隧道工程施工中 高压水平旋喷桩超前支护技术的应用研究

?贾良

摘 要：针对隧道工程施工过程中富含地下水、围岩稳定性差等导致地表沉降、隧道变形等问题，使用高压水平旋喷桩超前支护技术。此支护的主要特點为可控性强、均匀性强、强度高，将实际工程为例，对高压水平旋喷桩超前支护的施工方式分析。结果表示，使用高压水平旋喷桩超前支护技术，能够避免隧道施工过程中地表沉降的问题。

关键词：隧道工程;水平旋喷桩;隧道超前支护

中图分类号：U455.7 文献标识码：A 文章编号：1001-5922（2021）09-0189-04

Research on Application of Advanced Support Technology of High Pressure Horizontal Jet Grouting Pile in Tunnel Construction

Jia Liang

（Shaanxi Railway Institute， Weinan 714000， China）

Abstract：In order to deal with the problems of surface settlement and tunnel deformation caused by rich groundwater and poor stability of surrounding rock during the construction of tunnel engineering， the advanced support technology of high-pressure horizontal jet grouting piles is used. The main features of this support are strong controllability， uniformity， and high strength. Taking the actual project as an example， the construction method of the high-pressure horizontal jet-grouting pile advanced support is analyzed. The results show that the use of high-pressure horizontal jet-grouting pile advanced support technology can avoid the problem of surface settlement during tunnel construction.

Key words：tunnel engineering; horizontal jet grouting piles; tunnel advance support

目前，旋喷桩被广泛应用到建构筑物地基基坑、沟槽边坡支护的设计施工中。在使用过程中，旋喷桩为垂直竖向施工，对于软弱底层、边坡底层具有加固稳定、防止流土流砂、止水等作用，还能够作为建构筑物与人工处理地基的桩基础。在设计隧道工程中，根据隧道外围水平方向使用旋喷桩技术工艺。在隧道工程设计施工过程中，根据隧道外围水平方向使用超前支护与隧道软弱围岩实现止水加固比较少见，为新型设计施工手段[1]。以此，本文就对隧道工程施工中使用高压水平旋喷桩超前支护技术进行分析。

1 工程实例

某隧道工程全长5.5km，热力干线管径为DN1000，全线使用浅埋暗挖隧道方式进行敷设。公安部和大华路段长度为1075m，处于长安街南侧绿化带中，有402m和现况多层楼层相邻，距离楼房6～7m，使用加强隧道断面，拱顶覆土厚度为7～9m。隧道穿越土层为粉细砂、粘质粉土、粉质粘土、中砂层，局部上层滞水，隧道处于地下潜水水位，此地区地下水对于混凝土没有侵蚀性。图1为地质剖面结构。

在此项目施工过程中，存在部分难点内容：其一，长安街在此区间断路面比较窄，城市大部分市政管线都在此工程隧道施工范围中集中，比如市政供水、天然气、电信、电力、市政排水管线等，随着隧道拱顶上部顺行[2];相邻楼房包括纺织工业部、远洋运输协会、国家商务部等重要的部门，大部分楼房建成的历史比较长，隧道距离楼房为6～7m，所以在隧道施工过程中要对地表沉降进行控制，对建筑物安全进行保证;电力隧道、地铁隧道、通风道等大型市政工程施工时会对工程隧道附近地层造成扰动，地勘报告说明地下局部存在空洞;此工程距离地铁结构为5～8m，地铁运营过程中的振动会影响到隧道施工;隧道穿越土层砂层比较厚，具有丰富的含水量，工程施工地段特殊性要求在施工过程中使用严格措施。因为在丰富含水层砂层中不容易成孔，会导致出现管涌、流砂等问题[3]。

