馮 波

(中鐵十一局集團(tuán)有限公司， 重慶 400000)

我國(guó)交通運(yùn)輸行業(yè)已進(jìn)入高速時(shí)代，對(duì)公路、鐵路選線提出了更高要求。我國(guó)山嶺眾多，新建高速公路、高速鐵路，隧道占比越來(lái)越高，隧道建設(shè)中遇到淺埋段的情況不可避免。

隧道進(jìn)出口淺埋段覆蓋層巖土體多破碎，風(fēng)化嚴(yán)重，節(jié)理裂隙發(fā)育，洞身溝谷淺埋段易匯集地表水，隧道開(kāi)挖后圍巖受卸荷、遇水軟化效應(yīng)影響較大，淺埋段開(kāi)挖時(shí)極易出現(xiàn)坍塌、涌突水等災(zāi)害，對(duì)隧道建設(shè)帶來(lái)較大困難。

現(xiàn)階段隧道淺埋段常用的加固方法分為洞內(nèi)加固及洞外地表加固，洞內(nèi)有超前小導(dǎo)管注漿、洞內(nèi)水平旋噴樁、超前小導(dǎo)管、超前錨桿加固等[1-3]。隧道淺埋段的地表加固方法包括注漿法、水泥土攪拌樁法和高壓旋噴樁法等[4-7]。

高壓旋噴樁法是利用高速漿液對(duì)地層土體進(jìn)行切割、攪拌，使?jié){土混合并凝固為具有一定強(qiáng)度和完整性的固結(jié)體以對(duì)地層進(jìn)行加固的方法[8-11]，它可提高地層強(qiáng)度、抗?jié)B性、完整性及開(kāi)挖后的圍巖穩(wěn)定性，減小淺埋段地表沉降，改善支護(hù)結(jié)構(gòu)受力，降低圍巖滲透性，減少隧道后期運(yùn)營(yíng)階段的襯砌水害，確保隧道施工及運(yùn)營(yíng)安全。在隧道軟弱淺埋段，高壓旋噴樁法具有適用地質(zhì)條件范圍廣、成樁效果好、加固深度大、施工設(shè)備簡(jiǎn)單、對(duì)周圍生態(tài)環(huán)境影響小的特點(diǎn)，因此，該法在隧道軟弱淺埋段地表加固工程中應(yīng)用較廣。

依托云茂高速公路新屋隧道高壓旋噴樁地表加固工程，旨在介紹高壓旋噴樁法在隧道軟弱淺埋段加固應(yīng)用中的施工工藝及方法，并提出施工技術(shù)難題的解決方案，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)對(duì)新屋隧道淺埋段的加固效果進(jìn)行評(píng)價(jià)。

1 雙管法高壓旋噴樁加固技術(shù)

1.1 施工工藝

雙管法高壓旋噴樁法施工流程可分為施工準(zhǔn)備、鉆機(jī)就位、制備水泥漿、鉆孔插管、提鉆旋噴、樁頭處理、機(jī)具清洗、補(bǔ)漿等，如圖1所示。

圖1 高壓旋噴樁施工工藝流程

1.2 施工過(guò)程

1.2.1 施工準(zhǔn)備

1) 施工前應(yīng)明確樁位、編號(hào)、施工順序、水電線路和機(jī)具預(yù)設(shè)位置；2) 確定施工工藝及機(jī)械器具、配套設(shè)備、廢漿處理措施；3) 對(duì)施工場(chǎng)地進(jìn)行處理：將地表軟弱土層進(jìn)行清理，使地層能夠承受旋噴樁機(jī)自重而不陷沉，保證場(chǎng)地平整，能將樁機(jī)水平放置，做好場(chǎng)地四周排水，為廢漿處理做準(zhǔn)備；4) 在平整后的場(chǎng)地中安置機(jī)具，連接儀器。應(yīng)保證高噴旋噴的鉆孔機(jī)具應(yīng)滿足能在施工地層中單獨(dú)鉆進(jìn)成孔；所用的輸漿管、噴頭、噴射鉆噴桿應(yīng)密封可靠；輸漿管應(yīng)連接順直，噴嘴定向應(yīng)準(zhǔn)確。

1.2.2 鉆機(jī)就位

移動(dòng)旋噴樁機(jī)到指定樁位，將鉆頭對(duì)準(zhǔn)孔位中心，同時(shí)整平鉆機(jī)，放置平穩(wěn)、水平，鉆桿的垂直度偏差不大于1%～1.5%。鉆機(jī)就位后，首先進(jìn)行低壓(0.5 MPa)射水試驗(yàn)，用以檢查噴嘴是否暢通、壓力是否正常。

