上白隧道干燥水平粉细砂层施工技术

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摘要:主要介绍水平旋喷桩在隧道粉细沙地层中施工工艺及加固效果的应用。上白铁路隧道施工时, 干燥粉细砂层地层在开挖施工中极易坍漏。为解决通过这种隧道地质的施工方法,保证隧道永久质量和施工中的安全,采取新工艺、新材料和新方法,着重考虑隧道超前预加固,通过对超前小导管、超前小导管预注浆、大管棚、深孔注浆、水平旋喷桩、水平搅拌桩和水平固结等方案比选,决定采取水平旋喷桩施工技术,主要研究软弱围岩隧道施工中如何应用水平旋喷桩,初步拟选桩直径、桩长、外插角和循环距离等技术参数,通过现场施工,在该隧道干燥粉细砂层段成功地应用了水平旋喷桩,值得推广和借鉴。

关 键 词:

干燥粉细砂层 隧道施工水平旋喷桩

隧道工程与其它工程相比，其隐蔽性强，地质条件和周围环境的不确定性更加突出，随着我国交通事业发展，隧道特殊地质情况出现更加多元化，近年来干燥粉细砂层地层（相似于风积沙地质）在隧道施工中出现，其结构松散，强度低，颗粒细，给隧道施工带来很大困难。目前，我国干燥粉细砂层地质隧道工程实例少，施工技术与方法还不完善。水平旋喷预支护施工技术是在常规旋喷注浆技术基础上发展起来的一种新的施工技术。水平旋喷在国外已成功地应用于各种软弱不良地层的预支护中，但在我国尚属罕见。采用TGD―50型水平钻孔旋喷机及与其配套的YZB―32型液压注浆泵，进水平旋喷桩超前预支护的施工。

根据水平旋喷机的使用机理，针对干燥粉细砂层地质的特点，进行了多次工艺试验，掌握了水平旋喷在干燥粉细砂层地层中的操作要领、注浆压力、固结体直径、浆液自止浆及旋喷桩施工精度等一系列技术参数，取得了水平旋喷固结体周围砂体物理力学性质的变化数据。取得了良好的支护效果。

1. 工程概况

上白隧道设计为单洞双线隧道，线间距5米，全长1717m。隧道位于直线上，隧道内设单面坡，自进口至出口为14.5‰的上坡，隧道最大埋深126m。隧道穿越地层为第三系坡、洪积新黄土、细砂、中砂层，冲洪积新黄土，第四洪积老黄土层、粉细砂。根据最新设计地质资料揭示，全隧约1400余米穿越干燥粉细砂层，安全风险高，施工难度极大。

2. 施工中出现的问题及方案论证

2.1 施工中出现的问题

自2010年10月底拱顶开始出现砂层，随着掌子面的开挖掘进，砂层厚度不断扩大。目前已经覆盖断面上台阶及拱顶以上不少于6m范围。期间按照密排小导管注改性水玻璃的施工措施掘进了近100m后，随着砂层范围的扩大，流砂现象越来越严重，造成初期支护背后存在较大体积的空腔。施工中采取每开挖2～3拱架既注浆回填一次的处理措施，仍然无法对空腔完全回填灌满。最终导致1月27日发生初期支护沉降大变形（平均拱顶下沉47cm，最大下沉68cm），16m范围需做换拱处理。另外该段落地表发生开裂塌陷现象，埋深67m。初期制定的换拱方案为对变形地段先采用钢架临时加固后，对初期支护背后扰动后砂层进行注浆胶结加固。注水泥水玻璃双液浆200m3。但在开挖过程中发现仍然存在漏砂现象(浆液对砂层固结效果不明显)。

2.2 方案论证

由于粉细砂地层可注性较差，针对干性粉细砂层必须做好防漏、防涌、防沉降等工作，防止施工过程中出现漏砂、涌砂、大量沉降现象。通过专家论证、比选及现场试验决定；一是在粉沙地层采用高压水平旋喷桩超前支护为主，超前小导管注浆配合施工，保证支护效果；二是减小上台阶高度，并采取CRD工法或设置临时仰拱台阶法施工，防止结构过量沉降；三是为减少前方土体滑移引起工作面滑塌，加剧结构变形失稳及沉降，掌子面亦设置水平旋喷桩三根。

3. 高压水平旋喷桩施工工艺

3．1 水平旋喷桩加固机理

水平旋喷桩是以高压泵为动力源，通过水平钻机钻杆，喷嘴把配置好的喷浆液射到土体内，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和，待浆液凝固后，便形成水平圆拄状水泥土固结体，即水平旋喷桩。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，起到了防漏沙等作用，保证了隧道施工安全。

3．2 高压水平旋喷桩施工工艺

3．2．1施工准备

3．2．1.1设备进场（1）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。

3．2．1.2 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，并编好每个桩号，用钢筋作好桩位标志。

3．2．1．3钻机安装。（1）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。（2）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。

3．2．1．4 对孔位。设备安装好后，按技术交底调整钻机角度、方位，对准孔位，孔位误差控制在±50mm以内。

3．2．1．5 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。

3．2．2钻进

高压水平旋喷桩施工工艺流程图

3．2．2．1 钻孔打设

为确保钻孔质量，首应先打设2―3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，进孔角度按探孔确定的角度开始钻进，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，砂石堵住喷嘴。

3．2．2．2 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；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）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；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1：1；注浆压力为35―40Mpa；8）旋喷注浆时应注意事项:（1）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；（2）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。

3．2．3 封孔。1）喷浆至孔口掌子面0.50m时，应停止喷浆；2）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小时后方能下大球阀。

3．3 高压水平旋喷桩施工参数

第一环同上白隧道进口旋喷桩施工参数。水平旋喷桩布置在隧道拱部断面140度范围内（覆盖整个砂层），桩径600mm。桩间距为350mm，相邻桩相互咬合250mm，由于要外扩工作室，按大角度打设，设计角度为15%，长度为18m，核心土范围施工3根旋喷桩，用于顶住前方的涌砂，水平方向打设，长度为18m。

4. 总结

过施做水平旋喷桩超前支护，形成了较好的拱壳支护，在开挖过程中能过承受开挖线外沙土压力，保证了掘进安全。拱顶下沉及水平收敛急剧减少，满足了施工要求，水平旋喷桩预加固不仅能安全、顺利通过不良地质，而且进度亦能保证，TGD-50型水平旋喷机设计新颖，实现了液压升降，水平、倾斜和竖直旋喷作业；液压系统简单，操作维修方便，造价合理。针对此种地质，此方法安全、效率高、造价低等特点，尽管此工法还有待进一步完善，但无疑它是很有前途的。

参考文献

1.牟献友、谷攀。国内风积沙工程特性研究综述，内蒙古农业大学学报；自然科学版，2010，31。

2.董长松，黄俊文，肖均。风积沙地区公路隧道施工方案研究，隧道建设第31卷第二期2011年4月。

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