复杂地质下隧道基底工程的旋喷桩施工技术刍议

熊亚辉

（中铁十八局集团第一工程有限公司，河北 涿州072750）

旋喷桩施工技术起源于高压喷射注浆法，自20世纪80年代在我国得到了大力推广应用。大量工程实例表明，该施工技术在处理淤泥质土、粘性土、粉土、砂土等地质基础中有良好的应用效果。因此，我国将旋喷桩施工技术列入《地基和基础施工规范》[1]。该技术在具体应用中，有两个工作流程，先钻孔后喷射，再下钻喷射，通过充分搅拌，促使浆土比例均匀一致，保证施工质量。高压旋喷桩所用的材料亦为水泥浆，主要机理为通过高压旋转的方式，将水泥浆液喷入土层中，和土体充分混合，形成具有一定强度和承载力的固体，通过相互搭接的方法形成排桩，主要作用是挡土和止水。从施工成本来看，高压旋喷的施工费用大于深层搅拌水泥土桩，但具有设备结构更紧凑、体积更小、机动性更强等优势，同时施工噪音较小，不会对周围建筑物造成太大影响，能在空间较小的范围中良好应用。但采用高压旋喷桩时，会排出大量泥浆，处理不当会引起污染。对地下水流速较大的底层或无填充的岩溶地区，会腐蚀土层，并且旋喷时浆液无法在注浆管周围凝固，因此这些区域不适合采用高压旋喷桩，这也是目前高压旋喷桩施工亟待改进的地方。基于此，本文结合工程实例，开展复杂地质下隧道基底工程的旋喷桩施工技术探讨研究分析。

1 工程概况及重难点

1.1 工程概况

王家湾隧道位于陕西省延安市安塞县王家湾乡，隧道全长7288米，进口里程：DK266+945；出口里程：DK274+233。其中，Ⅲ级围岩545米，占7.4%；Ⅳ级围岩4105米，占56.3%；Ⅴ级围岩2053米，占28.1%；Ⅵ级围岩575米，占7.9%；Ⅴ、Ⅵ级围岩合计占36%，明洞10米。最大埋深220米，隧道纵坡为人字坡，坡度及坡长依次为5‰/7205m、-4‰/83m，在DK269+500处线路大里程方向右侧和DK271+500线路大里程方向左侧分别设置1#和2#斜井，其中1#斜井长275米（Ⅳ级230米，Ⅴ级45米），2#斜井长293米（均为Ⅴ级围岩）。

1.2 工程重难点

第一，王家湾隧道很多地段为湿陷性黄土，力学形式特殊，承载力难以满足施工要求，建成后隧道基底会形成较大的变形。基底除了会受到压缩变形的影响外，也会受湿陷性变形的影响，如果不进行有效处理，就会导致隧道的衬砌结构发生裂缝等质量通病，影响车辆行驶的安全性[2]。旋喷桩施工技术工序繁多，任何一个环节控制不当，都会影响施工总质量，并且施工中相互干扰、工期压力较大，在施工前要切实做好各项施工计划，并按照地质预报、测量结果等合理调整设计方案，加强各道工序之间的衔接性，以保证施工质量。旋喷桩施工技术对质量控制的要求较高，要尽量选择综合实力较强的施工队伍，并选择技术先进，性能精良的旋喷桩施工机械设备，通过现场工艺试验，优化施工方案。

2 旋喷桩施工技术在复杂地质下隧道基底工程中的应用

2.1 确定施工总方案

本工程 DK271+543～DK271+670段、DK271+730～DK271+790段隧道基底位于素填土、砂质新黄土、粉砂、黏质新黄土等地基，其地基承载力不足200KPa，为保证施工质量，降低施工难度，决定采用旋喷桩施工技术，钻孔间距90cm，共840根，桩底深入进入风化岩石深度不小于1.5m（如图1所示）。

图1 旋喷桩平面布置

受到湿陷性黄土及对施工质量要求较高的影响，采用单管法施工，将钻孔插管合二为一，钻孔完成后插管也同时完成。旋喷桩施工技术具有施工设备简单、占地面积小、工期易控制、处理效果好等优势，可有效满足本工程施工对地基处理的要求。具体施工工艺流程如图2所示。

图2 旋喷桩施工技术工艺流程

2.2 试桩和钻机就位

为保证成桩率和施工质量，要提前进行试桩操作，以解决旋喷桩施工技术工序繁多、质量控制难的问题。通过试桩确定如下施工工艺参数：旋喷桩直径500mm、间距900mm（呈正三角布置）、压力22MPa、转速20r/min、浆液配合比1:1、提升速度20cm/min、每延米水泥用量148kg。

