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1、1水平旋喷桩在深圳地铁超前预加固中的 应用【摘要】介绍水平旋喷桩超前预加固技术在深圳地铁大科区间不良地质地段中的应用,重点阐述水平旋喷桩加固机理、施工工艺和效果。【关键词】地下铁道 软弱围岩 水平旋喷桩 预加固1 引言在软弱、松散、富水地层中修建地下工程,一般多采用超前预加固辅助工法。目前超前预加固方法主要有超前小导管、超前小导管预注浆、大管棚、深孔注浆、水平旋喷桩、水平搅拌桩和水平冻结等,应根据地质条件及周边环境进行安全、技术、经济对比和适用、成熟可靠性分析合理选用。深圳地铁大科区间位于深圳市主要干道深南大道正下方,单线长 1 144.7 m , 埋深 1019 m , 分左右两条单线隧道,
2、线间距 13.217.2 m 。其中 SK3 + 210 SK3 + 315 段通过不良地质地段,该段埋深 1517 m , 上覆素填土、粉质粘土、砾砂层、砾质粘性土、流塑状粘性土,其中流塑状粘性土侵入隧道断面 36 m 。该地段土体自稳能力极差,土层中局部存在囊体,囊体内充填水和泥砂混合物,在隧道开挖过程中会毫无征兆地喷发,泥砂俱下,导致土体失稳,引起险情。受环境制约,该地段不允许进行地表降水和注浆加固,洞内起初仅采用小导管加密注浆,但效果甚差, 安全、质量、进度无法保证,一度处于停工状态。2001 年 10 月22 日,50 多位地下工程界的专家、学者会聚深圳,联手“把脉会诊”,经过综合论
3、证,建议优先选用水平旋喷桩并辅以小导管注浆加固的施工方案。目前工程进展顺利,二次衬砌已施工完毕,达到了“ 安全、经济、快速、优质”的目标。22 水平旋喷桩加固机理及特点水平旋喷桩是以高压泵为动力源,通过水平钻机钻杆、喷嘴把配制好的浆液喷射到土体内,喷射流以巨大的能量将一定范围内的土体射穿,并在喷嘴作缓慢旋转和进退的同时切割土体,强制土颗粒与浆液搅拌混合。待浆液凝固后,形成水平圆柱状水泥土固结体即水平旋喷桩,当旋喷桩相互咬合后,便以同心圆形式在隧道拱顶及周边形成封闭的水平旋喷帷幕体,起到防流砂、抗滑移、防渗透的作用。水平旋喷桩具有以下特点: (1) 可控性。水平旋喷桩的浆液局限在土体破坏范围内,
4、浆液注入部位和范围可以控制,可通过调节注入参数(切削土体压力、固化材料注入速度与配比、注入量等) 获得满足设计要求的固结体。(2) 均匀性。喷射流在能量衰减前交汇,切削能量在碰撞点相互抵消,在比桩心到碰撞点距离大的地方, 射流无能力切削土体,加固体均匀程度好。(3) 成本低、效率高。由于限定注入范围,注入量大幅减少,水泥用量仅为 100150 kg/m , 施工速度比大管棚或深孔注浆提高 23 倍。(4) 具有提高复合土体强度、防渗、抗滑、预支撑等多重效果。3 水平旋喷桩超前预加固方案通过室内模拟试验、现场试验、理论分析以及专家意见,决定采用“以周边单层咬合水平旋喷桩加固为主(特别困难地段双层
5、),以小导管注浆为辅,掌子面采用间隔水平旋喷桩”的超前预加固方案。3.1 加固范围采用 SIR22000 型地质雷达( 美国 GSSI 公司) 和洛阳铲相结合的方法,对开挖面前方地质进行超前预报并据此结合地层界线确定周边水平旋喷桩预加固范围。3一般情况下的加固范围为拱部 150,对于流塑状粘性土侵入隧道下部的加固范围适当调整至 180 270之间。掌子面加固范围为开挖面上台阶核心土及弧形导坑内缘。其纵、横断面详见图 1 及图 2 。3.2 主要设计参数周边旋喷加固体的直径为 500 mm , 孔深 15 m , 考虑不设扩大工作室,为减少周边破桩工作量,桩尾 3.0 m 范围只成孔而不旋喷成桩
6、,实际成桩长度 12 m , 纵向搭接长度 1.5 m 。环向间距开孔处 0.33 m , 终孔处图 1 水平旋喷桩加固示意(纵断面) 图 2 水平旋喷桩加固示意(横断面) 0.4 m, 外插角 58(视地质及线路坡度而定),相邻加固体咬合厚度10 cm, 施工一循环旋喷桩,开挖、初支进尺 10.5 m 。为减少前方土体滑移引起掌子面失稳,加剧结构变形和地表沉降,掌子面亦设置水平旋喷桩,桩间距 1 1.5 m, 桩长 L = L1+ L 2+ H tan(45 -2) =1413 m (L1:循环长度,10.5 m;L 2:锚固长度,2 m; H :上台阶开挖高度,3 m;:内摩擦角,15。)
