含水疏松沙层隧洞地层加固方法对比

牛 军

(甘肃省引洮工程建设管理局，甘肃 兰州 730000)

含水疏松沙层隧洞地层加固方法对比

牛 军

(甘肃省引洮工程建设管理局，甘肃 兰州 730000)

引洮供水一期工程总干渠7号隧洞在桩号60+931.0～改60+875.6段为含水疏松粉细沙层段，先后分段采用了帷幕灌浆、水平旋喷桩、水平冻结法等地层加固方法，对此地层三种加固方法结合实际施工情况，分别从施工技术、施工方案、施工过程及施工经验总结这四个方向进行介绍，并进行相关对比。

隧洞,含水疏松沙层,帷幕灌浆,水平旋喷桩,水平冻结法,分析,对比

引洮供水一期工程总干渠7号隧洞设计纵坡i=1/1 650，圆形断面，开挖直径5.75 m，衬砌后净直径4.96 m。设计采用1台单护盾TBM全断面掘进机独头掘进及C45钢筋混凝土管片拼装衬砌的施工。TBM从出口掘进至桩号60+931.0位置进入含水疏松沙地层，掌子面和已衬砌部分管片出现具承压的涌水涌沙，泥沙陆续涌入盾体内造成TBM主机部分约3/4的部位被埋。由于施工遇到了难以预知和难以攻克的地质问题，在采取各种措施脱困后TBM仍无法恢复掘进，出口工作面遂停止TBM掘进施工。桩号60+931.0～改60+875.6段为含水疏松沙层，施工区域埋深约240 m。疏松砂层自稳性差，成洞困难，开挖后极不稳定，坍塌严重，掌子面极易涌水涌砂。为此，先后分段采用了帷幕灌浆、水平旋喷桩加固、水平冻结加固等地层加固方法。现就此三种地层加固方法结合实际施工进行对比。

1 帷幕灌浆

1.1帷幕灌浆施工技术

帷幕灌浆施工是将浆液灌入地层的裂隙、孔隙，在地层中形成连续的隔水帷幕，减小水在地层中流动性，达到加固地层目的，以保证开挖和构筑施工的安全。

1.2总体施工方案

第一步：对前方地层进行帷幕灌浆加固。首先在桩号60+931.0处设置止浆墙(厚约2 m)，倾角为65°(往进口方向倾斜)。注浆孔布置和注浆预测效果见图1。本循环灌浆纵向长度为15 m，有效加固长度扣除2 m厚止浆墙后为13 m，径向加固范围为开挖轮廓线外5 m。完成本循环灌浆后预计能实现开挖8 m。

第二步：在灌浆效果检查完毕并合格以后，在拱顶180°范围布设管棚，布设完成后拆除止浆墙并向前开挖。

1.3施工过程

灌浆材料采用普通硫铝酸盐水泥单液浆为主，辅助普通水泥—水玻璃双液浆。灌浆施工中根据现场灌浆情况对灌浆材料进行合理选择，同时对浆液配比进行调整。

灌浆顺序按照“由外到内、间隔跳孔”的原则进行，以达到控域灌浆、挤密加固的目的；灌浆过程中可在灌浆工作面选取5个～6个灌浆孔，钻至设计深度，不灌浆退钻，作为排水、排砂孔，以提高地层可灌性的目的。

设计单孔灌浆结束标准：灌浆过程中，压力逐渐上升，流量逐渐下降，当灌浆压力达到5 MPa～7 MPa时，即可结束该孔灌浆，或当灌浆量达到2.0 m3/m、压力仍不上升时，要调整浆液凝固时间，同时采取小量多次原则，以保证注浆压力达到设计值，方可停止该孔灌浆。

实际灌浆过程中，灌浆压力迅速上升，流量急剧下降，灌浆压力很快达到5 MPa～7 MPa后，灌浆压力仍持续上升，最大达到30 MPa，单孔平均灌浆量仍不足0.5 m3/m。地层随着注浆量的增加，导致注浆压力达到较高压力，注浆量都很小，最终不得不终止所有孔灌浆。

1.4分析

该含水疏松沙层中主要为粉细砂，浆液在地层中流动性较差，在实际施工中发现，通过灌浆很难达到理想的阻水帷幕。

2 水平旋喷桩加固

2.1水平旋喷桩施工技术

喷射注浆法又称旋喷法注浆，简称旋喷桩。水平旋喷是以高压泵为动力源，通过水平钻机、钻杆、钻头、喷嘴把配制好的浆液喷射到土层中。在喷嘴作缓慢进退和旋转的过程中，喷射出的浆液把一定范围内的土层切削、摧毁，与浆液在原位充分搅拌混合，形成大致水平的柱状水和泥土的固结体，即水平旋喷桩；当多个旋喷桩相互咬合后，在隧洞开挖区域周围形成封闭的帷幕，防止地层中水渗透的同时，还起到一定的支护作用。

2.2总体施工方案

从桩号改60+875.6处设置止浆墙(厚约2 m)，倾角为65°(往出口方向倾斜)。在止浆墙向外100 mm处设置一圈水平旋喷桩，桩径为550 mm，桩间距为400 mm，旋喷桩长度18 m，倾角1°，共计49根(见图2)，环间搭接约5 m，实际开挖约13 m。