1.2.3 制備水泥漿

水泥漿制備按設(shè)計(jì)的配合比進(jìn)行，步驟如下：1) 將水加入桶中，再將水泥倒入，開(kāi)動(dòng)攪拌機(jī)攪拌10 min～20 min；2) 擰開(kāi)攪拌桶底部閥門，放入第1道篩網(wǎng)(孔徑為0.8 mm)，過(guò)濾后流入漿液池；3) 通過(guò)泥漿泵抽進(jìn)第2道過(guò)濾網(wǎng)(孔徑為0.8 mm)，第2次過(guò)濾后流入漿液桶中備用。

1.2.4 鉆孔插管

1) 啟動(dòng)鉆機(jī)，同時(shí)開(kāi)啟高壓泥漿泵低壓輸送水泥漿液，使鉆桿沿導(dǎo)向架振動(dòng)、射流成孔下沉，直到樁底設(shè)計(jì)標(biāo)高；2) 插管過(guò)程中應(yīng)注意觀察工作電流不大于額定值，為防止泥砂堵塞噴嘴，可用較小壓力(0.5 MPa～1.0 MPa)邊下管邊射水。旋噴樁插管如圖2所示。

圖2 高壓旋噴樁鉆孔插管

1.2.5 提升噴漿管、攪拌

1) 噴漿管下沉到達(dá)設(shè)計(jì)深度后，停止鉆進(jìn)，但保持旋轉(zhuǎn)不停；2) 高壓泥漿泵壓力增到施工設(shè)計(jì)值，保持坐底噴漿30 s；3) 邊噴漿邊旋轉(zhuǎn)，按照設(shè)計(jì)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)確定的提升速度提升鉆桿。若為雙管法施工，在達(dá)到設(shè)計(jì)深度后，應(yīng)立即接通高壓水管、空壓管，開(kāi)動(dòng)高壓清水泵、泥漿泵、空壓機(jī)和鉆機(jī)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，并用儀表控制壓力、流量和風(fēng)量，分別達(dá)到預(yù)定數(shù)值時(shí)開(kāi)始提升，直至達(dá)到預(yù)期的加固高度后停止。

1.2.6 樁頭部分處理

1) 當(dāng)旋噴管提升接近地表時(shí)，應(yīng)降低提升速度旋噴；2) 旋噴管離地表1 m時(shí)暫停提升，保持旋噴數(shù)秒后再向上慢速提升0.5 m；3) 離地表0.5 m時(shí)再次暫停提升，保持旋轉(zhuǎn)數(shù)秒后慢速提升至停漿面。

1.2.7 清洗

施工完畢應(yīng)把注漿管、壓漿機(jī)等機(jī)具設(shè)備沖洗干凈，管內(nèi)、機(jī)內(nèi)不得殘存水泥漿液。清洗管道常用方法是把水泥漿液換成水，在地面上噴射，直至把泥漿泵、注漿管軟管內(nèi)的漿液全部排出。

1.2.8 補(bǔ)漿

噴射完成后，由于漿液的析水作用，一般均有不同程度的收縮，使固結(jié)體頂部出現(xiàn)凹穴，要及時(shí)用水灰比為1∶1的水泥漿進(jìn)行補(bǔ)灌。

2 旋噴樁施工中易出現(xiàn)的問(wèn)題及預(yù)防措施

2.1 不同性質(zhì)地層下的樁體縮頸

對(duì)穿越多種地層的樁體而言，其施作過(guò)程中若旋噴參數(shù)保持不變，極易造成在不同地層樁徑不一。為避免堅(jiān)硬地層中的成樁發(fā)生明顯縮頸形成“葫蘆樁”，主要采取增加復(fù)噴次數(shù)、增強(qiáng)噴射壓力的方式進(jìn)行處理，以此提高樁體直徑。對(duì)整個(gè)樁體在不同地層中施作時(shí)，可通過(guò)調(diào)整旋噴參數(shù)和復(fù)噴次數(shù)來(lái)保持樁體直徑的一致性。

