水平高壓咬合旋噴樁加同心管棚在隧道軟弱黃土圍巖加固中的應(yīng)用

緱智強

摘 要：水平高壓咬合旋噴樁加管棚加固技術(shù)是利用工程鉆機在定向情況下，在預(yù)定位置鉆孔，再用高壓旋轉(zhuǎn)的噴嘴，噴射漿液沖擊切割土體，使水泥漿液與土體攪拌混合固化，相鄰樁體咬合搭接成整體，同心施作管棚增加拱部承載應(yīng)力。本文主要探討水平高壓咬合旋噴樁加同心管棚在隧道軟弱黃土圍巖加固中的應(yīng)用，以期為類似工程提供借鑒。

關(guān)鍵詞：隧道;黃土軟弱圍巖;水平高壓咬合旋噴;同心管棚

中圖分類號：U455.4文獻標(biāo)識碼：A文章編號：1003-5168（2021）16-0105-03

Abstract： The reinforcement technology of horizontal high-pressure occluded jet grouting pile and pipe shed is to use the engineering drilling rig to drill holes at the predetermined position under the directional condition， and then use the high-pressure rotating nozzle to spray slurry to impact and cut the soil， so as to mix and solidify the cement slurry and soil. The adjacent piles are occluded and overlapped as a whole， and the pipe shed is applied concentrically to increase the bearing stress of the arch. This paper mainly discussed the application of horizontal high-pressure interlocking jet grouting pile and concentric pipe shed in the reinforcement of tunnel soft loess surrounding rock， in order to provide reference for similar projects.

Keywords： tunnel;loess weak surrounding rock;horizontal high pressure occluded jet grouting pile;concentric pipe shed

1 工程概況

簸箕灣隧道起訖樁號為ZK40+375～ZK42+475，長2 100 m，隧址區(qū)上覆地層為第四系滑坡堆積黃土狀土、崩坡積黃土夾泥巖。洞身圍巖上層覆蓋黃土，下層為泥巖、泥質(zhì)砂巖夾層，巖質(zhì)外觀發(fā)黃，設(shè)計均為Ⅴ級圍巖，最大埋深200 m。隧道進出口位于黃土溝壑坡面上，山體植被稀少。由于常年受風(fēng)雨侵蝕，溝壑較深，自然坡度為30°～50°，隧道中部山頂及山坡較為平緩，多為開墾地，局部成直立狀，植被不發(fā)育。

隧道區(qū)域?qū)贉貛О敫珊禋夂騾^(qū)，氣候自然分區(qū)屬甘東黃土山地區(qū)。降水稀少，遇雨季有暴雨，晝夜溫差大，冬季較長。區(qū)內(nèi)多年平均降雨量為390 mm，降水分布不均勻，多集中在7—9月，占全年降水量的60%左右。主導(dǎo)風(fēng)向為NNW，平均風(fēng)速為1.28 mm/s;年平均氣溫為5.9 ℃，極端最高氣溫為39.8 ℃，極端最低氣溫為-27.2 ℃。隧道洞身范圍內(nèi)地表水不發(fā)育，但隨地表降雨量而增加，以點滲水或流水為主。隧道出口右側(cè)約50 m，黃土與泥巖交界面附近見泉眼，不排除存在地下水的情況，可能存在滲水、涌水現(xiàn)象。

2 現(xiàn)場施工情況

2020年4月底，隧道出口掌子面開挖至ZK42+142處時，拱部右側(cè)出現(xiàn)局部涌泥，形成寬約3.5 m、縱向約2.5 m、高約10 m的塌腔，隨后采取預(yù)案對局部涌泥進行處治。5月6日至8日，連續(xù)發(fā)生強降雨水。由于雨水大量下滲，長時間浸泡，導(dǎo)致ZK42+142處二次出現(xiàn)大量涌泥，并在地表形成陷坑，直徑約為10 m，深約為20 m。同時，后方ZK42+155至ZK42+142處初期支護鋼拱架出現(xiàn)沉降變形，侵限最大尺寸為18 cm。對洞內(nèi)涌泥含水率進行測量可知，ZK42+165、ZK42+155、ZK42+145三處含水率分別為19.5%、21.6%、21.7%。為防止坍塌進一步擴大，導(dǎo)致已施工初支二次坍塌，項目部決定停止掌子面施工，采用洞外運土反壓掌子面，并且施打纖維錨桿加噴射混凝土的方法封閉掌子面。ZK42+142掌子面涌泥處縱斷面見圖1。

