水平旋噴樁在隧道施工中的應(yīng)用

李喜鋒

（西成鐵路客運(yùn)專(zhuān)線陜西有限責(zé)任公司，陜西 西安 710043）

1 工程概況

田塬隧道位于彬縣太峪鎮(zhèn)至彬縣涇河右岸之間。隧道為雙線，總長(zhǎng)度4184.08m，隧道起止里程為DK131+137.03—DK135+321.11，最大埋深140m，最淺埋深約3m。西安端洞口位于太峪溝左岸黃土質(zhì)斜坡上，隧道銀川端洞口位于彬縣磚瓦廠后側(cè)黃土坡面上。隧道設(shè)置一橫洞，與正線交叉里程DK134+300，長(zhǎng)度335m，交角87。

隧道位于黃土梁峁溝壑區(qū)，洞身穿越第四系中更新統(tǒng)風(fēng)積黏質(zhì)黃土，硬塑，Ⅲ級(jí)硬土，σ＝180kPa；洞身穿越中更新統(tǒng)沖積中砂，密實(shí)，潮濕～飽和，Ⅰ級(jí)松土，σ＝250kPa。地下水為第四系孔隙潛水，主要受大氣降水補(bǔ)給，水質(zhì)良好，對(duì)圬工無(wú)侵蝕性。

全隧Ⅳ級(jí)圍巖1070m，占25.6%，Ⅴ級(jí)圍巖2791.22m，占66.7%，Ⅵ圍 巖265m，占6.3%，洞 門(mén)57.86m，占1.4%；隧道橫洞全部為Ⅴ級(jí)圍巖。

2 施工背景

DK134+020—+185 段洞身穿越黏質(zhì)黃土與中砂交界處，基底為中砂層，此段圍巖設(shè)計(jì)為Ⅵ級(jí)，施工方法為雙側(cè)壁導(dǎo)坑法。支護(hù)措施主要為：

拱部：180采用Φ159 管棚配合Φ42 小導(dǎo)管進(jìn)行超前支護(hù)；

基底：Φ194mm×6mm 鋼管樁進(jìn)行基底加固處理，樁間距100×100cm 梅花形布置；

初期支護(hù)：I25a 工字鋼間距0.5m，Φ22 砂漿錨桿、噴射C25 混凝土、全環(huán)Φ8 鋼筋網(wǎng)片封閉；

襯砌：初次襯砌30cm 厚C30 混凝土，內(nèi)設(shè)Φ22 格柵鋼架，間距0.5m；二次襯砌為50cm 厚C35 鋼筋混凝土?，F(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)及施工過(guò)程照片見(jiàn)圖1。

圖1 現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)及施工過(guò)程照片

考慮到雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工進(jìn)度緩慢，施工完成后，拆除過(guò)程中安全風(fēng)險(xiǎn)極大，且隨著隧道施工機(jī)械化的發(fā)展，一方面，從事現(xiàn)場(chǎng)施工的人員越來(lái)越少，一般在通過(guò)不良地質(zhì)時(shí)，主要通過(guò)加固地層，三臺(tái)階法通過(guò)；另一方面，能夠懂得并正確使用特殊工法施工的一線人員越來(lái)越少，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)情況，結(jié)合國(guó)內(nèi)同類(lèi)隧道工程相關(guān)施工經(jīng)驗(yàn)，在田塬隧道首先開(kāi)展工藝性試驗(yàn)，在試驗(yàn)取得成功的基礎(chǔ)上，將雙側(cè)壁導(dǎo)坑法剩余段落施工全部?jī)?yōu)化為超前水平旋噴樁加固后，三臺(tái)階法開(kāi)挖。

3 水平旋噴施工方案

根據(jù)砂層在洞身的實(shí)際分布情況，結(jié)合砂層分布特點(diǎn)，分為中、下臺(tái)階旋噴樁和鎖腳旋噴樁層兩種情況。

3.1 施工參數(shù)確定

為獲取現(xiàn)場(chǎng)施工參數(shù)，有效指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工，確保旋噴樁施工效果，結(jié)合以前經(jīng)驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)情況，在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了多次工藝性試驗(yàn)，以確定旋噴樁施工參數(shù)。 最終確定：旋噴樁樁徑Φ500mm；旋噴壓力30MPa；后退速度40cm/min；轉(zhuǎn)速45r/min；旋噴樁數(shù)量按照間距400mm（樁與樁之間咬合100mm）結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)砂層高度確定。同步開(kāi)挖揭示，旋噴樁樁徑在粉細(xì)砂層中最大可達(dá)Φ700mm；在砂礫層中樁徑Φ500mm左右。

