水平旋噴加固在富水未成巖粉細(xì)砂層中的應(yīng)用

孫國慶，殷九榮

(1.中鐵隧道集團(tuán)技術(shù)中心，河南洛陽 471009;2.重慶交通建設(shè)有限責(zé)任公司，重慶 400010)

0 引言

目前，豎直旋噴加固技術(shù)已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，而在一些埋深大或無法在地面進(jìn)行垂直加固的工程中，就需要采用水平旋噴加固方法加固土體。由于水平旋噴加固能防止隧道滲漏和坍塌［1］，水平旋噴加固技術(shù)已受到業(yè)界的重視和關(guān)注，并在我國城市地下空間開發(fā)和軌道交通建設(shè)中得到了一定的應(yīng)用。伴隨著交通事業(yè)的發(fā)展，在一些深埋山嶺大斷面隧道施工中經(jīng)常遇到大范圍的軟弱地層，為確保施工安全，一般借助降水、注漿等輔助工法對(duì)地層進(jìn)行改良、加固，而隧道開挖大都采取雙側(cè)壁導(dǎo)坑法、CD法或CRD工法等化整為零進(jìn)行小斷面開挖［2］。由于小斷面以人工開挖為主，工法復(fù)雜、工序轉(zhuǎn)換多、施工組織難，不僅增加了成本，而且施工進(jìn)度極其緩慢。為了實(shí)現(xiàn)軟弱富水地層隧道安全、高效開挖施工，擬采用高壓水平旋噴技術(shù)進(jìn)行地層改良。但水平旋噴因技術(shù)難度大，日本和意大利等早期研究國家目前的技術(shù)水平處于領(lǐng)先，其最典型的做法是沿拱部外緣用水平鉆孔旋噴柱體，互相搭接形成拱棚，在其保護(hù)下進(jìn)而用臺(tái)階法施工［3］。目前，我國很少有采用該工法施工的大斷面，本文以蘭渝鐵路某隧道為試驗(yàn)點(diǎn)，進(jìn)行軟弱地層高壓水平旋噴加固及超前支護(hù)技術(shù)研究，以滿足軟弱地層大斷面機(jī)械化開挖施工要求。

1 工程概況

蘭渝鐵路某隧道全長(zhǎng)3 225 m，設(shè)計(jì)為雙線隧道，隧道軌面以上凈空面積為87.31 m2。穿行于黃河高階地下部，地形起伏大，隧道最小埋深約12 m。地表上溝谷發(fā)育，下切較深。隧道穿行主要地層為:第四系砂質(zhì)黃土、風(fēng)積砂質(zhì)黃土、沖積卵石土、粗圓礫石及細(xì)圓礫土。全隧設(shè)計(jì)圍巖為Ⅴ級(jí)，開挖揭示進(jìn)出口及各斜井地層主要為粗細(xì)圓礫土、卵石土及遇水未成巖粉細(xì)砂，圍巖級(jí)別變更為Ⅵ級(jí)。無水時(shí)該地層開挖后較密實(shí)，穩(wěn)定性較好，但遇水后具流塑性，基底承載力急劇降低。卵石土層充填差、無膠結(jié)，出露后極易引起滑塌。在施工的7個(gè)工作面中有6個(gè)遭遇富水粉細(xì)砂層，開挖后涌砂、突水、溜塌現(xiàn)象頻繁，導(dǎo)致無法及時(shí)初期支護(hù)施作，已施作的初期支護(hù)出現(xiàn)變形、開裂、坍塌等。根據(jù)開挖揭示結(jié)合工程地質(zhì)分析，洞身所處第三系富水粉細(xì)砂巖特征如表1所示。

表1 地層物理力學(xué)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)表Table 1 Physical and mechanical parameters of strata

隧道施工過程采用真空降水改良地層并通過雙側(cè)壁導(dǎo)坑中間架設(shè)橫支撐進(jìn)行開挖施工，單洞開挖面被劃分為12個(gè)小作業(yè)面分步開挖支護(hù)，施工進(jìn)度緩慢。為開發(fā)新技術(shù)，加快施工進(jìn)度，在隧道出口采用意大利PST－60多功能地質(zhì)搖臂鉆機(jī)及其配套設(shè)備進(jìn)行水平旋噴超前預(yù)加固。

