水平旋喷桩技术在莞惠城际铁路浅埋暗挖隧道工程中的应用

2014-07-30张明聚

铁道建筑 2014年7期

张明聚，李方，李海，刘义

(1.北京工业大学城市与工程安全减灾省部共建教育部重点实验室，北京 100124;2.中铁十三局集团有限公司第二工程有限公司，广东深圳 518000)

控制隧道变形和地表沉降以及减少隧道对周边环境、建筑物的影响是浅埋暗挖隧道施工的关键，所以施工前应首先对隧道掌子面前方土体进行超前支护，随后再进行施工开挖。超前支护处理得好，不仅能保证隧道在建设施工中的各项安全而且具有较好的经济效益。因此，应正确选择超前支护方法。目前浅埋暗挖隧道常用超前支护方法主要有水平冻结法、水平旋喷桩法、超前小导管注浆法、管棚法等。

水平旋喷桩技术是在水平钻孔内以高压旋喷的方式压注水泥浆，在隧道开挖外轮廓形成拱形预衬砌，以防护掌子面和地表下沉的超前支护方法[1]。国内外学者对水平旋喷桩施工原理、施工设计等做了大量研究[2-5]。孟凤朝[6]研究表明水平旋喷桩在流塑状砂质黏性土隧道施工中能有效提高洞室稳定性，建议在隧道掌子面前使用水平旋喷桩并增设临时仰拱。路德富[7]以北京长安热力复线管线的浅埋暗挖隧道为例，对水平旋喷桩的施工原理和施工设计进行了探讨。提出应根据工程地质条件合理确定仰角(一般在3°～5°)，旋喷桩长度不宜过长。郭伟[8]以深圳地铁安托山站—侨香站区间为例说明了在富水砂层浅埋暗挖隧道施工中应用水平旋喷桩施工工艺能有效防止隧道涌沙、涌水事故的发生，且洞内止水效果良好。本文以莞惠城际铁路为例，将实际监测数据与数值模拟结果对比，分析水平旋喷桩超前支护控制隧道开挖施工引起的地表沉降的效果。

1 工程概况

莞惠城际GZH-4标GDZK19+877—GDZK19+780、GDK19+875—GDK19+780段暗挖隧道穿越皇玛丽宫在建小区，与3标相接，分界里程为DK19+780。隧道埋深10 m，围岩等级Ⅵ级，采用CD法开挖施工。该段地貌属丘间谷地，地形略有起伏。

隧道拱顶覆土为素填土、淤泥质粉质黏土、粉质黏土、砂层。洞身主要穿越砂层、粉质黏土、全风化混合片麻岩。其中，素填土松散～稍密;淤泥质粉质黏土具有孔隙比大、压缩性高、抗剪强度低等特点，具触变性、流变性;砂层为冲洪积砂层，以粗砂为主，局部为细砂，富水性大，结构松散～中密，透水性中等～强;粉质黏土层、全风化混合片麻岩土质不均，遇水易软化，无自稳能力。以上均属不稳定土体，易受施工扰动，极易造成隧道坍塌、侧壁失稳等施工危害。

地下水埋深0.8～6.0 m，水位变幅5.2 m，补给来源较好。隧道拱顶以上以地表水补给为主，且围岩渗透情况较好，仰拱及以下为风化裂隙水，水量较为丰富。

2 不同超前支护措施的数值模拟

为确定具体施工方案，用FLAC 3D软件分别对单排旋喷桩、双排旋喷桩、小导管注浆三种超前支护措施进行数值模拟分析。

2.1 数值模拟模型和边界条件

计算模型选取水平方向(X轴)长30 m，隧道轴向(Y轴)长20 m，竖直方向(Z轴)长29 m。因为实际隧道轴向长9.038 m，竖直方向长8.980 m，所以将隧道模拟为半径4.5 m的圆柱体。隧道围岩采用六面体单元。模型左右两侧边界施加水平方向的位移约束，前后两侧边界施加沿轴向的位移约束，下边界施加竖向约束，顶部为自由表面，不进行任何约束。

