水平旋喷搅拌桩在隧道施工中的应用

水平旋喷搅拌桩在隧道施工中的应用
1、概述
在全风化石英岩富水软弱围岩隧道地质中施工时，由于土层含水饱和，渗水面广，呈软塑-流塑状，采用超前小导管或大管棚注浆固结无法均匀扩散、达到预计效果，加上土层中含粉细沙，若采用劈裂注浆，浆液不能将粉细砂固结成整体，无法在拱顶周边形成封闭的止水帷幕，故在防止隧道涌泥、涌水等方面均无法保证效果。

高压喷射注浆（HighPreSSureJetGrouting）技术是60年代后期起源于日本日产冻结有限公司的一种加固松软土体的应用技术，是化学注浆急速结合高压射流切割技术发展起来的。

随后在欧美等国家得到广泛的应用并取得很好的效果。

水平旋喷搅拌桩是近年来在垂直旋喷桩、搅拌桩基础上发展起来的一种新工艺。

现就工程实例进行介绍，以利该技术的推广运用。

2、工程概况
安罗隧道全长2000m（K0+000～K2+000），其中K0+250～K0+280段设计为V级深埋段，地质报告显示为石英岩强风化，碎块状结构～散体状结构，节理裂隙发育，岩体破碎，有泥质充填，易坍塌，有渗水，围岩稳定性很差；同时，K0+210～K0+240段为断裂带，与线路方向水平倾角650，影响施工宽度为20～30m。

但在实际开挖地质显示为全风化石英岩富水软弱围岩，渗水面广，呈软塑-流塑状，无承载力和自稳能力，开挖时拱顶上部不断掉泥，前方不断冒泥，采用的双排超前小导管全部下沉，初期支护侵入隧道界限，无法进行掘进，施工安全隐患大。

3、工程地质及水文地质
K0+250掌子面位置覆盖层厚度100-110米，山顶风化程度大，植被茂密。

掌子面围岩为全风化石英岩，黄褐色，呈软塑-流塑状，无自稳能力及承载力，偏压，拱顶极易坍塌掉块，初期支护挤压变形。

水文地质复杂，土体富含水，达饱和状态，主要补给源为大气降水，排泄方式为向下渗透。

4、水平旋喷桩施工技术
4.1 水平旋喷桩原理
水平旋喷是以高压泵为动力源，通过水平钻机、钻杆、钻头、喷嘴把配置好的浆液喷射到土体内，在喷嘴作缓慢旋转和进退的过程中喷射流以巨大的能量将一定范围内的土体切削、摧毁，强制土颗粒与浆液在原位充分混合，然后形成大致水平的柱状水泥土固结体即水平旋喷桩，当多个旋喷桩相互咬合后，在隧道拱部或周边形成封闭的帷幕，起到防渗透的拱壳保护作用。

4.2 水平旋喷桩设计参数
根据现场工程地质条件，为了施工安全及控制初期支护沉降，加固隧道拱部周边土层，并达到止水止泥效果，在开挖轮廓线周边设计旋喷桩，施工参数如下：
⑴桩径为500mm，桩长30m。

⑵环向间距：上台阶为0.35 m，中台阶为0.4m。

桩体咬合大于10cm。

⑶考虑原初期支护已产生变形，本次施工旋喷桩外插角为8%。

⑷为了防止开挖断面过大产生变形，在隧道中线位置竖直布置一排旋喷桩，间距为0.45m，起减跨及支撑作用。

⑸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，上台阶掌子面增加10根水平旋喷桩，桩间距0.5～1.5m，桩长15m。

4.3施工工艺
⑴、施工准备
①设备进场，检查钻机运行是否正常。

②高压注浆泵运行是否正常，高压注浆管路是否畅通，压力表是否正常。

③测量放线定桩位。

④钻机安装。

平整工作平台，铺设轨道，安装立柱。

场地要求平整，并挖设排水沟。

油泵、高压泵安装。

要求场地平整，场地硬化，高压泵安装平稳，管路安装摆放整齐。

⑤对孔位。

设备安装好后，按现场测量结果适合调整钻机角度、方位，对准孔位，孔位误差控制在±50mm以内。

⑥制定浆液。

本次旋喷浆液采用水灰比0.8：1水泥浆，浆液搅拌必须均匀，随伴随用，浆液必须在初凝前用完。

⑵钻进
①开孔并安装孔口管（孔口密封装置结构如下图）：
1）开孔器开孔，采用ø90mm钻头钻进，钻进深度为0.50m；初始开孔角度根据地层情况及型钢安装里程确定，确保钻孔呈拱型且在同一面上。

2）安装孔口管；
将一根直径为ø73mm、长0.5m的孔口管埋入已开好的孔内，作为孔口管，孔口管外露0.30m；在掌子面植ø12mm钢筋4根，钢筋用锚固剂固结，将钢筋与孔口管焊接牢固，加固孔口管；
3）安装法兰盘和球阀。

