國內外水平旋噴注漿加固技術的應用發(fā)展

1、國內外水平旋噴注漿加固技術的應用發(fā)展        摘要:概述了國內外水平旋噴注漿技術的概況、設備的發(fā)展趨勢。此項技術及相關配套設備的開發(fā)成功,為我國巖土工程加固又添一新手段。水平旋噴注漿加固技術在隧道預支護的成功應用,為進一步推廣此項技術提供了范例。關鍵詞:水平旋噴;加固;水平旋噴機;高壓注漿泵 1 問題的提出      豎直旋噴注漿技術已成功地用于多種地層條件(如粘土、砂土、淤泥、砂夾卵石、冰磧土、黃土、腐植土、泥炭土等)下的加固及防滲止水,并顯示其優(yōu)

2、越性。某些條件下,進行豎直鉆孔不可能或不適宜,但又需要用高壓噴射注漿,人們想到用水平或傾斜鉆孔方式。日本和意大利是研究開發(fā)水平旋噴技術較早的國家,意大利RODIO公司于1983年首次將水平旋噴技術用于隧道預支護。美國80年代開始使用此項技術,1987年此項技術首次在南美應用。      水平鉆孔旋噴注漿的應用和隧道施工技術的發(fā)展有密切聯(lián)系。在覆蓋較薄的松軟地層中修建地下結構面臨著地層不穩(wěn)定,較易引起坍塌和地面沉陷等嚴重問題。高壓噴射注漿的開發(fā)成功,使工程技術界想到利用它來提高隧道圍巖的穩(wěn)定性。從地面豎直鉆孔在隧道周邊進行旋噴存在鉆孔深度過大,鉆

3、孔精度及各固結體之間搭接不易保證等缺點。另外,受固結體之間的粘結強度及抗剪強度控制,加固范圍比較大。      據(jù)此,人們自然想到用水平鉆孔實現(xiàn)旋噴問題。2 日本的幾代旋噴工法2.1 CCP-H工法      此工法是80年代初日本在單管旋噴的基礎上開發(fā)的專用于水平鉆孔的旋噴工法。它是在注漿管的后端位置設置一個擴徑鉆頭,以加強對土體的破壞。擴徑鉆頭在鉆進時縮于鉆桿的凹槽內,后退開始旋噴時,靠阻力自動打開,在旋噴前先攪動土層以確保并擴大水平旋噴柱體的直徑。為了加速漿液和土粒的固結,在漿液中加適量的

4、速凝劑和硬化劑。日本國鐵第一工程局用此法進行過試驗和施工。2.2 RJFP工法      隨著旋噴技術的不斷發(fā)展,日本又提出RJFP工法1(圖1)。此法可在隧道拱部外緣旋噴成的固結體中插入鋼筋或鋼管,使形成的固結體拱棚除了有橫向抗壓能力外,還有縱向抗彎能力。他們已用此法成功地修建了幾十座隧道。該法一般只加固隧道的拱部,使旋噴柱體相互搭接成拱棚。其鉆孔長13m,旋噴11m,每段拱棚搭接1m。這些隧道所用的噴射壓力在40MPa左右,形成的固結體直徑6070cm,旋噴固結體的單軸抗壓強度3.58.0MPa。2.3 MJS工法  &

5、#160;   MJS工法是“全方位高壓噴射技術”的簡稱。此法最大特點是具有排泥機構。這是針對一般旋噴工法的剩余泥漿大量從孔口涌出,污染作業(yè)環(huán)境,隨著旋噴孔深度增加,排漿難度增大,噴射、攪拌效果降低等不足而開發(fā)的。在監(jiān)控器上設MJS裝置。該裝置是在噴嘴后方裝的排泥漿吸入口,由該吸入口吸入泥漿,還可調整排泥量及對地基的壓力,使噴射壓力充分運用。該裝置不僅用在豎直大深度旋噴,在水平、傾斜方向也能運用。由于鉆管內還裝設有大小7根管線,所以又叫七管旋噴法。      該優(yōu)點是不污染現(xiàn)場,保持良好的施工環(huán)境,但設備過于復雜,占用空間較

6、多,搬運不便。3 歐美水平旋噴工法現(xiàn)狀      意大利是多山國家,其隧道及地下工程的施工技術比較發(fā)達,水平旋噴技術的開發(fā)應用在歐洲處于領先地位。在1992年Sloveia召開的隧道及地下建筑施工國際會議上,該國代表系統(tǒng)了該國及世界各國隧道圍巖的加固方法,把高壓噴射注漿法和靜態(tài)注漿、凍結法和機械預切槽等一并列為隧道圍巖加固的基本方法2。最典型作法是沿拱部外緣用水平鉆孔旋噴柱體相互搭接形成拱棚,在它的保護下開挖上部斷面。用臺階法施工時,為提高拱腳地層的強度,在坑道內兩側傾斜打入鉆孔,將旋噴柱體連接成墻體。圖2為一雙車道公路隧道,斷面積為120m2