2.2 模型参数

隧道使用CD法施工，分4步开挖。因隧道埋深仅为10 m，属浅埋隧道，故将其岩性简化为4层，见表1。

表1 模型参数

2.3 地表沉降结果对比分析

因隧道下穿城市主要道路和一在建高层小区，故对隧道开挖时地表沉降提出了高要求。因城市浅埋暗挖隧道开挖的第1步和第2步对地表沉降的影响较大，现以隧道开挖后地表沉降值为控制量，将隧道开挖前2步数值模拟结果归纳为图1。

图1 隧道开挖前2步数值模拟结果

从图1可得，水平旋喷桩超前支护能有效控制隧道开挖后的地表沉降，而且模拟施工效果比小导管超前注浆好，考虑到经济效益以及该隧道施工过程中地表沉降预警值30 mm，沉降速率＜2 mm/d的要求[9]，实际施工中采用单排水平旋喷桩施工。

3 水平旋喷柱施工

3.1 支护方案

此段隧道开挖轮廓范围内几乎全是砂层，地质条件差、埋深浅(10 m)，控制地表沉降是工程难点所在，所以拱顶采用了水平旋喷桩施工，隧道底部开挖轮廓线外同时帷幕注浆起到支护、防水等效果。

为确保洞内断面注浆时不发生地面冒浆，同时又能达到掌子面开挖时不涌水、涌泥，首先在洞内拱顶180°开挖轮廓线以外打设1圈水平旋喷桩作为超前支护，同时作为止水、止浆帷幕。然后在隧道上半部掌子面打设9根旋喷加固桩来稳定掌子面土体。水平旋喷桩完成后，在隧道下半断面洞内及其开挖轮廓线以外4 m范围内进行帷幕注浆。

3.2 水平旋喷桩施作范围

在隧道开挖轮廓线以外采用42根φ600 mm@450 mm旋喷桩作为超前支护，同时在上半部掌子面设置3排间距1.0 m×1.5 m，梅花形布置的旋喷桩来稳定掌子面前方土体。旋喷桩布置示意如图2。桩长均为15 m，每循环预留3 m的旋喷桩搭接长度，拱顶旋喷桩外插角为3°～5°。

图2 旋喷桩布置示意(单位:mm)

3.3 主要施工参数

旋喷桩直径600 mm，桩间距450 mm，旋喷压力40 MPa，旋喷转速20 r/min，水泥浆浆液流量50 L/min，浆液配合比1∶1，后退速度20 cm/min。

3.4 施工技术要求

①水平旋喷桩位置偏差±3 cm;②打设角度偏差在2‰以内;③施工后长度不小于设计桩长;④桩体应确保均匀、连续，满足设计强度要求并达到止水效果;⑤水平旋喷桩现场施工时应严格按照设计桩数、桩长、桩径和桩位等施工;⑥应在施工现场先进行2根桩的成桩试验，通过现场试验掌握单位时间喷浆量、喷浆压力、旋喷速度、拔钻速度等技术参数，确定最佳施工工艺以及最佳施工参数;⑦桩体施工过程连续不中断。

3.5 质量保证措施

①试验桩施工完成后应进行各项桩的质量检测，主要检测其桩长、强度、桩径等指标。②钻头在钻进过程中受到钻杆本身重力和高压浆液对土体的削切作用，会产生明显下移，为此旋喷桩的上仰角应根据桩径、桩长、隧道坡度、地层情况确定，从拱底往上采用间隔1根进行施工。③施工过程中，操作人员随时记录钻进速度、喷射压力、喷浆量等有效施工参数。施工过程中应严格控制，做到发现问题及时处理。④高压旋喷时应全孔连续进行，若中途拆卸喷射管，则应进行复喷，搭接长度不小于200 mm。供浆正常的情况下，孔口回浆密度变小且不能满足设计要求时，应加大进浆密度。