隧道鉆進富水砂層地段水平旋噴樁技術(shù)探討

王曉軍

（邢臺路橋建設(shè)集團有限公司，河北 邢臺 054001）

1 引言

注漿是目前治理地鐵隧道砂層不良地質(zhì)的常用手段，包括帷幕注漿加固法、長管棚注漿加固法、水平旋噴樁加固法等[1]。水平旋噴樁技術(shù)主要為采用水平定向鉆機預(yù)先鉆取預(yù)導(dǎo)孔，當鉆孔到預(yù)設(shè)長度后旋轉(zhuǎn)回拉鉆桿，同時通過鉆桿將漿液灌入土體中，在巨大的沖擊力作用下，漿液與土體顆粒充分混合，在膠結(jié)硬化后，形成注漿加固體，即水平旋噴樁[2]。此技術(shù)可應(yīng)用于黏土層、砂層、粉細砂層、淤泥層等松散富水地層中隧道開挖前的路基處理，具有廣闊的發(fā)展前景[3]。

本文以水平旋噴樁工法為基礎(chǔ)，提出了水平旋噴內(nèi)插管棚工法，詳細介紹了此工法在施工過程中的重難點，并對現(xiàn)場試驗對水平旋噴內(nèi)插管棚施工的工藝及設(shè)備進行了改進。

2 水平旋噴內(nèi)插管棚工法

2.1 工藝介紹

水平旋噴內(nèi)插管棚工法工藝流程主要為：場地“三通一平”→工作井開挖→測放點位及監(jiān)測點布設(shè)→鉆機就位→引進鉆頭（89 mm）鉆進→更換攪拌鉆頭（600 mm）、安裝114 mm鋼管→鉆桿回拉、攪拌、安裝114 mm管棚→安裝泄壓管→鉆頭出洞、封洞→安裝泄壓管、114 mm管內(nèi)注漿→對注漿加固體進行檢測。

2.2 工作井的開挖及圍護

工作井圍護形式：三面采用TRD插型鋼+內(nèi)支撐，一面采用雙排φ800 mm@600 mm垂直攪噴樁。工作井土方開挖分層進行，隨深度的增加分層打設(shè)水平樁，水平樁打設(shè)需隔孔打設(shè)，為防止?jié){液凝固，影響咬合效果，需增加適量緩凝劑。

2.3 工作井端頭加固

根據(jù)工法試驗情況，封孔處漏漿明顯，為保證端頭封孔效果，工作井端頭2 m范圍內(nèi)采用φ600 mm@450 mm旋噴樁進行加固。樁體的設(shè)計參數(shù)為：樁長L=61~68 m、樁體直徑600 mm、樁體咬合寬度200 mm；技術(shù)要求：樁體單軸抗壓強度≥1 MPa；樁體滲透系數(shù)＜1×10-7cm/s；外傾角≤1.5°；鉆進偏差≤1/200；樁體咬合率≥90%。

2.4 過街橫通道支護

當拱頂及洞身為砂層段時，周圈設(shè)置水平樁，當洞身為粉質(zhì)黏土段時，僅頂拱、側(cè)墻設(shè)置。拱部180°打設(shè)φ600 mm@400 mm水平攪拌樁，內(nèi)插φ114 mm大管棚。邊墻及底板外輪廓視地層情況打設(shè)φ600 mm@400 mm水平攪拌樁。隧道洞身采用CD法開挖。初支厚300 mm，格柵拱架@0.5 m。

2.5 工法設(shè)計要求

鉆進精度需符合要求，以確保長距離鉆進中不影響管線；成樁質(zhì)量需達標，固結(jié)體直徑、咬合寬度等需符合要求；強度、抗?jié)B性能需達到要求；明確斷樁情況并進行原因分析；保證注漿均勻性（漿液與土體混合程度）；保證注漿可控性（漿液注入范圍可控）；保證地層適用性，尤其是砂層段效果。

