于忠波，李世君，施龍焱

(1．中鐵隧道集團有限公司，河南洛陽 471009;2．中鐵隧道集團二處有限公司，河北三河 065201)

0 引言

伴隨著城市軌道交通的快速發(fā)展，隧道穿越的地表環(huán)境愈來愈復雜，穿越的軟巖富水地層愈來愈常見。在地表環(huán)境不允許進行地面垂直預加固的條件下，只有在洞內(nèi)采用超前全斷面注漿、超前小導管預注漿、大管棚、凍結等方法進行水平超前預加固。以上方法雖然能起到一定的支護作用，但在富水砂層中卻不能起到堵水防滲的作用［1］，存在風險大、工期長等缺點，因此，水平旋噴技術成為軟弱富水砂層暗挖隧道施工超前支護的一種新選擇。

目前，國內(nèi)外學者及工程建設者針對軟弱富水地層采用水平旋噴樁施工進行了許多卓有成效的工作及技術創(chuàng)新。文獻［1］對水平旋噴技術在城市地鐵富水砂層中的應用進行了論述，與國內(nèi)外同類技術相比，其水平旋噴樁施工長度達到了20～30 m，樁徑達到了500 mm，相鄰水平旋噴樁相互咬合較好，形成了環(huán)狀止水帷幕體，起到了止水、防流砂等作用，地表沉降跟蹤觀測表明其最大累計沉降量為5 mm。文獻［2］側重于軟弱黃土中水平旋噴樁加固體直徑、長度、縱向間距等的確定，得出了水平旋噴樁設計控制指標、施工工藝及參數(shù)，證明了水平旋噴樁能有效地提高仰拱底部土體的承載力，避免隧道出現(xiàn)整體沉降的現(xiàn)象。文獻［3］針對國內(nèi)現(xiàn)有水平旋噴技術存在的成樁質(zhì)量差、加固體周邊巖土體變形大以及廢漿液無序排放等問題，研制出大型液壓雙搖臂式全方位高壓噴射注漿鉆機進行水平旋噴樁施工。文獻［4］在水平旋噴樁的基礎上開發(fā)研制了加筋水平旋噴樁施工技術，其側重于加筋水平旋噴樁的施工流程、參數(shù)、技術及質(zhì)量保證措施等方面的論述。文獻［5］重點介紹了鐵路雙線隧道砂層地段采用水平旋噴技術進行預加固的應用案例，對所采用的施工工藝及方法、施工所需的人員、設備配制以及在施工過程中出現(xiàn)的搶鉆、斷樁與短樁的處理方法進行介紹。

作為新工藝、新技術的水平旋噴樁施工技術，在小斷面地鐵隧道富水砂層應用中，其鉆進角度控制技術還有待加強，樁間咬合度較差，不能形成較完整的環(huán)狀止水帷幕，需要結合超前小導管注漿、初期支護背后回填注漿才能確保洞內(nèi)的作業(yè)環(huán)境及施工安全。青島地鐵一期工程M3線試驗段采用優(yōu)化后的“環(huán)向水平旋噴樁+樁間超前小導管補充注漿加固”綜合支護技術，其效果優(yōu)于全斷面注漿、超前大管棚支護和超前帷幕注漿，在富水砂層隧道施工中能較好地控制地面沉降，起到洞內(nèi)防流砂、抗滑移、防滲透的作用。

1 工程概況

青島地鐵一期工程M3線試驗段土建工程保兒站—河西站區(qū)間隧道穿越VⅠ級富水砂層，K15+838．35～+660 里程段埋深8．15 ～13．1 m，開挖高度為6．64 m，寬度為6．34 m，從明挖車站端頭進洞，進洞后呈27‰下坡。隧道穿越富水的粗砂-礫砂-碎石土層，為原張村河古河床，最后逐漸進入強—中風化花崗巖地層，地質(zhì)條件差，地下水主要為第四系孔隙水，水位埋深4．3～7．0 m，主要含水層為第⑤、⑨、?砂層，具有弱承壓性，最大涌水量3 833．3 m3/d。右線緊鄰黑龍江路主干道，地面需保護的管線較多，有雨水管、污水管、供水、電力、信號等管線，與區(qū)間隧道并行，呈南北走向;左線連續(xù)側穿多棟2～3層磚混建筑的果品批發(fā)市場，對沉降反應敏感，隧道開挖時，沉降控制稍有不慎，極易造成破壞，并且，隧道正上方為果品批發(fā)市場停車場，旺季每日密排60 t以上的大貨車(滿載單車重量近百t)，動靜載大。地表環(huán)境使得富水軟巖隧道暗挖風險極高，其平面圖及地表環(huán)境如圖1所示。

