水平旋喷桩在富水粉细沙层中的应用
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摘要：水平旋喷桩是在水平钻孔内以高压旋喷的方式压注水泥浆，在隧道开挖外轮廓形成拱形预衬砌（水平旋喷桩护拱），以防护掌子面和地表下沉的一种超前预加固施工方法；本文以桃树坪隧道1#斜井为例重点阐述水平旋喷桩加固机理、施工工艺和成桩效果进而分析水平旋喷桩的优缺点。
1、 工程概况
新建兰渝铁路桃树坪隧道1#斜井全长420米，纵坡4.5%，断面净空尺寸6.8*6.2m，全断面为粉细砂，施工过程中先后遇到富水粉细砂层，在水的浸泡下多呈流塑状，多次发生塌方变形地质灾害，经过多次反复降水试验，各种降水办法降水效果不明显，这给隧道工程的安全施工以及工程建成后的运营安全造成十分重要的影响，施工进度十分缓慢，困难时期月进度斜井仅为0―5米左右；为确保兰渝铁路全线安全施工和以后安全运营，中铁二十一局兰渝项目经理部一分部通过多方面咨询、多渠道沟通、了解和学习，采用水平旋喷施工技术克服富水粉细沙岩隧道中塌方变形和水的影响，取得了一定的效果。
2、加固机理
水平旋喷桩是在水平钻孔内以高压旋喷的方式压注水泥浆，在隧道开挖外轮廓形成拱形预衬砌（水平旋喷桩护拱），以防护掌子面和地表下沉的超前支护施工方法。水平旋喷桩护拱，是由水泥旋喷柱体互相咬合（或相切）而成，在砂砾土和中细砂层中，水平旋喷效果较好，固结体平均抗压强度接近C15等级混凝土，在水平旋喷柱体相互咬合形成的旋喷拱棚的保护下，隧道内土方开挖采用短推进，勤支护、快施工，能安全地通过浅埋暗挖隧道的含水砂层和软弱松散土质，能较有效地控制地面沉降，确保掌子面的安全作业，在一定程度上起到了防流沙、抗滑移、防渗透的作用。实践证明，水平旋喷桩是目前国内外行之有效而又快速经济的隧道超前支护技术，具有广阔的运用前景。
3、施工参数
新建兰渝铁路桃树坪隧道1#斜井全断面施作水平旋喷桩，断面净空尺寸为6.2米（高）*6.8米（宽），计划施作38根，每根长15米，具体参数如下：
① 钻杆钻进速度：0. 15 ～ 0. 25 m/ min ；
② 钻杆（轴） 的转速：70 ～ 120 r/ min ；
③ 水泥浆配合比： m W ∶m C = 0.8：1 ；
④ 每延米水泥用量：77.3 kg ；
⑤ 钻杆每节长3 m ， 旋喷钻头外径80 mm ， 喷射头单孔孔径2 mm ；
⑥ 旋喷压力：35 MPa ；
⑦ 浆液流量：80L/min～90L/min ；
⑧ 旋喷桩体直径：Φ=600 mm ；
⑨ 桩长：15 m
4、施工工艺流程图
5、施工工艺
以桃树坪隧道1#斜井为例，施工通道净空6.8m（宽）*6.2m（高），水平旋喷桩的中心间距40cm，设计成桩直径600mm，全断面布置，外插脚13°，长度15米，2010年4月21日进场，4月22日正式施作，共计施工38根，6月7日下午完成最后一根桩，平均每天成桩1根15米左右；根据现场实际情况及施作情况，总结水平旋喷桩施工工艺及过程主要有以下几个方面：
① 施工准备
封闭上台阶和下台阶工作面，喷射混凝土厚度不小于20 cm ， 精确测量中线、水平搭设工作平台，平台上铺设木板和枕木，将钻机、高压泵及其他机具一字排列就位。设置临时边沟及废浆池。
② 浆液配制
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 钻孔及旋喷
按照“从右边墙开始，依次往左”的顺序进行旋喷施工， 按设计外插角（上导坑180o范围内外插角12%，边墙外插角4%），分孔计算每根桩的偏角和仰角，利用三维坐标，使钻机精确定位。
④ 封孔
喷浆至孔口掌子面1.0m时，应停止喷浆，快速拔出钻杆和钻头，关闭大球阀。
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。
⑥ 检查桩体
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。
6、成桩效果及其优缺点：
水平旋喷桩在桃树坪隧道1#斜井施工完成后，经过下一步开挖支护效果来观察，旋喷桩效果大部分部位桩间咬合较好，但有一两个部位由于施工角度原因，桩间咬合较差，再次发生涌水涌沙现象，致使拱部局部桩折断，再次发生溜塌；通过此次事件，我们总结分析认为，水平旋喷桩既有他的优点，但也存在一些缺点：
优点：
（1）.施作质量若较好，桩间咬合紧密，则能达到预期的效果；
（2）.效率高：每天可以成桩一根；
（3）.安全可靠；
（4）.操作方便：机器设备运输方便
（5）.经济实用；
缺点：
（1）.桩长受限制，一般8-18m，若桩长过大易偏离设计桩位；
（2）.如果遇到卵石层或者其他障碍物则难以处理，一旦卡钻则只有将钻杆钻头丢弃；
（3）.用于软弱围岩隧道施工，方位控制不易，虽然用导向仪等设备，但孔偏位仍然会发生；
（4）.不同土性及沙层施工工艺施作要求不同；
（5）.泥浆及水泥浆液流失较大，最大达到30%-40%；
（6）.钻机不灵便，需要机械人工配合；
8、结束语
水平旋喷桩在我国应用和研究起步较晚，目前大多数还处于试验阶段，在施工工法、数值模型、理论研究和机械选型配套方面还有大量的工作要做。通过水平旋喷桩目前在新建兰渝铁路桃树坪隧道中的应用和实践，希望能对相似或者相同围岩情况的隧道超前预加固起到借鉴作用。
9、参考文献
[1]王圣涛、贾敬军.水平旋喷桩在深圳地铁大一科区流苏状粘性土中的应用.北京：铁道工程学报.2002年8月
[2] 水平旋喷桩在富水软弱沙层中的应用：建筑科技.2010年01期
[3] 地基处理技术规范 （JGJ 79-2002）. 北京：中国建筑工业出版社.2002年1月
作者简介：王顺利，男，1985.12，汉族，甘肃平凉，兰州商学院陇桥学院，教研室主任，本科，土力学