2 水平旋噴加固機(jī)制

高壓旋噴的本質(zhì)是漿液在地層中侵蝕、替換過程，其移走了部分地層介質(zhì)顆粒，并硬化后形成有高強(qiáng)度和低滲透性的土壤與漿液混合替代品。在高壓旋噴加固施工中，通過噴嘴將高壓液體注入地層，利用液體抽空［4］、噴射流的沖擊以及水楔的劈裂作用使地層液化發(fā)生破壞［5］;再使水泥漿與切碎后的土體充分?jǐn)嚢杌旌虾笮纬杉庸腆w。富水砂層由于粉細(xì)砂極易液化，且流動(dòng)性好，因此在水平旋噴引孔過程中，在高壓水的沖擊作用下，鉆孔周邊細(xì)砂隨水沿鉆桿壁流出，發(fā)生抽空現(xiàn)象，并經(jīng)過高壓漿液的充填擠壓，在鉆孔周形成直徑約60 cm的水泥樁加固體［6］。固結(jié)體強(qiáng)度等級(jí)可以比原圍巖提高3—4級(jí)，可達(dá)4～10 MPa;對(duì)于黏土類圍巖，固結(jié)體也比原圍巖提高 1—3級(jí)，可達(dá) 1～5 MPa［8］。

水平旋噴超前加固施工過程先沿隧道拱部外緣施工咬合水平旋噴樁體，并在樁體內(nèi)置入鋼管棚，使形成的固結(jié)體拱棚除了有橫向抗壓能力外，還具有縱向抗彎能力［8］，起到固流砂、防坍塌、控沉降作用。在開挖工作面內(nèi)均勻布置一定數(shù)量的旋噴樁，并通過調(diào)節(jié)旋噴壓力，形成大頭樁體并置入玻璃纖維錨桿，提高工作面縱向抗擠壓能力，避免工作面突出，達(dá)到穩(wěn)定工作面實(shí)現(xiàn)大斷面機(jī)械開挖目的。水平旋噴加固工法示意圖如圖1所示。

圖1 高壓水平旋噴加固工法示意圖(單位:cm)Fig.1 Consolidation by horizontal jet grouting(cm)

3 水平旋噴加固方案

3.1 水平旋噴方案設(shè)計(jì)

根據(jù)富水砂層地質(zhì)特點(diǎn)及在開挖施工中易出現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)，水平旋噴方案設(shè)計(jì)主要以解決避免拱頂坍塌，并確保開挖面穩(wěn)定為目的。結(jié)合設(shè)備能力，水平旋噴縱向循環(huán)加固長(zhǎng)18m，每循環(huán)開挖15m，預(yù)留3m作為開挖安全巖墻。周邊旋噴為咬合樁，內(nèi)置鋼管棚，加強(qiáng)樁體剛度，工作面為大頭樁，內(nèi)置φ35 mm玻璃纖維錨桿，確保樁體抗拉拔能力。方案設(shè)計(jì)如圖2所示。

1)工作面封閉。工作面采用C20噴射混凝土掛網(wǎng)封閉，厚50 cm。

2)泄壓孔。為避免在旋噴過程中地層壓力上升，引起工作面失穩(wěn)，在工作面均勻布置4個(gè)泄壓孔，孔徑90 mm，縱向長(zhǎng)18 m。

3)周邊旋噴樁+管棚孔。沿隧道開挖輪廓線外布置水平旋噴孔，樁徑60 cm，開孔間距40 cm，樁體咬合20 cm，外插角5°，旋噴完成后在孔內(nèi)下入φ89 mm管棚，長(zhǎng)度18 m(與樁體一致)，共計(jì)56根。

4)工作面旋噴樁穩(wěn)定孔。在開挖工作面范圍按照1.5 m×1.5 m間距，梅花形布置，旋噴完成后樁內(nèi)下入玻璃纖維錨桿，共53根。其15～18 m段，采用大頭樁，樁徑80 cm，其余樁徑60 cm。

5)底部旋噴樁。在拱腰管棚孔以下以及底部共布置2排旋噴樁，長(zhǎng)18 m，共計(jì)旋噴孔58個(gè)。

6)環(huán)向泄水孔。由于地層富水，為避免地層涌水影響開挖，在超前支護(hù)旋噴樁外布置12個(gè)環(huán)向泄水孔，達(dá)到泄水降壓目的，確保開挖施工安全。