2.3施工过程

根据设计先打设中间孔，再打设外围孔。采用水平定向钻机打设水平孔。钻进至设计深度后，拔出钻杆，通过水平钻机、钻杆、喷嘴以35 MPa～40 MPa的压力把配制好的浆液喷射到土层内,借助流体的冲击力切削土层，同时钻杆一面以一定的速度(20 r/min)旋转，一面低速(15 cm/min～30 cm/min)缓慢外拔，使土体与水泥浆充分搅拌混合，胶结硬化后形成直径比较均匀，具有一定强度(因地质情况不同强度为1.0 MPa～8.0 MPa)的桩体，从而使地层得到加固。

当所有旋喷桩施工完成后，通过取芯，旋喷桩之间相互咬接较差，部分桩间取芯发现桩间没有咬接，同时旋喷的均匀性较差、断桩较多，无法满足开挖施工需要。

2.4分析

水平定向钻机在打设水平孔过程中，钻杆受重力影响，向下偏并有一定弧度；同时，受地层、操作等影响，水平钻孔自身有一定的误差，从而导致各桩间的方位角偏差较大，造成旋喷桩之间相互咬接较差，部分桩间没有咬接。

由于所施工地层为含水粉细沙层，水平高压旋喷过程中，旋喷速度、拔钻速度、喷浆压力、单位时间喷浆量等技术参数不易控制，从而导致形成的旋喷桩均匀性较差，有部分断桩出现。

3 水平冻结法加固

3.1水平冻结法施工技术

冻结法是利用人工制冷设备，把地层中的水和土胶结成冻土，并有一定厚度和强度，以隔绝地下水与地下工程的联系，以便在冻结壁的保护下进行地下工程掘砌施工。

3.2总体施工方案

在帷幕灌浆和水平旋喷桩加固均未成功之后，先对帷幕灌浆段从桩号60+931处向进口方向进行全断面水平冻结加固地层，然后进行矿山法暗挖并一次支护至60+909.6处，接着从水平旋喷桩段改60+875.6和60+909.6处相向同时水平冻结加固地层。

设计从桩号60+931处向进口方向水平冻结长度25 m，开挖并支护21.4 m；设计冻结壁厚2.5 m，冻结孔64个(冻结孔布置平剖面图见图3)，积极冻结50 d，冻结壁的厚度和强度达到设计要求后进行开挖支护施工。

从桩号改60+875.6和60+909.6处相向同时水平冻结加固地层，设计冻结壁厚2.5 m，两个断面共布置冻结孔69个(冻结孔布置平剖面图见图4)，积极冻结60 d，冻结壁的厚度和强度达到设计要求后进行开挖支护施工。

3.3施工过程

在实际施工过程中，先进行冻结孔水平钻孔和冻结机房安装施工，然后进行积极冻结施工，在冻结壁的厚度和强度达到设计要求后，最后进行开挖和构筑施工。两段冻结均按原计划工期，安全顺利的完成开挖及构筑施工。

3.4分析

地层水平冻结法加固施工是把天然岩土变成有一定厚度和强度的冻结帷幕，开挖和构筑施工在冻结内幕内进行。其在地基加固方面，适用范围广，成功率可达100%，在安全、工期和造价方面均可控。

4 结语

在同一程种地层中，使用三种地层加固工法，通过对三种工法的对比，发现帷幕灌浆和水平旋喷桩加固地层有一定的局限性，适用性差，成功率低，在安全、工期及造价方面，均不可控；而冻结法施工适用性强，在其他加固工法不成功的条件下，可以有效完成地层冻结加固施工，保证工程安全顺利完成。

[1] 雷文敏.万开高速公路铁峰山2#隧道右线突水段治水施工技术方案[J].西南公路，2010(1):41-44.

[2] 葛寨辉.富水粉细砂层拆除被困TBM刀盘注浆加固技术[J].隧道建设，2012(S2):105-110.

[3] 赵彦峰.利用水平旋喷桩处理隧洞开挖涌砂[J].甘肃水利水电技术，2012，48(8):57-58.

[4] 吴高伟,许 健，任伯锋.湿陷性黄土隧洞水平旋喷桩加固效果研究[J].甘肃科技，2014,30(9):82-85.

[5] 陆 路,石荣剑,李兆坤,等.人工冻结法在富水砂层地铁洞门加固工程中的应用[J].铁道建筑,2013(4):51-53.

[6] 赵时运,周兴荣,王宗金.冻结施工技术在桥梁桩基工程中的应用[J].西部探矿工程，2000(1):40-42.

Comparisonofstrengtheningmethodsforwater-drawingsand-layertunnel

NiuJun

(GansuProvinceYintaoProjectConstructionManagementBureau,Lanzhou730000,China)

Main channel Yintao water supply project of No. 7 tunnel in pile No. 60+931.0 to 60+875.6(changed) segment for water bearing loose silt sand, has adopted in different sections of curtain grouting, horizontal jet grouting pile, horizontal freezing reinforcement method of formation. The formation of three reinforcement methods combined with the actual construction situation, respectively from the construction technology, construction scheme, construction process and construction experience of the four directions are introduced, and the related comparison.

tunnel, waterborne loose sand layer, curtain grouting, horizontal jet grouting pile, horizontal freezing method, analysis, contrast

1009-6825(2017)28-0163-02

2017-07-26

牛 军(1964- )，男，高级工程师

U455

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