3 處理方案

3.1 處理工法

該坍塌段隧道地質(zhì)為強、中風(fēng)化砂礫巖，泥質(zhì)砂巖，泥巖、上覆蓋黃土埋深50 m，在ZK42+142處拱頂偏右側(cè)出現(xiàn)局部涌泥現(xiàn)象。項目部組各參建方相關(guān)專家，在保證施工安全可行、質(zhì)量可控的原則下提出以下處治方案：①洞外運土反壓穩(wěn)定掌子面，確保掌子面安全穩(wěn)定，同時，對地面塌坑周圍做好安全防護，防止水倒灌，在塌坑四周施作排水溝，并用泡沫混凝土回填部分塌坑。②在DK42+169～ZK42+142段設(shè)置臨時支撐，確保結(jié)構(gòu)安全，防止塌方范圍持續(xù)擴大。同時，加大洞內(nèi)量測頻率，觀測初支變化情況。③按照坍塌涌泥縱斷面圖，從ZK42+152處開始對拱部加固，再對侵限段落進行換拱處理，對換拱、坍塌段采用S5d復(fù)合式襯砌。

3.2 坍塌處拱部加固方案

根據(jù)各參建方對拱部加固措施的討論，初步提出了如下方案。①該坍塌段位于淺埋沖溝處，埋設(shè)50 m，可以采用地表大直徑深孔袖閥管注漿加固（加固在拱部以上10 m范圍），降低了圍巖含水率，增強了掌子面及拱部圍巖穩(wěn)定性后掘進。該工藝被應(yīng)用在寧西高鐵上閣村黃土富水隧道，效果顯著。②在洞內(nèi)掌子面及附近初支采用超前小導(dǎo)管帷幕注漿加固，縱向注漿長度不小于25 m，徑向注漿范圍至隧道開挖輪廓線外3～5 m，防止地下水滲透至掌子面，增加拱部圍巖穩(wěn)定性，提高施工安全性。③洞內(nèi)拱部范圍采用水平高壓咬合旋噴樁加固地層[1-4]，同時，同心設(shè)置管棚，拱部形成帷幕承載拱。旋噴樁直徑60 cm，樁有效長度25 m，環(huán)向29根，咬合距離10 cm;管棚為Φ108 mm×6 mm鋼管，長25 m。

3.3 拱部加固方案選擇

采用地表大直徑深孔注漿法加固拱部不合適，因為黃土土體黏性大，滲透困難，注漿效果難以保證，臨時占用農(nóng)田面積大，噪聲影響大。采用超前小導(dǎo)管帷幕注漿，小導(dǎo)管外插角、搭接長度不易控制，注漿易出現(xiàn)死角，開挖中仍會出現(xiàn)坍塌、掉塊。而采用水平咬合旋噴樁加管棚加固隧道拱部地層，按預(yù)定的方向鉆孔，高壓旋轉(zhuǎn)的噴嘴噴射漿液沖擊切割土體，破壞原有土體結(jié)構(gòu)，具有固化土體的作用[3-5]，使拱部徑向3 m范圍內(nèi)土體能夠有效固結(jié)。加之同心管棚增加了旋噴樁剛度，起到了良好的支撐作用。因此，此方法適宜拱部加固處理。

4 水平咬合旋噴樁加同心管棚加固方法

4.1 加固范圍及處理目的

按照隧道坍塌情況，利用水平高壓咬合旋噴樁加同心管棚，對隧道拱部120°范圍進行加固。旋噴樁直徑為60 cm，縱向長25 m，共29根;其外插角3°，咬合距離10 cm;同心施打Φ108 mm×6 mm管棚增加拱部剛度，防止開挖過程中拱部掉塊而導(dǎo)致二次坍塌冒頂現(xiàn)象。水平高壓旋噴咬合樁加同心管棚加固如圖2所示。