3 現(xiàn)場試驗

為保證上述工法在富水砂層路段上順利實施，挑選了相同地質(zhì)條件的路段進行了現(xiàn)場試驗。試驗場地位于東郭莊車輛段，兩工作井間距50 m，結(jié)構(gòu)尺寸均為：寬10 m×長6 m×高4 m。實驗段內(nèi)開挖3 m×3 m×3 m的基坑1個，回填砂土。加固體直徑600 mm，共施工3根，咬合150 mm，樁心距地表高度為1.8 m。

3.1 施工準備

施工準備包括場地布置、機械設(shè)備安裝調(diào)試、人員上場和材料購置及儲備等工作。施工前，清除施工場內(nèi)障礙物，不能清除的做好保護措施，然后整平、壓實；合理布置施工機械、輸送管路和電力線路位置，確保施工場地“三通一平”。鉆機就位后，對鉆機進行調(diào)平、對中，調(diào)整鉆機的垂直度，保證鉆桿與孔位一致；鉆孔前調(diào)試空壓機、泥漿泵，使設(shè)備運轉(zhuǎn)正常。

3.2 引進鉆頭鉆進

把鉆機移至鉆孔位置，對準孔位用水平尺掌握機臺及鉆桿水平，墊牢機架，經(jīng)技術(shù)人員檢測合格后方可開鉆。如發(fā)現(xiàn)鉆機傾斜，須停機找平后再開鉆。鉆進采用水沖法作業(yè)，鉆機內(nèi)配置高壓泵，鉆頭前端有切削土體的可旋轉(zhuǎn)葉片，鉆頭前端設(shè)置出水孔，鉆頭尾部的信號發(fā)射器配合地表的移動式信號接收器組成雷達定位系統(tǒng)，可以隨時糾偏。土壤在高壓水沖擊及鉆頭推進力的作用下沖散成孔。鉆桿直徑為89 mm，即引孔孔徑89 mm。引孔的鉆孔垂直度允許偏差≤3.0%，鉆孔位置允許偏差為50 mm。鉆進速度控制在50 cm/min，4.5 m的鉆桿通過內(nèi)外交錯的連接方式一節(jié)一節(jié)鉆進土層。鉆進過程若遇到異常情況，要及時查明原因，采取相應(yīng)措施，對地層變化、顆粒大小、硬度等要詳細記錄，鉆孔結(jié)束后，由技術(shù)人員進行質(zhì)量檢查，合格后方可進行下道工序施工。

3.3 換攪拌鉆頭并連接管棚

引孔鉆頭貫穿土層后，將引孔鉆頭拆卸，換上直徑為600 mm的攪拌鉆頭，攪拌鉆頭內(nèi)側(cè)有出漿口，外側(cè)有連接管棚的卡扣，管棚為鋼結(jié)構(gòu)直徑114 mm，壁后6 mm，每根管棚長3 m，管棚鋼管連接在攪拌鉆頭一端隨著鉆桿回拉內(nèi)插入樁體，鋼管棚段間用絲扣連接。

3.4 設(shè)置泄壓孔并封堵端頭

攪拌鉆頭換置完畢并連接好管棚后，啟動鉆機開始回拉，回拉的同時攪拌土體并噴射注漿，攪拌鉆頭出洞段1 m范圍內(nèi)停止噴射注漿，待管棚到位后人工清除出洞段1 m范圍內(nèi)松動土體。將1根直徑為10 cm的L形PVC管一端插入洞內(nèi)1 m，另一端出口垂直向上長度為0.5 m，安置好泄壓孔并用速凝混凝土進行封堵。

3.5 試驗總結(jié)

設(shè)計樁直徑為60 mm，樁間距為45 mm，設(shè)計樁咬合為39.7 mm，通過現(xiàn)場試驗結(jié)果與設(shè)計數(shù)據(jù)進行對比可得：試驗數(shù)據(jù)與設(shè)計數(shù)據(jù)基本吻合，說明鉆孔引進工藝相對成熟；管棚拖曳工藝效果良好；成樁線性良好，偏移較??；樁間距和咬合長度基本符合設(shè)計要求；樁體基本完整。

