楊朝帥 王光輝

(1.中鐵隧道集團(tuán)有限公司,河南 洛陽(yáng) 471009; 2.中鐵隧道集團(tuán)科學(xué)技術(shù)研究院有限公司，河南 洛陽(yáng) 471009; 3.中鐵隧道集團(tuán)勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司,河南 洛陽(yáng) 471009)

高壓旋噴注漿技術(shù)在富水砂層隧道中的應(yīng)用

楊朝帥1,2,3王光輝1,2,3

(1.中鐵隧道集團(tuán)有限公司,河南 洛陽(yáng) 471009; 2.中鐵隧道集團(tuán)科學(xué)技術(shù)研究院有限公司，河南 洛陽(yáng) 471009; 3.中鐵隧道集團(tuán)勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司,河南 洛陽(yáng) 471009)

結(jié)合蘭渝鐵路桃樹(shù)坪隧道出口工程實(shí)況，提出了高壓旋噴注漿加固和洞內(nèi)降水的綜合加固方法，解決了施工中仰拱水量大、流砂涌水、支護(hù)結(jié)構(gòu)開(kāi)裂等問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了大斷面施工機(jī)械化，有效加快了施工進(jìn)度，經(jīng)濟(jì)效益良好。

高壓旋噴注漿，隧道，富水砂層，機(jī)械化施工

0 引言

隨著我國(guó)今后越來(lái)越多隧道工程的規(guī)劃建設(shè)，穿越不良地質(zhì)條件的大斷面隧道施工工程也越來(lái)越多，往往將隧道斷面化整為零，分割成多個(gè)開(kāi)挖部[1]，采用CRD、雙側(cè)壁導(dǎo)坑法等小斷面人工開(kāi)挖，工序復(fù)雜，臨時(shí)支撐數(shù)量多，很難配備大型機(jī)械設(shè)備，施工組織難度大，進(jìn)度緩慢，成本高，施工風(fēng)險(xiǎn)大。為了解決這一問(wèn)題，目前對(duì)于不良地質(zhì)條件下的大斷面隧道往往都通過(guò)超前加固等方法加固超前核心土，然后再實(shí)現(xiàn)全斷面或分部開(kāi)挖的大斷面施工[2-5]。目前的超前加固方法有很多，有全斷面預(yù)注漿、凍結(jié)法、降水法、預(yù)切槽，旋噴注漿、掌子面穩(wěn)定、帷幕注漿等,施工中輔以信息化監(jiān)控量測(cè)技術(shù)，可確保施工安全[6-11]。這些技術(shù)在以往的市政隧道和山嶺隧道施工中起到了一定的作用。

對(duì)于富水粉細(xì)砂地層的單洞雙線大斷面鐵路隧道工程，由于其施工難度大：拱頂和掌子面易坍塌、突水突泥、拱腳易失穩(wěn)、隧底涌水等，必須有針對(duì)性的綜合多種加固和預(yù)加固技術(shù)聯(lián)合應(yīng)用，才能確保施工安全，并實(shí)現(xiàn)大斷面機(jī)械化開(kāi)挖。為此，本文依托蘭渝鐵路桃樹(shù)坪隧道出口工程，綜合了“水平高壓旋噴注漿超前預(yù)支護(hù)、掌子面高壓旋噴注漿+玻璃纖維錨桿預(yù)加固+隧道洞內(nèi)降水”技術(shù)，有針對(duì)性的對(duì)圍巖進(jìn)行分部分塊加固處理，并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)反饋，實(shí)現(xiàn)了該軟弱圍巖地層隧道三臺(tái)階大斷面機(jī)械化快速施工，有效縮短了工期，該項(xiàng)施工技術(shù)具有極大的推廣應(yīng)用價(jià)值。

1 工程概況

桃樹(shù)坪隧道穿行于黃河高階地下部，全隧道設(shè)計(jì)圍巖為Ⅵ級(jí)。開(kāi)挖揭示進(jìn)出口及各斜井地層主要為未成巖遇水粉細(xì)砂層(隧道進(jìn)口工作面為砂層含水較少，其余井口工作面多為飽和含水)，其中夾雜有不連續(xù)卵礫石土地層。地層特點(diǎn)：自穩(wěn)能力差，無(wú)膠結(jié)，稍有擾動(dòng)即成松散粉狀結(jié)構(gòu)，在富水時(shí)基本無(wú)自穩(wěn)能力，呈流塑狀，軟化現(xiàn)象明顯，極易發(fā)生溜塌。圍巖情況見(jiàn)圖1。

2 超前加固設(shè)計(jì)

