富水粉细砂层隧道全断面水平旋喷超前预加固施工技术研究

张征

摘要：桃树坪隧道穿越富水粉细砂层，开挖后砂层无自稳能力，突水涌砂及溜塌现象频繁，施工进度缓慢且施工风险极高。通过引进国外配套设备及施工技术，对富水粉细砂层隧道采用高强度的水平旋喷超前预加固、掌子面的玻纤锚杆约束加固、中下台阶的锁脚旋喷桩锚固、多种降水措施，可使软岩隧道采取大断面甚至全断面开挖;在开挖过程中增加了锁脚旋喷桩工艺，很好的解决了在软弱砂层下钢拱架没有着力点、沉降大等问题，使得高风险隧道转化为低风险隧道，并在成本控制方面达到了理想的预期效果。

Abstract： Taoshuping Tunnel passes through water-rich silt and fine sand layer. Because the sand layer has no self-stabilization ability after excavation， accidents occur frequently and construction progress is slow. By introducing foreign matching equipment and construction technology， the full-section horizontal rotary jet grouting advanced reinforcement technology is adopted for the tunnel with rich water and fine sand layer. The problems of steel arch without focus and large settlement under soft sand layer are well solved. The high-risk tunnel is transformed into a low-risk tunnel， and the desired effect in cost control is achieved.

關键词：富水粉细砂层;水平旋喷;施工技术

Key words： water-rich silt and fine sand layer;horizontal jet grouting;construction technology

中图分类号：U456.3+1                                    文献标识码：A                                  文章编号：1006-4311（2019）12-0086-05

0  引言

桃树坪隧道主要穿越富水粉细砂层，粉细砂遇水极易软化，遇水即呈流塑状，开挖后粉细砂层极易出现涌砂与外挤现象，因基础自稳能力差，掌子面易变形，从而导致事故的发生。再者，地下含水量较多，也增加了下台阶的施工难度，掌子面开挖时常表现有壁墙滑塌、下沉开裂、背后脱空和变形侵限等，初期支护施工难度极大，施工过程中安全风险因素也较多，这些不利因素都严重影响施工的进度，误工、窝工现象严重，施工成本巨增。富水粉细砂层的隧道施工国内外罕见，没有成熟的施工技术可借鉴。

1  工程概况

兰渝铁路桃树坪隧道是兰渝线上的第一座隧道，该隧道属于兰渝线上的控制性工程，桃树坪隧道全长3225m，起点DK3+430，止点DK6+655，国铁Ⅰ级双线隧道，该隧道除进出口共增设5个斜井，各施工口分别使用了三台阶、CRD、双侧壁、水平旋喷超前预加固等多种施工方法总结富水粉细砂层最优的施工方法，本次以桃树坪隧道出口段水平旋喷预加固施工方法展开技术研究。

2  隧道施工工艺原理及施工方案

2.1 工艺原理

在富水粉细砂层进行隧道时，采用全断面水平旋喷超前预加固施工工艺，施工过程中，以高压泵作为动力源，借助水平钻机的喷嘴与钻杆，把浆液以巨大的能量喷射到土体内甚至射穿土体，然后喷嘴作慢速旋转与进退，与此同时，切割土体，使用土颗粒与浆液充分搅拌，当浆液凝固后，形成水泥土固结体，其形状为水平圆柱状，叫水平旋喷桩。为保证隧道掘进施工过程的安全，更好的做到防渗透、防流砂和抗滑移，当旋喷桩互相咬接以后，采用同心圆方式，在隧道拱顶及周边，形成封闭的水平旋喷帷幕体。

2.2 隧道施工工艺流程

2.3 隧道施工的技术方案

富水粉细砂层的断面降水和围岩加固是施工过程中的两大难题，为有效解决这些问题，采用全断面水平旋喷超前预加固施工工艺，不仅实现了安全开挖的目的，也大幅度提升了施工的进度，施工方案的核心技术可用“五加固、三降水”来概括。

2.3.1 “五加固”方案

地层的预加固主要采用多功能地质钻机SM-14、摇臂钻机PST-60和配套使用的高压旋喷设备及设施，进行以下五个方面的旋喷预加固（如图1），分别为：①加固掌子面周边长悬臂大直径水平旋喷桩咬合;②加固侧墙大直径锁脚旋喷桩的支撑;③加固掌子面玻纤锚杆梅花形旋喷桩;④加固仰拱开挖前的竖直挡砂旋喷桩;⑤加固基底旋喷桩。

