水平旋喷桩施工工艺在深圳地铁施工中的应用

(中国电建市政建设集团有限公司 天津 300000)

一、引言

由于城市地铁暗挖隧道是在岩土体内部进行的，无论其埋深大小，隧道的开挖施工将不可避免地扰动地下岩土体，破坏原有土体的应力平衡状态。因而引起地表沉降和变形，地表沉降到一定的程度，将影响地面建筑物的安全和地下管线的正常使用。更重要的是地铁线路一般都会穿越人口密集、地面建筑物林立、地下管网密布的市中心繁华地段，该区段对施工产生的地表位移和变形的要求都很高，施工方法的选择如稍有失误，将会造成不可估量的损失。在这种情况下修建隧道，就必须先对工作面前方沿隧道轮廓线进行预加固，然后再开挖，以保证施工安全。水平旋喷注浆预加固技术由于桩间相互搭接，成拱效果好，既有一定强度又能防止渗漏，其加固范围和加固效果可人为控制，具有良好的工程应用前景。

本文首先介绍水平旋喷桩的工艺原理、施工质量控制及其工程适应性，然后结合深圳地铁7号线7301-1标西茶区间5、7号联络线试验段矿山法隧道，详细阐述水平旋喷桩的施工方案确定及具体实施流程，论证水平旋喷桩施工工艺在软弱地层浅埋暗挖隧道开挖预支护工程应用上的优势。

二、水平旋喷桩施工工艺概述

(一)成桩原理

水平旋喷桩施工工法为单管法，钻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，且同时通过水平钻机钻杆、喷嘴以大于35MPa的压力把配制好的浆液喷射到土体内(喷浆压力为35～38MPa)，借助流体的冲击力切削土层，使喷流射程内土体遭受破坏，与此同时钻杆一面以一定的速度(10～12r/min)旋转，一面低速(12～15cm/min)徐徐外拔，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，具有一定强度的桩体，从而使地层得到加固，当旋喷桩相互咬接后，便以同心圆形式在隧道拱顶及周边形成连续的约60cm厚的硬壳体。

(二)工艺流程

水平旋喷桩施工工艺流程见图1。

图1 水平旋喷桩施工工艺流程图

(三)施工步骤

1.施工准备

首先，检查钻机运行是否正常。高压注浆泵运行是否正常，高压注浆管路是否畅通，压力表是否正常。其次，测量放线定桩位，在工作室掌子面由测量定出桩位，并编好每个桩号，用油漆作好桩位标志。设备安装好后，由测量人员对钻机的开孔点和尾线点进行校正，按技术交底调整钻机角度、方位，对准孔位，控制孔位误差在±50mm以内。

2.钻进

检查确定孔口管安装牢固后，调整钻机，对好孔位。将导向钻头及第一根钻杆送入孔口管内。在孔口密封采用棉纱、水泥袋等封闭孔口间隙，达到阻止浆液外流的目的。每钻进3m要测量一次，并做好测量记录，一旦发现偏斜要及时进行纠偏，直到钻至设计深度。

3.高压喷浆

钻孔完成后，推出钻具，将钻头处顶部出水孔口封闭，打开钻头侧面的喷浆口，从孔底到孔口进行水平旋喷桩的旋喷作业。在孔底高压喷浆时停1～2min，然后以12cm/min～15cm/min的提升速度和10cmr/min～12cmr/min的旋转速度缓慢外拔钻杆，每节钻杆的长度为3.0m，当提升至钻杆接头位置时，暂停旋喷注浆，拆除多余钻杆后将钻杆推进到原旋喷位置前端30cm处开始继续旋喷注浆。喷浆至孔口掌子面1.0m时，停止喷浆，同时在孔口内填充水泥袋等柔性物体。

4.主要施工技术参数

水平旋喷桩施工采用单管法，本次试桩使用的水泥强度等级为P.O42.5R，水灰比为1：1。浆液压力为36MPa，旋转速度10r/min,拔杆速度15cm/min；单根水泥旋喷桩最大水泥耗量为9000kg，最小水泥耗量为6500kg，水泥平均用量约为370kg/m；正常情况下，每孔钻孔时间约为60-120min，单孔旋喷时长约为200min，水平旋喷桩单班工作数量为2根。

三、水平旋喷桩工艺的适用范围及优缺点

(一)水平旋喷桩工艺的适用范围

1.地层适应性

水平旋喷技术由高压喷射注浆技术发展而来，因此在地层适应范围上与高压喷射注浆基本类似。不仅如此，水平旋喷技术适应范围还受水平旋喷所采用的喷射方式(单管、双管、多重管等)影响，可适用于处理淤泥、淤泥质土、塑、软塑或可塑粘性土、粉土、砂土、黄土、素填土和碎石土等地层。对于含大粒径块石、大量植物有机质，以及地下水流速过大和已涌水的场地，应根据现场适应结果确定其适用性。

