隧道内水平旋喷桩施工技术

张斐斐 方世民

摘要：通过隧道内水平旋喷桩进行地层超前加固，相较地面垂直加固而言，无需阻断交通、加固针对性强、能形成较好的止水帷幕，保证了隧道掘进施工安全，为今后同类地层洞内超前地层加固处理提供了参考。

关键词：洞内旋喷桩地层加固

中图分类号：TU74文献标识码：A 文章编号：

一、施工概述

某地铁隧道洞身通过的围岩相继有<3-3>中砂、<3-4>圆砾、<6-1>可塑状残积砾（砂）质粘性土、<6-2>硬塑状残积砾（砂）质粘性土、<12-1>全风化花岗岩、<12-2-1>强风化花岗岩六种地层。隧道上覆地层主要为第四系全新统人工填筑土（Q4ml）、冲洪积粘性土及砂层（Q4al+pl）、残积粘性土层（Qel），下伏基岩为燕山期（γ53）花岗岩。

地下水主要有第四系孔隙水、基岩裂隙水。岩层裂隙水较发育，广泛分布在花岗岩的中～强风化带及构造节理裂隙密集带中，局部具有承压性，地下水位埋深2.6～5.3m。

由于地处繁华闹市区，地面人流集中，交通繁忙，且隧道过砂层段地质条件较差、隧道拱顶距离砂层较近，局部地方砂层已侵入隧道内，为了保证隧道过砂层段施工安全，经各方讨论决定施作隧道内水平旋喷桩对地层进行超前加固处理。

二、工法概述

采用水平定向钻机打设水平孔，钻进至设计深度后，拨出钻杆，同时通过水平钻机、钻杆、喷嘴以大于35MPa的压力把配制好的浆液喷射到土体内, 借助流体的冲击切削土层，使喷流射程内土体遭受破坏，与此同时钻杆一面以一定的速度旋转，一面低速徐徐外拔，使土体与水泥浆充分搅拌混合，胶结硬化后形成直径比较均匀，具有一定强度的桩体，从而使地层得到加固。当旋喷桩相互咬接后,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。

水平旋喷桩具有梁效应和土体改良加强效应，能够起到防流沙、抗滑移、防渗透的作用,保证隧道掘进安全。同时水平旋喷桩在旋喷过程中，水泥浆液能沿着地层的缝隙渗透扩散，尤其在涌水量较大的地层中，水泥浆液扩散填充缝隙后起到止水的效果。

三、水平旋喷桩孔位设计

1、根据现场地质条件及暗挖隧道所处地层位置，为确保隧道施工安全，在隧道拱部及边墙设计水平旋喷桩，形成止水帷幕，且超前支护隧道拱顶土体。

2、拱部布设水平旋喷桩23根，每侧边墙布设4根；桩径为φ500mm，水平旋喷桩预导孔打设角度为5%。

3、钻孔长度根据现场实际施做能力而定，长度控制在20～30m。

4、由于在初期支护内进行施做，根据打设角度，可定2～3m进入初期支护断面。因此对开始阶段2～3m不进行旋喷，桩的有效长度为17～28m。水平旋喷桩空位见图01：

四、水平旋喷桩施工技术

水平旋喷桩施工工艺流程见图02：

4.1施工准备

1、测量放线定桩位，在隧道两侧测量放线定出两个同一里程点，隧道轴线，并在掌子面测量标出隧道开挖轮廓线，测量定出桩位，用钢筋作好桩位标志,并编好每个桩号。

2、钻机安装

⑴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。

⑵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。

3、对孔位。设备安装好后，按要求调整钻机角度、方位，对准孔位，孔位误差控制在±50mm以内。

4、制定浆液。根据施工方案和技术交底要求的配比配制水泥浆，浆液搅拌必须均匀。在制浆过程中应随时测量浆液比重，每孔高喷灌浆结束后要统计该孔的材料用量。浆液用高速搅拌机搅制，拌制浆液必须连续均匀，搅拌时间不小于3分钟，一次搅拌使用时间亦控制在4h以内。

