穿越浅埋富水砂层隧道水平旋喷桩加固技术应用研究

赵兴岩

中铁建大桥工程局集团第二工程有限公司 广东 深圳 518000

在浅埋富水砂层隧道施工中科学运用水平旋喷桩加固技术，可以提高软弱地质稳定性，使富水砂层具有良好的承载力和止水效果，避免隧道施工过程出现涌砂、涌水等安全隐患。水平旋喷桩强度较高，可为隧道开挖施工提供安全保障。由于不同地区隧道施工的地质、水文条件复杂，隧道加固工艺差异性较大。针对浅埋富水砂层隧道水平旋喷桩加固技术的相关研究，可以有效降低隧道施工风险系数，具有重要的经济效益和推广价值。

1 工程概况

莞惠城际GZH-4项目全长5.300km，位于东莞市东城区，区间场地属剥蚀丘陵及丘间谷底地貌，地形有较大起伏，标高在6.2～133.3m之间变化，谷间多为菜地、高尔夫球场、上屯村居民区。招标设计线路沿八一大道和松山湖大道进行施工，线路布设需穿越市政道路、旗峰山、高尔夫球场、高速、1.1 km居民区、黄沙河，然后连接GZH-5标段。隧道主要穿越粉质粘性土、全风化、强风化、微风化混合片麻岩，局部穿越粗砂层、泥质砂岩。项目共设7座竖井，井深19～52m，暗挖隧道全部通过竖井开挖。

2 工程特点及重难点

2.1 工程特点

项目全部为区间暗挖隧道，且均通过竖井进洞施工。隧道经过区域环境较复杂，隧道先后穿越上屯村1.1km居民区、高尔夫球场、黄沙河、八一大道、环城路、莞深高速、西南路，对施工影响较大。暗挖隧道通过竖井施工，部分竖井较深，提升能力是保证施工进度的关键。

2.2 工程施工重难点

2.2.1 施工重点

莞惠城际GZH-4项目施工重点概括起来主要为“一区、二水、三井、四路”。“一区”是指隧道穿越上屯村1.1km居民区，房屋密集，基础简单，爆破振动、地表沉降控制难度较大；“二水”为隧道先后穿越高尔夫球场人工湖、黄沙河，穿越人工湖隧道顶即为湖底，穿越黄沙河段河底有较厚砂层；“三井”是指3、4、5#井，3、4#井深接近50m，5#井井深53m，在工期如此紧迫的情况下深竖井的开挖及出碴是一个较大难题；“四路”是指隧道先后穿越八一大道、环城路、莞深高速公路、西南路，4条主干道车流密集，管线密布，地表沉降控制要求较高。

2.2.2 施工难点

降水井施工是莞惠城际GZH-4项目施工难点。为提高拱顶W4全风化岩的自稳能力，减少浅埋富水砂层内动水对旋喷桩施工质量的不利影响，应进行该段隧道地表降水。在左线GDZK25+036～GDZK25+076.453、右线GDK25+045～GDK25+080外开挖轮廓线外侧4.0m，在两线路中间右侧打设降水井，降水井间距10m，左、右线外侧两排降水井与两线中间的降水井施工采用梅花形布置。降水井开孔直径700mm，井管采用直径400mm焊接钢筋笼。降水井深度为隧道仰拱以下7.5m，在隧道开挖前15～20天对土体进行降水。降水井施工注意事项：在降水井施工前，明确地下管线位置，做好保护措施；降水井和结构外轮廓线距离约4m，施工过程小导管、锁脚锚管、锚杆应避开降水井,并间隔3孔井布置1孔观测井；观测井布设应准确反映施工现场的水位变化；提前进行降水试验，以便调整施工工艺和相关设计参数；降水过程同步监测各降水井、观测井的水位和水量，根据监测结果及时进行调整；充分重视降水对施工环境的影响，施工期间应加强对周围建筑的沉降监测，为防止降水造成周围建筑沉降过大，在建筑物附近可设适量的回灌井，以保证建筑安全[1]。