2.工程适应性

水平旋喷的成柱机理和固结体性能与竖直旋喷基本相同，可以在旋喷后插入钢筋以增强固结体的抗弯、抗剪强度，固结体周围地层也因挤压渗透作用得到一定程度的加固。因此，凡是需要应用高压旋喷的工程，由于条件限制，不能或不适合进行竖直钻孔高压旋喷时，都可考虑采用水平或倾斜钻孔旋喷。水平旋喷作为一种先进的高压灌浆加固技术，可以适应于既有建筑物和新建建筑物地基加固，以及深基坑、地铁等工程的土层加固或防水。

(二)水平旋喷桩工艺优缺点

1.水平旋喷桩工艺优点

(1)质量优。水平搅拌桩桩体外型标准，内部质量均匀稳定，相互咬合的水平搅拌桩就像一道连续墙，其防坍和防渗效果好，将其作为隧道的超前支护和止水加固是理想的隧道及地下工程辅助施工工法。

(2)效率高。水平旋喷桩无需成孔，其钻进、搅拌、注浆同步进行，施工速度快，每小时成桩 15 m 左右，与小导管注浆、大管棚和冷冻法相比其效率要高。

(3)安全可靠。采用水平搅拌桩作为隧道超前支护和止水加固措施，因其质量稳定，防坍防渗效果好，在它的保护下进行隧道开挖，施工安全有保障。另外将其应用于城市浅埋隧道施工，还有以下优点:可以避免过分抽排地下水引起地表下沉；可以避免采用小导管注浆等产生地表隆起；可避免大管棚成孔过程中使地表产生较大沉降等不良影响。

(4)操作方便，水平搅拌桩的施工无需大型设备，其工艺简单，容易掌握，操作方便。

2.水平旋喷桩工艺缺点

水平旋喷注浆作为软土隧道的超前支护或加固措施具有优质高效、安全可靠、操作方便、经济实用等优点，但也有着一些不足之处，例如，桩长受限制，一般为8～12 m，若桩长太长其尾部容易向下偏移；如遇障碍物则难以处理，一旦卡钻则只好将钻杆钻头丢弃。

四、工程实例

(一)工程概况

深圳地铁5、7号线联络线全长452.197m，位于留仙大道和沙河西路十字路口西南象限，北接5号线留西区间，南接7号线西茶区间，起点里程为5号线端预留接口LIDK0+070.150，设计终点为联络线LIDK0+381.957处，长度311.807m。LIDK0+204.000～LIDK0+345.000约141m依次下穿壮丽商厦、西丽幼儿园和留仙宾馆三栋建筑物，下穿段平面主要位于半径为150m的小半径曲线上。隧道埋深12m～16.5m，主要穿越粉质粘土和全风化花岗片麻岩，局部穿越强、中风化花岗片麻岩；下穿段主要处于半径为150m的小半径曲线上。

(二)下穿段工程地质条件

5、7号线联络线隧道基本穿越粉质粘土、全、强、中、微风化花岗片麻岩层中。下穿建筑物段隧道埋深12m～16.5m，采用矿山法施工，主要穿越粉质粘土和全风化花岗片麻岩，局部穿越强、中、微风化花岗片麻岩，线路纵段主要处于32‰的纵坡上。

(三)工程设计情况

5、7号线联络线下穿建筑物段隧道原设计采用冷冻法施工，考虑到冻结法辅助工法施工工艺较专业、现场工期要求紧迫等因素，经多次专家工法论证后，调整为以水平旋喷为主的方案，即留仙宾馆下穿硬岩段采取管棚支护+半断面注浆加固方案，并于通过硬岩段后进行单排水平旋喷桩+全断面注浆的试验加固方案。

(四)施工情况

为验证设计方案的可行性，根据现场实际地质情况，选择在LIDK0+296～ LIDK0+276施作水平旋喷+全断面注浆试验。由于本段隧道主要处于全风化、砾质黏土层，开挖时极易产生涌砂、涌水现象，传统矿山法超前支护措施已无能为力。综合分析隧道所处地质条件，考虑到施工安全、施工工期、工程造价及对周围环境影响等因素，本段暗挖隧道采用水平旋喷桩进行超前支护，其支护方案如下述。

1.水平旋喷桩施工

根据现场地质条件和计算的相关参数，在隧道拱部180°范围设置单排水平旋喷桩；旋喷桩桩径600mm，桩间距400mm，环向相邻桩咬合200mm，标准单循环每根桩长20m，其中含相邻循环旋喷桩纵向搭接长度3.0m。注浆范围布置详见图2。