4.2钻进

1、开孔并安装孔口管：

⑴开孔器开孔，采用ø130mm钻头钻进，钻进深度为0.50m；初始开孔角度根据地层情况确定，待旋喷施工1—2根桩后再根据实际情况进行开孔角度的调整。

⑵退出钻具，准备安装孔口管；

⑶将一根直径为ø127mm、长0.8m的孔口管埋入已开好的孔内，作为孔口管，孔口管外露0.30m；

⑷在撑子面植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；

⑸安装法兰盘和球阀。

2、配制循环浆液：用膨润土配制循环浆液。

3、钻孔打设：

为确保钻孔质量，首应先打设1—2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。

⑴检查确定孔口管安装牢固后，调整钻机，对好孔位；

⑵将旋喷钻头及第一根钻杆送入孔口管内；

⑶安装密封装置；

⑷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）；

⑸开始钻进，进孔角度按探孔确定的角度开始钻进，直到钻至设计深度；

⑹通过观察循环液压力变化，检查喷嘴是否堵住。

⑺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，砂石堵住喷嘴。

4.3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（35—40MPa），泵压达到设计要求时才能开始喷浆；

2、喷浆前应检查

⑴钻杆接头处是否漏气，如漏气，则应将钻杆退回，查出漏气位置重新密封，或更换钻具。

⑵喷嘴是否堵住，喷嘴如堵死，则应将钻杆全部退回进行疏通，疏通后重新下管到设计深度后再进行旋喷。

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、施工第一循环水平旋喷桩时，旋喷至孔口4.0m时采取摆喷方式进行高压旋喷，即在旋喷过程中，保持旋喷钻杆在上方1800范围内旋喷。

6、当钻杆拔至孔口0.50m时停止注浆，关闭浆液通道，再缓慢拔出钻杆，进行封孔作业；

7、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。

8、喷浆参数：浆液要求水：水泥为1：1；注浆压力为35—40Mpa；

9、旋喷注浆时应注意事项:

⑴接、卸钻杆要快，并且要清洗接头位置，不得残留杂物，防止喷嘴堵住；

⑵旋喷过程中循环液排出口要保持畅通，如因故堵死，应松开密封装置疏通返浆通道，保持正常返浆，返浆量应控制在规范规定的20%左右。

⑶如果孔内不能疏通，为避免出现抱钻等情况发生，则应将钻杆退出，直至钻孔内返浆正常后再重新下旋喷钻杆进行高压旋喷。

⑷喷射时因故障中断，应酌情尽快处理:

①因机械故障，要尽力缩短中断时间，及早恢复灌浆；

②如中断时间超过2小时，要采取补救措施；

③恢复喷射时，钻杆要多伸入0.30m，保证凝结体的连续性。

⑸喷浆过程中出现冒浆时，应及时从孔口进行封堵，如果出浆量较大时，则应考虑在浆液中加入速凝剂，并控制喷浆量和喷浆速度。

⑹旋喷注浆时返出的浆液要求及时排至地表。

4.4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。

4.5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。

钻机移到下一孔位开钻前，应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，前一根桩浆液达到一定强度时才能开钻，确保相邻桩相互咬合，因此移至下一孔位时应跳过1至3根后再施做较合适。

五、作业注意事项及采取的保证措施

5.1作业注意事项

1、水平旋喷桩打设角度偏差2‰以内。

2、水平旋喷桩长不小于设计桩长。

3、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；

4、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；

5、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；

6、桩体施工过程要连续，不能间断，防止出现断桩，短桩现象的发生。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。

5.2质量保证措施

1、试验桩施工完成后应进行桩的质量检测，主要检测其桩径、桩长、桩的强度等指标；

2、工程开工前，认真做好技术交底，做到人人明白技术要求，个个分担技术责任；

3、由于高压浆液对土体的削切及钻杆本身的重力，钻头在钻进过程中会发生明显的下移，为此对旋喷桩，上仰角根据桩径、桩长、隧道坡度、地层情况确定，采用跳孔施工，从拱底往上施做旋喷桩；

4、施工过程中，操作人员随时记录压力、喷浆量、钻进速度、拔钻杆速度等有效参数。施工时严格控制各种施工参数，发现问题及时汇报处理。现场施工做到及时记录、及时调整、及时汇报处理；

5、高压旋喷应全孔连续进行，若中途拆卸喷射管，则应进行复喷，搭接长度不小于200mm。供浆正常的情况下，孔口回浆密度变小、且不能满足设计要求时，应加大进浆密度；

6、在施工时严格遵守操作规程，班长和技术员严格进行质量自检，每根桩在对好钻机后，机手、施工队长都应亲自检查孔位偏差、钻机角度。

六、结束语

实践证明，在特定地质条件下，采用洞内水平旋喷桩进行地层超前加固是可行的，不仅增强了土体稳定性，而且有较好的止水效果，为洞内地层加固处理提供了一种新的思路。

注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。