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标题 铁路隧道风积砂层高压水平旋喷桩超前加固施工技术
范文 范森



Advanced Reinforcement Construction Technology of High Pressure Horizontal Jet Grouting Pile in Wind Tunnel Sand Layer of Railway Tunnel
摘要： 本文介绍了高压水平旋喷桩施工原理及工艺，分析了风积砂围岩隧道的地质特征及施工中的困难，通过高压旋喷桩在蒙华铁路银山2号隧道风积砂围岩中的应用，重点阐述了旋喷桩工艺参数设计、注浆参数选定、设备选型等问题，总结了旋喷桩在风积砂围岩隧道施工中的作用和效果，为类似围岩的隧道施工提供借鉴。
Abstract： This paper introduces the construction principle and process of high pressure horizontal jet grouting piles， analyzes the geological characteristics of the eolian sand tunnels and the difficulties in construction. Through application of the high pressure jet grouting piles in the wind tunnel around the Yinshan No.2 tunnel of the Menghua Railway， the design of process parameters， selection of grouting parameters and equipment selection are described， and the role and effect of rotary jet grouting piles in the construction are summarized， which provides reference for the similar surrounding rock the tunnel construction.
关键词： 铁路隧道；高压水平旋喷桩；风积砂
Key words： railway tunnel；high pressure level jet grouting pile；aeolian sand
中图分类号：U45 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2018）15-0141-04
0 引言
为适应国家“一带一路”战略实施，铁路交通在已经形成的“四纵四横”网络基础上，修订的《中长期铁路网规划》明确提出“八纵八横”铁路网络。铁路建设将迎来再次高速发展期，尤其是中西部地区，将有大量铁路开工建设。受地形地貌限制和铁路建设技术要求，大部分线路以桥、隧为主，部分线路桥隧比例达到80～90%，隧道比例已达到线路长度的50%以上。在我国新疆、内蒙、青海、甘肃、山西、陕西等中西部地区分部广泛存在砂质新黄土、风积砂地质，风积砂结构松散、黏聚力小、塑性低，触变性强，无自稳能力，是隧道施工中一种极难控制的特殊地质，稍有不慎将可能發生漏砂、涌砂、塌方冒顶、沉降大变形等灾害。
1 工程概况
蒙华铁路银山2号隧道位于陕西省延安市安塞县，进口里程DK263+741.58，出口里程DK265+439.88，全长1698.30m，最大埋深96.5m。全部为Ⅳ、Ⅴ级围岩。受地形限制，由出口单口掘进施工，工期紧，施工任务重。
地质特征：地层岩性为第四系砂质新黄士、风积粉砂、风积细砂及黏质老黄土；白垩系下统洛河组全（强）风化砂岩，砂岩紫红色，泥质胶结，呈角砾碎石状松散结构，节理裂隙发育。水文特征：地表水主要为大气降水及基岩裂隙水渗出形成地表径流，地下水主要为第四系孔隙潜水及基岩裂隙水。
