水平旋喷桩在隧道施工中的应用

李喜锋

（西成铁路客运专线陕西有限责任公司，陕西 西安 710043）

1 工程概况

田塬隧道位于彬县太峪镇至彬县泾河右岸之间。隧道为双线，总长度4184.08m，隧道起止里程为DK131+137.03—DK135+321.11，最大埋深140m，最浅埋深约3m。西安端洞口位于太峪沟左岸黄土质斜坡上，隧道银川端洞口位于彬县砖瓦厂后侧黄土坡面上。隧道设置一横洞，与正线交叉里程DK134+300，长度335m，交角87。

隧道位于黄土梁峁沟壑区，洞身穿越第四系中更新统风积黏质黄土，硬塑，Ⅲ级硬土，σ＝180kPa；洞身穿越中更新统冲积中砂，密实，潮湿～饱和，Ⅰ级松土，σ＝250kPa。地下水为第四系孔隙潜水，主要受大气降水补给，水质良好，对圬工无侵蚀性。

全隧Ⅳ级围岩1070m，占25.6%，Ⅴ级围岩2791.22m，占66.7%，Ⅵ围 岩265m，占6.3%，洞 门57.86m，占1.4%；隧道横洞全部为Ⅴ级围岩。

2 施工背景

DK134+020—+185 段洞身穿越黏质黄土与中砂交界处，基底为中砂层，此段围岩设计为Ⅵ级，施工方法为双侧壁导坑法。支护措施主要为：

拱部：180采用Φ159 管棚配合Φ42 小导管进行超前支护；

基底：Φ194mm×6mm 钢管桩进行基底加固处理，桩间距100×100cm 梅花形布置；

初期支护：I25a 工字钢间距0.5m，Φ22 砂浆锚杆、喷射C25 混凝土、全环Φ8 钢筋网片封闭；

衬砌：初次衬砌30cm 厚C30 混凝土，内设Φ22 格栅钢架，间距0.5m；二次衬砌为50cm 厚C35 钢筋混凝土。现场地质及施工过程照片见图1。

图1 现场地质及施工过程照片

考虑到双侧壁导坑法施工进度缓慢，施工完成后，拆除过程中安全风险极大，且随着隧道施工机械化的发展，一方面，从事现场施工的人员越来越少，一般在通过不良地质时，主要通过加固地层，三台阶法通过；另一方面，能够懂得并正确使用特殊工法施工的一线人员越来越少，根据现场地质情况，结合国内同类隧道工程相关施工经验，在田塬隧道首先开展工艺性试验，在试验取得成功的基础上，将双侧壁导坑法剩余段落施工全部优化为超前水平旋喷桩加固后，三台阶法开挖。

3 水平旋喷施工方案

根据砂层在洞身的实际分布情况，结合砂层分布特点，分为中、下台阶旋喷桩和锁脚旋喷桩层两种情况。

3.1 施工参数确定

为获取现场施工参数，有效指导现场施工，确保旋喷桩施工效果，结合以前经验及现场地质情况，在现场进行了多次工艺性试验，以确定旋喷桩施工参数。 最终确定：旋喷桩桩径Φ500mm；旋喷压力30MPa；后退速度40cm/min；转速45r/min；旋喷桩数量按照间距400mm（桩与桩之间咬合100mm）结合现场砂层高度确定。同步开挖揭示，旋喷桩桩径在粉细砂层中最大可达Φ700mm；在砂砾层中桩径Φ500mm左右。

根据工艺性试验结果，现场在DK134+164—+157、DK134+157—+148 分别进行了旋喷桩施工试验，第一试验段长度10m、开挖7m（3m 搭接），第二试验段长度12m、开挖9m（3m 搭接），经过试验及开挖验证，现场超前高压水平旋喷桩预加固后，开挖过程中做到了砂层不溜、不坍，边墙稳定，预加固效果明显。现场施工过程及开挖揭示砂层稳定情况见图2～图5。

图2 旋喷桩试桩施工

图3 试桩成桩效果

图5 中台阶旋喷桩效果图

3.2 旋喷桩施工

3.2.1 中、下台阶砂层施工方案

根据掌子面砂层位置，中、下台阶采用超前水平旋喷桩预加固。周边旋喷桩桩径Φ500mm，桩长12m，桩间距为400mm，外插角度暂定5～8（分孔计算每根桩的偏角和仰角，利用三维坐标，达到精确成孔定位）确保终孔位置咬合100mm，为提高水平旋喷桩抗剪强度，周边水平旋喷桩内插Φ42 钢管进行加强。旋喷桩周边加固长度为12m，每循环开挖9m，预留3m 搭接长度。为提高旋喷效率，施工时采用2 台钻机施作，并列布设，2 台钻机各施工一侧。

