40m超前水平旋喷桩加固黄土溜塌、错落体隧道进出洞技术

2018-05-28朱呈彪

建筑机械 2018年5期

关键词：进洞黄土钻头

朱呈彪

（中铁十八局集团第二工程有限公司，河北唐山 064000）

40m超前水平旋喷桩加固黄土溜塌、错落体隧道进出洞技术

朱呈彪

（中铁十八局集团第二工程有限公司，河北唐山 064000）

在中西部黄土地区施工隧道时，隧道进出洞时常会出现地表开裂，山体溜塌等问题，不仅易造成人身伤害和财产损失，还会导致工程进度缓慢。为解决溜塌、错落体及砂质新黄土边坡安全进洞问题，以蒙华铁路柳湾2号隧道进洞为例，通过采用HTG-200型水平钻孔旋喷机打设水平孔，XPb-90E型高压泵喷射浆液到土体内形成40m超前水平旋喷桩加固区，有效控制了地表及洞内沉降和收敛，实现了安全进洞，为今后黄土地区复杂地形下隧道进出洞开拓了思路，并提供了有益借鉴。

40m超前水平旋喷桩；溜坍；错落体

我国黄土以分布广、厚度大、地层层序完整、古土壤清楚而著称于世。由于黄土独特的物质组成及节理属性，在黄土地区施工时经常遇到浅埋、溜塌、错落体等不良地质，影响工程正常施工。随着国家经济的深入发展及路网的全面建设，施工中黄土高边坡溜塌错落体隧道进洞更为常见，传统的超前大管棚、双层管棚以及超前小导管有时己不能满足安全进洞需求，所以创新、丰富进洞手段意义重大［1］。本文中柳湾2号隧道采用40m超前水平旋喷桩加固黄土高边坡溜塌、错落体进洞在国内尚属首次，通过总结相关施工参数，为后续类似施工提供了经验参考。

1 工程概况与地质情况

蒙华铁路柳湾2号隧道位于陕西省安塞县坪桥镇，隧道进口里程为DK291+310.43，隧道全长663.57m，为单洞双线隧道，最大埋深约117.8m，隧道坡度为-1.17%。隧道进口与阳坬中桥对接，桥梁台尾里程为DK291+310.43。隧道进口段为土石分界，上部地质主要为第四系上更新统风积（Q3eol）和统冲洪积（Q3al+pl）砂质新黄土，中下台阶为第四系中更新统冲洪积黏质老黄土、细砂、白垩系下统砂岩，产状295°∠4°，全风化，原岩结构已破坏，岩质较软，呈角砾状松散结构。土石分界处有裂隙水流出，主要受大气降水及地下水径流补给，雨季降雨入渗，水量较大。

隧道处于黄土高原梁峁区，地形起伏较大，冲沟发育。进口山体自然边坡40°～60°，表层覆盖少量植被，进口有一冲沟，冲沟内有水塘。

砂质新黄土：浅黄色，稍密～密实，稍湿，具大孔隙，结构疏松。

砂岩：浅黄色，泥质胶结，薄～中厚层结构造，强风化（W3）—弱风化（W2），节理裂隙发育。

泥岩：肉红色，褐黄色，弱风化（W2），泥质结构，薄～中厚层状构造，节理裂隙发育。

柳湾2号隧道进口穿越地层岩性为第四系上更新统砂质新黄土，具有湿陷性，湿陷性系数δs=0.016～0.065，厚约5～10m，为Ⅲ级（严重）自重湿陷性场地（如图1）。

隧道进口溜塌及错落体边缘，左侧距隧道洞口中心65m，右侧距离隧道中心12m，高51.4m，纵向水平距离39.8m，坡顶错台4m。

图1 柳湾2号隧道进口纵断面图

2 施工“三原则”

