第１６卷第３期 Ｖｏ１．１６，Ｎｏ．３ ２０１４年６月 Ｊｕｎ．，２０１４ 水平旋喷桩在隧道超前支护中的应用 Ｔ 杨转运 （四川建筑职业技术学院交通与市政工程系，四川德阳６１８０００） ｍ 摘Ｏ ｇ 要：隧道施工中，采用水平旋喷桩超前支护技术具有较强的适应性和可操作性，能够提高风积砂地区公路隧道 ｙ 交围岩的稳定性和地基承载力。对风积砂地层地质条件下的旋喷注浆加固作用机理、水平旋喷支护施工Ｔ艺流程和 ＆ 操作工序进行详细讨论，指出施工中的注意事项，为同类工程提供借鉴。 、 通 关键词：ｎ 水平旋喷桩；风积砂地层；公路隧道；超前支护 科咖中图分类号：ｙ ＴＵ９４２；Ｕ４５５．７ 文献标志码：Ａ 文章编号：１００８—５６９６（２０１４）０３—０１１９—０３ Ａｐｐｌｉ技ｍ Ａ ｃａｔｉｏｎ ｏｆ Ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ Ｊｅｔ Ｇｒｏｕｔｉｎｇ Ｐｉｌｅ ｉｎ Ｔｕｎｎｅｌ Ｐｒｅ—Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔ 与嘲 经 ＹＡＮＧ Ｚｈｕａｎ－ｙｕｎ （ＳｉＣ ｃｈｕａｎ Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒａｌ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｔｒａｆｆｉｃ ａｎｄ Ｃｉｔｙ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ？Ｄｅｙａｎｇ ６１８０００，Ｓｉｃｈｕａｎ，Ｃｈｉｎａ） 济ｍｍ Ｕ Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ ｎ ｔｈｅ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ｔｕｎｎｅｌ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ，ｐｒｅ—ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ｂｙ ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ ｊｅｔ ｇｒｏｕｔｉｎｇ ｐｉｌｅ ｉｓ ｈｉｇｈｌｙ ａｄａｐｔａｂｌｅ ａｎｄ ｏｐｅｒａｂｌｅ，ｗｈｉｃｈ ｉｍｐｒｏｖｅｓ ｔｈｅ ｒｏｃｋ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ａｎｄ ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ ｂｅａｒｉｎｇ ｃａｐａｃｉｔｙ ｏｆ ｈｉｇｈｗａｙ ｔｕｎｎｅｌｓ ｉｎ ａｅｏｌｉａｎ ｓａｎｄ ａｒｅａ．Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｄｉｓｃｕｓｓｅｓ ｔｈｅ ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｏｆ ｒｏｔａｒｙ ｊｅｔ ｇｒｏｕｔｉｎｇ ｕｎｄｅｒ ｇｅｏｌｏｇｉｃａｌ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ ｏｆ ａｅｏｌｉａｎ ｓａｎｄ ｓｔｒａｔｕｍ ａｎｄ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｎｇ ｐｒｏｃｅｄｕｒｅ ｏｆ ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ ｊｅｔ ｇｒｏｕｔｉｎｇ ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔ．