隧道钻进富水砂层地段水平旋喷桩技术探讨

王晓军

（邢台路桥建设集团有限公司，河北 邢台 054001）

1 引言

注浆是目前治理地铁隧道砂层不良地质的常用手段，包括帷幕注浆加固法、长管棚注浆加固法、水平旋喷桩加固法等[1]。水平旋喷桩技术主要为采用水平定向钻机预先钻取预导孔，当钻孔到预设长度后旋转回拉钻杆，同时通过钻杆将浆液灌入土体中，在巨大的冲击力作用下，浆液与土体颗粒充分混合，在胶结硬化后，形成注浆加固体，即水平旋喷桩[2]。此技术可应用于黏土层、砂层、粉细砂层、淤泥层等松散富水地层中隧道开挖前的路基处理，具有广阔的发展前景[3]。

本文以水平旋喷桩工法为基础，提出了水平旋喷内插管棚工法，详细介绍了此工法在施工过程中的重难点，并对现场试验对水平旋喷内插管棚施工的工艺及设备进行了改进。

2 水平旋喷内插管棚工法

2.1 工艺介绍

水平旋喷内插管棚工法工艺流程主要为：场地“三通一平”→工作井开挖→测放点位及监测点布设→钻机就位→引进钻头（89 mm）钻进→更换搅拌钻头（600 mm）、安装114 mm钢管→钻杆回拉、搅拌、安装114 mm管棚→安装泄压管→钻头出洞、封洞→安装泄压管、114 mm管内注浆→对注浆加固体进行检测。

2.2 工作井的开挖及围护

工作井围护形式：三面采用TRD插型钢+内支撑，一面采用双排φ800 mm@600 mm垂直搅喷桩。工作井土方开挖分层进行，随深度的增加分层打设水平桩，水平桩打设需隔孔打设，为防止浆液凝固，影响咬合效果，需增加适量缓凝剂。

2.3 工作井端头加固

根据工法试验情况，封孔处漏浆明显，为保证端头封孔效果，工作井端头2 m范围内采用φ600 mm@450 mm旋喷桩进行加固。桩体的设计参数为：桩长L=61~68 m、桩体直径600 mm、桩体咬合宽度200 mm；技术要求：桩体单轴抗压强度≥1 MPa；桩体渗透系数＜1×10-7cm/s；外倾角≤1.5°；钻进偏差≤1/200；桩体咬合率≥90%。

2.4 过街横通道支护

当拱顶及洞身为砂层段时，周圈设置水平桩，当洞身为粉质黏土段时，仅顶拱、侧墙设置。拱部180°打设φ600 mm@400 mm水平搅拌桩，内插φ114 mm大管棚。边墙及底板外轮廓视地层情况打设φ600 mm@400 mm水平搅拌桩。隧道洞身采用CD法开挖。初支厚300 mm，格栅拱架@0.5 m。

2.5 工法设计要求

钻进精度需符合要求，以确保长距离钻进中不影响管线；成桩质量需达标，固结体直径、咬合宽度等需符合要求；强度、抗渗性能需达到要求；明确断桩情况并进行原因分析；保证注浆均匀性（浆液与土体混合程度）；保证注浆可控性（浆液注入范围可控）；保证地层适用性，尤其是砂层段效果。

3 现场试验

为保证上述工法在富水砂层路段上顺利实施，挑选了相同地质条件的路段进行了现场试验。试验场地位于东郭庄车辆段，两工作井间距50 m，结构尺寸均为：宽10 m×长6 m×高4 m。实验段内开挖3 m×3 m×3 m的基坑1个，回填砂土。加固体直径600 mm，共施工3根，咬合150 mm，桩心距地表高度为1.8 m。

3.1 施工准备

施工准备包括场地布置、机械设备安装调试、人员上场和材料购置及储备等工作。施工前，清除施工场内障碍物，不能清除的做好保护措施，然后整平、压实；合理布置施工机械、输送管路和电力线路位置，确保施工场地“三通一平”。钻机就位后，对钻机进行调平、对中，调整钻机的垂直度，保证钻杆与孔位一致；钻孔前调试空压机、泥浆泵，使设备运转正常。

