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(1.武漢鐵路職業(yè)技術(shù)學院, 湖北 武漢 430205； 2.中南大學, 湖南 長沙 410075)

近年來，我國鐵路建設(shè)高速發(fā)展，與之相關(guān)的隧道工程也日漸增多。隧道工程作為地下工程的一種，其施工會造成圍巖擾動，宏觀表現(xiàn)在隧道變形和地表沉降。尤其是圍巖穩(wěn)定性差、富含地下水等，會造成涌水、涌泥甚至塌方，釀成隧道施工安全事故[1]。因此，在隧道施工前對隧道掌子面前方土體進行超前支護[2]。超前支護定義是指開挖之前預支護前方圍巖，提高圍巖自穩(wěn)能力，并確保開挖面周圍應力干擾最小化的方法。目前常用的超前支護方法[3]有冷凍法、預切槽法、深孔注漿法、管棚超前支護法等。不同地質(zhì)條件、施工要求等需要選擇不同的隧道超前支護方法。

高壓水平旋噴樁[4-6]作為超前支護技術(shù)的一種，以水平鉆孔為基礎(chǔ)，采用高壓旋噴方法壓住水泥漿，改變土體結(jié)構(gòu)，加強掌子面前方圍巖結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。高壓水平旋噴樁具有拱效應、梁效應以及土體改良效應，還具有防流沙、抗滑移、防涌水，且具有強度高、均勻性強、可控性強、綜合效果好等特點，因此在隧道施工超前支護中應用廣泛。孟鳳朝[7]證明高壓水平旋噴樁超前支護在流塑樁砂質(zhì)黏性土隧道應用的重要性；郭偉等[8]以深圳地鐵安托山站-僑香站為基礎(chǔ)介紹了高壓水平旋噴樁超前支護在富水砂層淺埋暗挖隧道施工應用的良好效果。本文通過具體事例，研究了高壓水平旋噴樁作用機理、方案設(shè)計及施工流程，并將地表沉降的實際檢測數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬結(jié)果對比，分析高壓水平旋噴樁超前支護的支護效果。

1 概況

該工程屬于地鐵站隧道工程，位于兩街道交叉口位置，隧道最大埋深為28 m，進口歷程為DK17+880.567，出口里程為DK25+113.8，全長7 200 m。圍巖類別屬于I級，采用CDR法開挖施工。該地段屬于丘間谷地，地形稍有起伏。

該工程地層表面土層十分松散軟弱，在勘測過程中發(fā)現(xiàn)該工程隧道地層結(jié)構(gòu)主要分為：晚更新統(tǒng)沖洪積相地層、沖洪積相地層第四系全新人工土堆層，主要由礫砂、粗砂、中砂、粉質(zhì)黏土、素填土組成。地層自上而下分別是：松散 — 密實雜填土，可塑粉質(zhì)黏土，稍密 — 中密中、粗砂，中密 — 密實中、粗砂，可塑粉質(zhì)黏土，薄中密 — 密實礫砂，可塑粉質(zhì)黏土。

隧道出口沖溝底部有流水，水面高程為1 000 m。地表水以大氣降水和基巖裂隙水滲出為主。排泄以大氣降水補給、蒸發(fā)、地表徑流及滲入為基礎(chǔ)，受季節(jié)性影響顯著，雨季水量大且集中，易造成突水涌泥災害。非雨季水量少或者無水。因此，開挖工法采用CDR方法，超前支護方法為高壓水平旋噴樁超前支護方法。

2 高壓水平旋噴樁超前支護技術(shù)

2.1 高壓水平旋噴樁機理及特點

高壓水平旋噴樁機理為：利用鉆機，沿水平方向鉆孔至設(shè)計需求深度，然后邊拔鉆桿邊將漿液噴射到土體，在流體沖擊力的高壓水平力下對土層切割，進而改變土體結(jié)構(gòu)。鉆桿一遍低速(20 r/min)旋轉(zhuǎn)，一遍低速(15～30 cm/s)外拔，使土體和水泥漿充分攪拌混合，通過膠結(jié)硬化，形成直徑均勻(大于50 cm)，強度大的旋噴柱體，加固地層。

高壓水平旋噴樁技術(shù)特點為：強度高，高壓旋噴條件使土體與水泥漿充分融合，形成的固結(jié)體強度遠高于一般漿體；均勻性強，成樁過程采用高壓水泥漿噴射可使塊狀土體充分破碎與水泥漿液混合，形成均勻混合體；可控性強，通過調(diào)節(jié)注入?yún)?shù)以及注入部位及范圍控制土體破壞范圍等。

