水平旋喷加固在富水未成岩粉细砂层中的应用

孙国庆，殷九荣

(1.中铁隧道集团技术中心，河南洛阳 471009;2.重庆交通建设有限责任公司，重庆 400010)

0 引言

目前，竖直旋喷加固技术已经得到了广泛的应用，而在一些埋深大或无法在地面进行垂直加固的工程中，就需要采用水平旋喷加固方法加固土体。由于水平旋喷加固能防止隧道渗漏和坍塌［1］，水平旋喷加固技术已受到业界的重视和关注，并在我国城市地下空间开发和轨道交通建设中得到了一定的应用。伴随着交通事业的发展，在一些深埋山岭大断面隧道施工中经常遇到大范围的软弱地层，为确保施工安全，一般借助降水、注浆等辅助工法对地层进行改良、加固，而隧道开挖大都采取双侧壁导坑法、CD法或CRD工法等化整为零进行小断面开挖［2］。由于小断面以人工开挖为主，工法复杂、工序转换多、施工组织难，不仅增加了成本，而且施工进度极其缓慢。为了实现软弱富水地层隧道安全、高效开挖施工，拟采用高压水平旋喷技术进行地层改良。但水平旋喷因技术难度大，日本和意大利等早期研究国家目前的技术水平处于领先，其最典型的做法是沿拱部外缘用水平钻孔旋喷柱体，互相搭接形成拱棚，在其保护下进而用台阶法施工［3］。目前，我国很少有采用该工法施工的大断面，本文以兰渝铁路某隧道为试验点，进行软弱地层高压水平旋喷加固及超前支护技术研究，以满足软弱地层大断面机械化开挖施工要求。

1 工程概况

兰渝铁路某隧道全长3 225 m，设计为双线隧道，隧道轨面以上净空面积为87.31 m2。穿行于黄河高阶地下部，地形起伏大，隧道最小埋深约12 m。地表上沟谷发育，下切较深。隧道穿行主要地层为:第四系砂质黄土、风积砂质黄土、冲积卵石土、粗圆砾石及细圆砾土。全隧设计围岩为Ⅴ级，开挖揭示进出口及各斜井地层主要为粗细圆砾土、卵石土及遇水未成岩粉细砂，围岩级别变更为Ⅵ级。无水时该地层开挖后较密实，稳定性较好，但遇水后具流塑性，基底承载力急剧降低。卵石土层充填差、无胶结，出露后极易引起滑塌。在施工的7个工作面中有6个遭遇富水粉细砂层，开挖后涌砂、突水、溜塌现象频繁，导致无法及时初期支护施作，已施作的初期支护出现变形、开裂、坍塌等。根据开挖揭示结合工程地质分析，洞身所处第三系富水粉细砂岩特征如表1所示。

表1 地层物理力学指标统计表Table 1 Physical and mechanical parameters of strata

隧道施工过程采用真空降水改良地层并通过双侧壁导坑中间架设横支撑进行开挖施工，单洞开挖面被划分为12个小作业面分步开挖支护，施工进度缓慢。为开发新技术，加快施工进度，在隧道出口采用意大利PST－60多功能地质摇臂钻机及其配套设备进行水平旋喷超前预加固。

2 水平旋喷加固机制

高压旋喷的本质是浆液在地层中侵蚀、替换过程，其移走了部分地层介质颗粒，并硬化后形成有高强度和低渗透性的土壤与浆液混合替代品。在高压旋喷加固施工中，通过喷嘴将高压液体注入地层，利用液体抽空［4］、喷射流的冲击以及水楔的劈裂作用使地层液化发生破坏［5］;再使水泥浆与切碎后的土体充分搅拌混合后形成加固体。富水砂层由于粉细砂极易液化，且流动性好，因此在水平旋喷引孔过程中，在高压水的冲击作用下，钻孔周边细砂随水沿钻杆壁流出，发生抽空现象，并经过高压浆液的充填挤压，在钻孔周形成直径约60 cm的水泥桩加固体［6］。固结体强度等级可以比原围岩提高3—4级，可达4～10 MPa;对于黏土类围岩，固结体也比原围岩提高 1—3级，可达 1～5 MPa［8］。