7、,取 15 m 。周边小导管注浆间距为0.330.40 m, 长 3.5 m, 纵向搭接2.0 m 。对相邻旋喷桩加固体的咬合处,浆液采用 CS 双液浆,水灰比为 0.81 , 水玻 1 , 体积比 1璃玻美度为 1520 。4 各工序技术要点4.1 施工参数4(1) 钻杆钻进速度:01250135 m/min ; (2) 钻杆(轴) 转速:12070 r/min ;W=1(3) 水泥浆配合比:C017 ; (4) 每延米水泥用量:75 kg ; (5) 钻杆每节长 3 m , 外径 50 mm , 旋喷钻头外径 90 mm , 单孔,孔径 2 mm ; (6) 旋喷压力:2025 MPa 。
8、4.2 施工准备封闭上台阶和下台阶掌子面,喷混凝土厚度20 cm 。精确测量中线、水平,搭设工作平台,平台上铺设竹夹板和枕木,将钻机、高压泵及其它机具一字排列就位。设置临时边沟及废浆池。4.3 浆液配制浆液严格按设计配合比配制,充分拌和均匀,拌合时间3 min , 水泥浆从搅拌机倒入贮浆桶前要经筛过滤,以防出浆口堵塞。4.4 钻孔及旋喷按照“先周边、后掌子面”顺序进行旋喷施工,周边按照每次间隔一孔,孔位从下到上左、右交替进行。跳跃式成桩,两边强度平衡,可以减少因钻杆偏移造成桩间咬合率低的问题。按设计外插角,分孔计算每根桩的偏角和仰角,利用三维坐标,使钻机精确定位。开孔时慢进,钻至 1 m 后按
9、正常速度钻至设计深度,当浆液从喷嘴喷出并达设计压力后开始旋喷,桩前端原地旋喷30 s 。为保证桩径和桩间咬合,弥补目前国内水平钻旋喷作业退进速度快的不足,采用复喷工艺(即退一次、进一次、再退一次,共计三次旋喷作业),以提高固结体的增径效果及咬合率。在桩前端受外插角的影响,为确保加固效果,前端旋喷时加大压力或降低喷嘴的旋转提升速度。当旋喷至孔口 3 5m 时停止,并立即退出钻杆,用棉纱塞堵孔口,以防浆液外泄。4.5 冒浆处理工艺在旋喷过程中,往往有一定数量的土颗粒随着一部分浆液沿着注浆管管壁冒出。通过对冒浆的观察, 可以及时了解地层状况,判断旋喷的大致效果和评定旋喷参数的合理性等。根据经验,冒浆
10、量小于注浆量 20 %30 % 为正常现象,超过 30 % 或完全不冒浆时, 应查明原因并及时采取措施。当旋喷流量不变而压力突然下降时,应检查各部位的泄漏情况,必要时拔出注浆管检查密封性能。出现不冒浆或断续冒浆时,若系土质松散则视为正常现象,可适当进行复喷。若系附近有空洞,则可继续注浆或拔出注浆管待浆液凝固后重新注浆至冒浆为止,或采用速凝浆液使浆液在注浆管附近凝固。冒浆量过大的主要原因是有效喷射范围内注浆量大大超过旋喷固结所需浆量,可采用提高喷射压力(喷浆量不变) 或适当缩小喷嘴直径(喷射压力不变),加快提升和旋转速度等措施。5 旋喷加固效果(1) 试验表明,旋喷固结体直径为 4070 cm(
11、地层越软弱,桩径越大),平均值满足设计要求。固结体强度接近 C10 素混凝土,桩间咬合率80 % , 形成了较好的拱壳支护,在开挖过程中(循环进尺 0.7 m) 能承受开挖线外土桩的压力,保证掘进安全。(2) 固结体周围土体得到了挤压,土体孔隙比减小,抗渗能力得到提高,初支渗水明显减少,为复合防水层及二衬施工提供了较好的外部环境。(3) 地表下沉和拱顶下沉得到有效控制。地表沉降减少 51 % , 洞内拱顶下沉减少54 % , 在 SK3 + 355 过煤气管处,采用周边双层旋喷桩和掌子面旋喷加固, 按照“短台阶、小步距、快开挖、快支护、快封闭、快通过”的施工原则,并增设临时仰拱6和加密锁脚导管
12、及时进行背后注浆,在流塑状地层中控制煤气管下沉量仅为 26.9 mm , 保证了通过煤气管道的安全。(4) 在大 科区间流塑状粘性土地段,共施工旋喷桩 11 000 延米,每根桩施工时间约为 2 h , 每循环时间为 3 d , 月掘进进尺 30 m 左右,远远高于采用大管棚或深孔注浆的施工进度。采用水平旋喷桩每米增加费用 6 0008 000 元,低于大管棚、深孔注浆和水平冻结诸法所需费用,具有很好的技术经济优势。6 结束语水平旋喷桩在我国应用和研究起步较晚,目前大多数还处于试验阶段,在施工工法、数值模型、理论研究和机械选型配套方面还有大量工作要做。随着我国地下工程的发展,水平旋喷桩的研究也将进一步深入, 相信在不久的将来,水平旋喷桩在地下工程软弱地层中会得到逐步推广,大显身手。
