水平旋喷桩预加固技术在仑顶隧道中的应用

(中铁二局集团有限公司 四川 成都 610000)

一、引言

浅埋暗挖法在应用于大断面松散软弱地层时，安全性较差，容易出现地表沉降量超限、塌方等问题，在开挖前必须对地层进行超前加固或超前支护，以提高洞周围岩自身的承载能力[1]。水平旋喷桩预加固技术是在常规旋喷桩注浆基础上发展起来的一种新技术[2]，该技术在提高复合土体强度、防渗、抗滑、预支撑等多重效果的同时，能够降低成本、提高效率、缩短周期，提高施工安全程度。本文通过工程实践，对水平旋喷桩施工工艺和质量控制进行分析和研究，进而得出总结经验，以期为类似工程实践提供参考依据。

二、工程概况

新建合肥至福州铁路仑顶隧道起讫里程为DK743+262.2～DK743+731，全长468.8m，洞身围岩主要为凝灰质石英砂岩，褶皱不发育，全隧均为Ⅴ级围岩。隧道进、出口明暗交接里程分别为DK743+479.2、DK743+714，进出口均采用帽檐斜切式缓冲结构洞门(L-17m)。隧道出口端DK743+694～DK743+714段采用洞口定向水平旋喷桩超前预支护。

隧道出口暗挖段所处场地范围内的岩土分层,表层为第四系坡残积粉质黏土，浅黄色，硬塑，厚0～10m;下伏J3c侏罗纪长林组凝灰质石英砂岩，全～弱风化，全风化厚2～12m；强风化厚大于13m；下为弱风化层，青灰、灰白色，节理、裂隙较发育，地下水为孔隙潜水及裂隙水，较发育。

三、水平旋喷桩设计及施工工艺

(一)设计桩体参数

在隧道拱部180°范围内布置69根水平旋喷桩，桩径为0.5m，环向间距0.35m，外插角1～3°，旋喷桩桩长：L=20m。其桩位的布置见图1。

图1 桩位布置

(二)施工工艺

(1)工艺概述：水平旋喷桩施工工艺主要适用于砂类土、黏性土、黄土及小粒径的砂砾层。该工艺是在不良地质隧道工作面前方，采用水平定向钻机沿隧道开挖轮廓线钻孔[3]，达到预定深度后，边后退边高压旋喷注浆，相邻的旋喷固结体相互搭接咬合，在隧道拱顶及周边形成封闭旋喷帷幕体。

(2)主要机具设备：HTG-500型旋喷钻机、钻具、XPB-90E型高压注浆泵各1套，20m3螺杆空压机、搅浆机、储浆罐、BW-320型泥浆泵、SE-1型有线导向仪各1台。

(3)施工参数：①水泥浆配合比：mc:mw=1：1；②水泥用量为成桩体积的30%；③注浆压力：35～40MPa；④旋喷速度：15～20cm/min。

(4)施工工艺流程：桩位测放→设备安装调试→开孔埋设装置→水平钻孔→回撤旋喷→封孔→清洗管道及设备。

四、质量控制措施

1.浆液水灰比大小直接影响成桩固结体的强度，单位加固体中的水泥浆含量越高，喷射的浆液越稠，则加固强度越高。为了保证浆液与土体的搅拌均匀程度，在施工前要进行工艺性试桩，由试验室试验后提供最佳水灰比。

2.钻机选型：应根据设计钻孔深度及孔径选用钻机，施钻时应有导向架。

3.旋喷次序：先钻喷拱顶中央孔，然后每次间隔一个孔位从上到下，左右交替直到底部。再从上到下、左右交替、跳孔施工[4]所缺孔位，使后旋喷孔固结体能填补两孔间空隙。

4.浆液配制：浆液搅拌必须均匀，每桶搅拌时间不少于5min，一次搅拌使用时间亦控制在4h以内。在制浆过程中需随时测量浆液比重，每孔高压喷浆结束后应统计该孔的材料用量和浆液的累计喷入量，严禁使用配比不准确的浆液。