2.2 高壓旋噴樁冒漿量異常

在旋噴過(guò)程中，隨著噴射管的提升，通常會(huì)有部分漿液會(huì)裹挾巖土體顆粒沿噴漿管壁冒出地面，即冒漿。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，冒漿(內(nèi)有土粒、水及漿液)量小于噴漿量20%屬正?，F(xiàn)象，超過(guò)20%或完全不冒漿則屬于非正常情況，應(yīng)查明原因。冒漿不正常的常見(jiàn)原因及可采取的措施如下：

1) 施作時(shí)不冒漿。通常是由地層中存在較大空隙引起，可在漿液中摻加適量的速凝劑縮短固結(jié)時(shí)間，使?jié){液在一定土層范圍內(nèi)迅速凝固，阻止后續(xù)漿液從裂隙滲出；此外，若縫隙體積不大，也可在空隙地段增大噴漿量，填滿空隙后再繼續(xù)正常旋噴。

2) 冒漿量過(guò)大。主要是因有效噴射范圍與噴漿量不相適應(yīng)，噴漿量大大超過(guò)旋噴固結(jié)所需的漿量所致。減少冒漿量的措施通常有提高噴射壓力、適當(dāng)縮小噴咀孔徑、加快提升速度和旋轉(zhuǎn)速度3種。

2.3 高壓旋噴樁樁頂凹穴

當(dāng)采用水泥漿液進(jìn)行旋噴時(shí)，由于漿液的析水作用，漿液與巖土體攪拌混合后的凝固過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)不同程度的收縮，造成在固結(jié)體頂部出現(xiàn)一個(gè)凹穴，其深度一般0.3 m～1.0 m。旋噴樁硬化后樁頂凹穴如圖3所示。

圖3 固結(jié)體頂部凹穴

樁頂凹穴現(xiàn)象對(duì)加固區(qū)的防滲堵水極為不利，若隧道淺埋段的高壓旋噴樁地表加固工程有防滲要求，則必須采取措施對(duì)凹穴現(xiàn)象予以消除。目前常用的處理措施為：在旋噴完畢后開(kāi)挖出固結(jié)體頂部，在凹穴中灌注混凝土，或在凹穴中再次進(jìn)行旋噴，直至填滿凹穴。

2.4 高壓旋噴樁鉆孔垂直度偏差

在高壓旋噴樁加固工程具有較高防水要求時(shí)，對(duì)樁體垂直度有較高要求。樁體之間應(yīng)保持較好的搭接距離，通常高壓旋噴樁垂直度偏差不應(yīng)大于1%，實(shí)際鉆孔位置與設(shè)計(jì)位置偏差不應(yīng)大于50 mm[12]。在實(shí)際高壓旋噴樁加固工程中，鉆孔垂直度的保持是一個(gè)技術(shù)難點(diǎn)，施工中常常出現(xiàn)鉆桿偏斜，以致樁體傾斜，顯著降低了防水效果。出現(xiàn)鉆桿偏斜主因有以下2種：

1) 高壓旋噴樁機(jī)位置擺放不當(dāng)。施工過(guò)程中，受現(xiàn)場(chǎng)條件限制、施工人員工作經(jīng)驗(yàn)的影響，旋噴樁機(jī)設(shè)備可能一開(kāi)始就出現(xiàn)了擺放傾斜的情況；施工過(guò)程中，旋噴樁機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)振動(dòng)較大，試驗(yàn)區(qū)地表耕植土層承載力不足，也可能造成樁機(jī)枕木兩端不均勻沉降，引起樁機(jī)傾斜。

2) 地層存在孤石，造成鉆頭鉆進(jìn)偏移。對(duì)于鉆孔垂直度偏差，根據(jù)情況可采取以下不同措施：

(1) 為保證初始施作時(shí)設(shè)備擺放平整，預(yù)先對(duì)場(chǎng)地整平，在枕木下方布設(shè)石塊降低樁機(jī)不均勻沉降；鉆機(jī)就位后，現(xiàn)場(chǎng)配備水平尺，每鉆進(jìn)1 m～2 m用水平尺校核1次機(jī)架水平度，不符合要求時(shí)立即糾正，做到施工全過(guò)程采用水準(zhǔn)尺校準(zhǔn)樁機(jī)垂直度。

(2) 對(duì)于孤石造成鉆頭偏移的情況，采用了降低鉆頭鉆進(jìn)速度、增加鉆頭旋噴速度的措施；卵石層鉆進(jìn)困難時(shí)，下鉆速度保持在5 cm/min左右，旋噴速度保持在18 r/min左右，具體施工參數(shù)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況，并由機(jī)具操作人員現(xiàn)場(chǎng)作出適當(dāng)調(diào)整。