通长24m的钻杆，可加固范围为24m。周边水平旋喷桩桩体之间紧密咬合形成完整的帷幕体系，可充分保护开挖对周围砂层围岩产生扰动，对流沙与涌泥起到阻挡作用;掌子面采用梅花形布置玻纤锚杆旋喷桩，可避免土体朝外侧流塌，从而对掌子面的正前方土体起到稳定作用，从而保证了开挖过程的安全;传统施工中采用锁脚锚杆，本方案中采用锁脚旋喷桩体系，进行初期支护时，该体系可产生强力支撑作用，可临时使支护体系封闭成环，使软岩隧道的“落底”工序变的比较安全。在隧道两侧斜向下方30～45°设锁脚旋喷，桩长8m，桩径600mm，左右拱脚和每榀拱架间均加以设置，打桩完毕后，在桩内打设长8m直径89mm钢管， 以此提升桩体的韧性、抗弯以及抗折等性能，同时可将钢管与拱架用槽钢焊接进而形成整体;两侧及仰拱开挖端头设置竖直挡砂旋喷桩，旋喷长度为6m，间距为50cm，桩体之间紧密咬合形成一道挡砂墙，防止仰拱开挖过程中出现突泥涌水，导致隧道内挤变形，避免坍塌现象;基底面以下设置梅花型的旋喷，防止基底突泥涌水及为运营安全提供安全保障。（图 3）

2.3.2 “三降水”施工

因本工程地处富水粉细砂层，降水问题是施工中的一大难题，因富水粉细砂的渗透系数小，采用传统的花管排水降水方法，降水效果并不明显。经试验证明，采用掌子面超前真空法降水、后续辅以斜向轻型井点降水及深管井降水三者相结合的降水方案，取得了良好的降水效果，即被称为“三降水设计”，①掌子面超前真空法降水;②斜向轻型井点降水;③深管井降水。

掌子面环向打设12个，环向间距2m，长度为18m、直径60mm的超前真空降水孔，掌子面也水平布设4个相同规格的真孔降水孔，所有降水孔末端与真空泵相连接，利用真空泵的负压将掌子面前方为开挖砂层内的饱和水集中抽排，以保证在开挖过程中砂层达到少水、无水以及无压的状态。垂直深管布置成梅花形，管道直径600mm、深度15m，同时延隧道方向间距约5m布置，靠近掌子面的适当位置，在仰拱开挖前施做。必要时边墙两侧各设置1排降水管，进行真空轻型井点降水，降水管长度5.0m，间距50cm，可根据实际情况调整间距，外插角60°。

3  隧道施工过程中的质量控制要点

3.1 掌子面泄水孔、泄压孔的施工

为防止在高压水平旋喷过程中，封闭掌子面因喷射压力过大引起的掌子面坍塌。在掌子面中心位置布设4个泄水、泄压孔。施工过程如下：首先放线定孔位，并准确测量孔外插角;采用PST-60型摇臂钻机钻孔，水泥浆护壁成孔，同时准备好滤水管;顶入滤水管，成孔后退出钻杆，及时顶入滤水管，防止塌孔;洗滤水管，采用高压水或高压风洗管，防止泥浆封堵滤水层，影响泄水效果;同时，要保证泄水管滤水层安装牢固，以防止沙土流入泄水管，成孔后及时下管，并安装牢固。

