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        細(xì)砂層鐵路隧道水平旋噴樁超前預(yù)支護(hù)施工技術(shù)

        2019-03-26 08:11:30邵永平
        鐵道建筑技術(shù) 2019年11期
        關(guān)鍵詞:預(yù)支細(xì)砂掌子面

        邵永平

        (中鐵十七局集團(tuán)第二工程有限公司 陜西西安 710043)

        1 引言

        近年來(lái),隨著我國(guó)鐵路建設(shè)的快速發(fā)展,穿越不良地質(zhì)條件的隧道工程日益增多[1]。我國(guó)西北地區(qū)多為風(fēng)積砂地層,在這類地層中進(jìn)行隧道施工的難度非常大,附加的技術(shù)條件也明顯增多[2]。在細(xì)砂層超前支護(hù)中,通常采用密排鋼管或其他型鋼支護(hù),但此法的效果不甚理想[3],開(kāi)挖過(guò)程中出現(xiàn)掌子面溜砂、涌砂、滑塌、拱頂超挖、拱背流砂等現(xiàn)象,導(dǎo)致隧道初期支護(hù)施工困難,安全隱患突出,施工質(zhì)量無(wú)法保證,初期支護(hù)沉降變形。

        水平旋噴樁技術(shù)是近年來(lái)出現(xiàn)的一種新型施工工藝,在地質(zhì)情況復(fù)雜的隧道及地下工程中逐漸得到推廣應(yīng)用[4],尤其在流塑狀、孔隙率小、開(kāi)挖后自穩(wěn)能力極差的地層中[5],通過(guò)該技術(shù)改善圍巖沉降曲線分布,松散的細(xì)砂層圍巖轉(zhuǎn)換為可整體受力的結(jié)構(gòu),使得沉降得以向四周傳導(dǎo)分布趨于均勻,并可提高巖層黏聚力和圍巖內(nèi)摩擦角兩項(xiàng)物理參數(shù),在提高圍巖整體強(qiáng)度方面效果明顯[6-7]。

        2 工程概述

        蒙西至華中地區(qū)鐵路煤運(yùn)通道工程設(shè)計(jì)為電力牽引,時(shí)速≤120 km,規(guī)劃設(shè)計(jì)運(yùn)輸能力2億t/年,為客貨共線鐵路。銀山二號(hào)隧道設(shè)計(jì)為單洞雙線,位于陜西省延安市安塞縣境內(nèi),起訖里程DK263+741.58~DK265+439.88,隧道全長(zhǎng)1 698.3 m。穿越地層為砂質(zhì)新黃土、粉砂、細(xì)砂及黏質(zhì)老黃土、砂巖。其中Ⅳ級(jí)圍巖630 m,Ⅴ級(jí)圍巖1 068.3 m,進(jìn)出口地段為砂質(zhì)新黃土,隧道進(jìn)口DK263+675~DK263+810段存在溜塌體,溜塌體范圍3.0~18.6 m。

        DK263+940~DK264+045段,原設(shè)計(jì)地質(zhì)情況為第四紀(jì)風(fēng)積新黃土,含細(xì)砂,呈松散結(jié)構(gòu),土石交界處砂質(zhì)新黃土黏粒含量高,含水率較高,下伏白堊系下統(tǒng)洛河組砂巖,泥質(zhì)膠結(jié),全風(fēng)化,呈角礫碎石狀松散結(jié)構(gòu)。圍巖級(jí)別為Ⅴ級(jí),襯砌類型為Ⅴb土型復(fù)合式襯砌,施工工法為三臺(tái)階大拱腳臨時(shí)仰拱法,超前支護(hù)采用超前密排小導(dǎo)管措施。地表位于“V”形沖溝側(cè),該段覆蓋層厚度22~32 m。

        DK264+035掌子面開(kāi)挖后上中臺(tái)階揭示圍巖地質(zhì)為沖洪積細(xì)砂層,黃褐色,夾薄層土,潮濕,稍密,呈松散結(jié)構(gòu),含少量裂隙水,自穩(wěn)性極差,開(kāi)挖后極易產(chǎn)生坍塌;下臺(tái)階為白堊系砂巖,紫紅色,全風(fēng)化。通過(guò)分析,該地層具有以下特性:(1)以紫紅色細(xì)砂、粉細(xì)砂為主,顆粒較均勻,顆粒級(jí)配差;(2)密實(shí)狀態(tài),可注性差;(3)黏聚力低,觸變性強(qiáng),無(wú)自穩(wěn)能力,施工擾動(dòng)引起漏砂或塌方,短時(shí)間內(nèi)即形成堆積體,無(wú)防護(hù)時(shí)間[8];(4)開(kāi)挖后安全風(fēng)險(xiǎn)高,超挖嚴(yán)重,噴射混凝土施工困難,進(jìn)度緩慢。

