水平旋噴樁施工在隧道塌方治理中的應(yīng)用

1、水平旋噴樁施工在隧道塌方治理中的應(yīng)用   在隧道施工塌方治理中，由于圍巖地質(zhì)的特別性，無(wú)法采納常規(guī)支護(hù)治理措施保證施工安全，從而快速的通過(guò)塌方段。本文結(jié)合包西鐵路新九燕山隧道一大型塌方段的綜合治理，闡述了在飽水粘土層塌方體中，綜合各種治理措施，重點(diǎn)闡述了水平旋噴高壓劈裂注漿的加固機(jī)理、和施工作用，為類似的工程加固施工提供了借鑒和參照。    包西通道新九燕山隧道位于包西線延安至甘泉北區(qū)間，起迄里程為DK514+049DK523+402，全長(zhǎng)9353m。隧道正洞DK520+150DK521115段為圍巖深埋地段，洞身位于頁(yè)巖夾砂巖層中，淺灰灰綠等色，砂巖薄

2、層中厚層狀，泥質(zhì)膠結(jié)，局部夾炭質(zhì)頁(yè)巖，層理發(fā)育，節(jié)理較發(fā)育，巖體軟硬不均，相對(duì)破碎，風(fēng)化差異大，級(jí)軟石，風(fēng)化層厚25m，局部達(dá)20m。隧道正洞上半斷面開(kāi)挖支護(hù)至DK520+601時(shí),正洞上半斷面DK520+565DK520+601段發(fā)生塌方，塌體出露圍巖巖性為強(qiáng)風(fēng)化頁(yè)巖，開(kāi)挖中可見(jiàn)巖體間為黃色泥膜、硬塑，塌方首先從拱部開(kāi)始，延伸至拱部約120°范圍，經(jīng)鉆探量測(cè)，塌方體長(zhǎng)3036m，塌方量超過(guò)3000立方米。塌方原因分析：隧道拱頂距土石分界面較近，垂直距離為1213m，且頂部巖體節(jié)理發(fā)育，完整性差；土石分界面四周有上層滯水，該層滯水對(duì)拱部圍巖壓力較大；下部隧道開(kāi)挖后拱部圍巖收斂變形，導(dǎo)

3、致巖體節(jié)理張開(kāi)，上部滯水下滲，對(duì)圍巖產(chǎn)生較大壓力后在開(kāi)挖爆破震動(dòng)的誘因下，造成塌方。塌方后采納管棚對(duì)塌體上部進(jìn)行支護(hù)，但該塌方體主要為拱頂粘土層，且水量較大，經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間浸泡已基本無(wú)自穩(wěn)能力，浮現(xiàn)塑性涌出，無(wú)法進(jìn)行開(kāi)挖作業(yè)，已施做的管棚受上方塌體砸壓且下部塌體遇水軟化下陷，無(wú)法承受塌腔內(nèi)飽和土體自重，如開(kāi)挖塌體則存在較大安全隱患。為此，需采用新的塌體治理措施后，方可進(jìn)行掘進(jìn)施工。塌方體治理方案該隧道施工進(jìn)度壓力大，直接影響到整條線的正常通車，出現(xiàn)如此大規(guī)模的塌方并且多種支護(hù)方案均告失敗在施工中非常少見(jiàn)，針對(duì)上述復(fù)雜狀況，專門(mén)就該隧道的工程地質(zhì)條件、水文地質(zhì)條件、塌方原因、支護(hù)方案的選擇與確定、支護(hù)