图4 水平旋喷桩施工

3.2.2 锁脚旋喷桩

锁脚旋喷桩直径Φ400mm，纵向间距500mm（根据型钢钢架间距确定），内插2 根Φ42 钢管，锁脚旋喷桩角度为斜向下40。旋喷桩布孔示意见图6。

图6 旋喷桩布置示意图

4 现场施工安全及围岩量测情况

田塬隧道砂层地段，在采用超前水平旋喷桩加固后，通过围岩量测数据显示，拱顶下沉、周边收敛受控，未发生围岩量测预警现象，同时在开挖过程中，施工安全得到了保证，做到了砂层不溜、不坍，边墙稳定，预加固效果明显。另外，避免了原双侧壁导坑工法存在的多次拆除侧壁拱架的安全风险。

5 施工工效分析及经济对比

5.1 施工工效

5.1.1 采用旋喷桩施工工效

开挖进度为1.5m/d（3 个循环，每循环0.5m），中、下台阶+锁脚旋喷桩施工2 台钻机同时施工，用时在3.5d，基底钢管桩处理1d，大管棚施工1.5d，按照每次旋喷12m，开挖9m 计算。

每循环用时：9÷1.5＋3.5＋1＋1.5＝12d；

月进度为：9÷12×30＝22.5m。

5.1.2 采用双侧壁导坑施工功效

双侧壁导坑法施工在2017年11月开始施工，截至2018年3月底，合计施工25m，施工效率极低，月进度不足10m。

通过进度指标对比可以发现，采用超前水平旋喷桩施工后，施工工效明显提高。作为国铁集团工管中心重点关注的隧道，在调整工法后，田塬隧道于2019年9月提前半年贯通，受到各方的一致好评。

5.2 经济对比

施工合同中各支护参数及合同单价，如表1 所示。

表1 投标合同中各级围岩延米单价

序号支护方式、措施 单价/（万元/延米）备注123456 7 8 9Ⅴ级围岩Ⅴe双侧壁导坑法中隔壁施工费用Φ89超前大管棚Φ159超前大管棚单层水泥旋喷桩Ⅴ级围岩Ⅴe+单层水泥旋喷桩Ⅴ级围岩Ⅴe+Φ89管棚+水泥旋喷桩单层+Φ89管棚-中隔壁-Φ159管棚8.60 16.62 3.52 1.25 2.33 6.2 14.8与双侧壁比较/（增+、减-）（万元/延米）-8.02 0/ / /包括管棚包括锁脚-1.82 16.05-0.57+1.6单层试验段承担费用

隧道按照Ⅴ围岩支护参数，旋喷桩环向每循环施工长度12m、开挖9m，环向30 根；锁脚旋喷桩中台阶每榀钢架1 根、长度4.0m 计算，旋喷桩延米单价为：

环向旋喷桩延米单价：

施工长度30×12＝360m，旋喷桩单价1150 元/m，合计：1150×360＝414000 元（41.4 万元），延米单价为：41.4÷9＝4.6 万元/m；

锁脚旋喷桩延米单价：

按照中台阶布设，合计长度：9×2×2×4＝144m，旋喷桩1000 元/m，合计费用为：1000×144＝144000 元（14.4 万元），延米单价为：14.4÷9＝1.6 万元/m；

Φ89 大管棚延米单价：

每循环长度：47×9÷6＝70.5m，单价：177.14元/m；

循环单价为：177.14×70.5＝12488.37 元/m＝1.25 万元/m；

综合延米单价：

Ⅴ级围岩Ⅴ＋中、下台阶水平旋喷＋锁脚旋喷＋Φ89 超前大管棚=8.60 ＋4.6 ＋1.6 ＋1.25＝16.05 万元/m；

原设计双侧壁导坑法16.62 万元/m；

采用水平旋喷桩加锁脚旋喷桩加固后，三台阶法开挖，每延米可以节省费用为：0.57 万元/m（16.62 万元/m-16.05 万元/m＝0.57 万元/m）。

采用超前水平旋喷桩预加固、三台阶法开挖后，田塬隧道合计节省费用近100 万元（节省工期带来的管理费减少等未计入）。

6 结语

相较复杂的施工工法，在隧道施工中应用水平旋喷桩，一是提高了机械化作业水平，降低了工人劳动强度，也降低了人身伤害的风险概率；二是优化了隧道开挖工法，在保证施工安全的前提下提高了工效，节省了工期和费用，效益明显。今后在隧道施工中应用水平旋喷桩，应朝着适应各种软弱复杂地层与开挖工法更好地结合、优化的方向去改进研究。