水平旋喷超前加固施工过程先沿隧道拱部外缘施工咬合水平旋喷桩体，并在桩体内置入钢管棚，使形成的固结体拱棚除了有横向抗压能力外，还具有纵向抗弯能力［8］，起到固流砂、防坍塌、控沉降作用。在开挖工作面内均匀布置一定数量的旋喷桩，并通过调节旋喷压力，形成大头桩体并置入玻璃纤维锚杆，提高工作面纵向抗挤压能力，避免工作面突出，达到稳定工作面实现大断面机械开挖目的。水平旋喷加固工法示意图如图1所示。

图1 高压水平旋喷加固工法示意图(单位:cm)Fig.1 Consolidation by horizontal jet grouting(cm)

3 水平旋喷加固方案

3.1 水平旋喷方案设计

根据富水砂层地质特点及在开挖施工中易出现风险点，水平旋喷方案设计主要以解决避免拱顶坍塌，并确保开挖面稳定为目的。结合设备能力，水平旋喷纵向循环加固长18m，每循环开挖15m，预留3m作为开挖安全岩墙。周边旋喷为咬合桩，内置钢管棚，加强桩体刚度，工作面为大头桩，内置φ35 mm玻璃纤维锚杆，确保桩体抗拉拔能力。方案设计如图2所示。

1)工作面封闭。工作面采用C20喷射混凝土挂网封闭，厚50 cm。

2)泄压孔。为避免在旋喷过程中地层压力上升，引起工作面失稳，在工作面均匀布置4个泄压孔，孔径90 mm，纵向长18 m。

3)周边旋喷桩+管棚孔。沿隧道开挖轮廓线外布置水平旋喷孔，桩径60 cm，开孔间距40 cm，桩体咬合20 cm，外插角5°，旋喷完成后在孔内下入φ89 mm管棚，长度18 m(与桩体一致)，共计56根。

4)工作面旋喷桩稳定孔。在开挖工作面范围按照1.5 m×1.5 m间距，梅花形布置，旋喷完成后桩内下入玻璃纤维锚杆，共53根。其15～18 m段，采用大头桩，桩径80 cm，其余桩径60 cm。

5)底部旋喷桩。在拱腰管棚孔以下以及底部共布置2排旋喷桩，长18 m，共计旋喷孔58个。

6)环向泄水孔。由于地层富水，为避免地层涌水影响开挖，在超前支护旋喷桩外布置12个环向泄水孔，达到泄水降压目的，确保开挖施工安全。

循环共设计各类旋喷桩171根。为保证旋喷工作面稳定，对孔口段3 m范围内不进行旋喷作业。

3.2 水平旋喷参数

水平旋喷过程根据设计桩径和加固段长选择合适旋喷参数(如表2所示)。

表2 水平旋喷注浆参数Table 2 Parameters of horizontal jet grouting

3.3 旋喷材料

水平旋喷采用普通水泥单液浆，浆液水灰质量比为 1∶1。

3.4 水平旋喷顺序

水平旋喷施工作业顺序为:工作面泄压孔—管棚旋喷孔—工作面稳定旋喷孔—底部环向旋喷孔—泄水孔。

对于同一序孔按照跳孔间隔施工的原则进行。

3.5 水平旋喷作业流程

水平旋喷作业流程如图3所示。

图3 水平旋喷作业流程图Fig.3 Flowchart of horizontal jet grouting

4 高压水平旋喷主要机械设备配置

水平旋喷主要设备采用意大利进口机械PST－60多功能地质摇臂钻机(见图4)以及配套7T－505J高压泵站(见图5)。

图4 水平旋喷机及作业图Fig.4 Horizontal jet grouting equipment

图5 水平旋喷高压泵站Fig.5 Pump station for horizontal jet grouting

4.1 PST－60多功能地质摇臂钻机

PST－60多功能地质钻机是领先国际先进技术的特种机械，大臂长24 m，自质量64 t，主要动力部件为大臂、动力头、旋转摇臂，手动、自动及远程控制系统和遥控操作装置等。其配置参数如表3所示。

表3 PST－60单臂隧道钻机主要技术参数Table 3 Parameters of PST－60 single-boom drilling machine

4.2 浆液搅拌设备和高压泵

浆液搅拌设备为SGM45水泥搅拌站拥有2个35t容量的水泥立罐，并且配备一个20 t备用水泥存储罐;配备自动拌浆系统及设备运转情况检查系统;2个搅拌桶双轴搅拌可完成连续拌浆作业要求，保证了快速成桩时的水泥浆供给;高压泵为土力公司设计生产的7T－500J型注浆机，最大压力为90 MPa，最大流量为599 L/min，功率为373 kW。配备自动压力控制系统。