2 高压水平旋喷桩超前支护的技术使用

2.1 技术特点

（1）高强度。混合土体、水泥浆实现高压旋喷，创建固结体，强度比较高。

（2）强均匀性。高压水泥浆喷射流在成桩过程中能够破碎大块土体，对水泥浆液混合，创建土体和水泥浆混合物。

（3）强可控性。在土体破坏范围中设置水平旋喷浆液，对浆液注入范围和部位进行控制，通过调节注入参数得出的固结体满足设计需求。

（4）综合效果良好。能够进一步提高复合土体防渗、抗滑、强度与预支撑等作用。

2.2 技术的实施

2.2.1 施工工艺流程

高压水平旋喷桩超前支护的工艺流程包括预放桩位、定位钻机、开孔钻进、分段注浆、检测终孔、旋喷拔杆、喷桩停止、清洗孔位[4]，图2为具体施工工艺流程。

使用高压水平旋喷桩实现超前支护，要求满足的要求为：喷桩位置的误差为3m;施工长度比设计打桩长度要大;打设角度误差不超过2%;在施工现场要开展试验桩，利用试验桩对高压水平旋喷桩施工参数进行确定。在此工程设计过程中，旋转速度设置为25r/min，浆液压力设置为40MPa，浆液水灰比设置为1∶1，要求桩体连续均匀，在施工过程中严格根据设计桩长、桩数实现施工。

2.2.2 机器设备和旋喷参数

对钻机造价、性能、适应条件等进行全面考虑，使用PST-60单臂隧道钻机和配套7T-505型高压大流量泵站。此钻机重量为66t，作业半径为3.7～6.5m，表1为施工过程中机械设备和材料。

为了提高加固的效果，在实现超前支护前要进行试验桩和周期性监测。针对高压水平旋喷桩，加固效果和旋转速度、浆液压力、浆液相对密度具有密切关系，在试验过程中将此因素作为变量设计试验桩[5]，表2为高压试验桩条件。

试验桩中的桩径都为600mm，施工长度为8m，桩间距为450mm，回抽速度为25cm/min，施工角度为-3.6°，水泥使用量为150kg/m。试验桩都在同个区域中，具有相同的地质。对7组试验桩外管进行查看，表示具有良好的实验效果。桩身为圆形，没有缩径，略微鼓边。桩体颜色清灰，切割搅拌均匀，并且密实、固结，没有颗粒状土块，表3为桩径实验结果。以实验结果可以看出来，X4试验桩施工参数的效果最佳，所以旋转速度为25r/min，浆液压力为40MPa，浆液水灰比为1∶1的条件中现场施工最佳。实验结果还表示，通过桩径分析，在浆液压力、水灰比、旋转速度达一定比值时，不会在值增加过程中增大，对试验桩强度来说，在达一定数值后，值也在增加过程中降低。

2.2.3 施工准备

（1）设备进场和校验。

（2）测量防线定桩位。

（3）安装钻机，对工作平台平整，安装高压泵和油泵。

（4）设备安装之后，以技术交底调整钻机角度与方位，并且对准孔位，控制孔位误差为±50mm左右。

（5）以技术交底需求与施工方案要求，对水泥浆配比，均匀搅拌浆液;在制浆时对浆液比重测量，每孔高喷灌浆后对孔材料用量进行统计;使用高速搅拌机对浆液进行连续均匀的搅拌，搅拌时间在3min以上，一次搅拌时间为4h之内[6]。

2.2.4 打入过程和技术控制

使用专业分包旋喷桩打入设备，空心钻杆喷嘴在土体中喷射浆液。将水泥浆在搅拌桶中集中搅拌，通过泥浆池收集废浆和污水，运输到隧道中并处理。通过“先拱顶、后侧墙”顺序加固，周边空位从左到右或者从上到下交替施工。利用专业技术指导与现场技术交底操作，完成前期探索试验段，总结桩体在围堰中的成型效果，对注入水泥浆液压力、比例、成桩综合质量进行测算。通过自动泄压系统、自动防控系统、自动侧压系统创建打桩设备，避免大孔内压力导致地面隆起。将观测点设置到地表，如果在施工过程中的地表隆起或者沉降在5mm以上，施工要停止，将应急预案启动调整。在试选过程中，先以实际经验和相应的数据选择参数，机械反铲开挖之后对水泥与水混合掺和在沙土中固化温度时间进行测量查看，并且查看钻机各协作泵反馈数据、泵浆情况，包括桩体最里面成型与最后接近掌子面无规则水泥浆土块效果。从而得出工程作業参数，调整打入角度、桩孔位置、深度。

2.2.5 测控定位

挖30cm×30cm的排浆沟断面，排浆沟和开挖成型泥浆池接入。对用电设备钻机、控制阀门、高压油管等进行检查，对油液量防爆管进行复核。对高压压力表进行监测，高压泵和钻杆结合处连通，分析是否开裂、破碎。