Ｍａｔｔｅｒｓ ｎｅｅｄｉｎｇ ａｔｔｅｎｔｉｏｎ ｉｎ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ａｒｅ ｐｏｉｎｔｅｄ ｏｕｔ，ｐｒｏｖｉｄｉｎｇ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｆｏｒ ｓｉｍｉｌａｒ ｐｒｏｊｅｃｔｓ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ ｊｅｔ ｇｒｏｕｔｉｎｇ ｐｉｌｅ；ａｅｏｌｉａｎ ｓａｎｄ ｓｔｒａｔｕｍ；ｈｉｇｈｗａｙ ｔｕｎｎｅｌ；ｐｒｅ—ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔ 隧道施＿Ｔ作为山区或重丘区高速公路的主要 种土壤，继而被风沙流搬移到冲积平原地区而形成 控制工程，其施．Ｔ＝进度的快慢直接决定着公路的通 的山丘状风积砂地层，属于第四纪风积物。其粒径 车时间。我国西北地区多为风积砂地层，在这类地 的范围为０．０７４～０．２５０ ｍｍ，含量高达９０ 以上， 层中进行隧道施工的建设难度非常大，附加的技术 粒径大于０．２５ ｍｍ的极少，仅为０．１ ，而小于 条件也会明显增多。风积砂地层具有结构松散、颗 ０．０７ ｍｍ的颗粒也不足９ ，不均匀系数约为１．３５， 粒单、粒径小、粘聚力低、透水性强、抗剪强度低、无 风积砂具有以下特点： 自稳力等特点，在外力作用下极易松散和破碎。对 １）风积砂的粉粘粒含量较少，表面活性低，松 于破碎的风积砂地基，施工中常用的处理方法是采 散、无聚性，具有明显的非塑性，其颗粒属于细沙， 用旋喷注浆技术加固地基，根据该种加固方法，于 沙粒组成为天然不良级配，成型困难，而且成型后 家宝在神木一朔州铁路复线、神木一神池南段的新 的抗剪性能也较差； 杏树峁隧道施丁中采用改进后的水平旋喷桩支护 ２）非亲水性，沙粒表面对水几乎没有物理吸附 方式，收到了较好效果。 作用，最大吸水率不足１ ，一般都在０附近； １风积砂地质条件 ３）非湿陷状态，沙颗粒遇水后能保持原有骨架 的结构性质，水稳性较好； 风积砂是在西部地区工程建设中经常遇到的 ４）松铺系数小，风积砂具有沉降量小（＜ 一种特殊围岩，是由在风成沙性质上发育起来的一 １．５ ）、压缩快、徐变小的特性，施工时松铺系数不 收稿日期：２０１４—０２—２７ 宜过大，风积砂的合理松铺系数为１．Ｏ２～１．０５； 作者简介：杨转运（１９７９ ），男，副教授，研究方向：桥梁隧道施工 ５）压实后风积砂的最大干密度可达到１．８～ 技术． 交通科技与经济 第１６卷 ２．０ ｇ／ｃｍ。，为自然状态下干密度的１．２～１．４倍，因 此，其由松散状态到密实状态的压实过程较短； ６）风积砂中的天然含水量很低，最低含水量不 足１ ，最大含水量一般也不超过５ 。 ２水平旋喷超前支护 在国外，水平旋喷已成功地应用于各种软弱不 良地层的预支护中，水平旋喷预支护施工技术是在 常规旋喷注浆技术基础上发展起来的一种新型施 工技术。 在砂层中采用旋喷注浆时，一部分比较细小的 颗粒是以置换的方式被带到地面上，其余颗粒在高 压喷射动压、离心力和重力的共同作用下重新排 列，并和浆液搅拌混合组成具有特殊结构的固结 体，最后，将松散的风积砂化为体积大、重量较轻、 渗透系数小、坚硬耐用的人工地基。