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        粉細(xì)砂地層隧道水平旋噴樁支護(hù)技術(shù)

        2011-08-02 08:42:36陳五二
        關(guān)鍵詞:粉細(xì)砂砂層掌子面

        陳五二

        (中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢(xún)集團(tuán)有限公司,北京 100055)

        在粉細(xì)砂地層中修建鐵路隧道,通常都采用密排鋼管或其它型鋼支護(hù),但此法的效果不甚理想,如:施工中常常出現(xiàn)漏砂、流砂甚至支撐折斷,核心土失穩(wěn),施工安全和工程質(zhì)量沒(méi)有保證;管棚利用率較低,循環(huán)進(jìn)尺短,施工進(jìn)度慢,當(dāng)開(kāi)挖邊墻時(shí),拱腳處砂體受擾動(dòng)后易造成拱背流砂,甚至造成掉拱,等等。

        水平旋噴樁是用專(zhuān)用機(jī)械進(jìn)行鉆孔,按規(guī)定速度回轉(zhuǎn)鉆桿,從鉆桿前端用泵高壓噴射水泥系固化材,切削圍巖,強(qiáng)制土顆粒與漿液攪拌混合,膠結(jié)硬化后形成直徑比較均勻,具有一定強(qiáng)度樁體,從而使地層得到加固。結(jié)合大西客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)上白隧道穿越砂層地段介紹水平旋噴樁支護(hù)技術(shù)。

        1 工程概況

        大西客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)上白隧道為雙線(xiàn)隧道,隧道進(jìn)口里程改DK594+754.6,出口里程改DK596+464.5,全長(zhǎng)1 709.9 m。隧道所屬地區(qū),黃土臺(tái)塬地貌,沖溝發(fā)育,地形起伏較大。隧道最大埋深126.22m。隧道洞身通過(guò)地層為:(Q3dl+pl)新黃土、(Q2

        pl)老黃土、粉細(xì)砂。其中進(jìn)口段約500 m從粉細(xì)地層中穿越。該砂層物理性質(zhì)為粉細(xì)砂,干燥、密實(shí)、呈松散結(jié)構(gòu),此種砂層受開(kāi)挖擾動(dòng)后立刻呈現(xiàn)流砂及涌砂狀態(tài),短時(shí)間內(nèi)即形成堆積體。圖1為開(kāi)挖后拱部漏砂的情況。

        圖1 拱部漏砂

        2 水平旋噴樁的加固原理

        水平旋噴樁預(yù)加固是在洞內(nèi)開(kāi)挖面前方沿隧道開(kāi)挖輪廓,利用水平旋噴機(jī)按間距55 cm,長(zhǎng)20 m左右鉆孔。當(dāng)鉆至設(shè)計(jì)長(zhǎng)度后,高壓泵開(kāi)始輸送高壓漿液,同時(shí)鉆頭一邊旋轉(zhuǎn)一邊后退,并使?jié){液從鉆頭處直徑2.3~2.5 mm的噴嘴中高速射出,射流切割下的砂體與噴出的漿液在射流的攪拌作用下混合,最后凝固成直徑60 cm左右的旋噴柱體,相鄰柱體之間環(huán)向相互咬合,在開(kāi)挖面前方形成整體性較好的旋噴拱。如此所形成的固結(jié)體強(qiáng)度比原狀砂層有極大程度的提高,又由于高壓射流對(duì)固結(jié)體周?chē)绑w的擠壓和滲透固結(jié)作用,固結(jié)體周?chē)皩拥奈锢砹W(xué)性能也顯著改善。預(yù)加固在開(kāi)挖前就已深入到開(kāi)挖擾動(dòng)范圍以外,所以開(kāi)挖后預(yù)支護(hù)拱就會(huì)立即發(fā)揮作用,可抑制圍巖的大部分位移,承受大部分地層壓力,從而可保持砂體地層在隧道開(kāi)挖后的穩(wěn)定,防止漏砂及砂體坍塌,為開(kāi)挖提供安全可靠的保障。具有以下特性:

        (1)在隧道開(kāi)挖之前,于掌子面前方構(gòu)筑拱形剛性體,來(lái)減輕傳到掌子面和支護(hù)上的荷載,控制開(kāi)挖引起的變形;

        (2)水平旋噴樁的漿液被限制在土體破壞的范圍內(nèi),漿液的注入部位和范圍是可以控制的,可通過(guò)調(diào)節(jié)注入?yún)?shù)(如切削土體壓力,固化材料的注入速度,配合比、注入量等)滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

        (3)鉆桿在旋轉(zhuǎn)和后退的過(guò)程中,在噴射壓力作用下,迫使土粒向與噴嘴移動(dòng)相反的方向移動(dòng),與漿液攪拌混合形成固結(jié)體,故加固體的均勻性好。

        3 水平旋噴樁設(shè)計(jì)

