解析水平旋喷技术在城市地铁富水砂层中的应用

摘要：某城市地铁9号线暗挖隧道顶部处于富水砂层中，砂层的自稳性较差，容易造成隧道突水、涌砂和坍塌现象。通过采用水平旋喷桩技术，在暗挖隧道拱顶形成一个水泥与砂层混合而成的环状帷幕体，对原土体进行了改良，不仅克服了富水砂层自稳性差的弱点，而且起到了抗变形、防流沙、防渗透的作用，保证隧道掘进安全。随着我国城市的发展，城市轨道交通得以迅速发展，一些大中型城市地铁出现了立体化发展的趋势。随着城市轨道交通的发展，不仅隧道穿越的地层越来越复杂，而且地面建筑物也越来越密集，因此，隧道的施工安全问题也越来越来突出。

关键词： 解析； 水平旋喷技术； 富水砂层；应用

Abstract: a city subway line 9 tunnel in water-rich sand in the top,since the poor stability of sand, easy to cause the tunnel water inrush, sand gushing and collapse phenomenon. Through the use of horizontal rotary jet grouting pile technology, ring the curtainbody forms a cement and sand mixed in the arch tunnel and into,the original soil improvement, not only overcomes the water-rich sand steady weakness, but also has the resistance to deformation, to prevent sand, anti-leakage effect, ensure thetunnel driving safety. With the development of our city, city orbit traffic develops rapidly, some large and medium-sized city subwayappeared stereo development trend. With the development of cityrail traffic, not only more and more complicated stratum tunnel crossing, and the buildings on the ground is more and moreintensive, therefore, the construction safety of tunnel is more andmore prominent.

Keywords: analysis; horizontal rotary jet grouting technology in water-rich sand layer; application;

中图分类号：U231+.3文献标识码：A文章编号：2095-2104(2013)

1.工程详情

某城市地铁9号线其中的1个风道，开挖断面高15.8m，宽10.9m，长度为40m。风道底部位于全风化和强风化花岗片麻岩层，隧道洞身大部分穿过黏土层，隧道顶部为4～6m富水砂层，砂层上覆粉质黏土和素填土层，整体开挖断面处于典型的上部富水松软、下部爆破开挖的不良地层，是本工程施工的重点和难点，如图1：

风道及风井周围的主要建筑有天虹广场、国瑞之星宾馆、世纪大厦等商业和民用建筑，房屋距离隧道边界约10一45m，风井北侧约1.5m有一条与风道基本平行的煤气管线，风道上方密布有供水、排水、电力、污水等管线，8.4m宽x1.6m高的雨水箱涵从风道的上方通过。该工程为某公司打支援、抢工期项目，进场时原施工单位已经完成风井开挖初支和风井内衬墙施工18m，风道拱部已经完成了超前长管棚施工。由于地质及水文因素效果较差，监控量测表明，天虹商场最大沉降值达到32mm，已经造成室内外地面沉降、墙砖脱落、电梯卡死等破坏现象，风井北侧煤气管线已经沉降155mm，路面出现多次沉降和补填混凝土及沥青混凝土。风道施工风险和难度极大。

2.施工方案

2.1方案选择

鉴于风道洞门部位的状况，为了确保风道施工安全，避免因为拱部超前支护强度不足、掌子面砂层不能自稳等原因而造成隧道突水、涌砂和坍塌现象，采用水平旋喷注浆法进行超前支护，起到止水和加固掌子面的目的。水平旋喷桩桩径为Φ500mm，桩中心间距为350mm，相邻两根桩相互咬合150mm(见图2)。根据风井的作业空间及风道的总长度，风道拱部水平旋喷桩按两段施做完成，第一段施工长度20m、开挖15m，第二段施工30m、开挖25m。

2.2工艺原理

水平高压旋喷采用水平定向钻机打设水平孔，钻进至设计深度后，拔出钻杆，且同时通过水平钻机、钻杆、喷嘴以大于35MPa的压力把配制好的浆液喷射到土体内，借助流体的冲击力切削土层，使喷流射程内土体遭受破坏，与此同时钻杆一面以一定的速度(20r/min)旋转，一面低速(15-30cm/min)徐徐外拔，使土体与水泥浆充分搅拌混合，胶结硬化后形成直径比较均匀、具有一定强度(0.5一8.0MPa)的桩体，从而使地层得到加固。当多个旋喷桩相互咬接后，便在隧道拱顶及周边形成封闭的水平旋喷帷幕体。水平旋喷桩拱效应和土体改良加强效应，能够起到防变形、防流沙、防渗透的作用，同时水平旋喷桩在旋喷过程中，水泥浆液能沿着地层的缝隙有一定的渗透扩散，起到止水的效果，保证隧道掘进安全。