3 穿越富水砂层隧道加固施工方案

暗挖隧道穿越富水砂层段(DK25+036～080)围岩为Ⅵ级围岩，采用CD法开挖。隧道地面地形平坦，周围建筑物主要是厂房及建筑物，与隧道左线轮廓线距离8～20m。隧道拱顶上方地质依次为强风化花岗岩、全风化粉砂岩、粉质粘土、砂层及素填土，洞身主要为强风化混合片麻岩。其中花岗斑岩，节理发育，围岩破碎，强风化节理裂隙发育，岩体破碎，渗水性强。全风化层呈砂土状，遇水软化，开挖过程中易坍塌。隧道位于黄沙河附近，施工现场地下水与黄沙河存在一定水力联系，且地下水丰富。隧道附近存在厂房等建筑物，为保证隧道开挖施工安全和周围建筑安全，因此应先进行地表降水，再在洞内采用水平旋喷桩进行超前支护，以满足设计要求的加固效果[2]。

总体施工方案：（1）右线GDK25+045～GDK25+080段矿山法隧道地表采用ø700间距10m管井降水，隧道拱部180°范围采用Ø600mm@400mm洞内水平旋喷桩进行超前支护。（2）左线GDZK25+036～GDZK25+076.453段矿山法隧道地表采用ø700间距10m管井降水，隧道拱部180°范围采用Ø600mm@400mm洞内水平旋喷桩进行超前支护。洞内清淤后，采用网喷混凝土结构封闭左线GDZK25+036、右线GDK25+045掌子面喷射混凝土厚度≥20cm。先在地表打设降水井进行降水，然后在洞内采用水平旋喷咬合桩进行超前支护。

4 水平旋喷桩加固技术

4.1 施工准备

首先，设备进场。检查钻机运行情况，检查启动柜、三联泵、液压油、电机、钻具、工具、各油管快速接头、高压注浆泵等。钻机应正常运行，启动柜、三联泵应完好，液压油液面高度应在油箱高度的2/3处以上，电机、钻具、工具、各油管应齐全，避免回油管、机台各油管出现损伤。高压注浆泵、压力表可以正常运行，且注浆管路应畅通。其次，测量放线，确定水平旋喷桩位。在暗挖隧道两侧进行测量放线，确定2个同一里程点，同时测量确定隧道开挖轮廓线、桩位，做好标记和桩号，桩位采用钢筋进行标志。

4.2 钻机就位

钻进安装前先平整场地和工作平台，安装轨道、立柱等，并设置排水沟。钻机安装采用250×250mm规格的钢垫板和直径Φ16mm的高强螺栓。钢垫板应固定牢固，且具有一定强度。严格控制钻进安装施工误差（如表1所示），在钻进就位后，合理调整钻机角度和安装方位，确保孔位准确。莞惠城际GZH-4项目的水平旋喷桩径为600mm，桩间距40cm，旋喷压力40MPa，旋喷转速20r∕min，浆液流量50L/min，浆液配比以1：1为宜，后退速度20cm∕min[3]。

表1 钻机安装允许误差

4.3 浆液制备

根据隧道加固施工方案和相关规范要求，科学设计水泥浆浆液配比。合理配制浆液，确保浆液搅拌均匀。在浆液制备过程，关注、测量浆液比重。每个桩位在高压注浆结束后，应及时统计该处浆液用量。浆液制备采用高速搅拌机进行搅拌，制定、搅拌浆液要求连续均匀，保证搅拌时间≥3min，且搅拌1次浆液使用时间应≤4h。

4.4 确定施工范围

在隧道拱顶180°开挖轮廓线以外为水平旋喷桩施工范围，将42根Φ600mm的旋喷桩作为隧道超前支护，并在隧道上半部的掌子面，打设9根旋喷加固桩，以加固掌子面土体。旋喷在共设3排，桩间距1000×1500mm，旋喷桩以梅花型进行布置(如图1所示)。项目所有水平旋喷桩桩长均为15m。每循环预留3m旋喷桩搭接长度，项目中的拱顶旋喷桩外插角为5°。