4、機(jī)理及效果分析等多方面進(jìn)行充分的分析和研究，在此基礎(chǔ)上，確定了一套有用且有效的施工方案。塌方處理一般分兩階段進(jìn)行，首先進(jìn)行塌體封閉，防止塌方持續(xù)擴(kuò)展，施工中采納噴射砼對(duì)塌方體進(jìn)行封閉，因塌體飽水壓力較大，噴射砼前進(jìn)行了掛網(wǎng)作業(yè)，并在塌體下部埋設(shè)花管泄水孔；其次，進(jìn)行塌體加固、處理，塌方治理主要方法有管棚預(yù)支護(hù)法、注漿加固法、冷凍固結(jié)法、錨桿小導(dǎo)管超前加固法、明挖法、蓋挖法等。上述各種施工方法的施工過(guò)程、效果與可靠性比較如下：管棚預(yù)支護(hù)法：該塌方段已完成管棚的支護(hù)施工，但因塌體較長(zhǎng)，施做的管棚無(wú)法嵌入前方穩(wěn)固基巖，且塌體上方塌腔較大，充填了大量飽和粘土，管棚支護(hù)力有限無(wú)法承載此龐大壓力，且管棚間

5、間隙較大，流塑狀粘土容易下漏使塌方進(jìn)一步發(fā)展，存在安全隱患，無(wú)法開(kāi)挖。注漿加固法：該法從工作面向塌體打入鋼花管，注入水泥漿液，對(duì)塌體進(jìn)行固結(jié)，改良塌體的物理狀態(tài)，使之恢復(fù)自持能力，與未擾動(dòng)圍巖共同作用，防止塌方擴(kuò)展及拱部坍塌，恢復(fù)掌子面開(kāi)挖。注漿采納的設(shè)備較小，造價(jià)少施工簡(jiǎn)便，施工性能優(yōu)良；壓入漿液可以改良圍巖，對(duì)拱部的坍塌防止效果好，可靠性高，但作用范圍有限，只合適于小型塌方治理或大形塌方綜合治理的輔助措施。冷凍法：運(yùn)用制冷機(jī)凍結(jié)塌方段，從中掘進(jìn)支護(hù)；從塌體飽水狀態(tài)看冷凍法是最理想的固結(jié)、支護(hù)塌體的方法，但冷凍法費(fèi)用很高，且施工周期長(zhǎng)，不符合工期要求，操作過(guò)程工作環(huán)境要求高、設(shè)備昂貴故放棄此

6、方案。錨桿小導(dǎo)管超前加固法：運(yùn)用鑿巖機(jī)鉆孔，打入錨桿或小導(dǎo)管，利用錨桿小導(dǎo)管的懸吊、錨固作用固結(jié)塌方體；此法作用范圍、效果具有局限性，在巖體隧道中方能起到錨固作用，該塌體為流塑狀粘土，故不采納。明挖法、蓋挖法：此兩種方法是將塌方體從地表直接挖開(kāi)然后施做支護(hù)結(jié)構(gòu)；此法施工安全可靠，效果好，但只能在近地表、工作量較小地段施工，該隧道埋深超過(guò)80m，無(wú)法采納。 通過(guò)比較，管棚超前支護(hù)法和注漿固結(jié)法合適于該塌方的治理，但依據(jù)該隧道塌方區(qū)大小及塌體工程地質(zhì)條件，這兩種方法均不能獨(dú)立完成塌體固結(jié)、支護(hù)作用，主要因素有：由于大量粘土的存在無(wú)法直接采納常規(guī)注漿的加固方案，常規(guī)注漿要求被加固體有優(yōu)良的

7、導(dǎo)漿特性，漿液滲透、圍裹塌落物并在凝固后互相粘結(jié)形成一整體，而粘土是注漿法中漿液擴(kuò)散最不利的地質(zhì)層，且受水浸泡后處于飽和狀態(tài)，具有優(yōu)良的隔水性，注漿后漿液不能有效擴(kuò)散，擴(kuò)散半徑很小；而初期采納的管棚施工，因塌體軟弱，潛孔鉆無(wú)法成孔鋼管不能插入有效長(zhǎng)度，制約了管棚施工，為此，改用鋼管套絲跟管施做大管棚，解決了軟弱塌體管棚作業(yè)成孔問(wèn)題，但因?yàn)樾枰獙⒄芘镤摴芮谐杉僭O(shè)干段套絲連接，所以承載力大大下降，管棚的棚護(hù)、支撐上方塌體能力減弱，且因塌體注漿效果差，管棚的壓漿固結(jié)作用也大打折扣。針對(duì)上述狀況，為使得管棚的棚護(hù)作用及注漿固結(jié)作用充分發(fā)揮，結(jié)合塌方體的工程地質(zhì)特性及工期、降低成本方面合計(jì)，引人高壓

