地表旋喷桩在隧道洞口浅埋段围岩加固中的应用

范小龙，王健宏，唐进才

(中铁二院工程集团有限责任公司，四川成都610031)

1 背景

近年来，随着我国经济建设的迅猛发展，基础建设的投入持续增加，作为交通基建领域的一项重要内容，隧道工程也越来越多，大量的铁路隧道、公路隧道不断兴建。

虽然在勘察设计中根据相关规范要求隧道应尽量避开不良地质区，但因工程建设需要，隧道洞口浅埋段难免穿越粉土层、砂土层、碎石土层等工程地质条件差、稳定性差和承载能力差的地层，普遍存在施工难度大、风险大等问题，施工稍有不慎就会酿成通天塌方，因此有必要研究对这些地段围岩采取预加固的措施［1-2］。

对于隧道洞口浅埋土层段通常采用地表加固的方法进行处理，其中地表旋喷桩因具有加固效果好、加固范围大、施工方便快捷等优点［3］，被广泛应用到实际工程中。诸如兰渝铁路南坪隧道和胡麻岭隧道［4-5］、沪昆铁路黄秧坝一号隧道［6］、九景衢铁路黄竹头隧道［7］等。 本文以西南山区某新建铁路隧道的洞口浅埋段为例，研究了地表旋喷桩加固在浅埋暗挖隧道穿越土层时的应用，为今后类似的工程设计提供了一定的参考作用。

2 工程概况

隧道全长6 218 m，单洞双线，设计时速160 km/h。隧道共穿越18套地层、5条断层，最大埋深约820 m。隧区属横断山中高山地貌，地形起伏较大，地面高程1 560～2 400 m，自然坡度5～35°不等，局部较陡。地表植被不发育，多被垦为旱地，沟槽等低洼地带覆土较厚。测区地震动峰值加速度为0.20g，地震动反应谱特征周期为0.45s。

本隧出口浅埋段洞身穿越粉质黏土、砾石土，粘聚力小、抗剪强度低，该段最大埋深约15 m。为确保施工安全，并通过工程类比，设计中拟采用地表旋喷桩对隧道出口D2K322+551～+581段进行加固。

3 地表旋喷桩的加固机理及设计方案

3.1 加固机理

地表旋喷桩加固是利用钻机钻孔，把带有注浆管和浆液喷嘴的钻头下至设计加固深度，然后利用高压装置将高压浆液喷射流与其外部环绕的压缩空气喷射流进行同轴喷射，形成一股能量高度集中的液流，直接破坏土体，并对土体进行挤密；喷射过程中钻杆边旋转边提升，使浆液与土体充分搅拌混合，在土体中形成一定直径的柱状固结体，提高地层的自稳能力和抗剪能力，从而加固地层［8-9］。

3.2 设计方案

本隧出口浅埋段地表旋喷桩具体设计方案如下：

(1)旋喷桩直径60 cm、间距按1 m布置。

(2)施工前应平整场地，并施作废浆池，避免旋喷桩施工污染周边地表环境。

(3)施工前必须作试桩，并按有关规定进行检测，以确保施工质量；在加固到一定区域后应设置检查孔，检查加固效果。

(4)旋喷桩施工时先施作周边，后施作中间，加固范围为：

纵向长度：D2K322+551～+581段30 m；横向宽度：根据实际地形及破裂角法控制，加固宽度为隧道中线左、右侧各11 m；加固深度：从地表场坪以下2 m开始旋喷加固，须加深至仰拱以下8 m。

(5)为使旋喷桩施工后能迅速且安全地发挥作用，在喷射浆液中加三乙醇胺早强剂，其掺量为水泥用量的0.1%。

设计的旋喷桩加固方案如图1所示。

4 数值模拟

采用有限差分数值分析软件FLAC3D建立浅埋暗挖隧道计算模型，针对本隧出口浅埋段是否采用地表旋喷桩加固措施分别模拟了隧道的开挖过程，以分析旋喷桩加固对隧道开挖的影响。

4.1 计算模型

针对本隧出口D2K322+551～+581浅埋段，计算时选取典型断面建立浅埋暗挖隧道模型，该断面隧道埋深约6 m，模型尺寸为90 m×63 m(宽×高)。模型上边界为自由面，左、右边界约束水平方向位移，下边界约束竖直方向位移。计算模型和网格划分如图2所示。

图1 旋喷桩加固横断面示意(单位：cm)

图2 模型和网格划分

地层由粉质黏土及粗圆砾土组成，均视为理想弹塑性模型，采用实体单元模拟，满足Mohr-Coulomb屈服准则；隧道初期支护结构厚27 cm，视为理想弹性材料，采用实体单元模拟。各材料物理力学参数如表1所示。

表1 各材料计算参数

按照三台阶法模拟开挖：自重场下计算平衡→开挖上台阶，施作初期支护；围岩应力释放30%→开挖中台阶，施作初期支护；围岩应力释放30%→开挖下台阶，施作初期支护，计算达到平衡状态。

