超长水平旋喷桩止水帷幕技术在富水砂层中的应用研究

罗 姗

(中铁三局集团有限公司，山西太原 030000)

水平旋喷桩技术因其加固地层效果好、止水性能优良等特点，在解决流塑状、小孔隙率、开挖后自稳能力极差的地层加固施工中均有相关成熟的工程案例及相关的理论研究[1-8]。相关研究表明，采用水平旋喷桩预加固后，隧道拱顶最大沉降减小约53%， 洞周塑性区面积减小约3/4。管棚配合旋喷桩预加固工法可有效地控制拱顶沉降，以及工作面和拱脚的水平位移，是软弱围岩地区隧道开挖预加固的有效方法[9]。高压水平旋喷桩技术先后在我国兰渝铁路桃树坪隧道、大西客专上白隧道、厦深客专梁山隧道取得了良好的应用效果[10-12]。目前，常用的水平旋喷桩长度一般不超过20 m，在富水粉砂地层中，超长旋喷桩与箱涵顶进施工对旋喷桩的钻孔角度、旋喷压力、止水性能均提出了较高的控制要求。

1 工程概况

包头市工业园区东路及配套管线工程采用顶进法下穿既有京包、集包铁路。京包双线和集包双线均为国铁Ⅰ级线路，京包双线设计行车速度为120 km/h，集包双线设计行车速度为200 km/h。京包线路基填高为2～3 m，路基填料以粉土为主；集包线路基基础采用梅花形布置的碎石桩加固，路基填高为4～5 m。场地内以人工填土、粉土、粉细砂地层为主，地下水稳定水位为2.9～3.0 m。施工场地距离黄河3 km，地下水位较高，地质条件较差。为确保线路安全，施工中不允许降水，线路外侧护管涵顶进施工工作井间距为79 m，涵管位于地面以下7.4 m，工程位置关系见图1。

图1 工程位置关系及测点布置(单位：m)

2 工程重难点

(1)顶进施工段既有路基强度低，加固与支护技术选择难度大。顶进施工区域内主要为粉土、粉细砂地层，且邻近既有铁路线，常规的加固方法难以实施。

(2)护管涵顶进施工两侧工作井之间的距离达到79 m。为确保路基变形在控制范围内，对加固体的整体刚度要求较高。

(3)施工区域不具备降水条件，加固控制难度大。顶进范围内土层遇水易产生大的变形和坍塌，且施工区域范围内地下水位高，补给通道畅通。对加固技术的止水要求高，施工控制难度大。

(4)顶进施工下穿京包和集包铁路，其中集包铁路设计速度为200 km/h(按照高速铁路标准进行运营管理)，对路基的变形控制要求高。

3 护管涵超前加固施工总体思路

水平旋喷桩可对梁、拱、土体进行综合改良。在含水量较高的地层进行旋喷施工时，水泥浆液扩散并填充缝隙，起到止水效果。为确保超前加固效果，通过现场对比，确定采取在护管涵两侧工作井内对向施作高压水平旋喷桩并在中间进行搭接的方法，进行超前支护和顶进涵内外部土体的加固。

4 护管涵超前加固超长水平旋喷桩施工

(1)超长水平旋喷桩主要参数

桩长42 m，搭接段长5 m，压力为42 MPa，桩径为0.6 m，上倾角度为2°，旋喷桩加固区顶部距离京包线路基为5～6 m(如图2所示)。

图2 水平旋喷桩布孔断面(单位mm)

(2)超长水平旋喷桩施工工艺及方法

施工工艺及方法如图3所示。

图3 水平旋喷桩施工工艺

①放线定位：测量并放线定位。

②钻孔：通过试桩确定水平旋喷桩钻杆向上的偏角(2°)，用于防止水平旋喷桩桩端偏下距离过大。

③下喷射钻杆：将钻杆下至设计喷射深度。

④制浆：采用P.O42.5的普通硅酸盐水泥。根据地质条件和涌水量，可以适当调整水泥浆浆液的配比。

⑤喷射：待浆液流出孔口后，即按设计的提升速度、旋转速度进行喷射作业。

⑥喷射顺序：自上而下进行，以利于下一步开挖施工。

⑦冲洗：喷射结束后，应及时将管道冲洗干净，以防堵塞。相邻两桩施工间隔时间应不大于12 h。

(3)水平旋喷桩施工技术要点

①根据设计的点位进行放样定位，其中心允许误差不大于2 cm。

②采用比重为1.0～1.2(水:膨润土=1∶0.07～0.1(重量比))的泥浆护壁。

③高压旋喷喷射故障处理、停喷后复喷等控制要点与常规高压旋喷工艺类似。

(4)护管涵顶进施工

护管涵下穿集包、京包线均采用人工顶管法施工，顶管为内径2.5 m、壁厚0.29 m的预制钢筋混凝土管道，双向顶进总长度为80 m，单节管长2 m。主要施工流程如下。

①顶管设备安装

圆管涵计算最大顶力为7 600 kN，采用3 200 kN千斤顶3台，备用1台。主顶油缸固定在支架上，并与管道中心的垂线对称，其合力的作用点应在管道中心的垂直线上。顶进时在千斤顶与护管涵间安装顶铁和分配梁，顶铁轴线应与管道轴线平行、对称(如图4、图5)。

图4 安装导轨

图5 第一管节顶进

②管节吊装

单节管自重约13 t，由1台70 t汽车吊吊装，人工配合校正位置。下管前应先对其外观进行检查，确认合格后方可用起重设备吊至工作导轨上。

③测量和校正纠偏

在工作坑内设置观测站，中线测量采用全站仪，高程测量采用水准仪。

(5)加固效果

通过现场测试，确定其单位时间内涌水量满足设计要求(20 L/h)。桩体间的咬合及搭接效果良好，护管涵顶进施工中旋喷加固及顶进施工情况见图6。

图6 旋喷加固及顶进施工情况

5 监控量测

为确保既有京包线、集包线在顶进涵施工过程中路基沉降变形安全可控，不影响线路正常运行，沿顶进涵方向对既有京包线、集包线进行沉降变形监控，测点布置如图1所示，在整个顶进施工监测周期内的沉降曲线如图7所示。

图7 沉降曲线

监测结果表明，在整个顶进涵施工过程中，路基本体有一定沉降，最大沉降发生在工作井周围，为测点CJ01和CJ08，沉降量分别为4.4 mm、4.12 mm，沉降未超限；对线路进行静态检查，未发现明显的轨道质量变化。

6 结论

(1)在富水、粉土、粉砂地层且不具备降水的条件下，42 m水平旋喷桩护管涵内外两侧同步止水帷幕能有效加固土体，且止水效果良好。

(2)超长水平旋喷桩所采用的压力和钻孔角度未对既有铁路路基产生大的影响。

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