水平旋喷桩加固技术在隧道细砂层中的应用

(中铁十八局集团第一工程有限公司，河北 涿州 072750)

1 工程概况

王家湾隧道全长7288m，隧道洞身在DK270+372～835段穿越细砂层。其中DK270+380～735段隧道洞身顶部为冲洪积细砂，基底为黏质老黄土，呈松软结构；DK270+370～880段洞身可能含有少量第四系孔隙潜水。根据实际揭示围岩情况，确定水平旋喷桩加固的里程段为DK270+442～DK270+580段(见图1)。

图1 王家湾隧道穿越细砂层段平面示意图

冲洪积细砂层结构不稳定，施工难度大，极易发生坍塌。采用水平旋喷技术以相互咬合的高压水泥浆液固结体，形成封闭的水平旋喷帷幕保护层，从而降低隧道施工风险[1]。水平旋喷桩施工在国内隧道辅助加固技术尚不成熟，专用设备机械化水平较低。为达到预期旋喷桩质量，选用有资质、经验丰富的专业施工队施工，配置先进的水平旋喷钻机，进行现场工艺试验，优化施工方案，提高成桩质量。

2 施工总体部署及安排

2.1 总体施工安排

该隧道细砂层位于1号斜井与2号斜井之间，长度463m，计划两个工作面施工细砂层段。施工前进行工艺试验，确定施工参数。按三台阶临时仰拱开挖工艺施工时，水平旋喷桩按“先拱部后掌子面”的顺序进行预加固[2]。上台阶开挖12m后，施工中台阶洞身周边纵向水平旋喷桩、中台阶洞身纵向水平旋喷桩，施工上台阶横向水平旋喷桩；中台阶开挖施工，按设计开挖一环支护一环；中台阶开挖12m后，施工下台阶洞身周边纵向水平旋喷桩，施工中台阶横向水平旋喷桩；下台阶开挖施工，同时施工上台阶第二循环水平旋喷桩，进入第二循环工序施工节段。1号、2号斜井两工作面施工至最后一环相距15m时，由一个工作面完成剩余工程量，加一环水平旋喷桩(或加长最后一环水平旋喷桩长度填补两工作面最后一环旋喷桩间空隙)(见图2)。

2.2 机械设备

根据水平旋喷施工技术要求，选择HGT-200型水平钻孔旋喷机施工，选用XPb-90E型高压泵[3]。主要机械设备和材料见表1，水平钻孔旋喷机参数见表2。

表1 主要机械设备和材料

表2 水平钻孔旋喷机技术参数

续表

图2 总体施工顺序

3 施工方法

3.1 水平旋喷桩布置

横断面超前水平旋喷桩分周边桩、辅助桩、台阶桩三种，周边桩于轮廓线外侧环形布置，间距400mm。辅助桩于开挖面按等边三角形布置，间距2m(见图3)。

3.2 施工方法

按“先周边，后掌子面”的顺序进行加固施工。形成周边间隔桩，保证两侧强度平衡，可减少因钻杆偏斜引起的桩间咬合率低的问题[4]。孔位从下到上或左右交替进行。喷浆初凝具有一定强度后施工交叉咬合桩，用钻机插入φ89钢管，台阶锁脚处插入φ42锁脚钢管。定向钻机采用HGT-200型水平钻孔旋喷机，XPb-90E型高压泵配合施工。

图3 水平旋喷桩布置

4 施工工艺流程

水平旋喷桩施工工艺流程共分三大项5个子项(见图4)。

4.1 试验桩施作

该工点水平旋喷桩位于冲洪积细砂地层，分布于中、上台阶范围处，为降低隧道开挖风险，保证水平旋喷桩成桩质量，在王家湾隧道DK270+835中台阶掌子面进行试验桩施作。试桩共计3根，桩间距400mm，相邻桩体咬合厚度20cm，设计外插角3°～5°，每循环搭接3m。水泥采用P.O 43.5普通硅酸盐

图4 水平旋喷桩施工工艺流程

水泥，水灰比按0.8、1.0、1.2三种比例拌制。试验桩参数见表3。

表3 试验桩参数

试桩施工中详细记录旋喷钻机转速、钻杆钻进速度、高压泵运转情况、水泥浆配合比、喷浆压力、浆液凝固时间，施工7天后挖取试件进行外观检测、桩径检测、强度检测，经综合对比分析后确定S-2试验桩施工参数适合现场实际，后续隧道水平旋喷桩帷幕支护按照S-2桩施工参数执行，隧道开挖面及时喷混凝土封闭，初支尽快成环减少沉降变形，变形监测及时跟进，动态调整初支参数及支护措施。

4.2 施工准备

首先封闭掌子面，挂钢筋网喷射混凝土，混凝土厚度10cm，采用φ6光圆钢筋，网眼尺寸20cm×20cm[5]。此项工作在初期支护中完成。其次开挖排浆沟，架设钻机导轨，导轨内端距离掌子面50cm，与隧道中心垂直，顶面保持水平。为了保证钻机的推力，枕木要埋入平台中心，轨道与枕木联结要牢固。最后测量放样隧道轮廓线、隧道轴线、旋喷桩位，并按设计预留沉降量。对钻机、高压泵及压力表、管路进行作业前检查，确保正常运转。

4.3 浆液制备

按照S-2试验桩浆液比重配制，为保证搅拌均匀，采用高速搅拌机搅制，连续均匀搅拌不少于3min。浆液配制完成后进行浆液比重检测，单桶浆液使用时间不得超过4h，水泥浆搅拌桶底部及出浆口及时清理，防止堵塞。

4.4 钻进

钻进速度控制在25cm/min，钻进中用低压清水冷却钻头，可减少阻力，保证钻孔顺利进行。钻进过程中采用“地下定位系统(iGPS)”仪器进行实时定位，能够准确掌握每根孔桩的位置、偏角、深度等信息，有效提高了钻进精度。

4.5 旋喷

为防止桩前端受外插角影响，保证加固效果，钻进达到设计深度后原位旋喷1min后开始回旋，旋转喷射压力保持在38MPa。旋喷前5m时，回旋速度应保持在15～18cm/min，后部回旋速度可以调整到25r/min。为保证桩径和桩间咬合度，采用退一次，进一次，再退一次的复喷工艺，共旋喷三次[6]，复喷各循环段长度为1.2m，当注浆管需分次拆除时，拆除动作应迅速，喷射的搭接长度不得小于10cm，以保证桩体完整。为防止破坏工作面，当旋喷到孔口1m时停止，立即退出钻杆，并进行封孔操作。

5 质量控制措施

水平旋喷桩施工质量控制主要是事前和事中控制，辅以事后控制。事前控制主要为选择专业化钻机、专业化队伍，原材料检验。事中控制主要为钻孔导向定位、钻机钻速、旋喷速度、注浆压力、浆液水灰比控制。事后控制主要包括旋喷桩施工7天后钻孔取芯，检查桩身的完整性、均匀性、强度和有效直径，以验证水平旋喷桩对细砂层的加固效果，根据验证结果分析调整施工参数[7]。水平旋喷桩质量控制标准见表4。

表4 水平旋喷桩质量控制标准

6 效果分析

在王家湾隧道细砂层水平旋喷桩加固技术应用中，通过优化施工工艺，采用实时定位导向技术，选择先进钻具设备，保证了旋喷效果，有效防止了细砂层开挖过程中涌砂、涌水等问题，提高了地层稳定性，保证了施工安全，达到了“安全、经济、快速、优质”的目标，为类似不良地质条件下的隧道施工提供了参考经验，具有明显的经济效益和一定的推广价值。