        沿隧道斷面拱部150°范圍內(nèi)布設(shè),旋噴樁樁徑為600 mm,為保證支護(hù)效果,防止漏沙,涌砂,采用咬合樁布置,樁間距為450 mm,其橫斷面布置見(jiàn)圖2。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件,第一循環(huán)段處理6 m,插入角15°,以后每循環(huán)段處理18 m,插入角5~10°。搭接長(zhǎng)度1 m,超前殘余長(zhǎng)度為4 m。

        圖2 旋噴樁橫斷面(單位:cm)

        施工技術(shù)參數(shù):壓力大于25 MPa,提升速度10~25 cm/min,旋轉(zhuǎn)速度20~25 r/min;雙噴嘴2.3~2.5 mm。

        漿液配比:采用425號(hào)普通硅酸鹽水泥,水灰比0.75~1.0,根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況可加入水泥重量3% 的水玻璃和0.02%的鋁粉。

        4 施工工藝

        4.1 施工工藝

        (1)封閉掌子面,每循環(huán)水平攪拌樁施工前應(yīng)先用噴混凝土封閉掌子面,防止掌子面坍塌和涌砂、流泥;(2)鉆孔至設(shè)計(jì)深度后,先只做原地旋噴,待返漿由導(dǎo)漿管流出后方可開(kāi)始提升;(3)全孔雙噴嘴施工,因故中途噴嘴堵塞時(shí)立即停噴、提鉆,處理后方可繼續(xù)施工;(4)封口成樁,退出鉆頭孔口用棉紗木塞等將孔口封住,防止?jié){液外流。(5)施工采取間隔跳躍式施工,應(yīng)保證隔兩鉆孔施工。

        4.2 施工工藝流程(圖3)

        圖3 施工工藝流程

        5 水平旋噴樁效果

        從上白隧道實(shí)施水平旋噴樁開(kāi)挖效果看,旋噴樁的咬合達(dá)到了預(yù)期的效果?,F(xiàn)場(chǎng)照片見(jiàn)圖4?,F(xiàn)場(chǎng)檢查樁的直徑為55~65 cm,咬合寬度為10~20 cm,基本上達(dá)到了設(shè)計(jì)的要求?,F(xiàn)場(chǎng)也從旋噴樁體中鉆取巖芯測(cè)試最低抗壓強(qiáng)度為3.2 MPa。從隨后隧道開(kāi)挖施工情況來(lái)看,基本上滿(mǎn)足隧道開(kāi)挖期間的施工支護(hù),未發(fā)生大的漏砂和流砂的情況,既保障了施工安全,同時(shí)也加快了施工進(jìn)度。

        圖4 水平旋噴樁現(xiàn)場(chǎng)效果照片

        6 結(jié)論及建議

        (1)水平旋噴樁的有效施作,為粉細(xì)砂地層隧道施工提供安全可信的保障。能為以后軟弱圍巖的隧道工程超前預(yù)加固技術(shù)提供可借鑒的施工經(jīng)驗(yàn)。

        (2)水平旋噴樁在我國(guó)隧道工程中研究和應(yīng)用較少,目前大多數(shù)施工工藝還處于試驗(yàn)、摸索階段,針對(duì)隧道工程部分配套設(shè)備(如定位、移動(dòng)等)尚處于空白,部分工序還依賴(lài)人工操作的熟練程度;但隨著我國(guó)地下工程的發(fā)展,水平旋噴樁的研究也將進(jìn)一步深入,相信它將會(huì)在軟弱圍巖的地下工程施工中得到更加廣泛的應(yīng)用。

        (3)在本隧道施工中,發(fā)現(xiàn)部分咬合樁在尾部處出現(xiàn)樁徑不均勻、咬合效果差的現(xiàn)象,建議在當(dāng)前的設(shè)備和施工環(huán)境中適當(dāng)減少單根樁長(zhǎng),采用12 m為宜。

        [1]王圣濤,鄧敦毅.水平旋噴樁在深圳地鐵超前預(yù)加固中的應(yīng)用[J].鐵道建筑,2003(6):29-31.

        [2]王圣濤,馬征軍,鄧敦毅.水平旋噴樁在深圳地鐵大-科區(qū)間流塑狀黏性土中的應(yīng)用[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì),2003(4):7-9.

        [3]劉 娟,王海江.水平旋噴樁在酸刺溝隧道拱頂支護(hù)中的應(yīng)用[J].山西建筑,2009(28):318-319.

        [4]彭少杰.水平旋噴加固體的成樁機(jī)理與直徑分析研究[J].地下工程與隧道,2008(3):42-44.

        [5]張建華,梁杰忠.水平旋噴樁工藝在廣州地鐵2號(hào)線(xiàn)工程施工中的應(yīng)用[J].水運(yùn)工程,2002(8):72-75.

        [6]關(guān)寶樹(shù).隧道工程施工要點(diǎn)集[M].2版.北京:人民交通出版社,2011.

        [7]關(guān)寶樹(shù),趙 勇.軟弱圍巖隧道施工技術(shù)[M].北京:人民交通出版社,2011.

        [8]楊曉東.錨固與注漿技術(shù)手冊(cè)[M].2版.北京:中國(guó)電力出版社,2010.

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