4.2 计算结果及分析

4.2.1 竖向位移分析

(1)洞周围岩无旋喷桩加固时，其计算结果竖向位移如图3～图5所示。

图3 未加固时开挖上台阶后竖向位移云

图4 未加固时开挖中台阶后竖向位移云

图5 未加固时开挖下台阶后竖向位移云

从图3～图5可知，上台阶开挖后，拱顶出现较大沉降，最大竖向位移为8.58 cm；中台阶开挖后，拱顶沉降明显增大，最大竖向位移为14.35 cm；下台阶开挖后，拱顶沉降进一步增大，最大竖向位移达到16.88 cm。总的来说，由于隧道埋深浅、地质条件差，未采取加固措施时开挖后隧道拱顶出现了很大沉降，其沉降量已超过设计要求预留变形量的限值，施工中容易出现坍塌、冒顶。

(2)当采用地表旋喷桩对出口浅埋段洞周围岩进行加固时，其计算结果竖向位移如图6～图8所示。

图6 旋喷桩加固时开挖上台阶后竖向位移云

图7 旋喷桩加固时开挖中台阶后竖向位移云

从图6～图8可知，上中下台阶开挖后，拱顶最大竖向位移分别为0.42 cm、0.95 cm、1.50 cm，相比未采用地表加固措施时，位移分别减少了8.16 cm、13.40 cm、15.38 cm；由此可见，采用地表旋喷桩加固后地层条件得到显著改善，有效控制了隧道拱部沉降。

图8 旋喷桩加固时开挖下台阶后竖向位移云

4.2.2 水平位移分析

对于洞周围岩的水平位移仅列出两种工况下最后开挖步的云图，如图9～图10所示。

图9 未加固时开挖下台阶后水平位移云

图10 旋喷桩加固时开挖下台阶后水平位移云

从图9可知，未采用地表加固措施时，开挖后最大水平位移为4.58 cm，位于隧道两侧边墙。从图10可知，采用地表旋喷桩加固地层时，开挖后最大水平位移为0.63 cm，也位于隧道两侧边墙，但其值较未采取加固措施的工况减小了3.95 cm。由此可见，采用地表旋喷桩加固后改善了地层条件，从而控制了洞周围岩水平方向的变形。

4.2.3 塑性区分析

对于地层塑性区分布也仅列出两种工况下最后开挖步的云图，如图11～图12所示。

图11 未加固时开挖下台阶后地层塑性区分布

从图11可知，在未采取加固措施时，开挖后地层塑性区由隧道拱腰处发展至地表，该部分土体出现了破坏，同时边墙处也出现了较大范围的塑性区。从图12可知，在采取地表旋喷桩加固时，开挖后仅在隧道边墙处出现了小范围的塑性区，并且未延伸至地表，地层塑性区范围大幅减小。

图12 旋喷桩加固时开挖下台阶后地层塑性区分布

4.3 分析结论

由上述数值分析结果可知，隧道出口浅埋段洞周围岩若不采取加固措施，开挖过程中将产生较大的变形，容易出现坍方、冒顶，施工安全风险高；在对洞周围岩采用地表旋喷桩加固后，开挖过程中的围岩变形能得到有效控制，降低了施工安全风险。因此本隧出口浅埋段采用地表旋喷桩加固的设计方案是合理的。

5 地表旋喷桩加固的现场施工工艺及效果评价

5.1 现场施工工艺

本隧地表旋喷桩加固在现场的施工工艺流程见图13。

图13 旋喷桩加固施工工艺流程

(1)放线定位：根据设计图纸和坐标网点测量放出施工轴线。在施工轴线上确定孔位，按基准点测量各孔口地面高程。

(2)钻机就位：钻机应垂直于地面且摆放平稳，放线桩位与设计桩位的偏差不得大于50 mm。

(3)钻孔：利用高压旋喷钻机钻至设计孔底标高，钻孔每钻进5 m用水平尺测量机体水平、立轴垂直，成孔的垂直度偏差不得大于0.5%。

(4)制备浆液：浆液采用水灰比为1∶1～1∶1.5的水泥浆。水泥要过筛，且为了防止水泥浆离析，应在灰浆机中不停搅动。禁止一边配浆一边抽浆，否则难以控制浆液水灰比。

(5)旋喷注浆：注浆压力应不小于20 MPa，提管速度0.1～0.2 m/min、旋转速度15 r/min，以使土体得到充分切割搅拌(图14)。

图14 地表旋喷桩喷射注浆中

(6)冲洗注浆管路：喷射施工完毕后，把注浆管等机具设备冲洗干净，管内机内不得残存水泥浆液。

5.2 加固效果评价

地表旋喷桩注浆压力大，不仅可以改善地层本身，高压的水泥浆液也可以充分进入地层裂隙，使土体更加密实，从而大大提升地层的综合指标。最终，通过采用地表旋喷桩加固，本隧顺利通过出口浅埋土层段，实现了洞内安全施工、满足了工期要求，达到了预期目的。本隧地层加固后的效果如图15所示。

6 结束语

以粉质黏土、砾石土为主的地层往往具有粘聚力小、抗剪强度低的特点，在此类地层中修建隧道时，增强围岩自稳能力和抗剪能力以确保施工安全是设计的关键。通过数值模拟并结合现场施工实践可知，采用地表旋喷桩加固可以有效控制这类隧道开挖时的围岩变形，从而安全通过浅埋土层段，并且能最大限度的减小对隧道工期的影响。

地表旋喷桩加固技术在本工程中的成功应用，可为以后其他穿越类似地层的隧道工程提供参考和借鉴。