细砂层铁路隧道水平旋喷桩超前预支护施工技术

邵永平

（中铁十七局集团第二工程有限公司 陕西西安 710043）

1 引言

近年来，随着我国铁路建设的快速发展，穿越不良地质条件的隧道工程日益增多［1］。我国西北地区多为风积砂地层，在这类地层中进行隧道施工的难度非常大，附加的技术条件也明显增多［2］。在细砂层超前支护中，通常采用密排钢管或其他型钢支护，但此法的效果不甚理想［3］，开挖过程中出现掌子面溜砂、涌砂、滑塌、拱顶超挖、拱背流砂等现象，导致隧道初期支护施工困难，安全隐患突出，施工质量无法保证，初期支护沉降变形。

水平旋喷桩技术是近年来出现的一种新型施工工艺，在地质情况复杂的隧道及地下工程中逐渐得到推广应用［4］，尤其在流塑状、孔隙率小、开挖后自稳能力极差的地层中［5］，通过该技术改善围岩沉降曲线分布，松散的细砂层围岩转换为可整体受力的结构，使得沉降得以向四周传导分布趋于均匀，并可提高岩层黏聚力和围岩内摩擦角两项物理参数，在提高围岩整体强度方面效果明显［6-7］。

2 工程概述

蒙西至华中地区铁路煤运通道工程设计为电力牵引，时速≤120 km，规划设计运输能力2亿t/年，为客货共线铁路。银山二号隧道设计为单洞双线，位于陕西省延安市安塞县境内，起讫里程DK263＋741.58～DK265＋439.88，隧道全长1 698.3 m。穿越地层为砂质新黄土、粉砂、细砂及黏质老黄土、砂岩。其中Ⅳ级围岩630 m，Ⅴ级围岩1 068.3 m，进出口地段为砂质新黄土，隧道进口DK263＋675～DK263＋810段存在溜塌体，溜塌体范围3.0～18.6 m。

DK263＋940～DK264＋045段，原设计地质情况为第四纪风积新黄土，含细砂，呈松散结构，土石交界处砂质新黄土黏粒含量高，含水率较高，下伏白垩系下统洛河组砂岩，泥质胶结，全风化，呈角砾碎石状松散结构。围岩级别为Ⅴ级，衬砌类型为Ⅴb土型复合式衬砌，施工工法为三台阶大拱脚临时仰拱法，超前支护采用超前密排小导管措施。地表位于“V”形冲沟侧，该段覆盖层厚度22～32 m。

DK264＋035掌子面开挖后上中台阶揭示围岩地质为冲洪积细砂层，黄褐色，夹薄层土，潮湿，稍密，呈松散结构，含少量裂隙水，自稳性极差，开挖后极易产生坍塌；下台阶为白垩系砂岩，紫红色，全风化。通过分析，该地层具有以下特性：（1）以紫红色细砂、粉细砂为主，颗粒较均匀，颗粒级配差；（2）密实状态，可注性差；（3）黏聚力低，触变性强，无自稳能力，施工扰动引起漏砂或塌方，短时间内即形成堆积体，无防护时间［8］；（4）开挖后安全风险高，超挖严重，喷射混凝土施工困难，进度缓慢。

经四方现场查勘，综合判定将该段落围岩级别由Ⅴ级变更为Ⅵ级。考虑本段地质条件，超前支护由超前密排小导管变更为水平旋喷桩超前预支护。

3 水平旋喷桩预支护技术

水平旋喷桩预支护技术，是在隧道开挖面的前方，沿隧道开挖轮廓利用液压钻机在地层中水平定向钻进成孔，或小角度的仰、俯和外插钻进，按一定的间距、长度钻孔。当钻至设计长度后，利用高压泵输送高压浆液，同时钻头一边旋转一边后退，使浆液从钻头的喷嘴中高速射出，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，最后凝固成一定强度、一定直径的旋喷柱体。相邻柱体之间环向咬合，以同心圆的形式在隧道拱顶及周边形成封闭的水平旋喷帷幕体，即在隧道拱部形成一定厚度的加固圈。如此形成的加固体强度比原状砂层有极大提高，不仅具有良好的梁拱效应，还具有改变周围土体力学性能的作用。可为隧道开挖提供拱形保护、减小岩土渗透性、提高岩土强度、稳定掌子面［9］、减少隧道变形。