3.2 引进钻头钻进

把钻机移至钻孔位置，对准孔位用水平尺掌握机台及钻杆水平，垫牢机架，经技术人员检测合格后方可开钻。如发现钻机倾斜，须停机找平后再开钻。钻进采用水冲法作业，钻机内配置高压泵，钻头前端有切削土体的可旋转叶片，钻头前端设置出水孔，钻头尾部的信号发射器配合地表的移动式信号接收器组成雷达定位系统，可以随时纠偏。土壤在高压水冲击及钻头推进力的作用下冲散成孔。钻杆直径为89 mm，即引孔孔径89 mm。引孔的钻孔垂直度允许偏差≤3.0%，钻孔位置允许偏差为50 mm。钻进速度控制在50 cm/min，4.5 m的钻杆通过内外交错的连接方式一节一节钻进土层。钻进过程若遇到异常情况，要及时查明原因，采取相应措施，对地层变化、颗粒大小、硬度等要详细记录，钻孔结束后，由技术人员进行质量检查，合格后方可进行下道工序施工。

3.3 换搅拌钻头并连接管棚

引孔钻头贯穿土层后，将引孔钻头拆卸，换上直径为600 mm的搅拌钻头，搅拌钻头内侧有出浆口，外侧有连接管棚的卡扣，管棚为钢结构直径114 mm，壁后6 mm，每根管棚长3 m，管棚钢管连接在搅拌钻头一端随着钻杆回拉内插入桩体，钢管棚段间用丝扣连接。

3.4 设置泄压孔并封堵端头

搅拌钻头换置完毕并连接好管棚后，启动钻机开始回拉，回拉的同时搅拌土体并喷射注浆，搅拌钻头出洞段1 m范围内停止喷射注浆，待管棚到位后人工清除出洞段1 m范围内松动土体。将1根直径为10 cm的L形PVC管一端插入洞内1 m，另一端出口垂直向上长度为0.5 m，安置好泄压孔并用速凝混凝土进行封堵。

3.5 试验总结

设计桩直径为60 mm，桩间距为45 mm，设计桩咬合为39.7 mm，通过现场试验结果与设计数据进行对比可得：试验数据与设计数据基本吻合，说明钻孔引进工艺相对成熟；管棚拖曳工艺效果良好；成桩线性良好，偏移较小；桩间距和咬合长度基本符合设计要求；桩体基本完整。

同时通过本次试验也发现了该工法及设备存在一些不足，引孔钻杆直径为89 mm，回拉时钻杆直径为600 mm，一次性回拉扩孔有塌孔的风险，且扩孔对地表扰动较大，易出现管棚下垂、钻头糊钻、搅拌不充分的现象，部分成桩不均匀。

4 工艺及设备改进

针对现场试验发现的上述问题，本文创新性地对水平旋喷内插管棚工法在工艺上进行了优化，由一次扩孔改为两次扩孔，并根据新工法的要求对设备进行了改进。

4.1 工艺介绍

优化后工艺流程：场地“三通一平”→工作井开挖→测放点位及监测点布设→钻机就位→引进钻头（89 mm）钻进→更换出渣钻头（300 mm）、连接300 mm出渣钢管排渣→更换搅拌钻头（600 mm）、安装114 mm钢管→钻杆回拉、搅拌、安装114 mm管棚→安装泄压管→钻头出洞、封洞→安装泄压管、114 mm管内注浆→对注浆加固体进行检测。

4.2 设备改进

根据二次扩孔需求，设计了出渣钻头及出渣钢管。一次扩孔回拉时，出渣钻头前端连接出渣钢管后端连接钻杆，出渣钻头设有破土齿、破土出水口、密封前仓。密封前仓可支撑周围土体、承受水压，避免出现之前试验糊钻的情况。土体钻头通过分动器与出渣钢管连接。钻机通过钻杆给钻头提供高压射流。钻机带动钻头回拉，在破土齿旋转及高压射流双重作用下打碎土体使之沿空心钢管排渣，回拉的同时间歇连接钢管。