水平高压旋喷注浆具有以下技术特点:

(1)强度高。因为在高压旋喷过程中使土体与水泥浆充分混合，从而形成一种类似混凝土的固结体，其强度要比一般的水泥浆体强度高。

(2)均匀性。在成桩过程中，高压水泥浆喷射流可以将较大的块状土体破碎，使其充分与水泥浆液混合，形成水泥浆液与土体较均匀的混合体。

(3)可控性。水平旋喷的浆液基本局限在土体破坏范围内，浆液注人部位和范围可以控制，可通过调节注入参数(切削土体压力、固化材料注入速度与配比、注入量等)获得满足设计要求的固结体。根据工程地质条件，隧道拱部地层主要为粉质黏土层和砂层而隧道下部的地层较为密实。需对粉质黏土及砂层进行加固。

3 工艺流程及技术要点

3.1工艺流程图（图三）

3.2技术要点

(1)在富水砂层中施工水平旋喷桩时，因富水砂层具有良好透水性，有利于浆液在土层中扩散，因此应尽量从隧道拱部往低部的顺序施工。这样，能使浆液充分扩散到土层中，达到更好的土层改良效应。当施工完一根旋喷桩，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1～3根后再施作较合适。

(2)水平旋喷桩钻进采用水平定向钻钻进，该方法要求在钻进过程中能准确测定钻头在地下的位置和方向。根据钻头在钻进过程中的位置和方向同设计轨迹的差异，利用钻头内装有特制的传感器，通过显示器所显示钻头的倾角、面向角，调节钻头姿态从而改变钻进方向，使水平钻孔的方向与设计方向相同。

(3)施工工艺是成功实施水平旋喷的关键。实际上目前国内还很少有成功实施水平旋喷的具体实例，主要原因是缺乏专业的施工队伍及专门的设备及钻具。此次采用了专业的施工队伍并在施工过程中加强环节控制，保证了施工质量和进度。

4施工效果

(1)隧道开挖过程中出露的水平旋喷桩桩径都在500mm以上，桩体连续，没有出现断桩、缩径等情况，而且桩体比较均匀，桩体强度达到15MPa以上，土层强度也明显得以改良，很好地解决了富水砂层自稳性差的弱点。

(2)相邻水平旋喷桩相互咬合比较好，从而形成了一个环状的止水帷幕体，起到了止水、防流沙等效果。

(3)对造成地面隆起的担心。在国外相关文献上，有水平旋喷造成地面隆起的案例。本次施工过程中对此高度重视，要求旋喷时必须有孔口返浆。实际上只要空口返浆，孔内压力就不会太大，也就不会引起地面隆起。通过对水平旋喷桩施工过程跟踪观察分析，虽然水平高压旋喷注浆压力达到35—40MPa，但注浆压力仅沿喷射流方向对孔内周围土体发生侧向作用；而且切削土体后，压力随着土体破碎而迅速释放。

(4)地表沉降分析

①水平旋喷桩施工过程中的沉降分析：根据施工规范要求，水平旋喷桩施工时，钻孔内返砂量应控制在注浆量的20％一30％。旋喷过程中，孔内土体被高压浆液切割后，迅速被源源不断送人的水泥浆液填充，因此，开挖后发现所成桩体与原土体紧密结合，因而不会引起地表沉降。而且在水平旋喷桩施工过程中，跟踪观测结果表明地表没有出现沉降的情况。

②水平旋喷桩施工完成后，在隧道开挖过程中，经现场沉降跟踪观测，累计最大沉降量为5mm。

(5)存在问题：在今后水平旋喷施工过程中废渣的处理须引起重视，如果能测量孔内压力，当孔内压力较低时，限制排放返浆，当压力高时，可以加快回撤速度。这样不仅能减少废浆的排放，也能减

少水泥用量，而且能避免地面隆起事故。

（6）使用经验

①因地质条件不均匀及目前水平旋喷设备技术能力有限，水平旋喷桩很难实现彻底封闭帷幕外地下水，但其在超前支护、加固软弱土体、防止突水、涌砂、坍塌等恶性事故中发挥着良好作用；

②局部旋喷桩咬合不够时，可采用超前小导管双浆液注浆封闭弥补，洞内开挖结合真空降水，并须作超前探孔检查止水效果。

参考文献：

[1] 孙星亮，景诗庭．水平钻孔旋喷注浆加 固地层效果研究[J]．岩石力学与工程学 ，1998(2)

[2] 孙星亮，王朝建．国内外水平旋喷注浆加固技术的应用发展[J]．探矿工程 ，2001

[3] 刘建国．水平旋喷注浆技术在隧道施工中的应用[c]．国际隧道研讨会暨公路设技术交流大会国际隧道研讨会暨公路建设技术交流大会．成都，2002