        經(jīng)四方現(xiàn)場(chǎng)查勘,綜合判定將該段落圍巖級(jí)別由Ⅴ級(jí)變更為Ⅵ級(jí)??紤]本段地質(zhì)條件,超前支護(hù)由超前密排小導(dǎo)管變更為水平旋噴樁超前預(yù)支護(hù)。

        3 水平旋噴樁預(yù)支護(hù)技術(shù)

        水平旋噴樁預(yù)支護(hù)技術(shù),是在隧道開(kāi)挖面的前方,沿隧道開(kāi)挖輪廓利用液壓鉆機(jī)在地層中水平定向鉆進(jìn)成孔,或小角度的仰、俯和外插鉆進(jìn),按一定的間距、長(zhǎng)度鉆孔。當(dāng)鉆至設(shè)計(jì)長(zhǎng)度后,利用高壓泵輸送高壓漿液,同時(shí)鉆頭一邊旋轉(zhuǎn)一邊后退,使?jié){液從鉆頭的噴嘴中高速射出,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,最后凝固成一定強(qiáng)度、一定直徑的旋噴柱體。相鄰柱體之間環(huán)向咬合,以同心圓的形式在隧道拱頂及周邊形成封閉的水平旋噴帷幕體,即在隧道拱部形成一定厚度的加固圈。如此形成的加固體強(qiáng)度比原狀砂層有極大提高,不僅具有良好的梁拱效應(yīng),還具有改變周圍土體力學(xué)性能的作用。可為隧道開(kāi)挖提供拱形保護(hù)、減小巖土滲透性、提高巖土強(qiáng)度、穩(wěn)定掌子面[9]、減少隧道變形。

        傳統(tǒng)注漿效果會(huì)受到地層吸收性能的限制,而旋噴漿液主要基于水力劈裂,借助于噴射漿液的力學(xué)作用攪拌、壓實(shí)、固結(jié)地層,提高地層的力學(xué)特性[10]。

        4 水平旋噴樁施工工藝

        4.1 支護(hù)參數(shù)選擇

        水平旋噴樁布置按照隧道斷面砂層范圍采用咬合樁設(shè)置,施工過(guò)程中旋噴樁設(shè)置范圍可結(jié)合砂層分布情況及時(shí)進(jìn)行調(diào)整。單循環(huán)樁長(zhǎng)18 m,樁徑600 mm,樁間距 400 mm,外插角 3°~5°,每循環(huán)搭接3 m,成樁體達(dá)到的抗壓強(qiáng)度5.0~8.0 MPa。中臺(tái)階設(shè)置旋噴鎖腳樁,采用φ600旋噴樁加固地層后,插入2根 φ42鎖腳錨管,角度斜向下45°,長(zhǎng)6 m,縱向間距60 cm。支護(hù)布置見(jiàn)圖1。

        圖1 水平旋噴樁布置

        施工技術(shù)參數(shù):旋噴壓力35~40 MPa,旋噴轉(zhuǎn)速12 r/min,后退速度20 cm/min。

        注漿參數(shù):注漿材料采用425號(hào)普通硅酸鹽水泥,水灰比0.8∶1~1∶1。

        4.2 設(shè)備配置及選型

        施工設(shè)備配置見(jiàn)表1。

        表1 旋噴樁施工設(shè)備配置

        4.3 施工工藝流程

        水平旋噴樁施工工藝流程見(jiàn)圖2。

        圖2 水平旋噴樁施工工藝流程

        4.4 工序施工要點(diǎn)

        4.4.1 施工準(zhǔn)備

        (1)平整場(chǎng)地。機(jī)械設(shè)備進(jìn)場(chǎng)檢查,檢查施工用電電源、水源;開(kāi)挖水泥漿沉淀池、臨時(shí)排水溝,做好安全防護(hù)及教育培訓(xùn)工作;準(zhǔn)備袋裝水泥、膨潤(rùn)土等工程材料。