3.2 玻纤锚杆的施工

3.2.1 施工工艺及施工过程

玻纤锚杆施工工艺流程如下：钻孔→设置玻纤锚杆→注水试验→注浆作业→第一段注浆达到要求→第二段注浆→补注、所有段达到要求→结束注浆。掌子面玻纤锚杆施工过程如下：放线定位并准确测量孔外插角;使用摇臂钻机PST-60型进行钻孔，钻至设计深度，同时做好施工记录，记录内容包括地质描述和钻孔记录，然后与原设计地质图进行比较，确定是否需要工程变更，或者继续开展下一工序的注浆作业。对于无法采用摇臂钻机PST-60型开展施工的位置，可使用多功能地质钻机SM-14;旋喷、设锚杆，待钻孔到设计深度以后，开展旋喷加固施工，旋喷柱的直径400mm和孔底15m为加固范围;喷射完毕后退钻杆，把玻纤锚杆（直径40mm）放入孔内设计深度，开展封孔作业;依据浆液的设计配合比进行浆液配制配置完毕后，要强力搅拌使其混合均匀;为有效控制旋喷对周围区域产生压力作用，施工中要选取合理的旋喷顺序，本工程中采用发散和集中性方式，即由外到内受力，从而使掌子面的稳定状态不受到旋喷的影响，同时，在旋喷时，还要测定浆液凝胶时间与返浆率，同时做好施工记录，保证玻纤锚杆的锚固质量与注浆施工效果。

3.2.2 玻纤锚杆施工技术要点

孔底旋喷段施做尽量采用Φ200mm长2m加固体，便于下一步开挖施工;玻纤锚杆必须下入旋喷柱孔底，如没有达到孔底需重新扩孔将锚杆下入设计深度;采取间隔跳孔施工，防止串浆和漏浆;封孔必须严实，防止漏浆，影响注浆施工及锚固质量。

3.2.3 玻纤锚杆质量检查

注浆结束后，对注浆效果进行检查评价，确定注浆质量，为下一步施工提供依据和保障。通过整理注浆资料，及分析注浆施工中的P-Q-t曲线，进而定性评价注浆效果;注浆结束后汇总注浆量，通过反算分析地层填充率，进一步确定地层中浆液的填充实际情况，进而定量确定注浆效果。

3.3 周边降水孔的施工

为防止在高压水平旋喷过程中，封闭隧道周边因喷射压力过大引起坍塌。在开挖周边位置布设周边降水孔。施工步骤和掌子面泄水孔、泄压孔工艺步骤相同。

3.4 高压旋喷施工

3.4.1 施工工艺及施工过程

高压旋喷施工流程如下：施工准备→放线測量→复核点位→钻机就位→调整角度定位→钻孔、检查成孔、洗孔→设喷管→开始喷射注浆。高压旋喷孔施工过程如下：按设计要求放线定孔位，误差不大于2cm，并准确测量孔外插角;钻孔使用PST-60型摇臂钻机，还要随时对钻机的工作状况进行观察，确保孔外插角不大于1%，当不能采用PST-60型施工的部位，使用SM-14钻机开展作业;将钻杆下到设计喷射深度，钻杆要设有调试好压力的喷嘴;准确测量浆液比重，依据涌水量和地质情况，水泥浆浆液的配比可进行调整优化;把喷射管下到设计深度的位置，开始旋喷，待浆液流出孔口后，即按设计的提升速度、旋转速度，自内往外开始喷射、旋转、提升，到设计的终喷位置停喷，撤出喷射管、更换钻头，开展下一孔的施工;为便于下一工序开挖工作，采用自上而下的喷射顺序;喷射完毕后，要及时对喷射管道进行冲洗，防止产生堵管;相邻两桩的施工时间间隔要小于12h。

3.4.2 施工过程质量保证措施

应进行水平和垂直方向的校正，保证钻杆与桩位吻合，偏差控制在10mm内;旋喷桩施工前应根据不同深度土质变化情况，选定合适的旋喷、提升速度及喷嘴直径等旋喷参数。旋喷管桩到达预定深度后进行高压射水试验，试验合格后才能进行喷射浆液，待达到预定压力的浆液排量后，方可逐渐提升旋喷管。深层旋喷时应先喷浆，在逐渐旋喷和提升，防止扭断注浆管;必要时，要对钻孔时所使用泥浆护壁的重量比进行控制，水：膨润土=1：0.07～0.1，比重为1.0～1.2;匀速后退、自前往后的进行高压喷射注浆作业;喷射浆液时，要根据设计要求对压力和注浆量进行控制，保持管路系统的处于畅通与密封状态;如施工中设备出现故障，为避免桩体断裂，要马上停止喷射与后退，并及时对故障进行排除;如因浆液喷射不足，桩体的设计直径受到影响，要开展复喷作业;因故停喷后重新恢复施工前，应将喷头前移30cm，采取重迭搭接喷射处理后，方可继续后退及喷射注浆，同时对中断深度和时间进行记录。停机超过2h时，要对泵体输浆管进行清洗，然后才能继续作业;为避免喷射施工时桩管产生堵塞，必须对水泥浆液过滤;要经常对水泥浆液密度进行测试，当浆液密度大于设计指标时，要暂停喷注施工作业，并立即将浆液浓度调整到设计指标后，才能继续开展喷注施工;喷注施工中，要对高压泵的压力、钻机后退速度、浆液流量、耗浆量和转速进行经常性的检查;当不冒浆时，可采用减小后退速度或增加总浆量的措施，当冒浆量大于总注浆量的20%时，要复喷处理或增加注浆压力;完成喷注施工后，要连续把管棚推入孔内同时进行注浆并填满。