为提升旋喷桩施工质量，钻机就位控制是重中之重，钻机就位精度对整个旋喷桩施工的质量有较大影响。因此，本工程通过以下三个步骤来保证钻机就位的精度：

第一，钻机就位由专人指挥。通过水平尺、定位测锤等测量工具来校准钻机，保证钻机水平度，导向架和钻杆要与钻孔面相互垂直，且倾斜率不超过1.5%，超过要及时调整。将钻机钻头对准旋喷桩孔位中心，钻杆垂直度偏差不超过1%。确定好钻孔位后用白灰定位，为进一步保证钻孔桩位的精度，同时使用定位卡，保证了钻机定位和设计位置的偏差小于5.0cm。钻机就位后，要先用0.5MPa进行射水试验，以保证喷嘴喷射浆液的通畅性和喷射压力符合设计要求[3]。

2.3 制备浆液和钻进操作

浆液制备质量对工程施工质量影响非常大，本工程采用42.5级普通硅酸盐水泥，水灰比按1:1配制浆液。在泥浆搅拌中，先倒入水，再倒入水泥，搅拌时间控制在10～20min。具体制备中要随时检查浆液比重，以保证配比质量。制备浆液现场见图3。

图3 制备浆液现场

旋喷桩施工技术工序繁多，任何一道工序出错都会影响总体质量。因此要严格按照施工工艺要求进行操作，包括以下三个步骤：（1）先启动旋喷钻机，保证整个钻进过程边旋转、边钻进；为降低钻进阻力，压力控制在0.5-1.0MPa即可，一边下管、一边射水。同时，为避免钻进过程中发生卡钻、粘钻等问题，在达到设计要求后停止钻进。（2）基底旋喷桩可采用一次成孔方式。如果旋喷时要连接杆件，需先把输浆管上的过渡短管卸下，连接到待装杆尾部后续杆操作。再旋转钻杆，促使接口压缩钻进。通过循序上述步骤，直到钻进到设计位置[4]（基底旋喷桩施工见图4）。（3）完成第一阶段贯入土层后，借助喷射管自身的喷射、振动贯入。

图4 基底旋喷桩施工

2.4 旋喷操作

旋喷施工前要先全面检查各项机械设备的工作性能，保证旋喷机的压力、排量等符合设计要求，保证各部件密封装置良好。仔细清理管道和喷水，避免存在杂物。同时，进行高压射水试验，确认压力、流量等施工参数达到设计要求再进行旋喷操作。对旋喷时间、用浆量、冒浆情况、压力变化等参数进行详细记录，超过允许范围要立即停止旋喷，待问题彻底解决后再重新施工。

旋喷管钻进到设计位置后要立即停止施工，将泥浆泵工作压力提升到设计值（22MPa），持续旋喷30s，促使水泥和周围土质充分搅拌。然后反向旋转均匀提升注浆管，旋喷转速控制在20r/min左右，提升速度控制在20cm/min左右。当旋喷管提升到桩顶位置时，从桩顶以下1.0m位置开始，降低提升速度，旋喷3-6s后再提升到0.5m位置，直到桩顶停止施工，旋喷高度要超出设计桩顶标高0.5m左右[5]。

如果旋喷操作发生故障，要立即停止旋喷，避免发生断桩问题。同时对故障根源进行排除，待问题彻底解决后再重新旋喷。如果停机时间过长，则要在原桩位置做补桩处理。

2.5 废弃浆液和补浆处理

为避免发生废弃浆液浸泡拱脚和撑子面影响施工质量，本工程在旋喷桩施工平台前端设置了一道排浆沟，促使浆液及时流出隧道，进行集中处理[6]。每根旋喷桩施工完成后，要用高压水对管道、设备等进行集中处理，以保证管道中不留残渣，清洗完成后再重新移到下一桩位上施工。

旋喷桩施工完成后，浆液具有析水作用，这是客观存在且很难从根本上得到规避。因此旋喷桩会发生不同程度的收缩，从而导致桩体顶部发生凹陷，此时需用水浆比1：1的水泥做补浆处理。

3 施工体会

第一，旋喷桩施工前要进行试桩操作，且试桩根数不少于3根，以确定施工技术参数，包括钻进速度、旋喷压力、旋转速度、提升压力等。第二，开工前为有效控制施工中可能遇到的重难点，要切实做好技术交底工作，并按照施工质量及工程进度要求，定期开展质量控制专题会议，以解决施工中遇到的各种问题，保证施工工序顺利开展[7]。第三，钻孔前要对孔位精度进行多次复核，包括孔位、孔距、钻机水平度、垂直度等。钻进过程中尽量避免钻机剧烈振动，以保证钻进垂直度。当钻进到设计深度后，要及时检测孔深、倾斜率等，保证旋喷桩施工各项标准符合设计要求。

综上所述，隧道基底工程地基条件复杂且施工范围有限，传统处理技术存在较多局限，无法满足施工要求。而旋喷桩施工技术，设备占地面积较小、施工灵活，可满足隧道基底工程施工的各项要求，既能提升基底加固处理质量，也不会对周围土地造成较大扰动，施工质量及安全性得到较大提升，值得大范围推广应用。