根據(jù)工藝性試驗(yàn)結(jié)果，現(xiàn)場(chǎng)在DK134+164—+157、DK134+157—+148 分別進(jìn)行了旋噴樁施工試驗(yàn)，第一試驗(yàn)段長(zhǎng)度10m、開(kāi)挖7m（3m 搭接），第二試驗(yàn)段長(zhǎng)度12m、開(kāi)挖9m（3m 搭接），經(jīng)過(guò)試驗(yàn)及開(kāi)挖驗(yàn)證，現(xiàn)場(chǎng)超前高壓水平旋噴樁預(yù)加固后，開(kāi)挖過(guò)程中做到了砂層不溜、不坍，邊墻穩(wěn)定，預(yù)加固效果明顯?，F(xiàn)場(chǎng)施工過(guò)程及開(kāi)挖揭示砂層穩(wěn)定情況見(jiàn)圖2～圖5。

圖2 旋噴樁試樁施工

圖3 試樁成樁效果

圖5 中臺(tái)階旋噴樁效果圖

3.2 旋噴樁施工

3.2.1 中、下臺(tái)階砂層施工方案

根據(jù)掌子面砂層位置，中、下臺(tái)階采用超前水平旋噴樁預(yù)加固。周邊旋噴樁樁徑Φ500mm，樁長(zhǎng)12m，樁間距為400mm，外插角度暫定5～8（分孔計(jì)算每根樁的偏角和仰角，利用三維坐標(biāo)，達(dá)到精確成孔定位）確保終孔位置咬合100mm，為提高水平旋噴樁抗剪強(qiáng)度，周邊水平旋噴樁內(nèi)插Φ42 鋼管進(jìn)行加強(qiáng)。旋噴樁周邊加固長(zhǎng)度為12m，每循環(huán)開(kāi)挖9m，預(yù)留3m 搭接長(zhǎng)度。為提高旋噴效率，施工時(shí)采用2 臺(tái)鉆機(jī)施作，并列布設(shè)，2 臺(tái)鉆機(jī)各施工一側(cè)。

圖4 水平旋噴樁施工

3.2.2 鎖腳旋噴樁

鎖腳旋噴樁直徑Φ400mm，縱向間距500mm（根據(jù)型鋼鋼架間距確定），內(nèi)插2 根Φ42 鋼管，鎖腳旋噴樁角度為斜向下40。旋噴樁布孔示意見(jiàn)圖6。

圖6 旋噴樁布置示意圖

4 現(xiàn)場(chǎng)施工安全及圍巖量測(cè)情況

田塬隧道砂層地段，在采用超前水平旋噴樁加固后，通過(guò)圍巖量測(cè)數(shù)據(jù)顯示，拱頂下沉、周邊收斂受控，未發(fā)生圍巖量測(cè)預(yù)警現(xiàn)象，同時(shí)在開(kāi)挖過(guò)程中，施工安全得到了保證，做到了砂層不溜、不坍，邊墻穩(wěn)定，預(yù)加固效果明顯。另外，避免了原雙側(cè)壁導(dǎo)坑工法存在的多次拆除側(cè)壁拱架的安全風(fēng)險(xiǎn)。

5 施工工效分析及經(jīng)濟(jì)對(duì)比

5.1 施工工效

5.1.1 采用旋噴樁施工工效

開(kāi)挖進(jìn)度為1.5m/d（3 個(gè)循環(huán)，每循環(huán)0.5m），中、下臺(tái)階+鎖腳旋噴樁施工2 臺(tái)鉆機(jī)同時(shí)施工，用時(shí)在3.5d，基底鋼管樁處理1d，大管棚施工1.5d，按照每次旋噴12m，開(kāi)挖9m 計(jì)算。

每循環(huán)用時(shí)：9÷1.5＋3.5＋1＋1.5＝12d；

月進(jìn)度為：9÷12×30＝22.5m。

5.1.2 采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑施工功效

雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工在2017年11月開(kāi)始施工，截至2018年3月底，合計(jì)施工25m，施工效率極低，月進(jìn)度不足10m。

