約0.8 m厚的碎石卵石層，卵石磨圓情況差，呈尖棱狀；鉆機鉆井至該地層時，出現卵石層鉆進困難，鉆桿擺動幅度增大的現象。初步分析為：鉆頭鉆進過程中遇到大粒徑孤石，難以鉆進，鉆頭偏向周圍較軟弱土體，導致鉆孔偏斜和鉆桿擺動幅度增大，如圖6所示，主要采取降低鉆頭鉆進速度，增加鉆頭旋噴速度的措施解決這一困難。

圖6 卵石碎石地層樣芯

4 加固效果

為對新屋隧道淺埋段高壓旋噴樁加固的效果進行評價，在洞內開挖過程中進行了現場監測工作，地表高壓旋噴樁施作完成后進行了現場取樣測試和現場開挖檢查等工作。

4.1 加固后樁體強度

高壓旋噴樁養護28 d后，基本成樁，具備一定的強度，對加固區樁體進行樣芯取樣，并進行強度測試，加固各種地層中的3組樁體樣芯無側限強度均在10 MPa左右，較之加固前原地層嵌固提高了幾十倍，表明旋噴樁的施作對地層強度的提高作用顯著。加固區樁體現場取樣如圖7所示。

圖7 現場鉆孔芯樣

4.2 現場監測及現場開挖

為評價旋噴樁加固后隧道開挖時的圍巖穩定性及圍巖抗滲性，在開挖過程中對圍巖壓力、拱頂沉降、地表沉降、孔隙水壓力等進行了監測，對洞內開挖后的滲水情況進行了觀察。

1) 圍巖穩定性

根據監測數據，隧道開挖后淺埋段加固區的地表最大沉降為50 mm，隧道拱頂的沉降最大值為42 mm，初支所受的最大圍巖壓力為56 kPa。在加固前，淺埋段圍巖軟弱，直接進行洞內開挖難度較大；采用高壓旋噴樁加固后，淺埋段洞內開挖后的支護結構變形及地表沉降均較小，支護結構承受的圍巖壓力也較低；可見，高壓旋噴樁的施作使圍巖的自承能力較加固前得到極大的增強，提高了圍巖的穩定性，為洞內安全施工創造了條件。

2) 圍巖抗滲性

根據現場孔隙水壓力的3組監測數據可知，加固區外圍地下水位較高，而加固區圍巖孔隙水壓力較小，約10 kPa，且在較長時間里加固區孔隙水壓力未變化，表明加固區外的地下水難以滲入到加固區。此外，根據加固區的洞內開挖情況，掌子面較為干燥，僅存在少量滲水，并未出現大量滲水；加固區洞內開挖情況，如圖8所示。綜合孔隙水壓力監測情況和洞內開挖情況可知，旋噴樁的施作極大地提升了淺埋段的抗滲性，降低了洞內開挖時發生涌突水的風險。

圖8 加固區洞內開挖掌子面干燥

5 結束語

1) 高壓旋噴樁在隧道淺埋段加固技術流程與高壓旋噴樁的傳統應用場景并無較大差別，但在技術工藝上有較高的控制要求。

2) 高壓旋噴樁施工時主要技術難題是樁身縮頸、冒漿異常、樁頂凹穴、鉆孔垂直度偏移等，結合地表加固工程實際情況，提出了相應的解決措施。

3) 旋噴樁加固后淺埋段地層強度、穩定性、抗滲性都得到了極大提高，隧道開挖過程中未出現塌方、涌水等災害，表明旋噴樁在隧道淺埋段加固效果很好。