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1、 富水粉细砂层隧道全断面水平旋喷超前预加固施工技术研究 张征摘要：桃树坪隧道穿越富水粉细砂层，开挖后砂层无自稳能力，突水涌砂及溜塌现象频繁，施工进度缓慢且施工风险极高。通过引进国外配套设备及施工技术，对富水粉细砂层隧道采用高强度的水平旋喷超前预加固、掌子面的玻纤锚杆约束加固、中下台阶的锁脚旋喷桩锚固、多种降水措施，可使软岩隧道采取大断面甚至全断面开挖;在开挖过程中增加了锁脚旋喷桩工艺，很好的解决了在软弱砂层下钢拱架没有着力点、沉降大等问题，使得高风险隧道转化为低风险隧道，并在成本控制方面达到了理想的预期效果。Abstract： Taoshuping Tunnel passes through
2、water-rich silt and fine sand layer. Because the sand layer has no self-stabilization ability after excavation， accidents occur frequently and construction progress is slow. By introducing foreign matching equipment and construction technology， the full-section horizontal rotary jet grouting advance
3、d reinforcement technology is adopted for the tunnel with rich water and fine sand layer. The problems of steel arch without focus and large settlement under soft sand layer are well solved. The high-risk tunnel is transformed into a low-risk tunnel， and the desired effect in cost control is achieve
4、d.關键词：富水粉细砂层;水平旋喷;施工技术Key words： water-rich silt and fine sand layer;horizontal jet grouting;construction technology：U456.3+1 ：A ：1006-4311（2019）12-0086-050 引言桃树坪隧道主要穿越富水粉细砂层，粉细砂遇水极易软化，遇水即呈流塑状，开挖后粉细砂层极易出现涌砂与外挤现象，因基础自稳能力差，掌子面易变形，从而导致事故的发生。再者，地下含水量较多，也增加了下台阶的施工难度，掌子面开挖时常表现有壁墙滑塌、下沉开裂、背后脱空和变形侵限等，初期支护施工难
5、度极大，施工过程中安全风险因素也较多，这些不利因素都严重影响施工的进度，误工、窝工现象严重，施工成本巨增。富水粉细砂层的隧道施工国内外罕见，没有成熟的施工技术可借鉴。1 工程概况兰渝铁路桃树坪隧道是兰渝线上的第一座隧道，该隧道属于兰渝线上的控制性工程，桃树坪隧道全长3225m，起点DK3+430，止点DK6+655，国铁级双线隧道，该隧道除进出口共增设5个斜井，各施工口分别使用了三台阶、CRD、双侧壁、水平旋喷超前预加固等多种施工方法总结富水粉细砂层最优的施工方法，本次以桃树坪隧道出口段水平旋喷预加固施工方法展开技术研究。2 隧道施工工艺原理及施工方案2.1 工艺原理在富水粉细砂层进行隧道时，
