富水含泥粉细砂层隧道水平旋喷加固施工技术

周益兵

（中铁十六局集团第一工程有限公司，北京市 101300）

0 引 言

在富水含泥粉细砂地质条件下开挖隧道，一直是隧道工程施工领域的难题。目前国内对于水平旋喷桩的使用主要集中在干燥砂层或极软弱土层方面，对于在富水含泥粉细砂地层中的施工应用报道较少[1-3]。

本文以山西省小浪底引黄工程引水干线2#隧道土洞段全断面富水含泥粉细砂地层施工为背景，从超前水平旋喷桩的施工原理、旋喷钻孔设备、工艺流程、加固效果等方面介绍了在富水含泥粉细砂地层条件下的水平旋喷桩加固技术。

1 工程概况

小浪底引黄工程位于山西省运城市境内，是山西大水网“两纵十横”中第九横内的骨干性大型引调水工程，工程自黄河干流上的小浪底水库向涑水河流域调水。引水干线取水口位于垣曲县境内小浪底水库库区内板涧河入黄口上游600 m的黄河左岸处，末端位于闻喜县境内的吕庄水库，线路总长59.6 km。引水干线2#隧道土洞段位于干线的末端，全长6.7km，为无压隧道。

2 工程水文地质情况

隧道穿越富水含泥粉细砂地层，隧道埋深90～100 m，洞身附近为级配不良砂透镜体，砂粒为褐黄色粉细砂，饱和，稍密，泥质含量约10%～15%，砂层厚度大，垂直洞轴线方向分布较宽，顺洞轴线长度约270 m，占2#隧道土洞段总长度的4%。

地下水类型为承压水，地下水位线高于隧道洞顶17～31 m，地下水位较高，水量大，砂粒结构松散，颗粒均匀、形状不规则，级配差，分布较稳定，具有流动性大、承载力小、稳定性差等特点，尤其是砂层分布于隧道拱部且砂层较厚时，对围岩稳定及施工开挖影响极大，开挖施工过程中极易发生涌水、涌砂突泥现象，施工风险极大，隧道施工过程中发生多次突水事件，单个工作面的突水量最高达到10000 m3/d。

3 水平旋喷桩施工方法

3.1 加固原理

水平旋喷桩是利用高压浆液在切割破坏地层的同时将浆液注入地层，对前方围岩进行置换，钻杆边旋转边后退，利用浆液和土体进行混合，随着注浆管的旋转和后退形成具有强度高、匀称规律的圆柱形桩体，并通过桩位控制技术，在开挖轮廓线周边形成咬合的桩体，对砂层起到刚性承载支护的作用，同时在隧道周边形成封闭的止水帷幕墙，将地下水隔阻于开挖轮廓线之外，从而保证隧道施工的安全。

3.2 施工参数

在开挖轮廓线周边及掌子面布设超前水平旋喷桩，每循环施工长度为15 m，开挖长度10 m，预留5 m作为搭接。

旋喷桩桩长15 m，桩径500 mm，旋喷压力45～50 MPa，水泥浆液流量 190 ～220 L/min，喷嘴转速15～20 r/min，旋喷后退速度20～35 cm/min，咬合旋喷桩环向间距35 cm，咬合范围15 cm。

周边咬合旋喷桩成环布设，拱部及侧墙布设两环，底板布设一环，咬合旋喷桩沿开挖面周边拱部及侧墙部位布设并延伸至底板以下1 m范围，周边旋喷桩拱部、侧墙及底板成环布设。

掌子面布设稳定旋喷桩，外插角0°，用以增强开挖面整体稳定性。

拱部180°范围内施做完旋喷桩后，及时下入Φ76 mm刚性大管棚，提高桩体的抗剪能力。

3.3 施工机械设备

根据隧道施工断面大小及围岩加固的范围，选择合适的旋喷钻孔设备，施工主要设备及性能见表1。

表1 施工主要设备及性能表

3.4 施工步骤

3.4.1 制浆站及输浆管道

为减短输浆距离，降低材料损耗，从而达到提高施工效率的目的，第一次施工前在隧道工作面上方地表处集中组建自动化水泥制浆站以及高压泵站。

制浆站与隧道掌子面通过地表穿孔进行连接，为保证孔位精度，地表穿孔采用井钻施工，钻孔完成后下入钢管，钢管间采用套管连接，孔壁与钢管之间间隙采用碎石回填，并预埋Φ42 mm导管对孔壁进行注浆加固，待地表穿孔加固完成后，利用高压输浆管从孔内穿入，将制浆站浆液输送至施工掌子面附近。

3.4.2 止浆墙

为减少冒浆量，施做喷射混凝土止浆墙封闭掌子面，采用C20喷射混凝土，喷射厚度≤50 cm，止浆墙面挂设Φ8 mm钢筋网片，网格间距15 cm，网片双层布设；采用Φ25 mm锚杆嵌入掌子面，锚杆长度3.0 m，锚杆间距1.2 m，梅花型布置，锚杆外端与钢筋网片焊接牢固。

3.4.3 平整场地

设置钻机操作平台；钻机前方设置挡泥池，钻机后方利用沙袋堆码设置泥浆沉淀池，方便施工过程中泥浆清理。

3.4.4 放线定位

按照设计坐标对开孔位置进行放样，误差≤2 cm；根据桩的起点和终点坐标计算出桩体的外插角，并根据钻孔的偏距和仰角在钻机后方放出水平旋喷桩角度控制点。

3.4.5 钻孔

按照设计外插角度钻孔，钻机钻臂与桩位同轴对孔，钻孔外插角偏差控制在1%范围内，钻至设计深度结束。在钻孔过程中，对钻进速度、钻孔渣样、孔内出水量等做好详细记录，了解前方围岩地质特性，用以指导下一步的灌浆作业施工。