5.水平旋喷桩桩位与设计位置的偏差不得大于5cm，桩径应大于50cm，相邻桩的搭接不应小于30cm。桩体应连接，不能出现断桩、缩径等情况。

6.严格控制钻孔深度，应确保施工桩长达到设计要求，严禁在未达到设计孔深的情况下进行旋喷机后退旋喷作业。

7.钻进速度不宜过快，并应适时地加入后退动作，修正钻头钻进轨迹，以提高钻孔精度。依据地层条件合理调整给进力，控制钻孔深度、旋喷速度，避免断桩，确保旋喷桩桩长达到设计值。严禁未达到设计深度及尚未旋喷满的情况下进行后退旋喷作业[5]。

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8.仪器监测纠偏：在孔位开始钻进前使用水准仪和经纬仪准确调整钻进方向，同时在钻头内部安装有测控设备的水平导向仪，每钻进4m要使用水平导向仪测量一次，及时进行导向纠偏，确保预导孔精度,严格控制桩孔打设方向，并做好每个钻孔施工原始记录。其工作示意见图2。

图2 导向纠偏示意

9.旋喷浆液与土体的搅拌均匀程度是影响桩体强度的关键因素。当旋喷浆液与土体搅拌越均匀，其旋喷桩的强度就越高。因此,为了提高旋喷桩的桩身强度可以采用控制后退旋喷速度或重复旋喷搅拌的施工工艺。

10.拔杆喷浆过程的质量控制

(1)旋喷压力是影响旋喷桩固结体质量的主要因素。高压喷浆前应检查高压注浆泵，在达到35MPa时，才可开始喷浆施工；

(2)旋喷时，应边喷边转动边后退，钻杆旋转速度调整到20r/min，旋喷端头后退速度为15～18cm/min，以后保持在20cm/min；

(3)在中途卸杆时，先停止后退，旋喷5圈，然后通知停止送浆。卸杆完毕恢复给浆后，先旋转3 ～ 5圈再后退，这样可以防止出现断桩；

(4)在高压喷浆时，泵工应随时注意观察泵压变化，当发现泵压过低或过高时应及时停止喷浆，查明原因后再恢复高压喷浆。钻杆拔至离孔口1.5m处高压泵停止注浆，先关闭浆液输送通道，再缓慢拔出钻杆，进行封孔作业。

11.在含水量较大的土层钻进时，对喷咀易发生堵塞的情况采取以下处理措施

(1)当堵塞时，因没有冲洗清水故阻力大，扭矩剧增转速也会下降，这时应停止给进，调整速度，及时查明原因，待扭矩下降后再正常给进；

(2)在后退旋喷作业时，若喷咀堵塞，泥浆泵压力表指示压力将急剧升高，这时应停止送浆。迅速退出钻杆和喷头，换上新的喷头并钻进到原先喷射处，再正常送浆，继续后退旋喷作业。卸下的喷头、喷咀应立即清除堵塞物，分析堵塞原因，防止再次出现；

(3)因故需较长时间中断旋喷时，亦及时用清水冲洗输送浆液系统，防止硬化剂沉淀在管路内。

12.每次旋喷施工完毕，应将泵体及管道内残渣冲洗干净，以防固结。

13.旋喷流出的废浆应通过专用排浆沟纵向排出，注意勿使废浆液聚集或流经拱脚处，以免泡软拱脚地层。

14.旋喷桩施工地段，应根据《铁路隧道监控量测技术规程》[6]有关规定，加强监控测量，以确保施工安全。

五、水平旋喷桩加固效果

根据地质雷达测试和钻孔取芯验证，高压旋喷桩的成桩质量、啮合效果较好，桩体直径达70cm，岩芯的抗压强度最小5.5MPa，最大可达8.7MPa，符合设计28d桩体强度应大于5MPa要求，通过预加固处理技术提高土体自稳强度。经后期反复观测，水平旋喷桩预支护能有效地控制土体地层下沉，使隧道开挖、支护能够安全、快速地进行。

六、结语

伦顶隧道采用水平旋喷桩预加固技术，开挖后立即发挥作用，旋喷固结体相互啮合形成的旋喷拱棚支护能承受大部分地层压力，具有梁效应和土体改良加固效应，达到了控制变形的目的。实践证明水平旋喷桩预加固技术在砂土软岩层中的应用是安全可行的，该技术具有显著的社会和经济效益，值得推广和借鉴。