传统注浆效果会受到地层吸收性能的限制，而旋喷浆液主要基于水力劈裂，借助于喷射浆液的力学作用搅拌、压实、固结地层，提高地层的力学特性［10］。

4 水平旋喷桩施工工艺

4.1 支护参数选择

水平旋喷桩布置按照隧道断面砂层范围采用咬合桩设置，施工过程中旋喷桩设置范围可结合砂层分布情况及时进行调整。单循环桩长18 m，桩径600 mm，桩间距 400 mm，外插角 3°～5°，每循环搭接3 m，成桩体达到的抗压强度5.0～8.0 MPa。中台阶设置旋喷锁脚桩，采用φ600旋喷桩加固地层后，插入2根 φ42锁脚锚管，角度斜向下45°，长6 m，纵向间距60 cm。支护布置见图1。

图1 水平旋喷桩布置

施工技术参数：旋喷压力35～40 MPa，旋喷转速12 r/min，后退速度20 cm/min。

注浆参数：注浆材料采用425号普通硅酸盐水泥，水灰比0.8∶1～1∶1。

4.2 设备配置及选型

施工设备配置见表1。

表1 旋喷桩施工设备配置

4.3 施工工艺流程

水平旋喷桩施工工艺流程见图2。

图2 水平旋喷桩施工工艺流程

4.4 工序施工要点

4.4.1 施工准备

（1）平整场地。机械设备进场检查，检查施工用电电源、水源；开挖水泥浆沉淀池、临时排水沟，做好安全防护及教育培训工作；准备袋装水泥、膨润土等工程材料。

（2）封闭掌子面。采用C25混凝土素喷封闭掌子面，喷射厚度不小于20 cm，如图3所示。围岩较差时可打设锚杆，挂设钢筋网片后喷射混凝土，防止掌子面坍塌、流砂及旋喷过程中出现漏浆等现象［11-12］。

图3 封闭掌子面

（3）桩位放样。在掌子面采用全站仪放样开挖轮廓线。放样时注意根据现场情况预留变形量，用醒目喷漆标记出旋喷桩桩位，并在断面上标记桩号。

（4）钻机安装就位。安装前，仔细检查钻机、高压注浆泵是否运转正常，其他配套设备是否齐全。钻机就位后，按各孔位坐标要求，用全站仪测量，调整钻塔高度、倾角及摆角，使钻杆轴线方向符合外扩角的要求，调试钻机至作业所需状态，如图4所示。

图4 钻机安装就位

（5）浆液拌制。采用高速搅拌机拌制浆液，注浆材料采用规格为P.O42.5的硅酸盐水泥。严格按照配合比的要求进行拌制，拌制过程连续均匀，搅拌时间不小于3 min，随时检测浆液稠度，随用随拌，不得留置时间过长。为避免出浆口产生堵塞，在出浆口位置设置过滤网。

（6）试喷。准备好设计配比的浆液，进行试喷作业。试喷时将喷嘴对准旋喷区域，检查喷射过程喷射压力、出浆情况是否满足要求。若喷射过程中出现各类阻碍因素，应在第一时间采取解决措施，营造稳定的施工环境。

4.4.2 水平钻进

（1）配置循环浆液。本隧道采用施工用水循环，成孔困难时可配置膨润土作为循环浆液，避免塌孔或成孔困难。

（2）钻孔。周边旋喷桩钻孔按照从下到上或左右交替跳跃式成桩，以保证两边强度平衡，减少因钻杆偏斜造成桩体咬合率低的问题。为确保相邻旋喷桩的相互咬合，钻进过程中控制好桩的方位角，方位角误差控制在±2‰范围内。钻进中可采用低压、低流量清水，防止砂砾进入喷嘴，同时可冷却钻头。