3 工程應(yīng)用

3.1 工程概況

新屋隧道為分離式雙向4車道隧道，單洞長(zhǎng)約2 500 m，淺埋段位于隧道洞身，在隧道縱向總長(zhǎng)約400 m，位于溝谷地段，最小覆土層厚度約為7 m。淺埋段圍巖等級(jí)為Ⅴ級(jí)，隧道掌子面采用三臺(tái)階法開(kāi)挖，上臺(tái)階采用機(jī)械開(kāi)挖，開(kāi)挖進(jìn)尺1 m，中臺(tái)階、下臺(tái)階和仰拱采用爆破開(kāi)挖。初期支護(hù)由間距50 cm的I20a型鋼、長(zhǎng)度3.5 m的Φ25中空注漿錨桿、Φ6鋼筋網(wǎng)、26 cm的C25噴射混凝土組成。二次襯砌采用50 cm厚C30混凝土，鋼筋Φ22@5。超前支護(hù)采用雙層小導(dǎo)管，長(zhǎng)度4.0 m。鎖腳采用3.5 m長(zhǎng)Φ42導(dǎo)管，每環(huán)12根。

圍巖為耕植土、粉質(zhì)粘土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土、細(xì)砂、粉質(zhì)粘土、強(qiáng)風(fēng)化變質(zhì)砂巖、中風(fēng)化變質(zhì)砂巖。地表水系發(fā)育，淺埋段位于洞身段，為多條沖溝交匯處，周圍山體陡峭，匯水面積較大，地表常年有溪水流淌，有排水形成的天然沖溝，且淺埋段附近存在魚(yú)塘和大片水田，如圖4所示。

圖4 淺埋段場(chǎng)地情況

現(xiàn)場(chǎng)施工期間排水的困難極大，隧道洞內(nèi)圍巖穩(wěn)定性差，對(duì)隧道建設(shè)及運(yùn)營(yíng)帶來(lái)了極大隱患。

3.2 加固范圍

淺埋段高壓旋噴樁橫向加固范圍為隧道左右洞兩側(cè)各超出輪廓線3 m，橫向整體加固寬度約19 m。旋噴樁加固深度為打入強(qiáng)風(fēng)化變質(zhì)砂巖層0.5 m，如圖5所示。

單位：cm

3.3 加固參數(shù)

高壓旋噴樁主要設(shè)計(jì)參數(shù)為樁體直徑60 cm，樁間距為120 cm，采用三角形布樁方式；施工參數(shù)為漿液壓力22 MPa～24 MPa、提升速度18 cm/min、漿液流量75 L/min～80 L/min、提升速度15 r/min～18 r/min；漿液采用水灰比1∶1的純水泥漿液。

3.4 分層施工及困難

新屋隧道淺埋段高壓旋噴樁最大樁長(zhǎng)15 m，豎向加固范圍內(nèi)自上而下依次是耕植土、粉質(zhì)粘土、卵石土、全風(fēng)化變質(zhì)砂巖、強(qiáng)風(fēng)化變質(zhì)砂巖，5種地層性質(zhì)差異較大。耕植土和粉質(zhì)粘土層的密實(shí)度、標(biāo)準(zhǔn)貫入值均較小，土體軟弱，成樁效果較好；卵石土中卵石強(qiáng)度較高，對(duì)漿液切割土體的作用進(jìn)行了一定的阻擋，樁徑無(wú)法保證；全風(fēng)化變質(zhì)砂巖、強(qiáng)風(fēng)化變質(zhì)砂巖的密實(shí)度、標(biāo)貫值相對(duì)較大，采用在軟土中的常用施作參數(shù)，漿液壓力不足以充分切割攪拌地層，成樁質(zhì)量亦難以保證。

新屋隧道試驗(yàn)區(qū)覆蓋層存在約0.8 m厚的碎石卵石層，卵石磨圓情況差，呈尖棱狀；鉆機(jī)鉆井至該地層時(shí)，出現(xiàn)卵石層鉆進(jìn)困難，鉆桿擺動(dòng)幅度增大的現(xiàn)象。初步分析為：鉆頭鉆進(jìn)過(guò)程中遇到大粒徑孤石，難以鉆進(jìn)，鉆頭偏向周圍較軟弱土體，導(dǎo)致鉆孔偏斜和鉆桿擺動(dòng)幅度增大，如圖6所示，主要采取降低鉆頭鉆進(jìn)速度，增加鉆頭旋噴速度的措施解決這一困難。