2 試驗方案

受果品批發(fā)市場無法拆遷的影響，淺埋富水砂層段原設計的地表垂直高壓旋噴樁止水帷幕施工方案不能進行。在不考慮地層降水的前提下，引入了水平旋噴樁止水帷幕這一新工藝、新技術，并就此工藝進行試驗，研究水平旋噴樁在富水軟弱圍巖作為超前止水帷幕的可行性。

2．1 水平旋噴樁試驗段方案設計

為了檢驗水平旋噴樁在砂層中的成樁效果，摸索在不同地層中的施工參數(shù)，選擇地鐵區(qū)間隧道右線第1環(huán)水平旋噴樁為試驗段。該試驗段于2010年10月9日設備吊裝，14日開鉆，11月14日開挖支護完成，歷時1個月。

圖1 富水砂層里程段平面圖及地表環(huán)境圖Fig．1 Plan layout of Metro tunnel section in water-rich sand strata and surface buildings above

首先，沿隧道開挖輪廓線形成一圈水平旋噴樁套拱，主要起止水帷幕的作用，旋噴樁直徑700 mm，沿隧道環(huán)向布置，間距為400mm，環(huán)向搭接300mm。然后，在開挖掌子面按照間距1 m×1 m梅花型布設斷面旋噴樁，采取差別樁徑，即樁徑沿縱向深度的不同而不同。端頭樁直徑達1 200 mm，長度為3 m，其他深度處樁徑控制在400mm左右，這樣既可以保證端頭能夠封閉，又能阻擋掌子面正前方的水，其他位置的旋噴樁僅起到改良掌子面地層的作用，樁斷面如圖2所示。

圖2 水平旋噴樁斷面布置圖Fig．2 Layout of horizontal jet grouting piles

水平旋噴樁全部施工完成后，在其具有代表性的位置鉆止水效果檢查孔。共打設5個探水孔，3#探水孔有含砂水柱噴出，且水流速度較大，具有較大壓力，經(jīng)測算，涌水量大于20 m3/h，此種情況下施工，開挖風險較大。

為確保該環(huán)水平旋噴樁支護段(15 m)的施工安全，同時檢驗本循環(huán)水平旋噴樁是否達到相互咬合而形成止水帷幕的預期目標，采取局部降水的措施。待水位降低以后，再進行開挖支護，并在施工過程中詳細記錄水平旋噴樁相互咬合度及成樁效果。

2．2 水平旋噴樁施工工藝

2．2．1 止?jié){墻、孔口管施工［2］

在掌子面施作500 mm厚的C30混凝土止?jié){墻，止?jié){墻混凝土澆筑完成24 h后，按照孔位布置圖在止?jié){墻面標注出每個孔位的位置。鉆機調(diào)整好仰角(外插角)后，鉆穿止?jié){墻，將孔口管(φ108鋼管)裝入孔內(nèi)，注水泥-水玻璃漿液，注漿壓力0．8 MPa，漿液應充滿孔口管與止?jié){墻的間隙。

2．2．2 漿液的制定

在地面按水灰質(zhì)量比為1∶1的比例配制水泥漿(水泥標號為P·O 42．5)，漿液攪拌必須均勻。采用2臺圓筒型(2 m3)漿液攪拌機拌漿，一臺拌制完成后，經(jīng)過濾抽至另一臺備用，然后采用高壓泵輸送至洞內(nèi)進行旋噴施工。

