随着我国铁路建设的迅猛发展, 遇到越来越多穿越软弱围岩的隧道工程。软弱围岩自稳性差, 在开挖后易受扰动^[1,2], 若隧道开挖前未采取合理的预加固措施, 容易引起拱顶大变形、掌子面突水涌砂甚至塌方等危险情况, 隧道的施工安全及质量都难以得到保障^[3]。水平旋喷技术可以通过对掌子面周围及前方的围岩进行加固改善其受力特性, 软弱围岩加固实践对于解决上述问题能够取到很好效果。本文以蒙华铁路王家湾隧道为工程实例, 进行细砂层隧道水平旋喷桩超前预加固技术研究, 以探索适合于细砂层的水平旋喷施工工艺。

王家湾隧道位于陕西省延安市安塞县王家湾乡, 隧道最大埋深约220m, 进口里程DK266+945, 出口里程DK274+233, 全长7 288m。在DK269+500和DK271+500线路前进方向左侧设置2座无轨双车道运输斜井:1号斜井位于线路大里程方向的右侧, 中线与线路左侧中线大里程方向呈夹角90°, 长275m, 最大坡度10%, 最大埋深112m;2号斜井位于线路大里程方向的左侧, 中线与线路左侧中线大里程方向呈夹角83°, 长293m, 最大坡度11.54%, 最大埋深64m。

隧道洞身在1号斜井和2号斜井之间DK270+442—BK270+580段洞身上部分布冲洪积细砂层 (以下统称为“细砂层”) 。细砂层比较潮湿, 天然含水率为9%~11%, 黏聚力低 (0~2k Pa) , 内摩擦角为22°~25°, 细砂层灵敏度高, 触变性强, 自稳能力较差, 在外力扰动下会呈现流砂、涌砂, 施工难度与风险极大。

隧道区内地形受地台抬升及黄土高原水流侵蚀影响, 下切作用明显, V字形冲沟发育, 呈树枝状分布, 形成沟壑纵横、支离破碎的特点, 地形较复杂, 为典型的黄土高原侵蚀性梁峁沟谷地貌类型, 将其划分为黄土梁峁和黄土冲沟2个地貌单元, 一般高差100~200m, 地面高程1 261.500~1 533.200m, 斜坡自然坡度30°~70°, 进出口为缓坡, 坡度约40°, 地表有少量植被。

隧道区地层从新至老地层岩性依次为:第四系全新统冲洪积 (Q₄^dl+pl) 砂质新黄土, 上更新统风积 (Q₃^eol) 砂质新黄土、黏质新黄土, 中更新统洪积层 (Q₂^al+pl) 黏质老黄土、细砂, 白垩系下统洛河组 (K₁^L) 砂岩。

隧道地处中朝古地台鄂尔多斯盆地伊陕斜坡区, 区内地质构造相对简单。褶皱和断裂不发育, 地势东高西低, 总体上为一倾向西~西北的单斜构造。隧址区广布白垩系下统砂岩, 斜层理极其发育。区域上无大的构造活动, 无大型褶皱和断层, 地质构造简单。白垩系砂岩岩层产状平缓, 倾向西, 产状280°∠7°~310°∠3°。

隧道出口冲沟底部有流水, 水面高程约为1 302.000m, 在隧道出口洞底以下。地表水主要为大气降水及基岩裂隙水渗出形成地表径流, 主要由大气降水补给, 以蒸发、地表径流及渗入为排泄条件, 水量较少, 受季节性降水影响大, 雨季水量大且集中, 非雨季无水或水量较少。

水平旋喷注浆技术起源于20世纪70年代的日本^[4], 可分为CCP-H工法、RJFP工法、MJS工法^[5]。水平旋喷注浆技术原理主要是通过高压喷射流对土体的破坏、搅拌和浆液与土体之间的固化, 形成一定直径的旋喷柱体, 环向相邻柱体之间相互咬合, 在开挖面上方形成具有较好的抗压、抗弯性能的旋喷拱。同时, 由于挤密和固结作用, 旋喷桩体周围砂层的物理力学性能也会有不同程度改善。开挖后预支护拱就会立即发挥作用, 抑制围岩变形, 承担地层压力, 保证开挖后洞室稳定, 防止漏砂、坍塌。主要从以下3个方面发挥超前支护作用。

1) 防止掌子面坍塌

与原始围岩相比, 水平旋喷形成的胶结体使围岩强度显著提升, 能够承受其自重及其周围围岩传递下来的压力, 从而防止掌子面坍塌, 将掌子面的变形保持在可控范围内^[6]。