在作业面利用渣车运土，利用堆填机械进行整平。通过脚手架进行桩孔的定位，在掌子面实现钻杆定位时，工作人员要进行纠正和观测。在需要开挖掌子面外轮廊处实现全站仪定位，对红色圆圈标记，将钢筋打入内部。和全部钢筋桩位连接就能够精准定位开挖线型与范围，在开挖前将已经封堵掌子面混凝土层进行破除，使其作为旋喷桩钻杆支撑托架，对钻孔精度进行保证。

根据实验室配合比，在圆桶中对水泥浆进行拌制。以钻杆压力与打入情况，与内部围岩与土体结合，对排除废液粘稠度进行查看，实现拌制时间的合理调整，避免凝结固化。

2.2.6 调整桩孔

根据测量轮廊标记钻孔位置，通过专人在桩孔定位处对操作手指挥，组对准钻头顶住掌子面。如果桩孔无法对准，要先使用撬棍辅助定位[7]。

2.2.7 高压旋转压进

将电力设备和液压设备开通，通过合理速度转动空心合金钻杆，在松软土体中压进。砂土具有较大的摩擦力，适当的添加膨润土、清水能够降低摩阻力，避免钻杆卡住、拧断和弯折，构成良好成型孔径，并且使每个钻杆都牢固的连接。

2.2.8 压入水泥浆

通过连接长度和图纸的设计，记录钻杆进入的深度，在土层最前端原位旋转，压入水泥浆液，使压力和速度缓慢的调整。对压力进行控制，并且对压力表时刻观察。在拔出后利用专人将外漏的钻杆拆除，和高压泵管道连接，避免漏浆过多。然后对掌子面桩部开展后端孔，填充材料。

2.2.9 安管和封孔

为了使旋喷桩抗剪强度，将89mm×4mm钢管安装到桩孔中，要拔出时通过土工布封闭桩空洞，避免孔口流出水泥浆。在桩孔洞中水泥浆溢水后，要通过钻机辅助人工压入钢管。如果旋喷桩补插钢管，在桩空洞中水泥浆溢水半小时后利用土工布封堵钻孔空洞。如果插入钢管，要在插入之后立刻使用土工布将钢管和孔洞之间钢管控与缝隙封堵。

2.2.10 清理工作

利用清水对每根桩高压部位清洗，如果管道中具有水泥浆，要将水源压入，工作人员通过末端对水液清洁情况进行查看，判断清洗是否干净。

2.2.11 成桩质量检测

单桩通过孔内成像、钻孔取芯、角度测量的检测，旋喷压力会对旋喷转固结体造成影响，对孔位误差控制在50mm以下。单桩钻孔取芯过程中的角度偏斜，对桩径进行判断。利用孔内成像对桩体均匀性进行检测，组合试验通过取芯方式对质量强度和咬合搭接进行检测[8]。

3 结语

旋喷压力能够对固结体质量影响，在不改变浆液重度与喷嘴参数时，旋喷轴中压力和流速平方为正比关系，压力越大，说明具有较大的固结体直径。浆液水灰比大小能够对成桩固结体强度造成影响，要通过实验室试验之后，得到最佳的水灰比。一般，旋喷浆液和砂体要均匀搅拌，从而提高旋喷桩的强度。所以，为了使旋喷桩桩身强度得到提高，可以使用控制后退旋喷速度或者重复旋喷搅拌施工工艺。

参考文献

[1]文妮，赵春彦.基于高压水平旋喷桩超前支护技术的隧道施工技术研究[J].公路工程，2019，044（001）：135-139.

[2]邵永平.细砂层铁路隧道水平旋喷桩超前预支护施工技术[J].铁道建筑技术，2019（11）： 105-108+134.

[3]赵恒.浅谈高压水平旋喷桩开挖防护技术在五虎墩隧道工程中的应用[J].门窗，2019（16）： 264-265.

[4]李磊磊，李彦强.水平旋喷桩施工工艺在深圳地铁施工中的应用[J].水利水电施工，2018（006）：67-71.

[5]范森.铁路隧道风积砂层高压水平旋喷桩超前加固施工技术[J].价值工程，2018，37（15）：141-144.

[6]罗姗.超长水平旋喷桩止水帷幕技术在富水砂层中的应用研究[J].铁道勘察，2018，15（2）：73-76.

[7]吕海滨.泥浆比重在钻孔灌注桩施工质量控制中的应用研究[J].粘接，2020，041（01）：111-114.

[8]王丹，赵敏.基于云架构的建筑工程粘接成本集成管理平台设计[J].粘接，2020，41（03）：121-124+155.