3.4.3 旋喷桩成桩质量检查

旋喷成桩时，若出现异常情况，待水泥浆凝固后，若有必要对旋喷桩进行检查，可用SM-14地质钻机取芯检查;注浆完成后，在开挖轮廓线范围内打设检查孔，检测注浆效果，每循环检查孔5个，其中拱部2个，左右边墙各一个，底部一个，检查孔直径为110mm，长度15m。

3.4.4 实际效果分析

周边旋喷加固桩采用桩径为60cm、间距为50cm、相互咬合10cm、桩深度18m、纵向搭接3m、外插角5°，每各环喷桩施旋工完毕后，开挖初支进尺15m。因前方土体产生滑移，导致工作面产生失稳，加速了地表沉降与结构变形，掌子面采用玻璃纤维锚杆旋喷桩加固，桩间距1.5×1.5m，梅花型布设。

3.4.5 旋喷桩施工注意事项

采用喷射厚度不小于20cm喷设混凝土封闭工作面，首先要对水平情况和中线进行精确控制，搭设的工作平台要牢固可靠，其上采用枕木与竹夹板进行铺设;一字排列高压泵、将钻机和其它注浆设备;根据施工的需要设置废浆池与临时边沟;要严格根据设计配合比的要求，对浆液进行配置并拌和均匀，未避免出浆口产生堵塞，水泥浆液倒入贮浆桶前，要对其进行过滤，浆液的拌和时间大于3min;施工应按“先工作面，后周边”顺序开展旋喷施工，孔位按照从左到右、从下到上的的顺序交替作业，周边采用间隔1根桩的形式进行作业;为确保两边强度平衡，控制由于钻杆偏移导致成桩间咬合率低的问题，施工中使用跳跃式成桩施工方法;根据设计外插角，对每个桩的偏角与仰角进行计算，借助三维坐标技术，使钻机精准定位;开始钻孔时，要缓慢进行，当进入1m后，才可按正常速度钻进，直达设计深度;当浆液达设计压力后，开展旋喷作业，在桩前端，喷嘴的原地旋喷时间要大于30s;为弥补当前国内水平钻旋喷施工退进速度快的弊病，进一步保证桩间与桩径的咬合率，施工中使用复喷工艺，即分3次进行旋喷作业，退1次、进1次、再退1次，随着复喷的次数增多，固结体的增径效果越好，因咬合率提高;桩前端旋喷时，因受外插角的影响，为保证桩前端加固效果，要放缓喷嘴旋转、加大喷射压力或提高喷射速度;为避免浆液外泄，当旋喷到孔口3m时，要立刻停止作业并退出钻杆，同时塞堵孔口;旋喷作业完成后，要及时对管路和设备清洗，同时外运废浆。

4  施工效果和检测结果分析

4.1 成桩效果的对比

在水平旋喷施工过程中，借助高压喷浆过程，吊地层充分搅拌，这样形成整体桩，而不是仅仅进行置换，传统的注浆过程仅仅采用在地层内劈裂、渗透，水平旋喷施工过程与传统施工工艺有本质区别。由于地质条件的差异，旋喷桩的成桩效果也不相同，如图5-图7所示。

4.2 返浆率和成分分析

水平旋喷施工过程中，要特别注重返浆率这个参数，当没冒浆时，可采用增大泵送浆液流量的方式或放缓后退速度的方式来调整这个参数，当冒浆量大于单根注浆量20%时，采用复喷处理或增加注浆压力的措施，以避免断桩与缩径事故的产生。经过实验室送样分析，得出的返出浆液的成分分析表如表1。