2) 改善沉降曲线分布

由于水平旋喷桩的胶结作用, 松散的细砂层围岩转化为可整体受力的结构, 使得沉降集中程度下降, 沉降得以向四周传导分布趋于均匀^[7]。

3) 提高岩层物理参数

根据经典莫尔-库仑强度准则, 围岩强度主要由围岩黏聚力c和围岩内摩擦角φ决定。水平旋喷注浆可有效提高围岩的c, φ值, 从而达到提高围岩整体强度的目的^[8]。

针对细砂层段水平旋喷桩预加固设计有全断面、上半断面和下半断面3种方案。根据细砂层地质情况, 最终采用全断面预加固形式 (见图1) 。

全断面砂层段超前预加固桩按隧道断面204.28°范围内 (施工中结合砂层厚度进行调整) , 长度为15m, 桩径600mm, 桩间距为400mm, 设计外插角度为3%~5% (要分孔计算每根桩的偏角和仰角, 利用三维坐标, 成孔定位达到精准) , 每循环搭接3m;成桩体达到的抗压强度为5.0~8.0MPa;为提高水平旋喷桩的抗剪强度, 采用拱部120°水平旋喷桩内插89钢管进行预加固, 89钢管环向间距为80cm, 长度为15m。

综合各种水平旋喷机性能、造价及现场场地条件等因素, 选择HGT-200型水平钻孔旋喷机及其配套的XPb-90E型高压泵 (最大压力为50MPa, 最大流量为100L/min, 功率为90k W) 。水平钻孔旋喷施工过程中主要机械设备和材料如表1所示。

为确保水平旋喷施工过程中达到对围岩的最佳预加固效果, 需要在全面施工展开前安排试验桩并按周期进行检测与分析, 根据试验情况及施工现场地质情况实时对施工措施进行调整优化。

水平旋喷桩的施作效果主要取决于浆液压力、旋转速度、浆液相对密度等因素, 因此试验中以这3个因素为变量设计S-1, S-2及S-3 3组水平旋喷试验桩 (见表2) 。试验桩选择在王家湾隧道2号斜井 (小里程) 中台阶掌子面进行施作。试验过程中通过水平定向钻机打设水平孔, 以35~40MPa的压力把配制好的水泥浆液喷射到土体内, 借助高压射流切削土层, 配合旋转和钻具回拔, 形成直径较大并具有强度的固结桩体, 多个旋喷桩固结体按一定距离搭接组成帷幕。试验过程中要做到对旋喷压力、水灰比、水泥用量的精准控制。

通过开挖对3组旋喷桩外管进行查看, 试验效果较好:桩身呈圆形, 略有鼓边, 无缩颈;桩体颜色青灰, 切割搅拌均匀, 固结密实, 无颗粒状土块夹杂。对3组试验桩进行直径测量和钻芯法强度测验, 结果如表3, 4所示。

根据检测结果, 确定S-2试验桩施工参数适合现场施工, 后续水平旋喷桩加固支护按S-2桩施工参数执行, 工艺流程需要紧密配合, 施工中再进一步完善和优化。

以王家湾隧道DK270+568—DK270+553段为例, 介绍水平旋喷桩的施工方法。

经过现场踏勘, DK270+568掌子面实际揭示地层为上、中台阶为冲洪积细砂层, 黄褐色, 潮湿, 稍密, 夹黄土透镜体, 自稳性极差, 开挖后极易坍塌, 下台阶及基底为黏质老黄土, 呈压密结构, 综合判定为VI级围岩。所以, 开挖工法采用三台阶临时仰拱法施工, 超前预加固措施采用超前水平旋喷桩。

水平旋喷桩施工工艺流程:桩位测放→钻机定位→开孔钻进→分段注浆→终孔检查→退杆旋喷→到位停喷→孔口封闭→设备清洗。具体情况如图2所示。

施工准备包括测量放样, 接通电源、水源, 备好材料, 锚喷掌子面, 挖排浆沟, 铺设钻机导轨, 设备进场检查等。

1) 钻孔旋喷机安装在轨道上后, 沿轨道左、右2次移动, 将轨道压实。压实过程中用水准仪校正轨顶高程, 据观察结果处理基底, 使左、右轨道面保持水平, 然后停放在需钻孔的前方。

2) 按各孔位坐标要求, 用垂球、钢尺测量、调整钻塔高度、倾角及摆角, 使钻杆轴线方向符合外扩角的要求, 角度偏差应控制在±1°以内。

3) 钻孔旋喷机定位后, 要将机座与轨道用卡轨器卡紧, 立杆顶部与坑道顶部顶紧, 其余撑杆及拉杆均要旋紧。

根据试验桩取得的配合比配制水泥浆, 浆液搅拌必须均匀。在制浆过程中应随时测量浆液密度, 每孔高压旋喷灌浆结束后要统计该孔的材料用量。浆液用高速搅拌机拌制, 拌制浆液必须连续均匀, 搅拌时间≥3min, 一次搅拌使用时间也控制在4h以内。