5 高压水平旋喷施工

5.1 封闭掌子面

旋喷工作面坡度修整为60～70°，撑子面按1.5m×1.5m间距打设φ22 mm×2.5 m的钢筋锚杆，铺挂φ8 mm×1.2 m×1.2 m的钢筋网片，钢筋网片相互搭接12 cm，电焊焊接，用绑扎丝固定在钢筋锚杆上，喷射C25混凝土，厚度为30～50 cm。工面前方开挖一道高1.2 m、宽1 m的沉淀池收集废液及返浆排渣。

5.2 污水沉淀池修建

为满足施工环境要求，设置洞内外三级沉淀处理池将旋喷废液及废浆分级沉淀处理。

5.3 高压水平旋喷施工

1)钻机定位后，放下两边4个支柱腿。将内燃机动力转换为电力供给动力系统，根据地质特点调整动力头旋转转速，泵送高压水，压力为2 MPa，水量为150 L/min，待高压水到达钻头，确认高压旋喷头无堵塞方可匀速推进钻头入孔钻进。

2)钻进过程中喷孔喷出高压水，清洗孔周边砂土，辅助孔内快速排渣，防止卡钻。引孔至设计深度后，停止推进，加大供水流量，往复移动钻杆，清洗孔内淤渣。

3)洗孔完成后，根据设计要求，将配置好的浆液泵送旋喷作业，泵出的压力(工作压力)和流量可根据不同地质和不同需求进行调整。高压泵是为三缸往复活塞式可变频泵，连续稳流送浆避免旋喷头被堵塞，从而保证旋喷从始至终的连贯性，避免缩桩、断桩。

4)当泵送浆压力达到设计30～40 MPa后，孔口开始返浆，设置全自动后退旋喷模式开始旋喷，后退速度为1 cm/(1.2～1.5)s。旋喷后退至设计位置通知泵站停止供浆，进行下一孔作业。

5)每次旋喷施工前和旋喷施工完成后都要对浆液搅拌机、中间水泥浆过滤网、高压泵活塞缸、出浆阀和高压输送管路等进行彻底的清洗，防止残留水泥浆结块堵塞阀件、输送管道、旋喷孔，影响旋喷安全和质量。

5.4 置入钢管棚和玻璃纤维锚杆

当设计孔桩旋喷完成后，根据不同设计需要，借助钻机辅助工作臂一次完成钢管棚和玻璃纤维锚杆的安设。

6 成桩效果

富水砂层通过周边咬合桩施工及工作面稳定旋喷桩施工，满足了防坍和稳定开挖工作的技术要求，在国内实现了在软弱地层大断面开挖目的。旋喷成桩效果和稳定工作面效果如图6和图7所示。

7 开挖施工

在隧道富水砂层施工中，采用降水方法改良地层后人工双侧壁导坑进行分层开挖，月开挖进度为5～6 m。经过高压水平旋喷加固后，同样地层采取人工配合机械上下台阶法进行开挖施工，月开挖进度为25～30 m，是常规施工的5倍。不仅施工效率明显提高，而且作业安全性大幅度提高，具有较明显的社会效益和经济效益。

8 结论与讨论

1)隧道开挖出露的旋喷桩均为φ60cm左右，未出现缩桩、断桩等现象，桩体均匀，桩体强度达到20 MPa以上。

2)水平高压旋喷加固软弱地层在隧道开挖轮廓线外形成相互咬合的帷幕保护桩，形成止水、防流砂效果，并结合工作面稳定旋喷，满足软弱地层安全开挖的技术要求。

3)采用水平旋喷超前支护，提高地层的自稳能力，实现软弱地层机械化大断面开挖，较传统的软弱地层人工开挖方法，施工效率大幅度提高。

4)由于富水砂层水平旋喷仅在周边形成咬合桩，而工作面桩体间仍存在透水性，仅仅通过旋喷桩难以达到改良地层满足安全开挖的目的，开挖施工过程仍要配合降水施工。

5)采用进口旋喷设备施工进度快，施工质量高，但其加固费用也较高，应对旋喷设备进一步研究、吸收和消化，使设备及配件国产化，降低施工成本。

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