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?？蔀樗淼篱_(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。