4.2 水平咬合旋噴樁加同心管棚施工工藝

利用水平咬合旋噴樁加同心管棚加固軟弱圍巖及塌方體，鉆孔外插角控制在5°～10°，以36 MPa壓力噴射漿液沖擊切割土體，將漿液與土粒強制攪拌混合，在土體中形成一個圓柱狀固結(jié)體;同心施打Φ108 mm×6 mm的管棚并注漿，提高圍巖的抗剪強度，增強拱部承載能力。具體施工工藝如下。①鉆機就位。移動旋噴樁機到指定樁位，鉆頭對準(zhǔn)孔位中心，調(diào)整鉆機對中偏差不大于1.5%，以0.5 MPa射水試驗檢查噴嘴是否暢通，壓力是否正常。②制備水泥漿。首先，按照配比在攪拌機中加入已量取的水，再加入預(yù)先準(zhǔn)備的水泥，開機攪拌過濾合格漿液備用。水泥漿液水灰比為1∶1，比重為1.512，水泥采用PO42.5普通硅酸鹽水泥。③鉆孔。用旋噴機一次鉆孔到位，拔鉆桿插入選噴嘴，以較小壓力（0.5～1.0 MPa）邊下管邊射水，鉆孔分兩次施作，縱向搭接不小于5 m。④噴射作業(yè)。噴嘴到孔底位置，停止鉆進，啟動高壓泥漿泵，壓力達到36 MPa、座底噴漿30 s后，邊噴漿邊旋轉(zhuǎn)，慢速撥出鉆桿。依據(jù)試樁參數(shù)檢查注漿壓力、注漿流量、旋噴機的旋轉(zhuǎn)速度、推拉速度等，并做好施工記錄。⑤管棚作業(yè)。旋噴樁施工完畢，將準(zhǔn)備好的Φ108 mm×6 mm的帶孔管棚同心打入預(yù)設(shè)位置，管內(nèi)注漿，排氣孔有濃漿液流出，封堵排氣孔，持壓3 min封堵。⑥沖洗作業(yè)。循環(huán)作業(yè)完成后，用清水將旋噴管、高壓管、高壓泵等機具清洗干凈，確保下次作業(yè)機械性能良好。

5 處理效果分析

簸箕灣隧道ZK42+152～ZK42+132段坍塌處理，采用水平高壓咬合旋噴樁加同心管棚技術(shù)，整體效果良好。①掘進過程中，掌子面涌泥得到了有效控制，流水現(xiàn)象明顯減少。②加固改善隧道受力狀況，掌子面穩(wěn)定性較好。③水平高壓咬合旋噴樁加同心管棚聯(lián)合支護，形成良好的支撐應(yīng)力，減小了初期支護受力。開挖過程中未出現(xiàn)掉塊、坍塌的現(xiàn)象，支護后表面無裂紋，快速通過塌腔。④變形段換拱，監(jiān)控量測數(shù)據(jù)正常，施工安全可控。

6 結(jié)論

簸箕灣隧道涌泥坍塌、初支變形侵限段，采用水平高壓咬合旋噴樁加同心管棚聯(lián)合支護處治措施，有效控制了黃土軟弱淺埋隧道的施工風(fēng)險，確保了隧道安全掘進，達到了預(yù)期的效果。通過研究，得到如下結(jié)論：①水平高壓咬合旋噴樁對黃土、泥巖、泥質(zhì)砂巖土地質(zhì)有良好的處治效果;②拱部施作咬合旋噴樁，對圍巖固結(jié)效果好，避免了開挖過程出現(xiàn)大量掉塊和樁間涌流土現(xiàn)象，拱部整體固結(jié)效果良好，有效控制了初支變形侵限;③旋噴樁內(nèi)增加同心管棚聯(lián)合支護，增加了支撐應(yīng)力，減少了初支承載，達到了安全施工的要求。實踐證明，采用水平高壓咬合旋噴樁加同心管棚聯(lián)合支護，對軟弱、淺埋、變形坍塌、涌泥等地質(zhì)加固效果顯著，對類似圍巖有借鑒意義。

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