4.4.3 高压旋喷

（1）旋喷。钻进到设计深度后开始旋喷，旋喷压力35～40 MPa。为了保证端头旋喷质量，先原位旋喷0.5 min，旋喷前5 m时，后退速度保持在15～18 cm/min，以后可升到20 cm/min，回抽速度要经常测量校正。

（2）卸管。先停止回抽，旋转5圈停止送浆后再卸管。卸管后要尽快将进管与前端连接，恢复送浆旋转5圈后再回抽。

（3）停喷。每孔旋喷到距孔口0.5 m时停止旋喷退出钻头后，立即用木塞包水泥袋堵住孔口，以防止浆液大量外泄。

4.4.4 管道清洗

每根桩旋喷完毕后，及时清洗管道及设备，避免管内浆液凝固或残留物堵塞喷嘴。清洗完成后移至下一桩位。

4.4.5 废浆液处理

每循环旋喷桩施工完成后，及时清除泥浆池内的废浆液。废浆液按规定处理，不得乱排乱弃。

5 水平旋喷桩施工效果评价及建议

5.1 施工效果评价

从银山二号隧道水平旋喷桩施工效果看，旋喷桩的咬合程度达到了预期效果，桩体沿开挖轮廓线布置均匀，现场检查桩的直径达到了65～75 cm，咬合宽度20～35 cm，检测桩体无侧限抗压强度达到了12.1 MPa。经选取三个监控量测断面分析，10 d后仰拱初支成环，拱顶沉降稳定，累计沉降值分别为65.4 mm、56.5 mm、54.2 mm，拱顶沉降得到有效控制。表明水平旋喷桩施工解决了隧道开挖期间拱顶漏砂、坍塌、沉降变形大的问题。每循环开挖进尺达1 m，保障了施工安全和进度要求。

5.2 存在的问题及建议

（1）水平旋喷桩开挖后，前端侵限部位需要人工破除，造成桩体破坏，支护作用降低；后端桩体上仰角度过大，桩下砂层掉落，采用喷射混凝土回填，成本增加。建议在施工中采取增加工作室措施，或改进钻杆钻进过程中的角度控制措施，对桩体外插角精确控制。

（2）本隧道采用单喷嘴旋喷设备，采用单浆液喷射，容易出现桩体不均匀现象，可采用双喷嘴旋喷工艺解决。

（3）施工中要根据实际情况，考虑预留变形量，通过实际观测数据指导现场施工，在施工过程中循序改进使支护参数达到最优［13］。

（4）旋喷过程中要对喷浆量进行计算，同时要注意检查注浆流量、空气压力、注浆泵压力、钻杆后退速度、转速等参数是否符合要求，若发现异常，应及时查明原因并采取相应措施，确保水平旋喷桩的施工效果及作业安全。

（5）现场施工的临时泥浆池要做好安全防护工作，采用塑料布封底，避免泥浆外渗，造成拱脚或仰拱浸泡。

6 结束语

通过施工实践，对比水平旋喷桩超前预支护技术与传统超前小导管注浆、超前大管棚等预支护技术，具有以下几个方面的优点：

（1）水平旋喷桩超前预支护技术解决了细砂层隧道开挖时涌砂、流砂、掌子面坍塌及沉降变形大的问题，形成的承载拱圈有一定的强度，加固体均匀程度好，具有良好的止漏砂、止水效果，可以起到加固掌子面、减少隧道变形的作用。

（2）水平旋喷桩超前支护具有加固范围可控、操作方便、成本低、效率高的优点。

（3）使开挖支护施工安全性得以提升，同时，进度要求也得以保障。

（4）该隧道采用锁脚旋喷桩代替传统的锁脚锚杆，解决了软弱砂层下钢架没有着力点的问题，有效控制了初期支护的沉降和变形。

根据软弱地层条件，通过调整旋喷的各项技术参数及支护范围，进行动态设计，水平旋喷桩超前预支护施工技术成为黏性土、砂类土、泥岩及小粒径砂砾层和破碎带隧道全断面或台阶法开挖施工的有效支护措施。