8、旋噴注漿加固的施工方法，來(lái)解決該塌方段的超前加固、封堵上部滯水問(wèn)題，形成水平旋噴帷幕體，防止塌體開(kāi)挖過(guò)程中管棚間隙的漏土、滑泥，解決塌體開(kāi)挖問(wèn)題。其主要加固機(jī)理及優(yōu)點(diǎn)為：在管棚間隙上方施做同角度水平高壓旋噴樁，樁與樁互相咬合，并將管棚有效包裹，形成上部旋噴固結(jié)樁體受壓、下部縱向管棚受拉的簡(jiǎn)支受力結(jié)構(gòu)體，有效承載塌腔內(nèi)塌體自重壓力，并對(duì)塌方體開(kāi)挖過(guò)程中管棚間隙的漏土、涌泥起到封堵作用；為防止掌子面前方塌方體在開(kāi)挖后涌出，使管棚失去下部支撐點(diǎn)，還必須對(duì)開(kāi)挖面內(nèi)土體進(jìn)行預(yù)固結(jié)，這樣就可形成管棚前端支撐在穩(wěn)定塌體上、后方開(kāi)挖后支撐在鋼拱架支護(hù)上，保證了施工的安全。依據(jù)塌體飽水特點(diǎn)，采納水玻璃、水泥的雙

9、液漿作為壓漿材料，充分發(fā)揮水玻璃的排水、速凝固結(jié)作用，利用塌體下方的泄水管排除開(kāi)挖面塌體的水分并壓漿固結(jié)；水平旋噴樁還具有以下優(yōu)點(diǎn)：    質(zhì)量可控，水平旋噴攪拌樁內(nèi)部質(zhì)量均勻、穩(wěn)定，依據(jù)塌體物理性狀采納合理的壓力、間距可使樁與樁之間互相咬合，在管棚上方形成一個(gè)防塌、防滲的連續(xù)帷幕體，為下部塌體開(kāi)挖提供安全保證；同管棚、超前小導(dǎo)管協(xié)同作用，受力更好，可以有效解決管棚、小導(dǎo)管在非透水性圍巖中壓漿無(wú)法擴(kuò)散或擴(kuò)散半徑小的問(wèn)題，使管棚、小導(dǎo)管被水泥攪拌樁包裹、互相咬合，提升棚護(hù)效果；高壓旋噴樁無(wú)需成孔，解決軟弱圍巖成孔困難問(wèn)題，且其鉆進(jìn)、攪拌、注漿可同步進(jìn)行，施工效率高、

10、時(shí)間短，符合工期要求；旋噴樁注漿位置可控，可以依據(jù)工程需要準(zhǔn)確的對(duì)謀部位進(jìn)行注漿，可通過(guò)注漿壓力，樁間距、注入的漿液材料、配比等的調(diào)節(jié)，獲得最正確的固結(jié)效果；設(shè)備投入小，操作簡(jiǎn)單，無(wú)需大型設(shè)備，工藝比較容易掌握，可依據(jù)地質(zhì)狀況在漿液中加入其他化學(xué)漿液，提升凝結(jié)強(qiáng)度和凝結(jié)速度；經(jīng)濟(jì)效果好，旋噴攪拌樁由于壓漿范圍可控，不會(huì)串漿，相關(guān)于其他高壓注漿用漿量受控，且不需要埋設(shè)注漿管鋼管，節(jié)省鋼材，成本較低；4、水平旋噴樁的注漿原理：首先需要較高的注漿壓力，是在原常規(guī)注漿的基礎(chǔ)上，應(yīng)用高壓噴射注漿技術(shù)而發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)土體加固技術(shù)。水平旋噴樁是以高壓泵為動(dòng)力源，通過(guò)水平鉆機(jī)鉆桿將帶有特別噴嘴的注漿管置入土層