2．2．3 鉆進

鉆孔采用膨潤土作為循環(huán)漿液，不同地層的鉆桿旋轉速度、鉆進速度及難易程度不同。相對來說，礫砂-碎石地層成孔困難，會出現(xiàn)卡鉆、鏈條崩斷等狀況，成孔時間長，意外情況多。施工水平旋噴樁的區(qū)間隧道所穿越的地層為富水的中—粗砂層和礫砂層，位于地下水位以下，鉆機鉆進過程中順鉆孔存在流水流砂的現(xiàn)象，在鉆孔時可采用膨潤土護壁，也可采用開孔器或塞堵口袋等措施防止砂子大量流失。

2．2．4 高壓旋噴

采用“鉆噴一體機”施工，水平成孔后，可直接用高壓泵將提前配置好的漿液(一般為水泥漿，水灰質(zhì)量比為1∶1)注入高壓管、鉆桿進行旋噴作業(yè)，高壓旋噴的漿液壓力為25～35 MPa。由于旋噴樁位于地下水位以下，加上高壓漿液切削土層，會有大量的廢漿從孔口流出，因此，如何控制好返漿量，確保旋噴成樁的方量大于泥漿排出量是難題。若孔口正常返漿，則噴射壓力僅起到切削地層的作用，不會積聚;若孔口返漿不暢通，噴射產(chǎn)生的廢漿積聚在孔內(nèi)，會導致噴射壓力除切削地層外，還能積聚形成系統(tǒng)壓力，造成地面隆起。因此，高壓噴漿過程中，地表沉降監(jiān)測要緊跟，當發(fā)現(xiàn)地表隆起時，應減小噴漿壓力，同時要反復噴漿以控制地表隆起，保證成樁效果。

2．2．5 封口

停止噴漿后，卸下孔口管最外端的密封裝置，關閉循環(huán)液排出口，快速拔出鉆桿和鉆頭，關閉大球閥。高壓旋噴漿完成后在循環(huán)液排出口處安裝壓力表，然后用250泵補注漿，注漿壓力控制在0．8～1．0 MPa，補注漿完成48 h后卸下大球閥。

2．2．6 清洗管道及設備

每根樁施工完畢后，用清水高壓沖洗管道及設備，確保管道內(nèi)不留殘渣，清洗完畢后移至下一樁位。

2．3 試驗段水平旋噴樁支護效果

開挖揭示出旋噴樁成樁效果良好，成樁直徑最小為600 mm，最大為800 mm，普遍成樁700 mm左右，成樁均勻。經(jīng)測定，樁體強度較高，能夠達到10 MPa，但是成樁精度不夠理想，個別樁體出現(xiàn)較大偏離，與相鄰樁間咬合度較差，特別是由于本段場區(qū)巖面與隧道成反坡，加上隔水層和降水曲線的影響，同時受到地面降水井布設條件的限制，地下水位僅能降至隧道大跨線處。隧道開挖時，地下水從拱腳未咬合的水平旋噴樁流出，使得該試驗段均是帶水作業(yè)(見圖3)，未達到水平旋噴樁相互咬合從而形成止水帷幕的預期目標。

圖3 拱腳處樁間滲水照片F(xiàn)ig．3 Water seeping between piles at spring line

但是，水平旋噴樁起到了很好的超前支護作用，在一定程度上可取代大管棚，具有很好的防流砂、抗滑移、抗剪切作用，能很好地控制地表沉降，保證地表建筑物及地下管線的安全。本試驗段開挖支護完成后，第三方監(jiān)測及施工監(jiān)測顯示地面沉降、房屋沉降、拱頂沉降均控制在20mm以內(nèi)。本試驗段各監(jiān)測項目歷時變形曲線如圖4所示，洞內(nèi)現(xiàn)場支護效果如圖5所示。

綜上所述:試驗段水平旋噴樁存在設備損壞率高、效率低、施工周期較長、委外施工成本高、返漿量控制不當易引起地表隆起等缺陷。根據(jù)目前國內(nèi)施工技術水平，在小斷面富水砂層地鐵隧道中，受鉆桿自身重量的影響，隨著鉆進長度的增加，尤其當遇到碎石塊產(chǎn)生角度偏差時，糾偏非常困難，相鄰樁體無法做到互相完全咬合，起不到止水帷幕的作用，這是限制該技術在軟弱富水圍巖隧道施工中全面推廣應用的關鍵。但水平旋噴樁在控制地表及洞內(nèi)沉降、加固工作面圍巖、防止大塌方等方面效果明顯，適用于下穿圍巖條件差、地下水豐富、地表沉降要求嚴格的暗挖隧道工程。