试验过程：直接取样称重得到总重W，总重量W=（水泥+土重）Wce+水重Ww+砂重Ws;水泥和土的混合重量Wce（Wce=Wc+We），数据可从分离试验中取得;纯砂重Ws借助分离试验取得;设计文件中，原状土内土含量是15%，通过换算取得土重We=0.176Ws;水灰比的计算：Ww：Wc=1：Ww/Wc;水含量Ww=W-Ws-Wce;根据Wce（水泥+土重），减掉土含量，可计算得出水泥含量，Wc=Wce-We。

4.3 成桩抽样抗压强度试验

全部的试件尺寸（mm）为Φ100×100，受压面积（mm2）为7850，由表1中实验数据可得出以下几点结论：

①采用水平旋喷施工后，自然成桩的桩体抗压强度均值达10.8MPa，与传统注浆工艺产生的胶结体相比，其强度大大提高，可对砂层变形进行了更为有效的控制。采用钢管对桩芯进行补强，可有效抵抗外来压力对桩体及支撑的作用，这些外来压力包括不良砂层的地应力、水压力和土压力等，从大大提升了施工工程的安全性。

②逐个对桩体试件抗压强度进行分析，桩芯部位比桩侧部位的抗压强度高20～30%，主要是因为设计时各桩间相互咬合，系统整体受力，避免局部产生应力集中，提升了桩体外侧的抗压强度。因桩体中心到周边压力不断减少，在靠外侧桩体的密度也变小，含沙、石、周边砂层原状土较多，水泥量较少，因此其抗压强度降低。

5  质量控制措施

5.1 旋喷桩质量控制标准

5.2 质量保证措施

严格按照设计要求及《建筑地基处理技术规范》（JGJ79-2012）的标准和设计要求进行施工;細化技术交底，做好业务培训，掌握设计要求、技术参数，使“干活的人”真正明白设计要求;现场施工管理人员提高管理水平和业务能力，使相关管理人员绝对掌握设计要求，熟知各工序质量验收标准，使“监管人”掌握验收标准;检查人提高对问题的分析和判断能力，准确剖析问题产生的原因，使“检查人”能够发现错在哪里;对喷浆速度进行控制，提升速度要小于0.14m/min，要均匀、连续的进行喷浆，如喷浆时产生注浆压力骤然下降或上升、大量串浆、大量冒浆等异常情况，要立即停机，把钻机提出地表，当故障排除后，为避免产生断桩，重复喷射接桩时要加深0.4m;推行技术人员带班制，要及时对施工过程中的质量隐患进行发现并排除，根据设计要求，还要密切注意浆液压力、初凝时间、注浆流量、旋转提升速度等参数;当实际情况和工程地质报告不符时，施工记录要详细如实的对施工实际情况进行记录，这些实际情况包括实际孔深、孔位、地下障碍物、每个钻孔内的漏水、涌水、洞穴等。

6  结论

在富水粉细砂层隧道运用水平旋喷超前预加固施工工艺，在软岩隧道施工技术领域取得了创新和突破，更新了我国软岩隧道施工理念。富水粉细砂层属于典型软弱围岩，开挖过程中极易诱发坍塌问题，造成经济的损失和人员的伤亡，目前对富水粉细砂层隧道开挖和注浆加固进行研究较少。本文结合实践工作经验，对桃树坪隧道超前预加固技术进行系统研究。富水粉细砂层通过全断面水平旋喷超前预加固处理效果与传统隧道施工方法相比有以下特点：

①水平旋喷预支护有一定的强度，又能防止渗漏，在软弱松散砂层情况下施工无塌孔之虑，且动态注浆容易控制。比传统的小导管注浆更能有效地控制加固范围，比管棚法更方便操作、功效有大的提升，更能很好的节约材料和时间;

②在开挖过程中使用强度较高的锁脚旋喷桩代替传统的锁脚锚杆，有效解决了在软弱砂层下钢拱架没有有效的着力点、沉降大等问题;

③该施工方法有效规避了安全风险，加快了施工进度，提高了施工效率，创造了效益，实现了软岩隧道施工技术领域的创新和突破，解决了富水粉细砂层的施工难题，提高了隧道施工质量;

④该施工方法机械配套要求非常高，且喷浆过程中返浆量大，利用率低。

参考文献：

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