11、的預(yù)定位置后，噴嘴把配置好的漿液噴射到土體內(nèi)，噴射流以龐大的壓力將一定范圍內(nèi)的土體射穿，并在噴嘴作緩慢旋轉(zhuǎn)和進(jìn)退的同時(shí)切割土體，強(qiáng)制土顆粒與漿液攪拌混合，待漿液凝固后，形成水平圓柱狀固結(jié)體即水平旋噴樁。當(dāng)旋噴樁互相結(jié)合后，便以同心圓形式在隧道拱頂及周邊形成封閉的水平旋噴帷幕體，起到防漏、防滲透的作用。施工應(yīng)用依據(jù)以上分析計(jì)算，結(jié)合高壓劈裂注漿的施工工藝要求及塌方區(qū)的具體狀況，做出如下施工方案：    1、在塌體同性狀土體內(nèi)做旋噴試驗(yàn)，確定注漿壓力、漿液配比及有效樁徑，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)，在壓力不小于18MPa下經(jīng)過(guò)反復(fù)試驗(yàn)旋噴攪拌樁徑能夠達(dá)到50cm，樁體強(qiáng)度可達(dá)到35MP

12、a，水泥漿液采納1:1拌制；2、對(duì)塌體封閉、設(shè)止?jié){墻，采納砼加固原塌體封閉噴射砼，并在止?jié){墻下部預(yù)留排水孔；3、已施做大管棚環(huán)向間距30cm，依據(jù)試驗(yàn)旋噴樁徑可達(dá)到50cm，所以采納在拱部120°設(shè)環(huán)向間距40cm與管棚同角度外插角3°的旋噴樁，相鄰樁間咬合10cm，保證樁與樁能夠互相咬合且能包裹大管棚；4、旋噴樁每根樁鉆進(jìn)到位后，退桿噴漿時(shí)間控制在1015分鐘，即每分鐘退桿1.5m，鉆桿旋轉(zhuǎn)速度控制在15轉(zhuǎn)/分鐘； 小導(dǎo)管注漿布置圖5、旋噴樁在施做過(guò)程中，因塌體軟弱，其鉆深長(zhǎng)度不宜過(guò)長(zhǎng)，過(guò)長(zhǎng)會(huì)造成樁尾部向下偏移，所以旋噴樁樁長(zhǎng)控制在1520m，采納打設(shè)兩個(gè)循環(huán)對(duì)塌方段進(jìn)行

13、棚護(hù)支撐；6、依據(jù)塌體工程性質(zhì)，對(duì)旋噴樁下開(kāi)挖面內(nèi)塌體采納水泥、水玻璃雙液漿小導(dǎo)管壓漿加固，利用水玻璃的排水、速凝性質(zhì)，對(duì)塌體內(nèi)部土體進(jìn)行排水固結(jié)，為塌體開(kāi)挖提供條件，保證開(kāi)挖后前方土體穩(wěn)定，同時(shí)為開(kāi)挖面前方管棚、旋噴樁提供支點(diǎn)，使開(kāi)挖工作范圍位于管棚旋噴樁前方支撐在固結(jié)塌體上、后方支撐在新立拱架上的安全棚護(hù)下，保證施工安全；7、塌體注漿小導(dǎo)管長(zhǎng)6米，周邊兩環(huán)外插角5°-8°，內(nèi)部水平施做，打設(shè)到位后用錨固劑封口并從下而上注雙液漿加固塌體，完成一循環(huán)6m小導(dǎo)管注漿后開(kāi)挖3m，中施做下一循環(huán)，直至塌方通過(guò)。   效果驗(yàn)證    按照以上施工方案