圖6 卵石碎石地層樣芯

4 加固效果

為對(duì)新屋隧道淺埋段高壓旋噴樁加固的效果進(jìn)行評(píng)價(jià)，在洞內(nèi)開(kāi)挖過(guò)程中進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)工作，地表高壓旋噴樁施作完成后進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)取樣測(cè)試和現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)挖檢查等工作。

4.1 加固后樁體強(qiáng)度

高壓旋噴樁養(yǎng)護(hù)28 d后，基本成樁，具備一定的強(qiáng)度，對(duì)加固區(qū)樁體進(jìn)行樣芯取樣，并進(jìn)行強(qiáng)度測(cè)試，加固各種地層中的3組樁體樣芯無(wú)側(cè)限強(qiáng)度均在10 MPa左右，較之加固前原地層嵌固提高了幾十倍，表明旋噴樁的施作對(duì)地層強(qiáng)度的提高作用顯著。加固區(qū)樁體現(xiàn)場(chǎng)取樣如圖7所示。

圖7 現(xiàn)場(chǎng)鉆孔芯樣

4.2 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)及現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)挖

為評(píng)價(jià)旋噴樁加固后隧道開(kāi)挖時(shí)的圍巖穩(wěn)定性及圍巖抗?jié)B性，在開(kāi)挖過(guò)程中對(duì)圍巖壓力、拱頂沉降、地表沉降、孔隙水壓力等進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，對(duì)洞內(nèi)開(kāi)挖后的滲水情況進(jìn)行了觀察。

1) 圍巖穩(wěn)定性

根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，隧道開(kāi)挖后淺埋段加固區(qū)的地表最大沉降為50 mm，隧道拱頂?shù)某两底畲笾禐?2 mm，初支所受的最大圍巖壓力為56 kPa。在加固前，淺埋段圍巖軟弱，直接進(jìn)行洞內(nèi)開(kāi)挖難度較大；采用高壓旋噴樁加固后，淺埋段洞內(nèi)開(kāi)挖后的支護(hù)結(jié)構(gòu)變形及地表沉降均較小，支護(hù)結(jié)構(gòu)承受的圍巖壓力也較低；可見(jiàn)，高壓旋噴樁的施作使圍巖的自承能力較加固前得到極大的增強(qiáng)，提高了圍巖的穩(wěn)定性，為洞內(nèi)安全施工創(chuàng)造了條件。

2) 圍巖抗?jié)B性

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)孔隙水壓力的3組監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可知，加固區(qū)外圍地下水位較高，而加固區(qū)圍巖孔隙水壓力較小，約10 kPa，且在較長(zhǎng)時(shí)間里加固區(qū)孔隙水壓力未變化，表明加固區(qū)外的地下水難以滲入到加固區(qū)。此外，根據(jù)加固區(qū)的洞內(nèi)開(kāi)挖情況，掌子面較為干燥，僅存在少量滲水，并未出現(xiàn)大量滲水；加固區(qū)洞內(nèi)開(kāi)挖情況，如圖8所示。綜合孔隙水壓力監(jiān)測(cè)情況和洞內(nèi)開(kāi)挖情況可知，旋噴樁的施作極大地提升了淺埋段的抗?jié)B性，降低了洞內(nèi)開(kāi)挖時(shí)發(fā)生涌突水的風(fēng)險(xiǎn)。

圖8 加固區(qū)洞內(nèi)開(kāi)挖掌子面干燥

5 結(jié)束語(yǔ)

1) 高壓旋噴樁在隧道淺埋段加固技術(shù)流程與高壓旋噴樁的傳統(tǒng)應(yīng)用場(chǎng)景并無(wú)較大差別，但在技術(shù)工藝上有較高的控制要求。

2) 高壓旋噴樁施工時(shí)主要技術(shù)難題是樁身縮頸、冒漿異常、樁頂凹穴、鉆孔垂直度偏移等，結(jié)合地表加固工程實(shí)際情況，提出了相應(yīng)的解決措施。

3) 旋噴樁加固后淺埋段地層強(qiáng)度、穩(wěn)定性、抗?jié)B性都得到了極大提高，隧道開(kāi)挖過(guò)程中未出現(xiàn)塌方、涌水等災(zāi)害，表明旋噴樁在隧道淺埋段加固效果很好。