2.2 超前支護方案

該段隧道工程地質(zhì)條件復雜且差，埋深淺，工程難點是控制地表沉降。因此，隧道工程的拱頂采用高壓水平旋噴樁施工，底部開挖輪廓線，且帷幕注漿，用于支護防水等。

為保證洞內(nèi)斷面注漿時不發(fā)生地面冒漿，達到掌子面時開挖不發(fā)生涌水涌泥，需在拱頂180°開挖輪廓線外打設(shè)一圈高壓水平旋噴樁作為超前支護。接著在隧道上半部掌子面，打設(shè)9根旋噴樁加固。高壓水平旋噴樁超期支護完成后，在隧道下班斷面洞內(nèi)及開挖輪廓線外4 m進行帷幕注漿。

現(xiàn)階段，隨著我國科技水平的不斷提升，智能手機已經(jīng)得到了廣泛的普及。學生能夠借助手機來進入到淘寶、京東、拼多多等網(wǎng)站進行網(wǎng)購，網(wǎng)購商品繁多、操作簡單，這在一定程度上拓展了學生的消費需求。

在隧道開挖輪廓線外4 m采用高壓水平旋噴樁(φ600 mm，樁間距為450 mm咬合布置)作為超前支護，形成完整帷幕體系，可有效保護開挖時對周邊圍巖土體的擾動。在上半部掌子面設(shè)置玻璃纖維錨桿旋噴樁，排間距1.0 m×1.5 m，梅花形布置，可充分穩(wěn)定掌子面正前方土體。具體布置示意圖如圖1所示。

圖1 高壓水平旋噴樁布置示意圖Figure1 Schematic diagram of high-pressure horizontal jet grouting pile layout

2.3 機器設(shè)備及旋噴參數(shù)選取

綜合考慮各種因素，包括鉆機性能、造價、適應條件等，選擇PST-60 單臂隧道鉆機及其配套的7T-505型高壓大流量泵站。該鉆機重達66 t，最大功率為155 kW，作業(yè)半徑為3.7～6.5 m。高壓水平旋噴樁施工的主要機械設(shè)備及材料見表1。

表1 施工過程主要機械設(shè)備及材料Table 1 Main mechanical equipment and materials during construction名稱規(guī)格型號數(shù)量高壓水平旋噴機PST-602高壓泵7T-5052空壓機內(nèi)燃9 m3/min2儲漿桶20 t2污水泵1.5 kW6攪拌桶35 t2軌道槽鋼200 m軌枕槽鋼120 m

為實現(xiàn)最佳加固效果，在進行超前支護之前，要開展試驗樁并進行周期性監(jiān)測。對于高壓水平旋噴樁，其加固效果與漿液壓力、旋轉(zhuǎn)速度以及漿液相對密度等因素相關(guān)，試驗中以這3個因素為變量設(shè)計7組試驗樁X1、X2、X3、X4、X5、X6、X7，具體如表2所示。

表2 高壓水平旋噴樁試驗樁條件Table 2 Test conditions of high pressure horizontal jet grouting pile樁號漿液壓力/MPa旋轉(zhuǎn)速度/(r·min-1)漿液水灰比X135201∶0.8X235201∶1X340201∶1X440251∶1X540251∶1.2X645251∶1.2X745301∶1.2

7組試驗樁中每個試驗樁，設(shè)計樁徑均為600 mm，樁間距為450 mm，施工長度為8 m，施工角度為-3.6°，回抽速度為25 cm/min，水泥使用量為150 kg/m。試驗樁均位于同一區(qū)域，地質(zhì)條件相同。查看這7組試驗樁外管，發(fā)現(xiàn)試驗效果好：樁身為圓形，略微有鼓邊，無縮頸；樁體顏色清灰，切割攪拌均勻，且固結(jié)比較密實，不存在顆粒狀的土塊。具體測試結(jié)果如表3和表4所示。

根據(jù)試驗結(jié)果可確定，X4試驗樁施工參數(shù)所得結(jié)果最佳，因此漿液壓力40 MPa，旋轉(zhuǎn)速度為25 r/min，漿液水灰比為1 ∶ 1的試驗條件最適宜現(xiàn)場施工。試驗結(jié)果還表明：從樁徑來講，當漿液壓力、旋轉(zhuǎn)速度以及漿液水灰比達到一定數(shù)值時，不再隨著其值的增加而增大，而對于試驗樁強度來講，當達到一定數(shù)值后，隨著其值的增加而降低。

表3 樁徑試驗結(jié)果Table 3 Pile diameter test results樁號試驗樁樁徑/cm樁號試驗樁樁徑/cmX165X5110X280X6110X393X7110X4110

