鐵路隧道風(fēng)積砂層高壓水平旋噴樁超前加固施工技術(shù)

范森

Advanced Reinforcement Construction Technology of High Pressure Horizontal Jet Grouting Pile in Wind Tunnel Sand Layer of Railway Tunnel

摘要： 本文介紹了高壓水平旋噴樁施工原理及工藝，分析了風(fēng)積砂圍巖隧道的地質(zhì)特征及施工中的困難，通過高壓旋噴樁在蒙華鐵路銀山2號隧道風(fēng)積砂圍巖中的應(yīng)用，重點闡述了旋噴樁工藝參數(shù)設(shè)計、注漿參數(shù)選定、設(shè)備選型等問題，總結(jié)了旋噴樁在風(fēng)積砂圍巖隧道施工中的作用和效果，為類似圍巖的隧道施工提供借鑒。

Abstract： This paper introduces the construction principle and process of high pressure horizontal jet grouting piles， analyzes the geological characteristics of the eolian sand tunnels and the difficulties in construction. Through application of the high pressure jet grouting piles in the wind tunnel around the Yinshan No.2 tunnel of the Menghua Railway， the design of process parameters， selection of grouting parameters and equipment selection are described， and the role and effect of rotary jet grouting piles in the construction are summarized， which provides reference for the similar surrounding rock the tunnel construction.

關(guān)鍵詞： 鐵路隧道；高壓水平旋噴樁；風(fēng)積砂

Key words： railway tunnel；high pressure level jet grouting pile；aeolian sand

中圖分類號：U45 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-4311（2018）15-0141-04

0 引言

為適應(yīng)國家“一帶一路”戰(zhàn)略實施，鐵路交通在已經(jīng)形成的“四縱四橫”網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上，修訂的《中長期鐵路網(wǎng)規(guī)劃》明確提出“八縱八橫”鐵路網(wǎng)絡(luò)。鐵路建設(shè)將迎來再次高速發(fā)展期，尤其是中西部地區(qū)，將有大量鐵路開工建設(shè)。受地形地貌限制和鐵路建設(shè)技術(shù)要求，大部分線路以橋、隧為主，部分線路橋隧比例達(dá)到80～90%，隧道比例已達(dá)到線路長度的50%以上。在我國新疆、內(nèi)蒙、青海、甘肅、山西、陜西等中西部地區(qū)分部廣泛存在砂質(zhì)新黃土、風(fēng)積砂地質(zhì)，風(fēng)積砂結(jié)構(gòu)松散、黏聚力小、塑性低，觸變性強，無自穩(wěn)能力，是隧道施工中一種極難控制的特殊地質(zhì)，稍有不慎將可能發(fā)生漏砂、涌砂、塌方冒頂、沉降大變形等災(zāi)害。

1 工程概況

蒙華鐵路銀山2號隧道位于陜西省延安市安塞縣，進(jìn)口里程DK263+741.58，出口里程DK265+439.88，全長1698.30m，最大埋深96.5m。全部為Ⅳ、Ⅴ級圍巖。受地形限制，由出口單口掘進(jìn)施工，工期緊，施工任務(wù)重。

地質(zhì)特征：地層巖性為第四系砂質(zhì)新黃士、風(fēng)積粉砂、風(fēng)積細(xì)砂及黏質(zhì)老黃土；白堊系下統(tǒng)洛河組全（強）風(fēng)化砂巖，砂巖紫紅色，泥質(zhì)膠結(jié)，呈角礫碎石狀松散結(jié)構(gòu)，節(jié)理裂隙發(fā)育。水文特征：地表水主要為大氣降水及基巖裂隙水滲出形成地表徑流，地下水主要為第四系孔隙潛水及基巖裂隙水。

2 風(fēng)積砂圍巖特征及危害

①結(jié)構(gòu)呈松散狀，黏聚力c值小，觸變性強，無自穩(wěn)能力，對變形非常敏感，稍有擾動即可能發(fā)生大的溜塌，輕者造成空洞，重者引起較大的塌方。

②顆粒細(xì)、級配差，塑性低，以紫紅色細(xì)砂、粉細(xì)砂為主。含一定量的土粒，有時有黃土夾層，一般含水量較低，可注性差。

③存在形式多樣，粉細(xì)砂層一般存在于土石分界，也有在砂巖或黃土中以夾層形式存在。有的為全斷面砂層，有的為上下或左右半斷面砂層。

④圍巖自身無任何承載力，全靠初支承受荷載。開挖擾動在拱腳處易形成流砂，引起涌水涌砂，圍巖呈流塑狀，造成已施工段落初支沉降、變形較大，初支出現(xiàn)環(huán)向貫通裂縫。

3 風(fēng)積砂圍巖施工難點

①施工擾動易引發(fā)涌砂、溜塌，掌子面不能自穩(wěn)，超挖、變形難控制。砂層極易溜塌，超挖嚴(yán)重，噴射混凝土施工時易與砂層一起脫掉，施工困難。松散砂層經(jīng)施工擾動后對初期支護(hù)壓力增加，加大了初支變形和開裂的風(fēng)險。