通過(guò)進(jìn)度指標(biāo)對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，采用超前水平旋噴樁施工后，施工工效明顯提高。作為國(guó)鐵集團(tuán)工管中心重點(diǎn)關(guān)注的隧道，在調(diào)整工法后，田塬隧道于2019年9月提前半年貫通，受到各方的一致好評(píng)。

5.2 經(jīng)濟(jì)對(duì)比

施工合同中各支護(hù)參數(shù)及合同單價(jià)，如表1 所示。

表1 投標(biāo)合同中各級(jí)圍巖延米單價(jià)

序號(hào)支護(hù)方式、措施 單價(jià)/（萬(wàn)元/延米）備注123456 7 8 9Ⅴ級(jí)圍巖Ⅴe雙側(cè)壁導(dǎo)坑法中隔壁施工費(fèi)用Φ89超前大管棚Φ159超前大管棚單層水泥旋噴樁Ⅴ級(jí)圍巖Ⅴe+單層水泥旋噴樁Ⅴ級(jí)圍巖Ⅴe+Φ89管棚+水泥旋噴樁單層+Φ89管棚-中隔壁-Φ159管棚8.60 16.62 3.52 1.25 2.33 6.2 14.8與雙側(cè)壁比較/（增+、減-）（萬(wàn)元/延米）-8.02 0/ / /包括管棚包括鎖腳-1.82 16.05-0.57+1.6單層試驗(yàn)段承擔(dān)費(fèi)用

隧道按照Ⅴ圍巖支護(hù)參數(shù)，旋噴樁環(huán)向每循環(huán)施工長(zhǎng)度12m、開(kāi)挖9m，環(huán)向30 根；鎖腳旋噴樁中臺(tái)階每榀鋼架1 根、長(zhǎng)度4.0m 計(jì)算，旋噴樁延米單價(jià)為：

環(huán)向旋噴樁延米單價(jià)：

施工長(zhǎng)度30×12＝360m，旋噴樁單價(jià)1150 元/m，合計(jì)：1150×360＝414000 元（41.4 萬(wàn)元），延米單價(jià)為：41.4÷9＝4.6 萬(wàn)元/m；

鎖腳旋噴樁延米單價(jià)：

按照中臺(tái)階布設(shè)，合計(jì)長(zhǎng)度：9×2×2×4＝144m，旋噴樁1000 元/m，合計(jì)費(fèi)用為：1000×144＝144000 元（14.4 萬(wàn)元），延米單價(jià)為：14.4÷9＝1.6 萬(wàn)元/m；

Φ89 大管棚延米單價(jià)：

每循環(huán)長(zhǎng)度：47×9÷6＝70.5m，單價(jià)：177.14元/m；

循環(huán)單價(jià)為：177.14×70.5＝12488.37 元/m＝1.25 萬(wàn)元/m；

綜合延米單價(jià)：

Ⅴ級(jí)圍巖Ⅴ＋中、下臺(tái)階水平旋噴＋鎖腳旋噴＋Φ89 超前大管棚=8.60 ＋4.6 ＋1.6 ＋1.25＝16.05 萬(wàn)元/m；

原設(shè)計(jì)雙側(cè)壁導(dǎo)坑法16.62 萬(wàn)元/m；

采用水平旋噴樁加鎖腳旋噴樁加固后，三臺(tái)階法開(kāi)挖，每延米可以節(jié)省費(fèi)用為：0.57 萬(wàn)元/m（16.62 萬(wàn)元/m-16.05 萬(wàn)元/m＝0.57 萬(wàn)元/m）。

采用超前水平旋噴樁預(yù)加固、三臺(tái)階法開(kāi)挖后，田塬隧道合計(jì)節(jié)省費(fèi)用近100 萬(wàn)元（節(jié)省工期帶來(lái)的管理費(fèi)減少等未計(jì)入）。

6 結(jié)語(yǔ)

相較復(fù)雜的施工工法，在隧道施工中應(yīng)用水平旋噴樁，一是提高了機(jī)械化作業(yè)水平，降低了工人勞動(dòng)強(qiáng)度，也降低了人身傷害的風(fēng)險(xiǎn)概率；二是優(yōu)化了隧道開(kāi)挖工法，在保證施工安全的前提下提高了工效，節(jié)省了工期和費(fèi)用，效益明顯。今后在隧道施工中應(yīng)用水平旋噴樁，應(yīng)朝著適應(yīng)各種軟弱復(fù)雜地層與開(kāi)挖工法更好地結(jié)合、優(yōu)化的方向去改進(jìn)研究。