水平旋喷加固技术在砂土软岩隧道中的应用

弋琰

随着近几年交通事业的发展，施工中隧道的数量不断增多，隧道施工中经常面对穿越不良地质、构造复杂等软弱围岩，砂土属软弱围岩之一。由于砂土软弱围岩施工中极易出现突水、涌泥、坍塌、拱架背后脱空、变形侵限、地面沉陷等现象，如果加固措施不到位，不但危及施工安全，甚至会影响到运营安全。因此隧道施工中的超前预加固技术非常重要，不仅可以提高软弱地层的强度和围岩稳定性，更重要的是可以保证在安全的前提下高效、顺利地完成施工任务。水平旋喷桩作为隧道超前预加固技术之一，其技术在不断更新中得到了成功应用。

1 水平旋喷桩加固原理

水平旋喷桩是通过水平定向钻机钻孔，钻进到设计深度后，回撤钻杆，过程中通过高压泵以大于35 MPa的压力把配制好的浆液喷射到砂土体内，喷射时带压将一定范围内的砂土体稀释，并在喷嘴作缓慢旋转和进退的同时切割砂土体，把砂土颗粒与浆液搅拌充分搅拌混合。待浆液凝固后，形成水平圆柱状水泥砂土固结体即成水平旋喷桩，水平旋喷桩可以显著提高砂土体的强度和结构特性，当旋喷桩相互咬合后，便以同心圆形式在隧道拱顶及周边形成封闭的水平旋喷帷幕体，起到防流沙、抗滑移、防渗透、防坍塌和防止因隧道开挖而使地层过度失水引起的地表沉降的作用。目前水平旋喷桩设计参数：桩径500 mm～600 mm，桩长15 m～24 m，相邻两根桩相互咬合100 mm，前后循环搭接长度300 mm～500 mm。桩中心距离开挖线为25 cm～30 cm，桩的坡度为5%～10%。

总结其原理就是利用高压喷射注浆加固软弱地层，沿拱部外缘施作相互咬合的水平钻孔旋喷柱体，前后循环相互搭接形成拱棚，达到超前预加固的目的，在它的保护下进行开挖作业，确保隧道安全施工。成桩断面示意图见图1。

2 施作空间要求

隧道中施作水平旋喷桩需要足够的工作空间。需沿原隧道轮廓位置拱顶和边墙分别外扩70 cm～90 cm的施工空间，以便于搭设工作平台，放置钻机，调整施工角度。在距需施打旋喷桩的里程8 m～10 m处开始做扩大断面，扩大至计划的里程点封堵掌子面，由于旋喷桩注浆时的压力很大，所以掌子面的喷混凝土强度不宜小于 C25，封堵厚度不能小于200 mm，并配以 Ф8 mm @200 mm×200 mm钢筋网。

3 旋喷桩设备

1)水平旋喷机。目前国内用于水平旋喷桩施工的水平钻机类型较多，较先进的水平钻机属意大利生产的PST-60水平旋喷台车，其次是意大利C6履带式钻机。国内钻机采用改装后的XY-2，GY-2A型钻机较为经济实用，目前已具备传感器定向、深孔钻进、钻孔精度高、轻便灵活、解体性强、液压移动、液压钻进等优点。水平旋喷桩施工的关键在于钻机的选型，因此，施工中根据岩性进行钻机设备配套非常重要。钻机的转速、顶进力和扭矩直接决定了施工的进度和成桩效果。

2)高压注浆泵。高压注浆泵是砂土软岩隧道施工水平旋喷注浆形成帷幕进行超前预加固的关键设备之一。泵的压力与流量直接影响旋喷桩长度、直径的大小和强度。高压泵的重要性能除压力外，再就是流量的控制。目前我国研制的YZB-32型高压注浆泵和天津生产的聚能泵压力可达到60 MPa，均能满足压力、流量的无级调节要求。