②突發(fā)性溜砂難以預(yù)見和控制。部分砂層具有一定隱蔽性。在圍巖拱頂或邊墻為一薄殼砂巖，開挖后形成臨空面，隨時間延遲，松散砂層在重力作用下發(fā)生突發(fā)性溜塌。

③拱腳松散、承載力不足，初支下沉不易控制。由于砂層松散，鋼架拱腳易擠出，導(dǎo)致拱架下沉，嚴(yán)重時造成初支開裂、大變化等災(zāi)害。

④含水量較大時，砂層呈流塑狀，完全無自穩(wěn)能力，不采取加固措施無法進(jìn)行隧道開挖作業(yè)。

⑤安全風(fēng)險較大。由于風(fēng)積砂松散、易溜塌、涌砂、富水時易流淌等特性，易引發(fā)初支開裂、大變形、塌方、突發(fā)性涌水等災(zāi)害，安全風(fēng)險較大。

4 水平旋噴樁工藝原理、工藝特點

4.1 工藝原理

采用鉆機精確施工水平旋噴孔，孔深鉆至設(shè)計規(guī)定值后，通過鉆桿前端的噴頭采用高壓噴射的方式把攪拌好的水泥漿液噴射到巖層內(nèi)， 借助高壓水泥漿液切割巖層，砂層被水泥漿液破碎，鉆桿在保持合理的轉(zhuǎn)速（15～20r/min）旋轉(zhuǎn)的同時，低速（5～15cm/min）緩慢向外拔出，保障水泥漿與孔內(nèi)土體攪拌均勻，膠結(jié)固化后形成直徑比較均勻圓柱形，具有無側(cè)限抗壓強度5～8MPa的水泥土混合物樁體，樁體間相互咬接后，便在隧道橫向形成拱形殼體，從而使掌子面后方軟弱地層得到加固，水平旋噴樁達(dá)到拱效能和土體改良加強效能，能夠減小隧道初支壓力，有效控制初期支護(hù)沉降變形，杜絕掌子面坍塌，為隧道掘進(jìn)提供安全空間。

4.2 工藝特點

①樁體強度高，通過高壓旋噴，被破碎的土體與水泥漿充分融合，形成水泥土混合體，在不同巖性地層，固結(jié)體的直徑與強度也不相同。砂層中的固結(jié)體強度比淤泥質(zhì)土中的高，在砂卵石層中固結(jié)體直徑最小，但強度最高。

②樁體質(zhì)地均勻，旋噴樁施工過程中，水泥漿通過高壓噴射，將旋噴孔周邊土體破碎，使土體與水泥漿液充分混合，形成水泥漿液與土體比較均勻的混合樁體。

③適應(yīng)性強。在粘土、雜填土、粉細(xì)沙、流砂地層等軟弱圍巖地層均可進(jìn)行旋噴樁施工，均可保證超前加固需要的成樁以及咬合效果。

5 高壓水平旋噴樁超前加固設(shè)計方案

銀山2號隧道出口里程DK264+050～DK264+035段施工時，掌子面揭示有風(fēng)積砂地層，開始僅拱部薄層，以后不斷擴(kuò)大至中下臺階，接近全斷面為風(fēng)積砂層。經(jīng)現(xiàn)場踏勘及專家技術(shù)方案論證，DK264+035～DK263+915段采用高壓水平旋噴樁超前加固，具體參數(shù)如下：

水平旋噴樁布置按照隧道斷面拱部180°范圍進(jìn)行設(shè)置，長度為18m（每循環(huán)搭接3m），樁徑Φ600mm，環(huán)向間距為400mm，外插角度3～5%。中臺階設(shè)置Φ600長度6m的旋噴鎖腳樁先加固地層后插入Φ42鋼管、旋噴鎖腳樁及Φ42鋼管角度斜向下45°。

成樁體抗壓強度達(dá)到5～8MPa，注漿材料一般采用P.O42.5普通硅酸鹽水泥，水灰比0.8～1.2，并摻入適當(dāng)?shù)乃倌齽?。同時為了保證鉆進(jìn)成孔效果摻入適量膨潤土。初期支護(hù)及旋噴樁預(yù)留變形量為15～20cm。（旋噴樁布置圖見圖2）

6 水平旋噴樁施工

水平旋噴樁采用HTG-200型水平鉆孔旋噴機打設(shè)水平孔，采用XPb-90E型高壓泵通過水平鉆機、鉆桿、噴頭攪拌噴漿形成樁體。（工藝流程圖見圖3）

6.1 施工準(zhǔn)備

施工準(zhǔn)備包括測量放樣，接通電源、水源，備好材料等，主要是場地準(zhǔn)備。

①噴掌子面，旋噴前要對掌子面采用厚度為20cm，強度為C25混凝土，進(jìn)行錨噴封閉加固，以防掌子面在旋噴過程中受壓坍塌。

②挖排漿溝，排漿溝斷面為40cm×40cm，與廢漿池連結(jié)。

③機械設(shè)備檢查：主要檢查鉆機、回油管接頭、啟動柜、注漿泵、三聯(lián)泵、注漿管路、壓力表等工作是否正常。

④測量孔位：在掌子面180°范圍內(nèi)，按設(shè)計預(yù)留沉降量，通過測量畫出隧道開挖輪廓線，根據(jù)水平旋噴樁布置圖測量定出樁位，編好每個樁號，用鋼筋作好樁位標(biāo)志。