循環(huán)共設(shè)計(jì)各類旋噴樁171根。為保證旋噴工作面穩(wěn)定，對(duì)孔口段3 m范圍內(nèi)不進(jìn)行旋噴作業(yè)。

3.2 水平旋噴參數(shù)

水平旋噴過程根據(jù)設(shè)計(jì)樁徑和加固段長(zhǎng)選擇合適旋噴參數(shù)(如表2所示)。

表2 水平旋噴注漿參數(shù)Table 2 Parameters of horizontal jet grouting

3.3 旋噴材料

水平旋噴采用普通水泥單液漿，漿液水灰質(zhì)量比為 1∶1。

3.4 水平旋噴順序

水平旋噴施工作業(yè)順序?yàn)?工作面泄壓孔—管棚旋噴孔—工作面穩(wěn)定旋噴孔—底部環(huán)向旋噴孔—泄水孔。

對(duì)于同一序孔按照跳孔間隔施工的原則進(jìn)行。

3.5 水平旋噴作業(yè)流程

水平旋噴作業(yè)流程如圖3所示。

圖3 水平旋噴作業(yè)流程圖Fig.3 Flowchart of horizontal jet grouting

4 高壓水平旋噴主要機(jī)械設(shè)備配置

水平旋噴主要設(shè)備采用意大利進(jìn)口機(jī)械PST－60多功能地質(zhì)搖臂鉆機(jī)(見圖4)以及配套7T－505J高壓泵站(見圖5)。

圖4 水平旋噴機(jī)及作業(yè)圖Fig.4 Horizontal jet grouting equipment

圖5 水平旋噴高壓泵站Fig.5 Pump station for horizontal jet grouting

4.1 PST－60多功能地質(zhì)搖臂鉆機(jī)

PST－60多功能地質(zhì)鉆機(jī)是領(lǐng)先國際先進(jìn)技術(shù)的特種機(jī)械，大臂長(zhǎng)24 m，自質(zhì)量64 t，主要?jiǎng)恿Σ考榇蟊邸?dòng)力頭、旋轉(zhuǎn)搖臂，手動(dòng)、自動(dòng)及遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)和遙控操作裝置等。其配置參數(shù)如表3所示。

表3 PST－60單臂隧道鉆機(jī)主要技術(shù)參數(shù)Table 3 Parameters of PST－60 single-boom drilling machine

4.2 漿液攪拌設(shè)備和高壓泵

漿液攪拌設(shè)備為SGM45水泥攪拌站擁有2個(gè)35t容量的水泥立罐，并且配備一個(gè)20 t備用水泥存儲(chǔ)罐;配備自動(dòng)拌漿系統(tǒng)及設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)情況檢查系統(tǒng);2個(gè)攪拌桶雙軸攪拌可完成連續(xù)拌漿作業(yè)要求，保證了快速成樁時(shí)的水泥漿供給;高壓泵為土力公司設(shè)計(jì)生產(chǎn)的7T－500J型注漿機(jī)，最大壓力為90 MPa，最大流量為599 L/min，功率為373 kW。配備自動(dòng)壓力控制系統(tǒng)。

5 高壓水平旋噴施工

5.1 封閉掌子面

旋噴工作面坡度修整為60～70°，撐子面按1.5m×1.5m間距打設(shè)φ22 mm×2.5 m的鋼筋錨桿，鋪掛φ8 mm×1.2 m×1.2 m的鋼筋網(wǎng)片，鋼筋網(wǎng)片相互搭接12 cm，電焊焊接，用綁扎絲固定在鋼筋錨桿上，噴射C25混凝土，厚度為30～50 cm。工面前方開挖一道高1.2 m、寬1 m的沉淀池收集廢液及返漿排渣。

5.2 污水沉淀池修建

為滿足施工環(huán)境要求，設(shè)置洞內(nèi)外三級(jí)沉淀處理池將旋噴廢液及廢漿分級(jí)沉淀處理。

5.3 高壓水平旋噴施工

1)鉆機(jī)定位后，放下兩邊4個(gè)支柱腿。將內(nèi)燃機(jī)動(dòng)力轉(zhuǎn)換為電力供給動(dòng)力系統(tǒng)，根據(jù)地質(zhì)特點(diǎn)調(diào)整動(dòng)力頭旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速，泵送高壓水，壓力為2 MPa，水量為150 L/min，待高壓水到達(dá)鉆頭，確認(rèn)高壓旋噴頭無堵塞方可勻速推進(jìn)鉆頭入孔鉆進(jìn)。

