水平高压旋喷桩加固技术在疏松砂岩地层中的应用

汪晨龙

（甘肃省引大入秦工程管理局，甘肃 永登 730000）

水平高压旋喷桩加固技术在疏松砂岩地层中的应用

汪晨龙

（甘肃省引大入秦工程管理局，甘肃 永登 730000）

结合水平高压旋喷桩加固技术原理及成功案例，介绍了该技术在疏松砂岩地层中的应用，具体阐述了高压旋喷桩加固技术的设计要求及施工过程中的设备选型、施工工艺、技术参数等，提出该技术与钢拱架喷射混凝土结合使用，可有效地控制围岩收敛，防止坍塌、地面沉降等现象。

水平高压旋喷桩；疏松砂岩；超前加固原理；施工工艺

1 概述

在隧洞施工中经常要穿越不同地质构造，其中疏松砂岩属于严重不良围岩，极易出现坍塌、涌泥、突水、造成拱架背后空腔、地面沉陷，进而导致隧洞发生结构性破坏，危及施工安全及运行安全。因此，如果必须要在疏松砂岩中进行隧洞工程建设，那么首先要考虑如何提高围岩自稳性，保证隧洞结构的稳定性，确保工程在安全的前提下顺利的完成。

近年来，高压旋喷桩加固技术作为地下工程超前地质改良方法之一，在不断地运用中得到不断地完善。

2 水平高压旋喷桩超前地质加固原理

水平高压旋喷桩是通过水平定向钻机距隧洞开挖边缘线一定距离内，以一定的外放角度钻孔至设计深度后，在喷嘴作缓慢旋转和回撤钻杆的过程中，经高压泵把配置好的浆液通过钻头的喷孔，以大于35MPa的压力喷射到岩体内，喷射流以巨大的能量将一定范围内的岩体切削、摧毁，强制岩体颗粒与浆液在原位充分混合，凝固后形成柱状水泥-围岩颗粒固结体。当若干柱状水泥-围岩颗粒固结体沿隧洞开挖边缘线相互咬合后，就在隧洞周边形成封闭的旋喷帷幕体，在跟进的隧洞掘进工序中与拱架、钢筋网、喷射混凝土相结合，起到防流沙、防渗水、抗滑移、抗坍塌的拱棚保护作用。

高压旋喷桩在施作时对于成孔条件要求不高，即使在呈流变状的地质构造中，具有巨大能量的高压喷射流也可使浆液与围岩充分拌和，并凝固为新的固结体。水平旋喷桩纵横断面如图1所示。

图1 水平旋喷桩纵横断面图

其原理总结：距隧洞径向开挖边缘线一定距离造孔，利用高压旋喷设备纵向注浆，加固一定直径和超前距离内的软弱围岩，并形成相互咬合的水泥-围岩颗粒固结体，前后循环，相互搭接，形成拱棚，达到对软弱围岩超前改良预加固的目的。

3 水平旋喷桩的施作要求

3.1 设计要求

在制定水平旋喷桩超前围岩加固方案前，应搜集掌握各种基本资料，主要是岩土工程勘察资料，包括：土层和基岩的性状，围岩物理力学特性，地下水埋藏条件，渗透性和水质成分等。依据地质勘查情况，进行水平旋喷桩的设计。

根据国内外施工经验，目前水平旋喷桩设计参数为：桩径50～60cm，桩长15～24m，相邻两桩咬合10cm，前后循环搭接长度30～50cm，周边外插角2°～5°。

3.2 现场空间要求

本方法施作前，需要足够大的工作空间。一般是在计划工作面（掌子面）前8～10m范围内，沿隧洞

轮廓边缘线径向向外，按设计水平旋喷桩的桩体半径R+（20～30cm）左右进行扩大洞室开挖，以方便搭设工作平台，放置钻机，调整施工角度。

3.3 掌子面封闭要求

由于旋喷注浆时的工作压力很大，所以掌子面需以钢筋网喷射混凝土封闭。常规下喷射混凝土强度需C25以上，施作厚度不小于20cm，钢筋网片制作规格为φ8mm@200mm×200mm。