表4 試驗樁強度試驗結(jié)果Table 4 Test pile strength test results樁號齡期/d7142128樁號齡期/d7142128X11.312.873.433.84X51.643.173.724.67X21.422.943.534.23X61.563.023.674.54X31.573.13.654.45X71.432.93.564.23X41.83.233.874.75

3 高壓水平旋噴樁超前支護技術(shù)

該工程開挖方法采用CDR方法，超前加固采用高壓水平旋噴樁超前支護方法，具體為拱頂采用高壓水平旋噴樁施工，底部開挖輪廓線，且帷幕注漿，用于支護防水等。

3.1 施工工藝流程及技術(shù)要求

圖2 高壓水平旋噴樁施工工藝Figure 2 Construction process of high-pressure horizontal jet grouting pile

3.2 施工質(zhì)量保證措施

為保證該工程高壓水平旋噴樁超前支護效果，需要注意以下4點。

a.鉆機水平鉆到設(shè)計深度后，首先進行原位旋噴0.5 min，然后后退，并在后退過程中旋轉(zhuǎn)速度調(diào)整為25 r/min。

b.由于鉆桿自身重量和高壓漿液對土體的切割，會導致鉆頭在鉆進過程中出現(xiàn)明顯下移，因此，對旋噴樁的設(shè)計坡度要預先上仰3%。

c.當卸管時，必須動作快，且需要先停止回抽，然后5圈之后停止送漿再卸管。卸管完成后，要盡可能快速與前端連接，恢復給漿后先旋轉(zhuǎn)5圈后再回抽。

d.高壓水平旋噴樁應連續(xù)進行，當中途需要拆卸噴管時，應進行復噴，搭接長度應高于200 mm。供漿正常情況下，孔口回漿密度會變小，因此要增加近漿密度。

4 基于高壓水平旋噴樁超前支護技術(shù)下隧道施工效果模擬

4.1 數(shù)值模擬分析思路

本文采用有限元網(wǎng)絡模型[9-10]精細數(shù)值模擬分析，具體步驟為：

a.建立隧道施工模擬的有限元分析模型，具體如圖3所示。本文的模型寬度取100 m，深度為60 m，隧道直徑為10 m，中心埋深為26 m。

b.對相關(guān)邊界條件、土體材料屬性等進行定義，并計算自重條件下，相關(guān)的地表沉降，消除先期沉降造成的隧道開挖影響。其中土體本構(gòu)模型采用Duncan-Chang進行對比，具體模型參數(shù)見表5。

圖3 該隧道施工的有限元網(wǎng)絡模型Figure 3 Finite element network model of the tunnel construction

表5 基于Duncan-Chang模型參數(shù)Table 5 model parameters based on Duncan-Chang土質(zhì)C/kPa?/(°)滲透系數(shù)KnG填土102593.10.30.34粉質(zhì)黏土152047.70.140.31礫砂103063.10.230.28粗砂84078.50.150.27中砂535140.70.270.29

c.利用ADINA支持模型定義模擬復雜開挖及襯砌模型，計算隧道開挖所形成的土體損失造成的地表沉降。

4.2 地表沉降模擬結(jié)果分析

在隧道內(nèi)進行旋噴樁及注漿作業(yè)時，測量監(jiān)控測點布置的隧道洞內(nèi)外，對掌子面初支在施工過程進行監(jiān)控測量。為反映高壓水平單排旋噴樁超前支護在實際工程中控制地表沉降，通過上述有限元網(wǎng)絡模型進行模擬，并與實際監(jiān)測結(jié)果對比，具體如圖4所示。

圖4 模擬與實測地表沉降模擬結(jié)果Figure 4 Simulation and measured surface settlement simulation results

根據(jù)圖4可知，采用有限元模擬法可以有效表征地表沉降。圖5所示，為采用常用的小導管注漿法與高壓水平旋噴樁超前支護方法進行隧道施工后地表沉降結(jié)果。

圖5 采用高壓水平旋噴樁超前支護的地表沉降Figure 5 Surface settlement using advanced support of high-pressure horizontal jet grouting pile

5 結(jié)語

由于地鐵隧道施工過程中穿越的地質(zhì)條件復雜，在隧道施工前期采用高壓水平旋噴樁超前支護技術(shù)，可有效提高圍巖結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和剛度。相對于其他超前支護技術(shù)，高壓水平旋噴樁超前支護技術(shù)具有強度高、剛度大、施工可控性強等優(yōu)點。因此，在隧道施工中采用高壓水平旋噴樁超前支護技術(shù)已成為關(guān)鍵。值得注意的是目前我國高壓水平旋噴樁超前支護技術(shù)還有很大的不足，表現(xiàn)在：沒有定額，設(shè)計計價無法科學制定；均采用進口設(shè)備，成本高。