同時通過本次試驗也發(fā)現(xiàn)了該工法及設(shè)備存在一些不足，引孔鉆桿直徑為89 mm，回拉時鉆桿直徑為600 mm，一次性回拉擴孔有塌孔的風險，且擴孔對地表擾動較大，易出現(xiàn)管棚下垂、鉆頭糊鉆、攪拌不充分的現(xiàn)象，部分成樁不均勻。

4 工藝及設(shè)備改進

針對現(xiàn)場試驗發(fā)現(xiàn)的上述問題，本文創(chuàng)新性地對水平旋噴內(nèi)插管棚工法在工藝上進行了優(yōu)化，由一次擴孔改為兩次擴孔，并根據(jù)新工法的要求對設(shè)備進行了改進。

4.1 工藝介紹

優(yōu)化后工藝流程：場地“三通一平”→工作井開挖→測放點位及監(jiān)測點布設(shè)→鉆機就位→引進鉆頭（89 mm）鉆進→更換出渣鉆頭（300 mm）、連接300 mm出渣鋼管排渣→更換攪拌鉆頭（600 mm）、安裝114 mm鋼管→鉆桿回拉、攪拌、安裝114 mm管棚→安裝泄壓管→鉆頭出洞、封洞→安裝泄壓管、114 mm管內(nèi)注漿→對注漿加固體進行檢測。

4.2 設(shè)備改進

根據(jù)二次擴孔需求，設(shè)計了出渣鉆頭及出渣鋼管。一次擴孔回拉時，出渣鉆頭前端連接出渣鋼管后端連接鉆桿，出渣鉆頭設(shè)有破土齒、破土出水口、密封前倉。密封前倉可支撐周圍土體、承受水壓，避免出現(xiàn)之前試驗糊鉆的情況。土體鉆頭通過分動器與出渣鋼管連接。鉆機通過鉆桿給鉆頭提供高壓射流。鉆機帶動鉆頭回拉，在破土齒旋轉(zhuǎn)及高壓射流雙重作用下打碎土體使之沿空心鋼管排渣，回拉的同時間歇連接鋼管。

4.3 出渣鉆頭排泄土渣

引孔鉆頭鉆進工序與前文一致，此處不再贅述。引孔鉆頭貫穿土層后，將引孔鉆頭拆卸，換上直徑為300 mm的出渣鉆頭，出渣鉆頭上設(shè)置出水口。噴水壓力在0.1~3 MPa，由鉆機提供動力。攪拌鉆頭另一側(cè)連接上直徑300 mm的空心鋼管，空心鋼管壁厚5 mm，每段長3 m，用粗牙螺紋絲扣、卡扣快接法或螺栓連接。出渣鉆頭在鉆機動力作用下邊回拉邊打碎土體使之沿空心鋼管排渣，空心鋼管連接出渣鉆頭端部也設(shè)置有出水口，利用水壓將打碎土體從管內(nèi)沖出。出渣鉆頭回拉速度控制在50 cm/min，每回拉1 m待鋼管中渣土排盡，且流出清水后再繼續(xù)施作。鋼管不是一次性連接完成的，而是邊回拉邊連接鋼管，防止鋼管自重引起的撓度影響。

4.4 換攪拌鉆頭并連接管棚

出渣鉆頭貫穿土層回到始發(fā)井后，將出渣鉆頭拆卸，接收井一端的鋼管換上直徑為600 mm攪拌鉆頭。攪拌鉆頭的前端連接分動器，分動器上有連接管棚的接口，管棚為鋼結(jié)構(gòu)，直徑114 mm，壁厚6 mm，每根管棚長3 m，管棚鋼管連接在攪拌鉆頭一端隨著鉆桿帶動鋼管回拉向內(nèi)插入樁體，鋼管節(jié)段間用絲扣連接（管棚為直徑114 mm的鋼管，內(nèi)含長150 mm內(nèi)絲扣，用直徑108 mm的連接鋼管進行絲扣連接，連接鋼管兩側(cè)分別有長150 mm的螺旋絲扣），鉆桿回拉時，相鄰兩根管棚的首節(jié)鋼管長度分別為3 m和1.5 m，其余鋼管為3 m/節(jié)，確保管棚鋼管接頭錯開1.5 m。管棚不是一次性連接完成，而是邊回拉邊接長管棚鋼管。