⑤鉆孔旋噴機就位。

鉆孔旋噴機就位后，分孔計算每根樁的偏角和仰角，利用三維坐標(biāo)，采用全站儀調(diào)整鉆頭高程及鉆桿的偏角和仰角，使成孔定位達(dá)到精確。

6.2 拱頂試樁及參數(shù)確定

試驗鉆孔2個，鉆孔分別按拱部加固樁設(shè)計參數(shù)進(jìn)行；水泥漿液采用P.O42.5普通硅酸鹽水泥，水灰比1：1。通過試樁優(yōu)化水平旋噴樁施工方案，重點確定旋噴壓力、漿液水灰比、噴頭大小、旋噴轉(zhuǎn)速、拔管速度、樁體直徑等。然后綜合分析修改工藝參數(shù)，確定本工點水平旋噴樁采用的技術(shù)參數(shù)。①旋噴樁徑：600mm；②樁間距：400mm；③漿液配合比： 1：1；④旋噴轉(zhuǎn)速：15～20r/min；⑤旋噴壓力：35～40MPa；⑥漿液流量：40L/min；⑦拔管速度：5～15cm/min。

6.3 鉆孔

啟動鉆機，鉆孔過程中鉆頭保持一邊旋轉(zhuǎn)一邊鉆進(jìn)，同時采用膨潤土制作泥漿循環(huán)液從噴嘴噴出，從而達(dá)到冷卻鉆頭，減小摩擦阻力，預(yù)防卡鉆，杜絕砂粒堵塞噴頭的效果，確保鉆孔順利進(jìn)行?？v向水平旋噴樁一次成孔，橫向旋噴樁需要多次連接鉆桿，首先將注漿管連接器與過渡短鉆桿同時拆卸，連接在待裝鉆桿尾部，再將待裝鉆桿與鉆機上的鉆桿連接，低速旋轉(zhuǎn)鉆桿確保鉆桿連接牢固后開始正常鉆孔，依此循環(huán)，鉆到設(shè)計孔深后鉆機停止鉆孔。

6.4 攪拌水泥漿液

水泥漿液根據(jù)設(shè)計配比，嚴(yán)格控制水泥、水的摻量，需要時可以摻入適量速凝劑，采用高速攪拌機攪制，攪拌過程必須連續(xù)，漿液必須均勻，攪拌時間不少于4min，在制漿過程中應(yīng)隨時測量漿液比重，一次攪拌使用時間宜控制在4h以內(nèi)。每孔高壓噴灌漿結(jié)束后要統(tǒng)計該孔的材料用量。

6.5 旋噴施工

①孔深達(dá)到設(shè)計要求后開始高壓旋噴。為了保證孔底旋噴質(zhì)量，先在孔底高壓旋噴0.5～1min，然后噴管再開始徐徐后退，噴管后退時旋噴速度調(diào)整到15～20r/min。

②旋噴孔底端前5m段落，噴管后退速度控制在5～10cm/min，以后可提高到15cm/min，噴管后退速度要經(jīng)常測量修正。

③卸管過程，先停止后退噴管，在旋轉(zhuǎn)5圈且停止送漿后再卸管，卸管后要迅速將進(jìn)漿管與前端連接牢固，在恢復(fù)送漿后先旋轉(zhuǎn)5圈后再后退。使用摻入速凝劑的漿液旋噴時，拆卸噴管前先送入純水泥漿液，使管內(nèi)雙漿液排盡，以防止堵管。

④旋噴樁旋噴至距掌子面孔口0.5m時停止高壓旋噴，在拔出噴頭后，立即堵塞孔口，防止水泥漿液外泄。

⑤在每根樁旋噴完成后，必須采用清水沖洗管道，確保送漿管道內(nèi)無殘渣，清洗完成后方可移至下一孔位。

7 施工注意事項

旋噴樁施工過程中可能出現(xiàn)各種問題，現(xiàn)場必須及時處理，保證旋噴樁施工質(zhì)量，具體措施如下。

7.1 調(diào)整噴射參數(shù)

結(jié)合超前地質(zhì)預(yù)報及鉆孔過程中取得的孔位處巖層地質(zhì)情況，在不同深度或不同巖層合理使用不同的旋噴技術(shù)參數(shù)，在深部土層、硬土層增加高壓噴射時間，合理調(diào)整噴管后退速度和噴頭轉(zhuǎn)速，或提高噴射壓力和送漿量，確保成樁質(zhì)量。

7.2 多次噴射

對同一孔位進(jìn)行多次重復(fù)噴射，可以提高水泥漿液對巖體切削破碎效果，被破碎的巖體與水泥漿可以充分融合，確保水平旋噴樁固結(jié)體的直徑、長度和強度。