6、采用全断面水平旋喷超前预加固施工工艺，施工过程中，以高压泵作为动力源，借助水平钻机的喷嘴与钻杆，把浆液以巨大的能量喷射到土体内甚至射穿土体，然后喷嘴作慢速旋转与进退，与此同时，切割土体，使用土颗粒与浆液充分搅拌，当浆液凝固后，形成水泥土固结体，其形状为水平圆柱状，叫水平旋喷桩。为保证隧道掘进施工过程的安全，更好的做到防渗透、防流砂和抗滑移，当旋喷桩互相咬接以后，采用同心圆方式，在隧道拱顶及周边，形成封闭的水平旋喷帷幕体。2.2 隧道施工工艺流程2.3 隧道施工的技术方案富水粉细砂层的断面降水和围岩加固是施工过程中的两大难题，为有效解决这些问题，采用全断面水平旋喷超前预加固施工工艺，不仅实现了安
7、全开挖的目的，也大幅度提升了施工的进度，施工方案的核心技术可用“五加固、三降水”来概括。2.3.1 “五加固”方案地层的预加固主要采用多功能地质钻机SM-14、摇臂钻机PST-60和配套使用的高压旋喷设备及设施，进行以下五个方面的旋喷预加固（如图1），分别为：加固掌子面周边长悬臂大直径水平旋喷桩咬合;加固侧墙大直径锁脚旋喷桩的支撑;加固掌子面玻纤锚杆梅花形旋喷桩;加固仰拱开挖前的竖直挡砂旋喷桩;加固基底旋喷桩。通长24m的钻杆，可加固范围为24m。周边水平旋喷桩桩体之间紧密咬合形成完整的帷幕体系，可充分保护开挖对周围砂层围岩产生扰动，对流沙与涌泥起到阻挡作用;掌子面采用梅花形布置玻纤锚杆旋喷桩
8、，可避免土体朝外侧流塌，从而对掌子面的正前方土体起到稳定作用，从而保证了开挖过程的安全;传统施工中采用锁脚锚杆，本方案中采用锁脚旋喷桩体系，进行初期支护时，该体系可产生强力支撑作用，可临时使支护体系封闭成环，使软岩隧道的“落底”工序变的比较安全。在隧道两侧斜向下方3045设锁脚旋喷，桩长8m，桩径600mm，左右拱脚和每榀拱架间均加以设置，打桩完毕后，在桩内打设长8m直径89mm钢管， 以此提升桩体的韧性、抗弯以及抗折等性能，同时可将钢管与拱架用槽钢焊接进而形成整体;两侧及仰拱开挖端头设置竖直挡砂旋喷桩，旋喷长度为6m，间距为50cm，桩体之间紧密咬合形成一道挡砂墙，防止仰拱开挖过程中出现突泥
9、涌水，导致隧道内挤变形，避免坍塌现象;基底面以下设置梅花型的旋喷，防止基底突泥涌水及为运营安全提供安全保障。（图 3）2.3.2 “三降水”施工因本工程地处富水粉细砂层，降水问题是施工中的一大难题，因富水粉细砂的渗透系数小，采用传统的花管排水降水方法，降水效果并不明显。经试验证明，采用掌子面超前真空法降水、后续辅以斜向轻型井点降水及深管井降水三者相结合的降水方案，取得了良好的降水效果，即被称为“三降水设计”，掌子面超前真空法降水;斜向轻型井点降水;深管井降水。掌子面环向打设12个，环向间距2m，长度为18m、直径60mm的超前真空降水孔，掌子面也水平布设4个相同规格的真孔降水孔，所有降水孔末端
10、与真空泵相连接，利用真空泵的负压将掌子面前方为开挖砂层内的饱和水集中抽排，以保证在开挖过程中砂层达到少水、无水以及无压的状态。垂直深管布置成梅花形，管道直径600mm、深度15m，同时延隧道方向间距约5m布置，靠近掌子面的适当位置，在仰拱开挖前施做。必要时边墙两侧各设置1排降水管，进行真空轻型井点降水，降水管长度5.0m，间距50cm，可根据实际情况调整间距，外插角60。3 隧道施工过程中的质量控制要点3.1 掌子面泄水孔、泄压孔的施工为防止在高压水平旋喷过程中，封闭掌子面因喷射压力过大引起的掌子面坍塌。在掌子面中心位置布设4个泄水、泄压孔。施工过程如下：首先放线定孔位，并准确测量孔外插角;采
11、用PST-60型摇臂钻机钻孔，水泥浆护壁成孔，同时准备好滤水管;顶入滤水管，成孔后退出钻杆，及时顶入滤水管，防止塌孔;洗滤水管，采用高压水或高压风洗管，防止泥浆封堵滤水层，影响泄水效果;同时，要保证泄水管滤水层安装牢固，以防止沙土流入泄水管，成孔后及时下管，并安装牢固。3.2 玻纤锚杆的施工3.2.1 施工工艺及施工过程玻纤锚杆施工工艺流程如下：钻孔设置玻纤锚杆注水试验注浆作业第一段注浆达到要求第二段注浆补注、所有段达到要求结束注浆。掌子面玻纤锚杆施工过程如下：放线定位并准确测量孔外插角;使用摇臂钻机PST-60型进行钻孔，钻至设计深度，同时做好施工记录，记录内容包括地质描述和钻孔记录，然后与