4 施工工艺

4.1 施工准备

1)检查钻机、高压注浆泵运行是否正常，钻具、工具是否齐全，其他配套设备是否齐全。2)钢筋网喷射混凝土封闭掌子面，在掌子面测量标出隧道开挖轮廓线，放线定桩位，并编好每个桩号，便于施工时工序写实。3)根据现场实况搭设工作平台，由于施作空间为圆弧形，工作平台要求可上下、左右移动。4)开挖排水沟和浆液沉淀池，废水和溢浆通过排水沟流入沉淀池后外运，避免出现浸泡拱脚和污染施工现场的现象。

4.2 钻机及高压泵就位

隧道水平旋喷桩超前预加固施工一般自拱脚开始，根据空间大小可以采取多台钻机同时平行作业。水平旋喷钻机就位时，机座要平稳，然后调整钻机角度、方位，对准孔位，孔位误差控制在±10 mm以内，倾角与设计误差一般不得大于1°。

4.3 制备浆液

隧道内施作水平旋喷桩在没有特殊情况下一般采取单液旋喷，水泥浆浆液配比为1∶1。浆液在高压泵配套的专制搅拌桶内由专人用高速搅拌机拌制，拌制过程中随时测量浆液比重，拌制浆液必须连续均匀，搅拌时间不少于3 min。浆液根据施工数量和进度拌制，做到随拌随用，防止浆液过剩造成浪费和污染。

4.4 钻进

按照测量定位的桩位孔施钻，采用φ73 mm～φ146 mm钻头钻进。调整钻机对准孔位，将导向钻头及第一根钻杆送入孔内。钻杆通过导轨定向，钻进时采用高压水辅助，钻头前端有φ10 mm～φ15 mm的水眼，钻进时高压喷射，切割钻孔周围砂土，起到辅助钻进作用。每钻进3 m要测斜一次，并做好测斜记录，每次测斜角度偏差不超过3%。一旦发现偏斜超差要进行纠偏，直到钻至设计深度。钻进过程不能间断，防止出现塌孔现象。

4.5 高压喷浆成桩

钻进至设计深度后，调整喷嘴位置，关闭水路，转换为高压喷浆，逐渐提高浆液压力。喷浆时在孔底停留3 min～5 min，然后边高压喷浆边缓慢拔出钻杆。外拔钻杆速度根据围岩地质条件确定，高压泵压力要大于35 MPa。

为确保成桩质量，旋喷过程必须连续，防止出现断桩、缩桩及堵嘴现象。另外旋喷速度及压力直接决定了成桩的质量，压力和速度控制好后，可以使切割的砂土体与浆液充分搅拌混合，形成均匀的水平圆柱状水泥砂土固结体，即水平旋喷桩，起到很好的超前预加固支撑作用。

成桩时当喷浆至孔口掌子面1.0 m距离段必须做好封孔工作。孔口处的止浆装置一般为大球阀。每根桩施工完毕后都应用清水高压冲洗管道及设备，确保管道内不留浆液，清洗完毕后移至下一桩位。因为浆液初凝及待强需要时间，所以下一桩位应该间隔施作，间隔2根～3根施作较为理想。

5 结语

水平旋喷桩超前预加固技术在砂土层中效果较好，高压旋喷后在隧道周边形成封闭的水平旋喷帷幕体，帷幕体平均抗压强度接近C15等级混凝土，可承受大部分地层压力，保持砂土软岩在开挖后的稳定，具有组合梁的效应。在水平旋喷桩相互咬合形成的帷幕体的保护下，隧道开挖采用短进尺、勤支护、快施工原则，能安全地通过砂土软弱松散围岩段，有效地控制围岩收敛、防止坍塌、地面沉降现象，确保地表管线、构筑物及道路交通安全。

［1］ 李治国.隧道岩溶处理技术［M］.北京：铁道标准设计，2003.

［2］ 周爱国.隧道工程现场施工技术［M］.北京：人民交通出版社，2004.

［3］ 王梦恕.中国隧道及地下工程修建技术［M］.北京：人民交通出版社，2010.

［4］ 耿新文.云台山隧道泥砂岩互层段开挖施工技术［J］.山西建筑，2010，36(6)：304-305.