3 改進及優(yōu)化后的施工方案

鑒于試驗段水平旋噴樁樁間咬合效果不理想，存在滲漏水，不能作為止水帷幕，但能夠很好地確保隧道的開挖安全，控制地表及建筑物的沉降，為此，制定了以“環(huán)向水平旋噴樁+砂層全斷面小導管注漿加固”為核心的超前支護優(yōu)化方案。即在水平旋噴樁施工完成后，每循環(huán)配合使用超前小導管注漿，彌補旋噴樁不能咬合的缺陷，初期支護背后回填注漿及時跟進，并增加洞外井點降水，以改善洞內(nèi)開挖人員的作業(yè)環(huán)境。

3．1 優(yōu)化方案的設計

1)為了減少樁體施工時間，設計僅沿隧道周邊施工水平旋噴樁，范圍為拱部+邊墻，水平旋噴樁環(huán)向間距為400 mm，旋噴樁直徑為700 mm，理論環(huán)向搭接300 mm。

2)根據(jù)試驗段開挖情況，上臺階拱腳處為含水砂層和透水性差的含泥碎石層結合部，兩側拱腳有近20 m3/h的滲水流出，水量較大，在開挖時容易形成空洞，存在安全風險，因此，在拱腳地下水賦存區(qū)域外側增設5根水平旋噴樁，局部形成雙排咬合。

3)為更好地控制地表沉降，在上臺階兩側拱腳處沿隧道軸線方向各打設1根φ700水平旋噴樁作為拱架安裝基座，起到防沉降作用。

4)根據(jù)試驗段施工經(jīng)驗，逐漸將水平旋噴支護樁打設長度加長至20 m或25 m，優(yōu)化后的水平旋噴樁超前支護方案設計如圖6所示。

圖6 優(yōu)化后的水平旋噴樁斷面布置圖Fig．6 Optimized layout of horizontal jet grouting piles

3．2 水平旋噴樁樁體施工角度控制

通過第1環(huán)水平旋噴樁施工試驗，得知樁間不能咬合的關鍵在于洞內(nèi)水平旋噴樁施工角度不易控制。

一般情況下，為了使旋噴樁在隧道四周形成有效支護，沿徑向向隧道外側按一定角度打設旋噴樁，所以，每段旋噴樁前3～5 m大部分在開挖過程中被破除，而后面3～5 m則遠離了開挖輪廓線，除不能很好地控制超挖外，還可能存在樁間間距分離過大、不能形成支護套拱的現(xiàn)象。為了解決此問題，采取水平旋噴樁循環(huán)搭接3 m，并通過端頭搭接，采用無工作洞室施工。打設方法及角度控制如圖7—8所示，樁位偏移量如表1所示。

圖7 環(huán)向水平旋噴樁縱斷面圖Fig．7 Longitudinal profile of horizontal jet grouting pile

圖8 環(huán)向水平旋噴樁角度控制圖(單位:mm)Fig．8 Angle control of horizontal jet grouting pile(mm)

表1 樁位偏移量表Table 1 Displacement of horizontal jet grouting pile mm

主要對水平旋噴樁水平(x)和豎直(y)2個方向的角度進行控制，如圖9所示。

首先，根據(jù)設備實際情況，確定旋噴樁的起鉆輪廓線，一般盡可能地靠近初期支護面，減少旋噴樁的破除量;然后，確定旋噴樁的終鉆輪廓線，根據(jù)樁長選擇合適的角度，達到既要保證被破除的部分旋噴樁能與上一循環(huán)相互搭接，又要使旋噴樁末端離開開挖輪廓線的距離盡可能小的目的。