        (2)封閉掌子面。采用C25混凝土素噴封閉掌子面,噴射厚度不小于20 cm,如圖3所示。圍巖較差時(shí)可打設(shè)錨桿,掛設(shè)鋼筋網(wǎng)片后噴射混凝土,防止掌子面坍塌、流砂及旋噴過(guò)程中出現(xiàn)漏漿等現(xiàn)象[11-12]。

        圖3 封閉掌子面

        (3)樁位放樣。在掌子面采用全站儀放樣開(kāi)挖輪廓線。放樣時(shí)注意根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況預(yù)留變形量,用醒目噴漆標(biāo)記出旋噴樁樁位,并在斷面上標(biāo)記樁號(hào)。

        (4)鉆機(jī)安裝就位。安裝前,仔細(xì)檢查鉆機(jī)、高壓注漿泵是否運(yùn)轉(zhuǎn)正常,其他配套設(shè)備是否齊全。鉆機(jī)就位后,按各孔位坐標(biāo)要求,用全站儀測(cè)量,調(diào)整鉆塔高度、傾角及擺角,使鉆桿軸線方向符合外擴(kuò)角的要求,調(diào)試鉆機(jī)至作業(yè)所需狀態(tài),如圖4所示。

        圖4 鉆機(jī)安裝就位

        (5)漿液拌制。采用高速攪拌機(jī)拌制漿液,注漿材料采用規(guī)格為P.O42.5的硅酸鹽水泥。嚴(yán)格按照配合比的要求進(jìn)行拌制,拌制過(guò)程連續(xù)均勻,攪拌時(shí)間不小于3 min,隨時(shí)檢測(cè)漿液稠度,隨用隨拌,不得留置時(shí)間過(guò)長(zhǎng)。為避免出漿口產(chǎn)生堵塞,在出漿口位置設(shè)置過(guò)濾網(wǎng)。

        (6)試噴。準(zhǔn)備好設(shè)計(jì)配比的漿液,進(jìn)行試噴作業(yè)。試噴時(shí)將噴嘴對(duì)準(zhǔn)旋噴區(qū)域,檢查噴射過(guò)程噴射壓力、出漿情況是否滿足要求。若噴射過(guò)程中出現(xiàn)各類阻礙因素,應(yīng)在第一時(shí)間采取解決措施,營(yíng)造穩(wěn)定的施工環(huán)境。

        4.4.2 水平鉆進(jìn)

        (1)配置循環(huán)漿液。本隧道采用施工用水循環(huán),成孔困難時(shí)可配置膨潤(rùn)土作為循環(huán)漿液,避免塌孔或成孔困難。

        (2)鉆孔。周邊旋噴樁鉆孔按照從下到上或左右交替跳躍式成樁,以保證兩邊強(qiáng)度平衡,減少因鉆桿偏斜造成樁體咬合率低的問(wèn)題。為確保相鄰旋噴樁的相互咬合,鉆進(jìn)過(guò)程中控制好樁的方位角,方位角誤差控制在±2‰范圍內(nèi)。鉆進(jìn)中可采用低壓、低流量清水,防止砂礫進(jìn)入噴嘴,同時(shí)可冷卻鉆頭。

        4.4.3 高壓旋噴

        (1)旋噴。鉆進(jìn)到設(shè)計(jì)深度后開(kāi)始旋噴,旋噴壓力35~40 MPa。為了保證端頭旋噴質(zhì)量,先原位旋噴0.5 min,旋噴前5 m時(shí),后退速度保持在15~18 cm/min,以后可升到20 cm/min,回抽速度要經(jīng)常測(cè)量校正。

        (2)卸管。先停止回抽,旋轉(zhuǎn)5圈停止送漿后再卸管。卸管后要盡快將進(jìn)管與前端連接,恢復(fù)送漿旋轉(zhuǎn)5圈后再回抽。

        (3)停噴。每孔旋噴到距孔口0.5 m時(shí)停止旋噴退出鉆頭后,立即用木塞包水泥袋堵住孔口,以防止?jié){液大量外泄。

        4.4.4 管道清洗

        每根樁旋噴完畢后,及時(shí)清洗管道及設(shè)備,避免管內(nèi)漿液凝固或殘留物堵塞噴嘴。清洗完成后移至下一樁位。

        4.4.5 廢漿液處理

        每循環(huán)旋噴樁施工完成后,及時(shí)清除泥漿池內(nèi)的廢漿液。廢漿液按規(guī)定處理,不得亂排亂棄。

        5 水平旋噴樁施工效果評(píng)價(jià)及建議

        5.1 施工效果評(píng)價(jià)