2 风积砂围岩特征及危害
①结构呈松散状，黏聚力c值小，触变性强，无自稳能力，对变形非常敏感，稍有扰动即可能发生大的溜塌，轻者造成空洞，重者引起较大的塌方。
②颗粒细、级配差，塑性低，以紫红色细砂、粉细砂为主。含一定量的土粒，有时有黄土夹层，一般含水量较低，可注性差。
③存在形式多样，粉细砂层一般存在于土石分界，也有在砂岩或黄土中以夹层形式存在。有的为全断面砂层，有的为上下或左右半断面砂层。
④围岩自身无任何承载力，全靠初支承受荷载。开挖扰动在拱脚处易形成流砂，引起涌水涌砂，围岩呈流塑状，造成已施工段落初支沉降、变形较大，初支出现环向贯通裂缝。
3 风积砂围岩施工难点
①施工扰动易引发涌砂、溜塌，掌子面不能自稳，超挖、变形难控制。砂层极易溜塌，超挖严重，喷射混凝土施工时易与砂层一起脱掉，施工困难。松散砂层经施工扰动后对初期支护压力增加，加大了初支变形和开裂的风险。
②突发性溜砂难以预见和控制。部分砂层具有一定隐蔽性。在围岩拱顶或边墙为一薄壳砂岩，开挖后形成临空面，随时间延迟，松散砂层在重力作用下发生突发性溜塌。
③拱脚松散、承载力不足，初支下沉不易控制。由于砂层松散，钢架拱脚易挤出，导致拱架下沉，严重时造成初支开裂、大变化等灾害。
④含水量较大时，砂层呈流塑状，完全无自稳能力，不采取加固措施无法进行隧道开挖作业。
⑤安全风险较大。由于风积砂松散、易溜塌、涌砂、富水时易流淌等特性，易引发初支开裂、大变形、塌方、突发性涌水等灾害，安全风险较大。
4 水平旋喷桩工艺原理、工艺特点
4.1 工艺原理
采用钻机精确施工水平旋喷孔，孔深钻至设计规定值后，通过钻杆前端的喷头采用高压喷射的方式把搅拌好的水泥浆液喷射到岩层内， 借助高压水泥浆液切割岩层，砂层被水泥浆液破碎，钻杆在保持合理的转速（15～20r/min）旋转的同时，低速（5～15cm/min）缓慢向外拔出，保障水泥浆与孔内土体搅拌均匀，胶结固化后形成直径比较均匀圆柱形，具有无侧限抗压强度5～8MPa的水泥土混合物桩体，桩体间相互咬接后，便在隧道横向形成拱形壳体，从而使掌子面后方软弱地层得到加固，水平旋喷桩达到拱效能和土体改良加强效能，能够减小隧道初支压力，有效控制初期支护沉降变形，杜绝掌子面坍塌，为隧道掘进提供安全空间。
4.2 工艺特点
①桩体强度高，通过高压旋喷，被破碎的土体与水泥浆充分融合，形成水泥土混合体，在不同岩性地层，固结体的直径与强度也不相同。砂层中的固结体强度比淤泥质土中的高，在砂卵石层中固结体直径最小，但强度最高。
②桩体质地均匀，旋喷桩施工过程中，水泥浆通过高压喷射，将旋喷孔周边土体破碎，使土体与水泥浆液充分混合，形成水泥浆液与土体比较均匀的混合桩体。
③适应性强。在粘土、杂填土、粉细沙、流砂地层等软弱围岩地层均可进行旋喷桩施工，均可保证超前加固需要的成桩以及咬合效果。
5 高压水平旋喷桩超前加固设计方案
银山2号隧道出口里程DK264+050～DK264+035段施工时，掌子面揭示有风积砂地层，开始仅拱部薄层，以后不断扩大至中下台阶，接近全断面为风积砂层。经现场踏勘及专家技术方案论证，DK264+035～DK263+915段采用高压水平旋喷桩超前加固，具体参数如下：
水平旋喷桩布置按照隧道断面拱部180°范围进行设置，长度为18m（每循环搭接3m），桩径Φ600mm，环向间距为400mm，外插角度3～5%。中台阶设置Φ600长度6m的旋喷锁脚桩先加固地层后插入Φ42钢管、旋喷锁脚桩及Φ42钢管角度斜向下45°。
成桩体抗压强度达到5～8MPa，注浆材料一般采用P.O42.5普通硅酸盐水泥，水灰比0.8～1.2，并掺入适当的速凝剂。同时为了保证钻进成孔效果掺入适量膨润土。初期支护及旋喷桩预留变形量为15～20cm。（旋喷桩布置图见图2）
6 水平旋喷桩施工