根据水平旋喷 机的使用机理，针对风积砂的地质特点，水平旋喷 在风积砂地层中的操作要领、注浆压力、固结体直 径、浆液自止浆及旋喷桩施工精度等一系列技术参 数，取得了水平旋喷固结体周围砂体物理力学性质 的变化数据。固结体开挖后，进行微单元取样化验 测试，得到了旋喷固结体的单轴抗压强度及应力一 应变关系、抗拉强度、容重等数据。在浆液配比方 面，做了大量的室内外浆液配比试验，找到了风积 砂土质的最佳浆液配方。 水平旋喷法支护后形成的拱棚固结体可有效 止水，防止漏沙及砂体坍塌，限制地层及地表变形， 提高地层稳定性，保证施工和支护结构的安全。施 工中使用的ＴＧＤ－５０型水平旋喷机实现了液压升 降，水平、倾斜和竖直旋喷作业，液压系统简单，操 作维修方便，造价合理。根据不同的软弱地层条件 及设计要求，对旋喷的各项性能参数进行调整，适 用于粘性土、砂类土、泥面岩及小粒径的砂砾层和 破碎带隧道的全断面或台阶法开挖施工中。 ２．１浆液材料 理想的浆液材料首先应该满足工程力学性能 要求，还应该具有良好的可注性，胶凝时间可以任 意调整，而且具有价格低廉、无毒、无污染、施工方 便等特点。水泥浆具有结石体强度高和抗渗性强 的特性，既可以在防渗上使用也可用来做地基处 理，而且原材料价格低廉，无环境污染，因此，被广 泛应用。但地下水对水泥浆注浆的效果影响较大， 如果地下水流速较大，注浆效果严重削弱。浆液材 料的选择应根据工程的具体要求、地质条件、浆液 性能、灌浆工艺及造价控制等因素综合选取，选择 合适的浆液材料。 ２．２浆液使用量的计算 高压旋喷注浆采用的高压喷射是从满足喷射 要求的喷嘴中喷出，并以一种特定的高速流体运动 形式连续喷射，高压喷射流的流量计算公式为 广—— ｑ一 ０ √２ｇ号． （１） 式中：ｑ为流量，ｍ。／ｓ；／￣为流形系数，圆锥形的喷嘴 为０．９５；Ａ。为喷嘴入口压力，Ｐａ；），为水的重度， Ｎ／ｍ。；ｇ为重力加速度。 以单位时间喷射的浆量以及喷射持续时间计 算出浆液的体积为 Ｕ Ｑ—Ｈｑ（１＋ ）． （２） Ｕ 式中：Ｑ为注浆量，ｍ。； 为喷射钻头的提升速度， ｍ／ｍｉｎ；Ｈ为喷射长度，ｍ； 为损失系数，通常取 ０．１～Ｏ．２ ３施工工艺 ３．１施工工艺流程 主要施工机具有ＴＧＤ－５０型水平钻孑Ｌ旋喷机， ＹＺＢ－３２型液压注浆泵，功率均为６０ ｋＷ。另外，还 应备有浆液搅拌机、储浆罐、高压输浆管、浆液混合 器、滤网等器材，使用的主要材料为水泥浆。平整、 铺垫、夯实作业平台，以满足施工机械安装和行走 的需求。水平旋喷预支护工法是在不良地质隧道 工作面前方，沿隧道开挖的外轮廓线钻孔，达到预 定深度后，边后退边高压旋喷注浆，相邻的旋喷固 结体相互搭接、咬合形成旋喷拱棚。为了保证地层 加固效果，必须选择合理的钻机转速、旋喷速度，以 保证浆液和砂体的搅拌效果。浆液制备及输送设 备应放置在旋喷钻机附近，依次设置水泥存放台、 浆液搅拌桶、储浆桶、高压泵等设备。制浆工人按 试验配合比（以每桶计）严格向桶内注入水及水泥， 每桶搅拌时间不少于２ ｍｉｎ。倾倒水泥时应通过筛 网将纸袋杂物清除掉，浆液流入储浆桶前必须过 滤，桶内吸浆管也应安装滤网，为防止堵塞管道，储 浆桶应不停地搅拌防止离析，施工顺序如图１所示。 ３．２工序操作要点 通过测量放线确定旋喷工作面，在洞顶测画出 隧道中线（顶部吊线两点以上）、需用的高程点及拱 顶开挖线最高点，确定钻孔孔位。平整并压实一块 场地放置旋喷机具，在旋喷机的轨道设置需要挖出 轨道底枕的木坑，槽钢轨道的内沿距旋喷工作面底 部５０～１００ ｃｍ，轨道与隧道中线垂直。为方便施 工，轨道顶面位于台阶底部并保持水平，在施丁中 第３期 杨转运：水平旋喷桩在隧道超前支护中的应用 需要随时校正旋喷钻机的位置和方向。