2)鉆進(jìn)過程中噴孔噴出高壓水，清洗孔周邊砂土，輔助孔內(nèi)快速排渣，防止卡鉆。引孔至設(shè)計(jì)深度后，停止推進(jìn)，加大供水流量，往復(fù)移動(dòng)鉆桿，清洗孔內(nèi)淤渣。

3)洗孔完成后，根據(jù)設(shè)計(jì)要求，將配置好的漿液泵送旋噴作業(yè)，泵出的壓力(工作壓力)和流量可根據(jù)不同地質(zhì)和不同需求進(jìn)行調(diào)整。高壓泵是為三缸往復(fù)活塞式可變頻泵，連續(xù)穩(wěn)流送漿避免旋噴頭被堵塞，從而保證旋噴從始至終的連貫性，避免縮樁、斷樁。

4)當(dāng)泵送漿壓力達(dá)到設(shè)計(jì)30～40 MPa后，孔口開始返漿，設(shè)置全自動(dòng)后退旋噴模式開始旋噴，后退速度為1 cm/(1.2～1.5)s。旋噴后退至設(shè)計(jì)位置通知泵站停止供漿，進(jìn)行下一孔作業(yè)。

5)每次旋噴施工前和旋噴施工完成后都要對(duì)漿液攪拌機(jī)、中間水泥漿過濾網(wǎng)、高壓泵活塞缸、出漿閥和高壓輸送管路等進(jìn)行徹底的清洗，防止殘留水泥漿結(jié)塊堵塞閥件、輸送管道、旋噴孔，影響旋噴安全和質(zhì)量。

5.4 置入鋼管棚和玻璃纖維錨桿

當(dāng)設(shè)計(jì)孔樁旋噴完成后，根據(jù)不同設(shè)計(jì)需要，借助鉆機(jī)輔助工作臂一次完成鋼管棚和玻璃纖維錨桿的安設(shè)。

6 成樁效果

富水砂層通過周邊咬合樁施工及工作面穩(wěn)定旋噴樁施工，滿足了防坍和穩(wěn)定開挖工作的技術(shù)要求，在國內(nèi)實(shí)現(xiàn)了在軟弱地層大斷面開挖目的。旋噴成樁效果和穩(wěn)定工作面效果如圖6和圖7所示。

7 開挖施工

在隧道富水砂層施工中，采用降水方法改良地層后人工雙側(cè)壁導(dǎo)坑進(jìn)行分層開挖，月開挖進(jìn)度為5～6 m。經(jīng)過高壓水平旋噴加固后，同樣地層采取人工配合機(jī)械上下臺(tái)階法進(jìn)行開挖施工，月開挖進(jìn)度為25～30 m，是常規(guī)施工的5倍。不僅施工效率明顯提高，而且作業(yè)安全性大幅度提高，具有較明顯的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

8 結(jié)論與討論

1)隧道開挖出露的旋噴樁均為φ60cm左右，未出現(xiàn)縮樁、斷樁等現(xiàn)象，樁體均勻，樁體強(qiáng)度達(dá)到20 MPa以上。

2)水平高壓旋噴加固軟弱地層在隧道開挖輪廓線外形成相互咬合的帷幕保護(hù)樁，形成止水、防流砂效果，并結(jié)合工作面穩(wěn)定旋噴，滿足軟弱地層安全開挖的技術(shù)要求。

3)采用水平旋噴超前支護(hù)，提高地層的自穩(wěn)能力，實(shí)現(xiàn)軟弱地層機(jī)械化大斷面開挖，較傳統(tǒng)的軟弱地層人工開挖方法，施工效率大幅度提高。

4)由于富水砂層水平旋噴僅在周邊形成咬合樁，而工作面樁體間仍存在透水性，僅僅通過旋噴樁難以達(dá)到改良地層滿足安全開挖的目的，開挖施工過程仍要配合降水施工。

5)采用進(jìn)口旋噴設(shè)備施工進(jìn)度快，施工質(zhì)量高，但其加固費(fèi)用也較高，應(yīng)對(duì)旋噴設(shè)備進(jìn)一步研究、吸收和消化，使設(shè)備及配件國產(chǎn)化，降低施工成本。

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