1) 钻进到设计深度后开始旋喷。为了保证端头旋喷质量, 先原位旋喷0.5min, 然后再开始后退, 后退时旋转速度调整到20r/min。

2) 旋喷前5m时, 后退速度保持在15~18cm/min, 之后可升到20cm/min, 回抽速度要经常测量校正。

3) 需卸管时动作要快, 并要先停止回抽, 旋转5圈停止送浆后再卸管, 卸管后要尽快进管与前端连接, 恢复给浆后先旋转5圈后再回抽。若采用加速凝剂的双浆液旋喷, 拆管前应喷纯水泥浆液一定时间, 使管内双浆液排净, 防止堵管。

4) 每孔旋喷到距孔口1.5m时停止旋喷, 退出钻头后立即用木塞封闭孔口, 防止浆液大量流出。

待旋喷完1个孔后, 用清水清洗高压泵及输浆管路, 待喷嘴喷出清水后再停止。

每根桩施工完毕后都应用清水高压冲洗管道及设备, 确保管道内不留残渣, 清洗完毕后移至下一桩位。

为防止废浆液泡软拱脚及掌子面, 在工作平台前端及中央开挖1个排浆沟, 使浆液流到下台阶储浆桶, 运出现场按规定处理。

1) 工程开工前需做好技术交底和岗前培训工作, 做到人人明白技术要求、个个分担技术责任, 对于特殊工种必须持证上岗。特别是对于钻机操作员, 要求做好钻孔测斜工作, 出现钻孔偏差时及时进行纠偏, 确保钻孔成孔精度。

2) 钻杆自重及高压浆液对土体的削切会导致钻头在钻进过程中明显向下偏移, 为此对旋喷桩的设计坡度须预先上仰3% (上仰角根据桩径、桩长、隧道坡度、地层情况及下一循环施工工作确定) 。

3) 施工过程中, 注浆压力和注浆量应符合设计要求和相关规范的规定, 施工时严格控制各种施工参数, 操作人员随时记录压力、喷浆量、钻进速度、回抽速度、钻机角度等有效参数, 发现问题及时汇报处理。

4) 高压旋喷应全孔连续进行, 若中途拆卸喷射管, 则应进行复喷, 搭接长度应≥200mm。供浆正常情况下, 孔口回浆密度变小且不能满足设计要求时, 应加大进浆密度, 每根桩应由技术员进行严格质量检查。开挖过程中, 进行施工全过程监控量测, 检测旋喷桩预支护效果, 及时对设计进行修正和采取应急措施。

蒙华铁路王家湾隧道细砂层段水平旋喷桩于2017-07-15开始施工, 平均日完成6根, 每循环约7 d, 平均日进尺1.54 m, 最高日进尺2.4 m。现场对断面DK270+510监控量测资料显示, 掌子面最终稳定时, 该断面拱顶沉降13.70mm, 左、右边墙的周边收敛分别为15.90, 18.05mm (见图3, 4) , 均符合设计要求。由此可见, 水平旋喷增强了掌子面核心土的塑性, 自稳能力显著提高, 围岩变形得到有效控制, 不仅提高了开挖效率, 还可以保障开挖人员安全。至2017-10-18完成水平旋喷桩施工, 至2017-11-07完成开挖, 提前合同工期6个月贯通。

1) 通过试验桩发现, 水平旋喷施工时浆液压力、钻机转速、浆液水灰比3个因素对旋喷施工效果有较大影响, 实践证明三者分别设定为浆液压力38MPa、钻机转速25cm/min, 浆液水灰比1∶1时, 在细砂层围岩中成桩效果较好。

2) 水平旋喷预支护对处理类似细砂层松散围岩有效, 高压水平旋喷桩体相互咬合, 在开挖面上方形成整体性较好的旋喷拱, 能够有效避免开挖过程中掌子面出现流砂、塌方及工作面失稳现象。

3) 通过水平旋喷超前支护提高细砂层围岩自稳能力, 有利于实现机械开挖, 相较于传统人工开挖软弱地层, 施工效率及安全性都得到保障。

4) 在王家湾隧道施工中, 超前小导管预加固技术配合超前小导管辅助措施在三台阶临时仰拱法开挖隧道的实际应用效果极佳, 可作为水平旋喷桩应用的成功案例。