2.1 圍巖變形分析

隧道開(kāi)挖過(guò)程真實(shí)變形情況如圖2，圖3所示，可以看到開(kāi)挖后的圍巖變形位移分為先行位移、初始位移和測(cè)量位移，這三個(gè)位移的總和即為最終總位移。先行位移在掌子面前方未開(kāi)挖圍巖處產(chǎn)生，包括先行拱頂沉降和先行水平預(yù)收斂，其最大值在掌子面處。在軟弱圍巖中最大先行位移可達(dá)總位移的60%，對(duì)隧道的穩(wěn)定性往往有決定性影響，因此必須采取超前預(yù)加固等輔助工法進(jìn)行控制先行位移，之后才能繼續(xù)開(kāi)挖施工；初始位移為掌子面通過(guò)后到開(kāi)始進(jìn)行位移監(jiān)測(cè)之間的圍巖變形位移，一般根據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定；監(jiān)測(cè)位移為初始位移后通過(guò)進(jìn)行監(jiān)測(cè)得到的位移量值，一般占總位移量的30%。另外，開(kāi)挖過(guò)程中由于卸荷作用，在掌子面上及其前方的超前核心土內(nèi)部，都會(huì)產(chǎn)生沿隧道軸向方向的擠出、預(yù)擠出變形。

從圍巖變形原理可以看到，采用輔助加固方法對(duì)相應(yīng)部位圍巖進(jìn)行超前預(yù)加固，抑制先行位移和掌子面擠出位移，從而實(shí)現(xiàn)安全施工。

2.2 旋噴樁施工參數(shù)設(shè)計(jì)

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況和目前擁有的機(jī)械設(shè)備配置，桃樹(shù)坪隧道出口工程采用高壓噴射注漿加固法對(duì)隧道圍巖外圍進(jìn)行旋噴樁+鋼管管棚超前預(yù)加固，并對(duì)掌子面前方的超前核心土進(jìn)行高壓旋噴注漿+玻璃纖維錨桿進(jìn)行加固，另外輔以輕型井點(diǎn)降水，確保隧道順利開(kāi)挖。具體參數(shù)設(shè)計(jì)如下：1)隧道周邊樁間距50 cm，樁徑60 cm；2)隧道工作面樁間距150 cm，梅花形布設(shè)，樁徑60 cm；3)旋噴壓力:40 MPa～50 MPa；4)水泥漿流量:170 L/min，轉(zhuǎn)速:10 r/min；5)旋噴后退速度:5 cm/8 s，根據(jù)實(shí)際情況可進(jìn)行調(diào)整。

2.3 旋噴樁加固設(shè)計(jì)

根據(jù)隧道圍巖的變形情況，有針對(duì)性的對(duì)不同部位進(jìn)行旋噴樁加固設(shè)計(jì)(見(jiàn)圖4，圖5)，具體如下：1)隧道周邊旋噴樁護(hù)殼+鋼管管棚：其作用是抑制隧道開(kāi)挖過(guò)程中的先行變形，包括先行收斂和先行沉降，另外還有止水帷幕的作用，其長(zhǎng)度為18 m，搭接3 m，外插角5°，每一循環(huán)開(kāi)始時(shí)施作30 cm厚度的護(hù)拱。2)掌子面水平旋噴樁+玻璃纖維錨桿：其作用是抑制掌子面前方超前核心土的縱向擠出變形。長(zhǎng)度18 m，搭接15 m，樁體角度下傾5°～10°，原因是防止掌子面土體下滑塌方。3)鎖腳旋噴樁加固：其作用是防止隧道結(jié)構(gòu)整體下沉，增加隧道結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性。長(zhǎng)度9 m，外插角為45°和30°。4)帷幕旋噴樁：作用是在仰拱開(kāi)挖過(guò)程中，將待澆筑的仰拱給圍閉起來(lái)，形成封閉的工作空間，防止外部流砂和地下水涌入。長(zhǎng)度8 m，樁體垂直。每一循環(huán)仰拱施工時(shí)，將上一循環(huán)的帷幕旋噴樁巖仰拱底部破除，剩余的樁體在一定程度上能夠起到支撐隧道底部的承托作用，因此也叫隧底旋噴樁。

2.4 輕型井點(diǎn)降水

正洞中、下臺(tái)階開(kāi)挖后，在中、下臺(tái)階兩側(cè)拱腳下方500 mm安設(shè)長(zhǎng)度5 m降水管，外插角60°，縱向間距0.5 m～1.0 m。若仰拱部位存在層間滯水，可在仰拱開(kāi)挖前，在帷幕前方設(shè)置1排輕型井點(diǎn)降水管。