圖9 旋噴樁外插角度計算示意圖Fig．9 Angle of jet grouting pile

根據(jù)樁的環(huán)向間距在起鉆輪廓線上定出樁位，然后徑向在終鉆輪廓線上定出終鉆樁位，這樣可以計算出水平(x)和豎直(y)2個方向的尺寸偏移值。則水平角度α=x/L，豎直角度β=y/L，再減去或加上隧道本身縱坡或平面角度。現(xiàn)場施工時，角度難以控制，一般以鉆機長度為準，根據(jù)水平及豎直外插角度，計算出鉆機頭較鉆機尾的水平及豎直偏移量來控制鉆機角度。

3．3 優(yōu)化后的支護效果

至2011年7月，VⅠ級富水砂層段開挖支護完成120 m，每循環(huán)水平旋噴樁超前支護施工耗時15 d，開挖支護過程中樁體成樁效果良好，僅在上臺階拱腳部位有少量滲水，滲水通過局部超前小導管注漿能得到很好地控制。成樁及開挖效果見圖10和圖11。

每循環(huán)旋噴樁施工耗時12 d，開挖支護12 m用時12 d，總體達到開挖支護0．5 m/d的施工進度，滿足了總體工期的要求;開挖支護完成至變形穩(wěn)定，監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示地面沉降、拱頂沉降、建筑物沉降均控制在30 mm以內(nèi);超前支護效果良好，配合全斷面小導管注漿，很好地控制了滲漏水，保證了開挖支護的施工質(zhì)量;與第1環(huán)相比減少了樁體數(shù)量，節(jié)約了施工成本。

4 結論與討論

在富水軟弱地層中，單獨的水平旋噴樁因鉆桿自重原因，致使鉆進角度較難控制，偏差大，樁間咬合度較差，不能形成止水帷幕，支護效果差。而“環(huán)向水平旋噴樁+超前小導管樁間補充注漿”綜合支護效果優(yōu)于超前大管棚和超前全斷面注漿，能較好地控制地面沉降及洞內(nèi)坍塌，適用于下穿圍巖條件差、地下水較豐富、地表沉降要求高的暗挖工程。

總體來說，水平旋噴樁有非常明顯的優(yōu)勢和發(fā)展前景，但仍然有很多需要改進和提高的地方。

1)目前水平旋噴樁鉆機設備仍處于開發(fā)階段，需要在使用過程中總結經(jīng)驗教訓，對設備進行不斷地改進和優(yōu)化，降低設備的故障率。

2)地鐵單線單洞隧道作業(yè)空間較小，目前采用的水平旋噴樁施工作業(yè)臺架在鉆機移位和調(diào)整角度時較困難，其耗費的時間占成樁時間的1/2，改造或創(chuàng)新作業(yè)臺架將是大幅提高施工效率的主要方向。

3)隨著隧道向前掘進，旋噴樁后配套系統(tǒng)的開發(fā)應盡早展開，注漿和漿液攪拌系統(tǒng)也將進洞，因此有必要開發(fā)移動式的后配套系統(tǒng)。

4)旋噴樁角度受鉆桿自身重量的影響，隨著鉆進長度的增加，尤其當遇到碎石塊產(chǎn)生角度偏差時，糾偏非常困難。因此，對超長旋噴樁施工，應在鉆頭和鉆桿上做深入研究，以保證旋噴樁的鉆進精度。

5)目前水平旋噴樁仍采用水泥單液漿，今后應研究能適用于不同地層或環(huán)境條件下的漿液或外加劑，有針對性地增強成樁支護效果。

6)水平旋噴樁為素樁時，其抗剪切能力較弱，若樁體有抗剪要求，地層特別軟弱或環(huán)境特別復雜時，應在旋噴樁體內(nèi)插入鋼筋或型鋼來加強樁體強度。

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［4］張亮標．草橋熱力外線隧道暗挖水平旋噴樁(加筋)支護［J］．巖土工程界，2005(12):69-70．

［5］楊宏射．水平旋噴技術在興旺峁隧道砂層加固施工中的應用［J］．隧道建設，2010，30(1):106-111．(YANG Hongshe．Application of horizontal jet grouting technology in consolidation of sand strata during construction of Xingwangmao tunnel［J］．Tunnel Construction，2010，30(1):106-111．(in Chinese))