②钻孔打设：
为确保钻孔质量，首先打设1个探孔，查明地层变化情况及地层对钻孔角度的影响，然后根据探孔情况确定旋喷桩钻孔的打设角度。

1）检查确定孔口管安装牢固后，调整钻机，对好孔位；
2）将旋喷钻头及第一根钻杆送入孔口管内；
3）安装密封装置；
4）打开循环液排出口（循环液采用膨润土、聚丙乙烯及火碱制作的泥浆）；
5）开始钻进，进孔角度定为8%，直到钻至设计深度；
6）通过观察循环液压力变化，检查喷嘴是否堵住。

7）钻进过程中要保持循环液压力1.0—2.0MPa，防止在钻进过程中，砂粒堵住喷嘴。

⑶、高压旋喷
①进行高压喷浆前应检查高压注浆泵，查看泵压读数是否达到设计要求（30—35MPa），泵压达到设计要求时才能开始喷浆；
②喷浆前应检查设备是否正常运转。

③在孔底高压喷浆时应停留一定时间，然后再缓慢外拔钻杆，钻杆每外拔出
0.6m，应回拖0.30m钻杆，同时高压喷浆；
④在高压喷浆时，应安排专人观察泵压变化，一旦发现泵压过低时应及时通知机台停止喷浆，查明原因后再恢复高压喷浆；
⑤在隧道左侧，当钻杆拔至孔口8m时采用定喷，喷至孔口0.5m时，关闭浆液通道，再缓慢拔出钻杆，进行封孔作业；在右侧拔至孔口5m时，采用定喷。

⑥每根高压旋喷钻杆拔出后应立即用清水高压冲洗干净，避免残留浆液凝固，避免下次旋喷时残留颗粒物堵喷嘴。

⑦喷浆参数：浆液要求水：水泥为0.8：1；注浆压力为30—35Mpa；
⑷封孔
①喷浆至孔口掌子面0.50m时，应停止喷浆；
②缷下孔口管最外端的密封装置，关闭循环液排出口；
③快速拔出钻杆和钻头，关闭大球阀；
④高压旋喷注浆完成后应在循环液排出口处安装压力表，然后用250泵补注浆，注浆压力控制在0.8-1.0MPa；
⑤补注浆完成48小时后方能缷下大球阀。

⑸清洗管道及设备
每根桩施工完毕后都应用清水高压冲洗管道及设备，确保管道内不留在残渣，清洗完毕后移至下一桩位。

⑹钻机移到下一孔位开钻前，核查相邻桩的成桩时间，后施工的桩必须在相邻桩成桩时间超过初凝时间后且达到一定强度时才能开钻，确保相邻桩相互咬合，因此采用隔孔施工。

5、施工难点
⑴水平旋喷桩施工的孔位精度控制；
⑵桩的连续性、均匀性控制；
⑶桩的强度及桩的咬合控制。

6、技术要点
⑴施工误差其精度控制在±3‰范围内；
⑵为确保相邻旋喷桩的相互咬合，应控制各桩的方位角，方位角误差控制在±2‰范围内；
⑶成桩后桩体必须满足强度要求，桩体应确保连续，均匀达到止水效果；
⑷水平旋喷桩应严格按照设计桩位、桩径、桩长和桩数施工。

⑸对每根桩从钻孔至成桩做以下记录：施工日期、开钻时间、结束时间、旋喷压力、旋喷提升速度、桩长、注浆量；
⑹施工前，现场应先进行两根成桩试验，通过试验桩掌握钻进速度、拔钻速度、旋喷速度、喷浆压力、单位时间喷浆量等技术参数，确定旋喷的均匀性，确定最佳施工参数和最佳施工工艺；
⑺桩体施工过程要连续，不能间断，防止出现断桩，断桩现象的发生。

如因机械故障或其它原因停机在30-120分钟的，应重复旋喷1m，超过2小时的，按断桩处理，应重新钻桩。

7、结语
水平旋喷桩的有效施作，为全风化石英岩富水软弱围岩隧道施工提供安全保障，水平旋喷桩比传统的超前小导管注浆和管棚具有更强的适应能力，它对于防水、防泥、防沉降方面作用比较明显。

在特殊地段时也可灵活应用水平旋喷桩与超前小导管，使两者的优势互补，节约成本，加快工期。

水平旋喷桩在我国隧道工程中研究和应用较晚，目前大多数施工工艺还处于试验、摸索阶段。

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，相信它将会在全风化石英岩富水软弱围岩的地下工程施工中，必将会得到更加广泛的应用。

参考文献：
⑴公路隧道施工技术规范JTG F60-2009，北京，人民交通出版社，2009.9
⑵黄建明，水平旋喷搅拌桩在暗挖隧道超前支护中的应用，铁道建筑，1003-1995（2007）07-0026-03。