3.4.6 浆液配制

按照设计配合比要求配置水泥浆液，浆液比重必须满足要求，浆液使用前应进行过滤。高压旋喷灌浆材料采用425普通硅酸盐水泥，浆液配比为 W∶C=（0.8～1）∶1。根据地质情况和涌水量，水泥浆液配比可进行适当调整，如有必要可掺入外加剂。

3.4.7 旋喷

喷射管前伸至设计深度后，停止钻进，开始旋喷。严格按照设计要求确定的后退速度、旋转速度，自前往后开始喷射、旋转，后退至接近设计桩部尾端位置时停止喷射，并退出喷射管，进行下一孔施工。

3.4.8 冲洗

喷射结束后，向浆液罐中注入适量清水，开启高压泵，清理全部管路中的水泥浆液，并将喷浆管头上的附着砂土清理干净，以防堵塞。

3.5 水平旋喷桩施工控制要点

（1）施工前应根据当前的水文地质情况，确定合理的施工技术参数和浆液配比。

（2）旋喷桩施工遵循“先外环后内环、先周边后掌子面、自下而上、左右交替”的施工顺序。

（3）必要时，钻孔采用比重为1.0～1.2（水∶膨润土 =1∶0.07～0.1（重量比））的护壁泥浆。

（4）水泥浆液水灰比为 0.8∶1～1∶1，根据现场实际调整。

（5）高压喷射灌浆时必须连续不中断，自前往后、匀速后退，喷射过程中旋喷压力和灌浆量应达到设计要求。

（6）含水地层的旋喷施工过程中，冒浆量小于灌浆量的30%为正常现象，若＞30%或完全不冒浆时，应查明原因，并调整旋喷参数。

（7）冒浆量过大时，通常为有效喷射范围与喷浆量不匹配有关，应提高喷射压力或适当加快后退速度。

（8）旋喷过程中如因机械出现故障中止旋喷，应停止后退和喷射以防桩体中断。

（9）因故停喷后在继续旋喷施工前，应向前复喷50 cm进行搭接处理，避免出现断桩现象，之后方可继续后退喷灌，同时记录停喷的部位深度和时间。停喷＞2 h时，按断桩处理，重新钻孔至设计深度，重新旋喷。

4 水平旋喷桩加固效果评价

4.1 灌浆量监测

为保证桩体的施工质量，水平旋喷桩在施工过程中应对旋喷过程中的水泥灌浆量进行计录和观察，并结合冒浆量的大小判断灌浆是否异常。对于在富水含泥粉细砂地层中的水平旋喷桩施工，灌浆效果大致可根据以下几个条件进行判断：

（1）灌浆量不低于设计值。

（2）用于喷灌的水泥浆液水灰比、比重、胶凝时间符合设计要求。

（3）冒浆量小于灌浆量的30%；当冒浆量＞30%时，极可能影响成桩效果，此时因查明原因并及时采取措施；在松散地层中施工时，不冒浆或断续冒浆的情况则应视为正常现象。

（4）旋喷和后退连续、均匀；在含水地层中施工时，后退速度不应过快。

通过查阅该段旋喷桩的施工记录，并对灌浆时间以及灌浆量等数据进行分析，确定同时满足以上条件，以此判断喷灌达到了抗渗和加固的效果。

4.2 物理检查

在围岩加固完成后，开挖前通过检查孔施工，以检验前方围岩加固效果，为围岩加固效果评价和隧道开挖施工提供依据。现场检查通过实测检查孔渗水量，并根据检查孔渣样分析检查孔位置地质改良情况。

通过钻孔检查发现，渣样以水泥碎末为主，孔内渗水较少，达到了抗渗的效果。对桩体进行钻芯取样，并进行单轴抗压强度试验，抗压强度为5～8 MPa。

4.3 开挖地层揭露

开挖地质揭示：富水含泥粉细砂地层在水平旋喷加固后，围岩处于干燥或局部滴水状态，旋喷桩咬合效果较好，成桩直径均匀，无断桩、缩颈等现象，达到了理想的围护效果；起到了较好的止水效果；掌子面局部存在浆脉，浆脉饱满清晰，说明在水平旋喷桩的桩体的形成过程中，水泥浆液在高压的作用下对桩体附近的地下水通道起到了充填渗透以及固结的效果，同时也对附近粉细砂地层起到了挤密加固的效果。

4.4 围岩变形监测

对隧道拱顶沉降变形进行观测，根据量测和选取的回归方程推算出，最终位移值为10.1 mm，推算出基本稳定时间第20 d时，位移量达9.1 mm，位移率达90%，此后拱顶趋于稳定状态，未出现沉降变形随时间延长而明显变化的现象。

5 结语

综上所述，本文以山西省小浪底引黄工程引水干线2#隧道土洞段为背景，针对在土洞段富水含泥粉细砂地层施工过程中容易出现的地质灾害，通过采用超前水平旋喷桩对富水含泥粉细砂地层进行加固施工，达到了抗渗、防塌、控沉、以及安全开挖的目的。解决了富水含泥粉细砂层无缝咬合以及成桩均匀性的问题，成桩效果理想，止水以及加固效果良好，保证了施工质量与安全，为今后类似地层的隧道施工提供了经验参考。