先钻喷拱 输浆管连接器及过渡短杆卸下接装在待装杆尾部， 顶中央孔（Ｏ号孔），然后每次间隔一个孔位从上到 再将后续杆与机上杆连接。旋转钻杆使接口压缩 下，左右交替（左２，右２，左４，右４，……）直到底部。 并开始钻进，依此类推，接长钻杆直至钻到设计孔 再从上到下，左右交替补喷所缺孔位（左１，右１，左 深后钻机停止接杆和钻进。改变旋喷机旋转方向， ３，右３，……），使轨道的左右均匀受压。后旋喷孔 开始压浆后先旋转０．５ ｍｉｎ再开始后退，旋喷时应 固结体能填补两孔间空隙，将钻塔升高，按计算的 一边喷一边转动并后退。钻杆旋转速度调整到 水平旋喷机的对位参数，用垂球钢尺量测，检查钻 ２０ ｒ／ｒａｉｎ，旋喷端头三根杆的后退速度为ｌ５～ 机前点和后点的高度是否与要求值吻合，即可调整 １８ ｃｍ／ｍｉｎ，后面几杆的后退速度为２０ ｃｍ／ｍｉｎ。这 钻机的倾角及摆角，使钻杆方向符合外插角要求。 就使浆液和被切割的砂体搅拌均匀，并混合形成一 水平旋喷桩方位精度必须满足在均匀地层终端水 个圆柱体。每孔旋喷到距孔口１．５ ｍ左右时即停 平偏移，平均为０．３ ，垂直下沉偏移的平均幅度为 止旋喷，退出钻头后，立即用木塞包和水泥袋堵住 １．３ 。启动旋喷钻机后钻头边旋转边钻进，在钻 孔口，以防止浆液大量外泄。在未完全固化的柱体 进中为冷却钻头，使低压低流量的清水从喷嘴中喷 中插人钢管或钢筋，可提高其抗弯折能力。 出，可减少阻力防止砂粒进入喷嘴，中途接杆时，将 图１水平旋喷桩工艺流程 需要注意的是，中途卸杆时，先停止后退，旋喷 度，有时采用控制后退旋喷速度或重复旋喷搅拌的 ５圈，然后停止送浆。卸杆完毕并恢复给浆后，先旋 施工工艺。 转３～５圈再后退，这样可以防止出现断桩，旋喷流 出的废浆应经专用排浆沟纵向排出。钻杆连接时， 参考文献： 必须将螺纹擦拭干净，并加装密封垫圈，钻杆装卸 ［１］于家宝．水平旋喷桩预支护施工技术［Ｊ］．铁道建筑，２００３ 与钻进、后退必须按规定方向旋转。在校正钻孔孔 （９）：４０－４２． 位时，可用夹持器协助导向，但不能加紧钻杆，校正 ［２］王勇．水平旋喷桩在风积沙隧道预支护施工中的应用 后夹持器必须复回原位才能开始钻进。开始或停 ［Ｊ］．路基工程，２０１２（６）：１２２—１２５． 止时钻进动作应平稳，不要太快，钻进速度也不宜 ［３］孙星亮，徐文明，姚铁军．国内外水平旋喷注浆加固技术 过快，并应适时地加入后退动作，修正钻头的钻进 应用发展概况＿Ｊ］．世界隧道，２０００（６）：４２—４７． ［４］孙星亮，刘勇，王朝建．国内外水平旋喷注浆加固技术的 轨迹，以提高钻孔精度。 应用发展－Ｊ］．探矿工程（岩土钻掘工程），２００１（１）：８－１１． ４结语 ［５］张晓，杨建国，王运周．水平旋喷桩预支护在软弱黄土隧 道中的试验研究［Ｊ］．现代隧道技术，２０１０（２）：３６－４０． 旋喷压力是影响旋喷桩固结体质量的主要因 ［６］仝学让，薛模美．水平旋喷桩在地铁暗挖隧道施工中的应 素，在喷嘴参数和浆液重度不变的情况下，喷流轴 用［Ｊ］．现代隧道技术，２００３（３）：５１—５４． 上的压力与流速的平方成正比，压力越大，固结体 ［７］方庆．隧道仰拱不同施作方法对结构受力的影响分析 的直径越大。浆液水灰比的大小直接影响成桩固 ［Ｊ］．交通科技与经济，２０１４，１６（１）：１２—１６． 结体的强度，应由试验室试验后提供最佳水灰比。 ［８］张亚飞．隧道富水断层超前预报方法对比分析［Ｊ］．交通 科技与经济，２０１４，１６（２）：８０—８３．一般来说，旋喷浆液与砂体搅拌越均匀，其旋喷桩 的强度就越高。因此，为了提高旋喷桩的桩身强 ［责任编辑：王欣］