3.4 施工设备要求

1）水平钻机。水平旋喷桩施工的关键在于钻机的选型，因此，根据围岩特性进行钻机设备选型配套非常重要。钻机的转速、贯入度、扭矩等性能决定着施工进度和成孔效果。目前国内可供选择的用于水平旋喷桩造孔施工的水平钻机类型较多，性能上较为先进的首先是意大利生产的PST-60水平旋喷台车，其次是意大利C6履带式钻机。较为经济实用的是国内改装的XY-2，GY-2A型钻机，目前已具备传感器定向、深孔钻进、钻孔精度高、轻便灵活、解体性强、液压移动、液压钻进等优点。

2）高压注浆泵。高压注浆泵是水平旋喷桩成桩的关键设备之一，泵的压力与流量直接影响旋喷桩长度、直径以及强度。我国研制的YZB-32型高压注浆泵和天津生产的聚能泵可达到60MPa，可满足压力、流量的无级调节要求。

4 施工工艺

4.1 施工准备

①检查钻机、高压注浆泵运行是否正常，动力设施是否正常，各配套设备是否齐全，掌子面是否按要求封闭；②在掌子面测量标出开挖轮廓线，确定预成桩孔位置；③搭设工作平台。

建议施工前，先施作两根试验桩，通过试验桩掌握钻进速度、喷浆起始压力、喷浆成桩压力、旋喷速度、回撤钻杆速度、单位时间喷浆量等技术参数，确定旋喷的均匀性，确定最佳施工参数和最佳施工工艺。

4.2 钻机和高压泵就位、钻进

水平旋喷钻机就位时，调整角度，对准桩孔位置 （孔位误差控制在±10mm，角度误差小于1°）施钻，钻进时通过导轨定向，将钻头与钻杆送入孔中，过程中一般每钻进3m要测斜一次，每次测斜偏差不超过3%，当发现偏斜超差要进行纠偏，直至钻至设计深度。

4.3 旋喷成桩

当钻进至设计深度后，就可进行喷浆作业。首先清洗管路，确保畅通；其次调整喷嘴位置，先在孔底以确定过的起始压力值静喷3～5min，然后逐渐提高喷浆压力至成桩压力，然后钻杆一面以一定的速度 （理论值20r/min）旋转，一面低速 (理论值15～30cm/min)慢慢回撤，当回撤至孔口1.0m左右时，关闭高压喷浆机并做好封孔工作。钻杆回撤速度的具体数值应通过在相同地质条件下的成桩实验来确定，在浆液无特殊要求的情况下，采用普硅P32.5水泥，浆液配比1∶1即可。

为确保桩体质量，旋喷过程要连续，不能间断，防止出现断桩、短桩现象的发生，钻杆回撤速度必须均匀，最终形成基本等径圆柱状的水泥-围岩颗粒固结体。如因机械故障或其它原因停机在30～120分钟的，应向前重复旋喷1m；超过2h的，按断桩处理，重新钻桩。高压旋喷注浆完成后，必要时孔口进行补注浆，注浆压力控制在0.8～1.0MPa。补注浆完成12h内不能打开孔口封闭物。试验证明固结体的平均抗压强度接近C15等级混凝土。

结束该孔喷浆后，注意高压清洗管路及设备，然后移至下一预成桩孔位置。考虑到浆液初凝及待强需要一定时间，应间隔2～3孔位施作较为理想。

5 结语

水平高压旋喷桩超前地质改良技术在含水疏松砂岩地层中具有良好的处理效果。旋喷后，在隧洞开挖线周围形成封闭的桩体帷幕，与钢拱架、喷射混凝土结合使用，可卓有成效地控制围岩收敛，防止坍塌、地面沉降等现象，为在围岩呈流变性的隧洞工程施工提供了安全保障。

[1]魏永学.水平旋喷桩在隧洞开挖掘进中的应用[J].水利规划与设计，2013，26(7)：43-45.

[2]徐智，胡蔓宁.旋喷桩加固技术在某隧道风积砂地层中的应用[J].现代隧道技术，2013，50(3)：158-162.

[3]唐朝松，李峰.旋喷桩在加固铁路隧道Ⅵ级围岩风积砂地层中的应用[J].铁道建筑，2012，52（5）：54-56.

TU753