4.3 出渣钻头排泄土渣

引孔钻头钻进工序与前文一致，此处不再赘述。引孔钻头贯穿土层后，将引孔钻头拆卸，换上直径为300 mm的出渣钻头，出渣钻头上设置出水口。喷水压力在0.1~3 MPa，由钻机提供动力。搅拌钻头另一侧连接上直径300 mm的空心钢管，空心钢管壁厚5 mm，每段长3 m，用粗牙螺纹丝扣、卡扣快接法或螺栓连接。出渣钻头在钻机动力作用下边回拉边打碎土体使之沿空心钢管排渣，空心钢管连接出渣钻头端部也设置有出水口，利用水压将打碎土体从管内冲出。出渣钻头回拉速度控制在50 cm/min，每回拉1 m待钢管中渣土排尽，且流出清水后再继续施作。钢管不是一次性连接完成的，而是边回拉边连接钢管，防止钢管自重引起的挠度影响。

4.4 换搅拌钻头并连接管棚

出渣钻头贯穿土层回到始发井后，将出渣钻头拆卸，接收井一端的钢管换上直径为600 mm搅拌钻头。搅拌钻头的前端连接分动器，分动器上有连接管棚的接口，管棚为钢结构，直径114 mm，壁厚6 mm，每根管棚长3 m，管棚钢管连接在搅拌钻头一端随着钻杆带动钢管回拉向内插入桩体，钢管节段间用丝扣连接（管棚为直径114 mm的钢管，内含长150 mm内丝扣，用直径108 mm的连接钢管进行丝扣连接，连接钢管两侧分别有长150 mm的螺旋丝扣），钻杆回拉时，相邻两根管棚的首节钢管长度分别为3 m和1.5 m，其余钢管为3 m/节，确保管棚钢管接头错开1.5 m。管棚不是一次性连接完成，而是边回拉边接长管棚钢管。

4.5 设置监测管并封堵端口

搅拌钻头出洞段1 m范围内停止喷射注浆，待管棚到位后，人工清除出洞段1 m范围内松动土体。在管棚上用钢丝绑上监测管，监测管为直径30 mm的PVC花管，花管壁厚5 mm，花管上花孔孔径为15 mm，监测管和钢管棚一样，每根长度为3 m，每根监测管上有1个球阀开关，在监测管的末端浆液出口处设置1个端头管，端头管与检测管丝扣连接，端头管上携带1个压力传感器和电磁稳压阀，电磁稳压阀在管内压力≤0.5 MPa时是封闭的，当压力大于0.5 MPa时，电磁稳压阀会打开排浆泄压。监测管的连接方式是先把与端头管连接的监测单管的球形阀关闭再将端头管卸下，丝扣连接上新的3 m监测管，再将端头管接在检测管整体的末端，打开关闭的球形阀门。具体施作配合管棚连接同步施作，保证搅喷桩全程保压泄压。孔内压力过大会导致地表隆起破坏，压力过小会导致地表塌陷破坏且浆液留存率低。安置好监测管和管棚后，用速凝混凝土进行封堵。混凝土设计直径600 mm，标号C20，通过水∶砂∶碎石为1∶1∶1配制，加入质量比为30%的水玻璃，使其能够速凝。用混凝土封堵洞口时，应在钢管棚周围缠绕几层塑料编织袋，防止混凝土凝结后，管棚无法随着搅拌钻头回拉。

4.6 回拉搅喷

每回拉3 m，将出渣钢管卸掉一节，再将钻杆和新出土层的出渣钢管连接，如此循环将所有的出渣钢管拉出土层。回拉搅喷过程是一个钻杆回拉、钻头搅拌和浆液喷射三者协调进行的过程。搅拌充分的同时将浆液与打碎的土体充分混合形成致密结实的水泥土。注浆材料为水泥单液浆，水灰比为1∶1。开始先拌送水泥浆，然后开启泥浆，待达到设计参数，端头管压力值正常后再开始回拉钻杆。喷注中若遇故障等特殊情况时，喷管必须沿回拉方向的反向延伸10 cm才能开始继续喷注，以保证加固体的水平连续性。一根桩施作完成后，根据设计钻孔位置进行跳孔施作，施作过程重复上述操作。本例中钻孔间距为45 cm，桩的直径为60 cm，故两桩之间重合15 cm，全部施工完毕后形成水平搅喷内插管棚桩连续墙。

5 结语

本文以水平旋喷技术为基础，提出了水平旋喷内插管棚工法，证明了此工法的可行性，并根据试验发现了该工法的缺陷，对其工艺及设备进行了改良，使之能更有效地应用于富水砂层路段地基处理，从而有助于地铁建设过程中安全穿越浅埋第四系富水砂层，具有广阔的发展前景和较高的实际应用价值。