坚持“早进晚出”原则。减少洞口开挖量，尽量不扰动边坡，力求保持原有土体状态，维持洞口地形，保持土体原有自稳性。

坚持“先加固后进洞”原则。对洞口浅埋、偏压进行处理加固，洞口边仰坡先进行防护，消除洞口安全隐患后再进行进、出洞施工。

坚持“超前加固”原则。洞口砂质新黄土均为风积形成，结构松散，开挖扰动易引起变更、开裂、溜塌等灾害，因此需先对洞口采用超前旋喷桩进行预加固，提高围岩承载能力。

3 关键施工技术

3.1 旋喷桩原理及工艺

水平旋喷桩是以高压泵（＞30MPa）为动力源，通过水平钻机钻杆、喷嘴把配制好的浆液喷射到土体内。喷射流以巨大的能量将一定范围内的土体切削，并在喷嘴作缓慢旋转和进退的同时切割土体，强制土颗粒与浆液搅拌混合，形成水泥和岩土组成的流塑体。待浆液凝固后，形成水平圆柱状水泥土固结体即水平旋喷桩。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，起到防流砂、抗滑移、防渗透的稳定拱壳保护作用［3］。

3.2 水平旋喷桩

柳湾2号隧道进口DK291+316.13～DK291+356.13段纵向共40m，拱部180°范围采用超前水平旋喷桩预加固。为提高水平旋喷桩抗剪强度，拱部150°水平旋喷桩内插φ89钢管进行预加固。φ89钢管环向间距40cm，长度为40m；DK291+316.13～DK291+336.13段纵向20m，两侧边墙范围采用超前水平水平旋喷桩预加固。拱部及边墙超前水平旋喷桩于DK291+316.13里程处一次打设完成，旋喷桩按隧道坡度打入，水平旋喷桩预留变形量20cm（如图2）。

图2 桩位分布图

3.3 施工重点难点及分析

3.3.1 长距离旋喷的导向控制

钻进轨迹决定着旋喷成桩轨迹，而旋喷桩体与隧道开挖线的距离是验证旋喷施工成功与否的一个重要标志。旋喷桩体与隧道开挖线的最佳距离为20～30cm，超过此距离会造成桩体下部土体坍塌，进而导致隧道超挖，增加喷锚量。小于此距离，又会涉及到破桩，给开挖施工增加难度。

（1）施工中每3m测量一次角度，发现偏差超过0.5%，立即实施纠偏措施；

（2）施工纠偏中每m至少测量一次角度，直至满足要求；

（3）施工角度发生偏差无法进行纠偏作业，须立即停止钻进，原地低压灌浆，待24h后重新钻孔。

3.3.2 旋喷施工时成桩效果控制

旋喷桩的成桩效果包括：桩径、强度、完整性。强度高、完整性好的旋喷桩代表成桩效果越好，而旋喷桩的桩径既要满足设计要求又要保证相邻桩体的咬合，同时也要考虑水泥用量的节约，控制桩径过大，减少浪费。所有参数需以经验数据为基础通过现场试桩分析得出。

3.3.3 旋喷时返浆量的控制及对周围环境的影响

旋喷施工时孔口返浆是不可避免同时也是必要的，返浆量大或者不返都不是正常的施工状态。返浆量大会造成水泥的浪费，同时给水泥浆液的回收处理增加难度，对成桩桩径也有一定影响。孔口不返浆一般有2种情况：一种情况是前端地层有裂隙或者空洞，旋喷的浆液都填充到裂隙或者空洞里；第二种情况是返浆通道被阻塞。不管是有裂隙空洞还是孔道阻塞导致不返浆，都会造成旋喷回拔时钻机扭矩增大，从而导致抱钻［4］。长时间不返浆，造成地层填充物增多，压力过大，给地表造成隆起。返回的浆液一经流出就作为废浆处理，不能影响周围山体植被及附近河流。

3.4 主要机械设备、材料以及人员配置

如表1、表2所示。

表1 主要机械设备和材料表

表2 人员组织

续表2

3.5 技术措施

3.5.1 根据试桩的数据分析调整最佳的施工参数

（1）钻进过程中严格控制进孔、外插角度。机手调好角度后，由现场技术员复核，确认后方可通知机手开钻。利用无线导向仪器跟踪监测钻进角度，发现跟设计角度不符的实时纠偏调整。对于特殊孔位的位置挪动，必须经过现场技术员、甲方有关人员共同签字确认。