4.5 設(shè)置監(jiān)測管并封堵端口

攪拌鉆頭出洞段1 m范圍內(nèi)停止噴射注漿，待管棚到位后，人工清除出洞段1 m范圍內(nèi)松動土體。在管棚上用鋼絲綁上監(jiān)測管，監(jiān)測管為直徑30 mm的PVC花管，花管壁厚5 mm，花管上花孔孔徑為15 mm，監(jiān)測管和鋼管棚一樣，每根長度為3 m，每根監(jiān)測管上有1個球閥開關(guān)，在監(jiān)測管的末端漿液出口處設(shè)置1個端頭管，端頭管與檢測管絲扣連接，端頭管上攜帶1個壓力傳感器和電磁穩(wěn)壓閥，電磁穩(wěn)壓閥在管內(nèi)壓力≤0.5 MPa時是封閉的，當壓力大于0.5 MPa時，電磁穩(wěn)壓閥會打開排漿泄壓。監(jiān)測管的連接方式是先把與端頭管連接的監(jiān)測單管的球形閥關(guān)閉再將端頭管卸下，絲扣連接上新的3 m監(jiān)測管，再將端頭管接在檢測管整體的末端，打開關(guān)閉的球形閥門。具體施作配合管棚連接同步施作，保證攪噴樁全程保壓泄壓?？變?nèi)壓力過大會導(dǎo)致地表隆起破壞，壓力過小會導(dǎo)致地表塌陷破壞且漿液留存率低。安置好監(jiān)測管和管棚后，用速凝混凝土進行封堵?；炷猎O(shè)計直徑600 mm，標號C20，通過水∶砂∶碎石為1∶1∶1配制，加入質(zhì)量比為30%的水玻璃，使其能夠速凝。用混凝土封堵洞口時，應(yīng)在鋼管棚周圍纏繞幾層塑料編織袋，防止混凝土凝結(jié)后，管棚無法隨著攪拌鉆頭回拉。

4.6 回拉攪噴

每回拉3 m，將出渣鋼管卸掉一節(jié)，再將鉆桿和新出土層的出渣鋼管連接，如此循環(huán)將所有的出渣鋼管拉出土層。回拉攪噴過程是一個鉆桿回拉、鉆頭攪拌和漿液噴射三者協(xié)調(diào)進行的過程。攪拌充分的同時將漿液與打碎的土體充分混合形成致密結(jié)實的水泥土。注漿材料為水泥單液漿，水灰比為1∶1。開始先拌送水泥漿，然后開啟泥漿，待達到設(shè)計參數(shù)，端頭管壓力值正常后再開始回拉鉆桿。噴注中若遇故障等特殊情況時，噴管必須沿回拉方向的反向延伸10 cm才能開始繼續(xù)噴注，以保證加固體的水平連續(xù)性。一根樁施作完成后，根據(jù)設(shè)計鉆孔位置進行跳孔施作，施作過程重復(fù)上述操作。本例中鉆孔間距為45 cm，樁的直徑為60 cm，故兩樁之間重合15 cm，全部施工完畢后形成水平攪噴內(nèi)插管棚樁連續(xù)墻。

5 結(jié)語

本文以水平旋噴技術(shù)為基礎(chǔ)，提出了水平旋噴內(nèi)插管棚工法，證明了此工法的可行性，并根據(jù)試驗發(fā)現(xiàn)了該工法的缺陷，對其工藝及設(shè)備進行了改良，使之能更有效地應(yīng)用于富水砂層路段地基處理，從而有助于地鐵建設(shè)過程中安全穿越淺埋第四系富水砂層，具有廣闊的發(fā)展前景和較高的實際應(yīng)用價值。