        從銀山二號(hào)隧道水平旋噴樁施工效果看,旋噴樁的咬合程度達(dá)到了預(yù)期效果,樁體沿開(kāi)挖輪廓線布置均勻,現(xiàn)場(chǎng)檢查樁的直徑達(dá)到了65~75 cm,咬合寬度20~35 cm,檢測(cè)樁體無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度達(dá)到了12.1 MPa。經(jīng)選取三個(gè)監(jiān)控量測(cè)斷面分析,10 d后仰拱初支成環(huán),拱頂沉降穩(wěn)定,累計(jì)沉降值分別為65.4 mm、56.5 mm、54.2 mm,拱頂沉降得到有效控制。表明水平旋噴樁施工解決了隧道開(kāi)挖期間拱頂漏砂、坍塌、沉降變形大的問(wèn)題。每循環(huán)開(kāi)挖進(jìn)尺達(dá)1 m,保障了施工安全和進(jìn)度要求。

        5.2 存在的問(wèn)題及建議

        (1)水平旋噴樁開(kāi)挖后,前端侵限部位需要人工破除,造成樁體破壞,支護(hù)作用降低;后端樁體上仰角度過(guò)大,樁下砂層掉落,采用噴射混凝土回填,成本增加。建議在施工中采取增加工作室措施,或改進(jìn)鉆桿鉆進(jìn)過(guò)程中的角度控制措施,對(duì)樁體外插角精確控制。

        (2)本隧道采用單噴嘴旋噴設(shè)備,采用單漿液噴射,容易出現(xiàn)樁體不均勻現(xiàn)象,可采用雙噴嘴旋噴工藝解決。

        (3)施工中要根據(jù)實(shí)際情況,考慮預(yù)留變形量,通過(guò)實(shí)際觀測(cè)數(shù)據(jù)指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工,在施工過(guò)程中循序改進(jìn)使支護(hù)參數(shù)達(dá)到最優(yōu)[13]。

        (4)旋噴過(guò)程中要對(duì)噴漿量進(jìn)行計(jì)算,同時(shí)要注意檢查注漿流量、空氣壓力、注漿泵壓力、鉆桿后退速度、轉(zhuǎn)速等參數(shù)是否符合要求,若發(fā)現(xiàn)異常,應(yīng)及時(shí)查明原因并采取相應(yīng)措施,確保水平旋噴樁的施工效果及作業(yè)安全。

        (5)現(xiàn)場(chǎng)施工的臨時(shí)泥漿池要做好安全防護(hù)工作,采用塑料布封底,避免泥漿外滲,造成拱腳或仰拱浸泡。

        6 結(jié)束語(yǔ)

        通過(guò)施工實(shí)踐,對(duì)比水平旋噴樁超前預(yù)支護(hù)技術(shù)與傳統(tǒng)超前小導(dǎo)管注漿、超前大管棚等預(yù)支護(hù)技術(shù),具有以下幾個(gè)方面的優(yōu)點(diǎn):

        (1)水平旋噴樁超前預(yù)支護(hù)技術(shù)解決了細(xì)砂層隧道開(kāi)挖時(shí)涌砂、流砂、掌子面坍塌及沉降變形大的問(wèn)題,形成的承載拱圈有一定的強(qiáng)度,加固體均勻程度好,具有良好的止漏砂、止水效果,可以起到加固掌子面、減少隧道變形的作用。

        (2)水平旋噴樁超前支護(hù)具有加固范圍可控、操作方便、成本低、效率高的優(yōu)點(diǎn)。

        (3)使開(kāi)挖支護(hù)施工安全性得以提升,同時(shí),進(jìn)度要求也得以保障。

        (4)該隧道采用鎖腳旋噴樁代替?zhèn)鹘y(tǒng)的鎖腳錨桿,解決了軟弱砂層下鋼架沒(méi)有著力點(diǎn)的問(wèn)題,有效控制了初期支護(hù)的沉降和變形。

        根據(jù)軟弱地層條件,通過(guò)調(diào)整旋噴的各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)及支護(hù)范圍,進(jìn)行動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì),水平旋噴樁超前預(yù)支護(hù)施工技術(shù)成為黏性土、砂類土、泥巖及小粒徑砂礫層和破碎帶隧道全斷面或臺(tái)階法開(kāi)挖施工的有效支護(hù)措施。

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