图2 单排水平旋喷及断面注浆范围示意图

图3 单排水平旋喷纵断面示意图

本试验段旋喷浆液材料采用P.O42.5R水泥，水灰比为：1:1；水泥用量为：350kg/m；注浆压力不小于35MPa。在钻孔及旋喷施工中，按照“先两边、后中间”顺序进行旋喷施工，环向每次间隔1个，孔位从下到上，左、右交替进行，跳跃式成桩,保证两边强度平衡。钻机定位调整角度、方位，对准孔位，孔位误差控制在±50mm以内。开孔时慢进，钻至1m后，按正常速度钻至设计深度；当浆液从喷嘴喷出并达设计压力后开始旋喷，桩前端原地旋喷不少于30s。采用复喷工艺，即退1次,进1次,再退1次,共计3次旋喷作，以保证桩径和桩间咬合。桩前端旋喷时加大压力或降低喷嘴的旋转提升速度，当旋喷至孔口0.5m时停止，并立即退出钻杆,进行封孔作业，必要时采取低压补注浆。

按照水平旋喷桩+全断面注浆试验段的要求，于2014年6月15日正式开始进行了水平旋喷桩施工试验，至2014年6月29日施工结束，历时15天，共完成了30根水平旋喷桩的试验，同时完成3根水平旋喷桩的取芯工作。

2.全断面注浆施工

为加强拱部加固体的强度和刚度，待水平旋喷桩施工完后，进行全断面注浆，确保开挖面稳定。隧道掌子面上半断面开挖轮廓内及下半断面开挖轮廓外3m范围内采用水泥-水玻璃双液浆超前预注浆加固，注浆孔间距1.5m，浆液扩散半径1.5m，梅花形布置，每循环加固长度为15m，预留3m上一循环已注浆段作为本循环止水(浆)盘。工艺流程图如图4所示。

图4 全断面注浆堵水工艺流程图

本次注浆采用劈裂式注浆工艺，水泥+水玻璃浆液，比例1：0.5～1:1，以现场试验确定；水泥浆液采用普通硅酸盐,强度等级≥Po42.5，水灰比1:0.6～1:1；水：水玻璃(体积比)=1:1～1:0.3,Be=30～35°，M=2.6，双液凝固时间控制在2～3分钟左右。单循环(8m)注浆量水泥用量为38.45t，水玻璃25m3。

五、水平旋喷桩检验与检测

(一)取芯位置的选择

为了验证水平旋喷桩+全断面注浆的支护效果，分别选择了掌子面SY0(桩长13米)、左7(20米)、右8(20米)计三根水平旋喷桩，进行检测，位置如图5所示；抽芯率3/31=9.7%>4%，2/30=6.7%>4%，均符合设计要求。详见图6所示。

图5 取芯桩号及位置图

图6 水平旋喷桩孔芯样照片

(二)检验结果

(1)左7芯样

芯样在全风化花岗岩层成桩效果较好，0m～4.0m和16m～20m芯样较为破碎；

(2)右8芯样

芯样在全风化花岗岩层成桩效果较好，0m～6.0m和17m～20m芯样较为破碎。

(3)SY0芯样

芯样在全风化花岗岩层成桩效果较好，0.0m～4.0m局部芯样破碎。

(三)开挖面效果情况

本段暗挖隧道在水平旋喷桩超前支护作用下，在封闭的拱壳内施工，有效地防止了涌砂、涌水的发生，洞内止水效果良好，隧道采取“短进尺、勤支护，步步为营”等措施进行开挖。现场开挖情况如图7、8所示。

图7 开挖面连成片的水平旋喷桩

图8 无水开挖面

整个开挖过程，对应地表沉降最大值2.57cm<3cm；房屋主体承重部分无明显裂纹及差异沉降。

六、结论

经过试验段施工证明：

(1)采用单管法水平旋喷桩，在全风化花岗岩、砾质黏土地层中进行施工，浆液压力为36MPa，旋转速度为12r/min，拔杆速度为15cm/min，水泥消耗370kg/m的施工参数能满足水平旋喷桩的成桩质量。

(2)试验段水平旋喷桩水泥土芯样15天龄期的最大抗压强度为9MPa，最小抗压强度为6.8MPa，平均强度为7.5MPa，15天的芯样抗压强度已满足设计技术要求的28天的4.0MPa要求。

(3)水平旋喷能相互咬合，成桩直径550～650mm。

(4)开挖过程中，掌子面无水渍；掌子面开洞后，无渗水、漏水；满足止水要求。

(5)施工及开挖过程中，隧道拱顶、地面建构筑物、地表等监测点变化均未超标，满足施工要求。

由以上说明：单排水平旋喷桩+全断面加固注浆辅助加固措施有效的改良了隧道围岩，有效的保证了矿山法施工中掌子面的稳定。水平旋喷桩在矿山法隧道超前支护中的应用，使矿山法隧道在软弱地层中施工获得成功，打破了以往矿山法隧道的施工瓶颈，突破了传统矿山法超前支护理念，拓宽了传统矿山法的适用范围，给矿山法隧道超前支护增添了一种新的辅助措施。