12、原设计地质图进行比较，确定是否需要工程变更，或者继续开展下一工序的注浆作业。对于无法采用摇臂钻机PST-60型开展施工的位置，可使用多功能地质钻机SM-14;旋喷、设锚杆，待钻孔到设计深度以后，开展旋喷加固施工，旋喷柱的直径400mm和孔底15m为加固范围;喷射完毕后退钻杆，把玻纤锚杆（直径40mm）放入孔内设计深度，开展封孔作业;依据浆液的设计配合比进行浆液配制配置完毕后，要强力搅拌使其混合均匀;为有效控制旋喷对周围区域产生压力作用，施工中要选取合理的旋喷顺序，本工程中采用发散和集中性方式，即由外到内受力，从而使掌子面的稳定状态不受到旋喷的影响，同时，在旋喷时，还要测定浆液凝胶时间与返浆率，
13、同时做好施工记录，保证玻纤锚杆的锚固质量与注浆施工效果。3.2.2 玻纤锚杆施工技术要点孔底旋喷段施做尽量采用200mm长2m加固体，便于下一步开挖施工;玻纤锚杆必须下入旋喷柱孔底，如没有达到孔底需重新扩孔将锚杆下入设计深度;采取间隔跳孔施工，防止串浆和漏浆;封孔必须严实，防止漏浆，影响注浆施工及锚固质量。3.2.3 玻纤锚杆质量检查注浆结束后，对注浆效果进行检查评价，确定注浆质量，为下一步施工提供依据和保障。通过整理注浆资料，及分析注浆施工中的P-Q-t曲线，进而定性评价注浆效果;注浆结束后汇总注浆量，通过反算分析地层填充率，进一步确定地层中浆液的填充实际情况，进而定量确定注浆效果。3.3
14、周边降水孔的施工为防止在高压水平旋喷过程中，封闭隧道周边因喷射压力过大引起坍塌。在开挖周边位置布设周边降水孔。施工步骤和掌子面泄水孔、泄压孔工艺步骤相同。3.4 高压旋喷施工3.4.1 施工工艺及施工过程高压旋喷施工流程如下：施工准备放线測量复核点位钻机就位调整角度定位钻孔、检查成孔、洗孔设喷管开始喷射注浆。高压旋喷孔施工过程如下：按设计要求放线定孔位，误差不大于2cm，并准确测量孔外插角;钻孔使用PST-60型摇臂钻机，还要随时对钻机的工作状况进行观察，确保孔外插角不大于1%，当不能采用PST-60型施工的部位，使用SM-14钻机开展作业;将钻杆下到设计喷射深度，钻杆要设有调试好压力的喷嘴;
15、准确测量浆液比重，依据涌水量和地质情况，水泥浆浆液的配比可进行调整优化;把喷射管下到设计深度的位置，开始旋喷，待浆液流出孔口后，即按设计的提升速度、旋转速度，自内往外开始喷射、旋转、提升，到设计的终喷位置停喷，撤出喷射管、更换钻头，开展下一孔的施工;为便于下一工序开挖工作，采用自上而下的喷射顺序;喷射完毕后，要及时对喷射管道进行冲洗，防止产生堵管;相邻两桩的施工时间间隔要小于12h。3.4.2 施工过程质量保证措施应进行水平和垂直方向的校正，保证钻杆与桩位吻合，偏差控制在10mm内;旋喷桩施工前应根据不同深度土质变化情况，选定合适的旋喷、提升速度及喷嘴直径等旋喷参数。旋喷管桩到达预定深度后进行高压射水试验，试验合格后才能进行喷射浆液，待达到预定压力的浆液排量后，方可逐渐提升旋喷管。深层旋喷时应先喷浆，在逐渐旋喷和提升，防止扭断注浆管;必要时，要对钻孔时所使用泥浆护壁的重量比进行控制，水：膨润土=1：0.070.1，比重为1.01.2;匀速后退、自前往后的进行高压喷射注浆作业;喷射浆液时，要根据设计要求对压力和注浆量进行控制，保持管路系统的处于畅通与密封状态;如施工中设备出现故障，为避免桩体断裂，要马上停止喷射与后退，并及时对故障进行排除;如因浆液喷射不足，桩体的设计直径受到影响，要开展复喷作业;因故停喷后重新恢复施工前，应将喷头前移30cm，采取重迭搭接喷射处理后，方可继续后退及