3 施工過(guò)程

3.1 旋噴樁施工

機(jī)械配套：主要設(shè)備有意大利土力公司生產(chǎn)的PST-60搖臂鉆機(jī)、SM-14多功能地質(zhì)鉆機(jī)、7T-505J高壓泵和SGM14漿液自動(dòng)攪拌站組成的水平旋噴樁施工設(shè)備等。

具體如圖6，圖7所示。

施工要點(diǎn)：1)鉆孔施工中，為保持孔內(nèi)通暢，利于成孔，以2 MPa～4 MPa的壓力輸送清水；2)因故停噴，恢復(fù)施工前，應(yīng)采取搭接噴射處理，搭接30 cm～50 cm。同時(shí)，應(yīng)記錄中斷深度和時(shí)間；3)如漿液噴射不足，影響樁體的設(shè)計(jì)直徑時(shí)，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行復(fù)噴，保證成樁直徑滿足要求。

PST-60鉆機(jī)進(jìn)行水平旋噴樁施工見(jiàn)圖8，SM14鉆機(jī)進(jìn)行鎖腳旋噴樁施工見(jiàn)圖9，拱頂旋噴樁護(hù)殼咬合情況見(jiàn)圖10。

3.2 降水施工

工藝流程為：排放總管→埋設(shè)井點(diǎn)管→安裝真空泵→檢查調(diào)試→降水→拔井管。

輕型井點(diǎn)降水施工見(jiàn)圖11。

3.3 開(kāi)挖支護(hù)施工

經(jīng)過(guò)超前預(yù)加固后可以進(jìn)行三臺(tái)階法施工，初期支護(hù)采用型鋼+網(wǎng)噴混凝土，二襯為C45鋼筋混凝土。加固后施工作業(yè)空間大，能夠充分利用大型機(jī)械設(shè)備，實(shí)現(xiàn)安全快速施工。施工進(jìn)度達(dá)到24 m/月(未采用該工法進(jìn)行超前加固時(shí)月進(jìn)度為12 m，且存在二襯開(kāi)裂現(xiàn)象)，極大縮短了工期，提高了經(jīng)濟(jì)效益，施工效果良好。大型挖機(jī)開(kāi)挖施工見(jiàn)圖12。

4 施工監(jiān)測(cè)

在開(kāi)挖過(guò)程中，對(duì)隧道進(jìn)行變形監(jiān)測(cè)，主要包括拱頂沉降和水平收斂監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖13所示，可以看到最大變形量均在135 mm以內(nèi)，這對(duì)軟巖隧道來(lái)說(shuō)非常小，表明超前預(yù)加固對(duì)圍巖穩(wěn)定的效果是明顯的，能夠保證安全施工。DK6+301拱頂下沉?xí)r間變化曲線圖見(jiàn)圖13。

5 結(jié)語(yǔ)

1)高壓旋噴注漿分區(qū)加固能夠有針對(duì)性的解決富水砂層隧道先行位移大和掌子面易失穩(wěn)的問(wèn)題，同時(shí)能夠穩(wěn)定拱腳，控制沉降。2)通過(guò)采用洞內(nèi)綜合降水，降低了砂層含水量，一定程度上提高了地層穩(wěn)定性，同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了隧道內(nèi)無(wú)水作業(yè)。3)經(jīng)超前加固后的地層，可實(shí)現(xiàn)三臺(tái)階大斷面機(jī)械化施工，施工進(jìn)度達(dá)24 m/月，從而取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。

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On application of high-pressure jet grouting technique in rich-water sand tunnels

Yang Chaoshuai1,2,3Wang Guanghui1,2,3

(1.ChinaRailwayTunnelGroupCo.,Ltd,Luoyang471009,China; 2.ScientificandTechnicalInstituteCo.,Ltd,ChinaRailwayTunnelGroup,Luoyang471009,China; 3.SurveyandDesignInstituteCo.,Ltd,ChinaRailwayTunnelGroup,Luoyang471009,China)

Combining with the tunnel exit of Taoshuping Tunnel along Lanzhou-Chongqing Railway, the paper points out the comprehensive consolidation methods for the high-pressure jet grouting consolidation and cave dewatering, and solves the problems including the big amount of inverted water volume, quicksand and water inflow, and cracks in support, so as to realize the mechanization of the large-section construction and accelerate the construction progress and better economic benefits.

high-pressure jet grouting, tunnel, rich water and sand stratum, mechanization construction

1009-6825(2017)02-0167-03

2016-11-09

楊朝帥(1986- )，男，碩士，工程師

U455.5

A