水平旋喷桩采用HTG-200型水平钻孔旋喷机打设水平孔，采用XPb-90E型高压泵通过水平钻机、钻杆、喷头搅拌喷浆形成桩体。（工艺流程图见图3）
6.1 施工准备
施工准备包括测量放样，接通电源、水源，备好材料等，主要是场地准备。
①喷掌子面，旋喷前要对掌子面采用厚度为20cm，强度为C25混凝土，进行锚喷封闭加固，以防掌子面在旋喷过程中受压坍塌。
②挖排浆沟，排浆沟断面为40cm×40cm，与废浆池连结。
③机械设备检查：主要检查钻机、回油管接头、启动柜、注浆泵、三联泵、注浆管路、压力表等工作是否正常。
④测量孔位：在掌子面180°范围内，按设计预留沉降量，通过测量画出隧道开挖轮廓线，根据水平旋喷桩布置图测量定出桩位，编好每个桩号，用钢筋作好桩位标志。
⑤钻孔旋喷机就位。
钻孔旋喷机就位后，分孔计算每根桩的偏角和仰角，利用三维坐标，采用全站仪调整钻头高程及钻杆的偏角和仰角，使成孔定位达到精确。
6.2 拱顶试桩及参数确定
试验钻孔2个，钻孔分别按拱部加固桩设计参数进行；水泥浆液采用P.O42.5普通硅酸盐水泥，水灰比1：1。通过试桩优化水平旋喷桩施工方案，重点确定旋喷压力、浆液水灰比、喷头大小、旋喷转速、拔管速度、桩体直径等。然后综合分析修改工艺参数，确定本工点水平旋喷桩采用的技术参数。①旋喷桩径：600mm；②桩间距：400mm；③浆液配合比： 1：1；④旋喷转速：15～20r/min；⑤旋喷压力：35～40MPa；⑥浆液流量：40L/min；⑦拔管速度：5～15cm/min。
6.3 钻孔
启动钻机，钻孔过程中钻头保持一边旋转一边钻进，同时采用膨润土制作泥浆循环液从喷嘴喷出，从而达到冷却钻头，减小摩擦阻力，预防卡钻，杜绝砂粒堵塞喷头的效果，确保钻孔顺利进行。纵向水平旋喷桩一次成孔，横向旋喷桩需要多次连接钻杆，首先将注浆管连接器与过渡短钻杆同时拆卸，连接在待装钻杆尾部，再将待装钻杆与钻机上的钻杆连接，低速旋转钻杆确保钻杆连接牢固后开始正常钻孔，依此循环，钻到设计孔深后钻机停止钻孔。
6.4 搅拌水泥浆液
水泥漿液根据设计配比，严格控制水泥、水的掺量，需要时可以掺入适量速凝剂，采用高速搅拌机搅制，搅拌过程必须连续，浆液必须均匀，搅拌时间不少于4min，在制浆过程中应随时测量浆液比重，一次搅拌使用时间宜控制在4h以内。每孔高压喷灌浆结束后要统计该孔的材料用量。
6.5 旋喷施工
①孔深达到设计要求后开始高压旋喷。为了保证孔底旋喷质量，先在孔底高压旋喷0.5～1min，然后喷管再开始徐徐后退，喷管后退时旋喷速度调整到15～20r/min。
②旋喷孔底端前5m段落，喷管后退速度控制在5～10cm/min，以后可提高到15cm/min，喷管后退速度要经常测量修正。
③卸管过程，先停止后退喷管，在旋转5圈且停止送浆后再卸管，卸管后要迅速将进浆管与前端连接牢固，在恢复送浆后先旋转5圈后再后退。使用掺入速凝剂的浆液旋喷时，拆卸喷管前先送入纯水泥浆液，使管内双浆液排尽，以防止堵管。
④旋喷桩旋喷至距掌子面孔口0.5m时停止高压旋喷，在拔出喷头后，立即堵塞孔口，防止水泥浆液外泄。
⑤在每根桩旋喷完成后，必须采用清水冲洗管道，确保送浆管道内无残渣，清洗完成后方可移至下一孔位。
7 施工注意事项
旋喷桩施工过程中可能出现各种问题，现场必须及时处理，保证旋喷桩施工质量，具体措施如下。
7.1 调整喷射参数
结合超前地质预报及钻孔过程中取得的孔位处岩层地质情况，在不同深度或不同岩层合理使用不同的旋喷技术参数，在深部土层、硬土层增加高压喷射时间，合理调整喷管后退速度和喷头转速，或提高喷射压力和送浆量，确保成桩质量。
7.2 多次喷射
对同一孔位进行多次重复喷射，可以提高水泥浆液对岩体切削破碎效果，被破碎的岩体与水泥浆可以充分融合，确保水平旋喷桩固结体的直径、长度和强度。
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更新时间：2024/12/22 19:28:14