粉细砂地层隧道水平旋喷桩支护技术

陈五二

(中铁工程设计咨询集团有限公司，北京 100055)

在粉细砂地层中修建铁路隧道，通常都采用密排钢管或其它型钢支护，但此法的效果不甚理想，如:施工中常常出现漏砂、流砂甚至支撑折断，核心土失稳，施工安全和工程质量没有保证;管棚利用率较低，循环进尺短，施工进度慢，当开挖边墙时，拱脚处砂体受扰动后易造成拱背流砂，甚至造成掉拱，等等。

水平旋喷桩是用专用机械进行钻孔，按规定速度回转钻杆，从钻杆前端用泵高压喷射水泥系固化材，切削围岩，强制土颗粒与浆液搅拌混合，胶结硬化后形成直径比较均匀，具有一定强度桩体，从而使地层得到加固。结合大西客运专线上白隧道穿越砂层地段介绍水平旋喷桩支护技术。

1 工程概况

大西客运专线上白隧道为双线隧道，隧道进口里程改DK594+754.6，出口里程改DK596+464.5，全长1 709.9 m。隧道所属地区，黄土台塬地貌，冲沟发育，地形起伏较大。隧道最大埋深126.22m。隧道洞身通过地层为:(Q3dl+pl)新黄土、(Q2

pl)老黄土、粉细砂。其中进口段约500 m从粉细地层中穿越。该砂层物理性质为粉细砂，干燥、密实、呈松散结构，此种砂层受开挖扰动后立刻呈现流砂及涌砂状态，短时间内即形成堆积体。图1为开挖后拱部漏砂的情况。

图1 拱部漏砂

2 水平旋喷桩的加固原理

水平旋喷桩预加固是在洞内开挖面前方沿隧道开挖轮廓，利用水平旋喷机按间距55 cm，长20 m左右钻孔。当钻至设计长度后，高压泵开始输送高压浆液，同时钻头一边旋转一边后退，并使浆液从钻头处直径2.3～2.5 mm的喷嘴中高速射出，射流切割下的砂体与喷出的浆液在射流的搅拌作用下混合，最后凝固成直径60 cm左右的旋喷柱体，相邻柱体之间环向相互咬合，在开挖面前方形成整体性较好的旋喷拱。如此所形成的固结体强度比原状砂层有极大程度的提高，又由于高压射流对固结体周围砂体的挤压和渗透固结作用，固结体周围砂层的物理力学性能也显著改善。预加固在开挖前就已深入到开挖扰动范围以外，所以开挖后预支护拱就会立即发挥作用，可抑制围岩的大部分位移，承受大部分地层压力，从而可保持砂体地层在隧道开挖后的稳定，防止漏砂及砂体坍塌，为开挖提供安全可靠的保障。具有以下特性:

(1)在隧道开挖之前，于掌子面前方构筑拱形刚性体，来减轻传到掌子面和支护上的荷载，控制开挖引起的变形;

(2)水平旋喷桩的浆液被限制在土体破坏的范围内，浆液的注入部位和范围是可以控制的，可通过调节注入参数(如切削土体压力，固化材料的注入速度，配合比、注入量等)满足设计要求。

(3)钻杆在旋转和后退的过程中，在喷射压力作用下，迫使土粒向与喷嘴移动相反的方向移动，与浆液搅拌混合形成固结体，故加固体的均匀性好。

3 水平旋喷桩设计

沿隧道断面拱部150°范围内布设，旋喷桩桩径为600 mm，为保证支护效果，防止漏沙，涌砂，采用咬合桩布置，桩间距为450 mm，其横断面布置见图2。根据现场条件，第一循环段处理6 m，插入角15°，以后每循环段处理18 m，插入角5～10°。搭接长度1 m，超前残余长度为4 m。

图2 旋喷桩横断面(单位:cm)

施工技术参数:压力大于25 MPa，提升速度10～25 cm/min，旋转速度20～25 r/min;双喷嘴2.3～2.5 mm。

浆液配比:采用425号普通硅酸盐水泥，水灰比0.75～1.0，根据现场情况可加入水泥重量3% 的水玻璃和0.02%的铝粉。

4 施工工艺

4.1 施工工艺

(1)封闭掌子面，每循环水平搅拌桩施工前应先用喷混凝土封闭掌子面，防止掌子面坍塌和涌砂、流泥;(2)钻孔至设计深度后，先只做原地旋喷，待返浆由导浆管流出后方可开始提升;(3)全孔双喷嘴施工，因故中途喷嘴堵塞时立即停喷、提钻，处理后方可继续施工;(4)封口成桩，退出钻头孔口用棉纱木塞等将孔口封住，防止浆液外流。(5)施工采取间隔跳跃式施工，应保证隔两钻孔施工。

4.2 施工工艺流程(图3)

图3 施工工艺流程

5 水平旋喷桩效果

从上白隧道实施水平旋喷桩开挖效果看，旋喷桩的咬合达到了预期的效果。现场照片见图4。现场检查桩的直径为55～65 cm，咬合宽度为10～20 cm，基本上达到了设计的要求。现场也从旋喷桩体中钻取岩芯测试最低抗压强度为3.2 MPa。从随后隧道开挖施工情况来看，基本上满足隧道开挖期间的施工支护，未发生大的漏砂和流砂的情况，既保障了施工安全，同时也加快了施工进度。

图4 水平旋喷桩现场效果照片

6 结论及建议

(1)水平旋喷桩的有效施作，为粉细砂地层隧道施工提供安全可信的保障。能为以后软弱围岩的隧道工程超前预加固技术提供可借鉴的施工经验。

(2)水平旋喷桩在我国隧道工程中研究和应用较少，目前大多数施工工艺还处于试验、摸索阶段，针对隧道工程部分配套设备(如定位、移动等)尚处于空白，部分工序还依赖人工操作的熟练程度;但随着我国地下工程的发展，水平旋喷桩的研究也将进一步深入，相信它将会在软弱围岩的地下工程施工中得到更加广泛的应用。

(3)在本隧道施工中，发现部分咬合桩在尾部处出现桩径不均匀、咬合效果差的现象，建议在当前的设备和施工环境中适当减少单根桩长，采用12 m为宜。

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