图1 水平旋喷桩加固范围断面图

4.5 钻进

先打2个探孔确定施工现场的地层情况，最大程度地减少软弱不良地质对钻孔角度和钻进施工质量的影响。再根据探孔实际情况，确定钻进角度，调整钻机对准孔位（如图2所示）。将钻头和第1根钻杆送入孔口管，打开密封装置和循环液排出口。项目循环浆液采用膨润土、聚丙乙烯、火碱制作。正式钻进时按钻进角度，钻至设计深度。钻进施工时容易出现堵住喷嘴的问题，应密切关注循环液压力变化，并在钻进过程中将循环液压力严格控制在1.0～2.0MPa范围，以防钻进过程出现砂石堵塞喷嘴的问题。当钻机移到下一孔位时，应先检查相邻桩的成桩时间，确保相邻桩的成桩时间超过初凝时间，再进行后续桩的施工。当前一根桩的浆液强度达到一定要求后后施工的桩才能开钻，相邻桩应相互咬合，一般情况下移至下一孔位时，适宜跳过1～3根桩再施工。

图2 水平旋喷施工示意图

4.6 高压旋喷

高压喷浆参数：浆液配比为1：1，注浆压力为35～40MPa。高压喷浆作业为跳跃式成桩，应确保强度一致,以预防钻杆偏移、桩间咬合率低等问题。高压注浆泵应满足泵压40MPa要求，泵压符合设计要求即可正式开始喷浆。注意预防钻杆接头处漏气问题，发现漏气则退回钻杆，及时查出问题原因，重新密封后再施工。注意预防喷嘴堵住、堵死，发现问题应及时全部退回钻杆，并进行疏通，然后重新下管，施工至设计深度，再进行旋喷。高压喷浆施工至孔底时，应先停留片刻，再将钻杆缓向外拔出。在高压喷浆过程中由专人负责控制泵压，当泵压过低时应暂停作业，解决问题后再继续作业。钻杆外拔至孔口0.50m，停止注浆将钻杆拔出。注意拔出的钻杆应马上进行清洗，清洗采用高压清水，可以防止残留浆液凝固问题，预防下次施工出现残留颗粒物堵塞喷嘴问题。每根水平旋喷桩施工完毕后，应采用清水对管道及设备进行高压冲洗，以防管道内出现残渣，清洗干净后即可移至下一桩位继续施工[4]。

4.7 封孔

高压旋喷至掌子面0.50m处，即可停止喷浆。先拆除密封装置，关闭循环液排出口，然后将钻杆、钻头快速拔出，再关闭大球阀。注浆完成后将压力表安装在循环液排出口进行浆液补注，将补注压力控制在1.0MPa左右为宜，补注结束48h即可将大球阀进行缷除。

5 水平旋喷桩施工注意事项

钻杆连接、卸除应快，并注意清洗干净接头，防止钻杆残留杂物堵塞喷嘴，并保证循环液排出口为畅通状态。为预防循环液排出口出现堵塞，应保证密封装置和返浆通道畅通、设备运行状态正常。旋喷桩施工过程应严格控制返浆量，将其控制在规范20%为宜。

如果孔内无法疏通，为防止出现抱钻等情况，则可缓慢退出钻杆，在钻孔返浆正常后，可重新下钻杆，继续进行高压旋喷作业。高压旋喷时因故障中断时，应结合故障原因采取有效措施及时进行处理。高压旋喷过程出现机械故障时，应尽量缩短中断施工的时间，并尽快恢复作业。当中断施工的时间＞2h时，应采取补救措施。恢复高压旋喷后，钻杆应多伸出30cm，以保证浆液凝结的连续性。当施工过程发生冒浆时，及时封堵孔口；若出浆量大可加入适量速凝剂，并严格控制喷浆速度[5]。

6 结语

为保证软弱不良地质的隧道水平旋喷桩加固效果，在施工前应根据项目地质水文条件，做好施工降水措施，并严格检查施工机械设备，确保安全有效并可以正常运行。在水平旋喷桩施工过程中，严格按照相关规范进行操作，水平旋喷桩施工效果满足隧道加固要求，并有效提升隧道施工安全。