（2）旋喷过程中严格按照参数来施工。

（3）加长钻机，采用5m钻杆施工，减少上、卸钻杆时间，减小喷嘴堵眼概率。

（4）在钻头前端加装直射喷嘴，提高钻进速度。

（5）采用可导向的纠偏钻头控制钻进轨迹。

3.5.2 水平定向跟踪测量钻进方法原理

（1）水平定向钻进方法要求在钻进过程中，接收仪在地表跟踪准确测定钻头在地下的位置和方向。根据钻头在钻进过程中的位置和方向同设计轨迹的差异，利用能调节方向的钻头（一般为楔型钻头）改变钻头的钻进方向，从而完成设计要求。钻头示意图见图3。

图3 钻头示意图

如图3所示，钻头内装有特制的传感器，传感器直接由15V直流供电。显示屏显示钻头的倾角（水平角度）、面向角（导向板的方向：导向板朝上即为12点，如同钟面）。打设角度如果偏下，可以把钻头调到12点，即导向板朝上，直接顶进。此时由于导向板底板斜面面积大，受到一个向上的力，钻头轨迹就会朝上运动。同理在6点纠偏可以使钻头轨迹朝下，9点、3点分别为左、右纠偏方向。如果角度合适，钻机会匀速旋转钻进，此时钻杆轨迹一般是平直的，所以导向钻头是上下纠偏的关键。

（2）施工中使用带有信号发射器的钻头。接收器接收到钻头发出的信号后通过信号电缆传递给电脑计算机，计算机对信号进行处理和计算，能够实时显示钻头所在的位置、行进轨迹等系列参数。通过显示的数据，设备操作人员根据导向原理及时进行角度纠偏，以保证施工的准确性。

3.6 施作试桩，确定参数

本段工程地层软弱，位于溜塌体，隧道开挖安全风险高，为保证水平旋喷桩支护效果，利用现场实际环境施作试验桩。

试桩选于下台阶范围处，试桩共计2根，长度按5m控制，桩径600mm，桩间距400mm，水泥采用42.5号普通硅酸盐水泥。具体过程：先根据经验数据选择1组参数，在2个实验孔实验，观察浆液凝固时间、旋喷机和高压泵运转及浆液外泄情况，8h后挖开测量固结体直径，14d后取试件进行各种强度试验，然后综合分析修改工艺参数，确定本工点水平旋喷桩采用的技术参数，见表3。

表3 试桩参数

经验数据：为保证旋喷施工时水泥浆液压力，压力控制35MPa以上；为保证水泥浆液的比重，水灰比严格控制在1∶1，水泥用量误差控制在10kg以内；回拔速度（15～20cm/min）和旋喷速度（10～20r/min）满足要求。

现场试验桩检测：1#和2#桩径分别为620mm、810mm，桩体连续，完整性好。

综上，最终确定本隧道水平旋喷技术参数为：

旋喷桩径600mm；桩间距400mm；旋喷压力38MPa；旋喷转速15r/min；浆液配合比1∶1；回拔速度20cm/min；每延m水泥用量148kg；严格执行拆接杆复喷要求，搭接段不小于20cm，因故中断施工30min以上，重复搭接1m复喷。

3.7 旋喷桩施工

（1）锚喷掌子面。

旋喷前要对掌子面进行网喷混凝土封闭加固，以防掌子面在旋喷过程中受压坍塌。喷混凝土厚10cm，网片采用φ6钢筋制成的方格网，网眼尺寸为20cm×20cm。定位筋采用φ20钢筋，长50cm，间距100cm×120cm，成梅花型布置。

（2）钻孔旋喷机就位，放出轮廓线。

钻孔旋喷机安装在轨道上后，沿轨道左右两侧移动，将轨道压实。压实过程中用水准仪校正轨顶高程，据观察结果处理基底，使左右轨道面保持水平，然后停放在需钻孔的前方。按各孔位坐标要求，用全站仪测量、调整钻塔高度、倾角及摆角，使钻杆轴线方向符合外扩角的要求。

4 隧道监测效果

现场围岩量测数据来看，采用40m超前旋喷桩进洞后，隧道正洞开挖过程中拱顶最大沉降7cm，左右最大收敛3.5cm，地表最大沉降4.8cm。而查阅管段内墩梁1号隧道进口（砂质新黄土）108管棚超前支护施工监控量测数据，开挖后拱顶最大沉降量达23cm，收敛4.5cm，可见旋喷桩回固有效地减小了地表及洞内沉降，同时很好的控制了洞内收敛，实现了隧道安全进洞。