7、,旋噴柱長13m,中心距50cm,旋噴柱體直徑60cm,相鄰旋噴段搭接3m。      從意大利的工程實踐得知,在砂粒土和中細砂地層,水平旋噴質量良好,固結體平均抗壓強度達1819MPa,接近C20等級混凝土。在水平旋噴柱體相搭接形成的旋噴拱棚的保護下,通過對開挖過程中設置的拱肋受力量測表明,其受力極小,說明旋噴拱棚的剛度很好,承受住了山體的壓力。      德國波恩地鐵一段區(qū)間隧道通過松散未固結、滲透率平均為8mm/s的萊茵河礫石及不均勻泥砂層,平均埋深為3.5m,頂部還有一條污水管通過。為控

8、制地面深陷并確保污水管的安全,采用旋噴注漿結合新奧法施工(圖3),獲得良好效果3。本次旋噴柱長12m,柱體直徑60cm,中心距47cm,搭接3m,柱體向外傾斜10°。旋噴壓力大于40MPa時,曾引起地面隆起達91mm,采取降壓及鉆卸壓孔等措施后降低到8mm。旋噴引起地面隆起問題已引起工程界重視。      美國于80年代初期首次應用旋噴技術并獲得成功,由于此項技術價廉及對各種土壤的普遍適用性而在美國得到廣泛應用。華盛頓地鐵在海軍工廠以東區(qū)間隧道修建過程中采用大范圍水平旋噴注漿,使土壓平衡盾構得以從百年前修建的直徑18ft(5486.4

9、mm)的磚和素混凝土結構的下水道下方通過。      在修建蘇黎世地鐵時,瑞士首次使用水平旋噴技術作預支護4。在St·Antoniuskirch車站到Stadehofen車站之間有一段松散破碎的冰磧石帶。雖然覆蓋層在整個工程中是最薄的,但因上部有鐵路線而不能明挖施工。區(qū)間隧道采用機械掘進,遇到松散破碎的冰磧石層時,出現(xiàn)了最嚴重的塌方事故。最后改為水平旋噴注漿對地層進行預支護,成功地通過了松散破碎帶。開挖前,隧道拱部設置了23根長16m、直徑70cm的水平旋噴柱體在隧道拱部形成一個支護拱。其鉆孔直徑10cm,旋噴壓力為4080MPa。旋

10、噴拱棚完成并待固結體充分固結后,用臺階法施工,上部臺階每進尺1m,完成一個旋噴段的開挖要7天時間。相鄰兩旋噴段搭接2m。本次旋噴柱體長16m,這是迄今所查到資料的最長紀錄。1         4 我國水平旋噴工法現(xiàn)狀4.1 鐵道研究院的研究工作      為推進旋噴技術的,鐵道科學研究院于1987年在內蒙古烏蘭浩特附近輕亞粘土地層進行水平旋噴試驗。試驗結果表明,在20MPa壓力下柱徑可達58cm,固結體強度為2.8MPa,拱棚厚度2025cm,無空洞和斷柱。漿液在高

11、壓射流作用下注入部分軟土和土縫中,勢如樹根,土體得到一定加固,取得了初步成果。4.2 石家莊鐵道學院的研究工作      石家莊鐵道學院從1994年起開始了水平旋噴機的研制和水平旋噴技術的研究工作。先后在厚砂質粘土地層和松散細砂地層做過4次水平及傾斜旋噴工藝試驗及一系列測試,取得大量研究成果。還和徐州工程機械廠聯(lián)合設計制造出“TGD-50型水平鉆孔旋噴機”,如圖4。該機可作豎直上仰15°的鉆孔并旋噴,不僅可用于隧道作預支護,而且可用于路基、邊坡加固,基坑壁施作土錨桿等。并分別于1998年12月和1999年10月在神延線沙哈拉峁隧道洞口

12、風積沙地層及宋家坪隧道洞內淺埋偏壓段作預支護,一舉獲得成功。開挖后的變形及壓力量測結果表明。加固效果良好,初步顯示了該工法的優(yōu)越性。水平旋噴加固技術的應用成功,填補了我國該項技術的空白。5 水平旋噴注漿機械研究動態(tài)      水平旋噴注漿技術的主要機械有水平旋噴機和高壓注漿泵兩大部分。5.1 水平旋噴機      國外的水平旋噴機一般都是將鉆噴機構安裝在多功能鉆車上,既能鉆水平孔又能鉆豎直孔。這樣的多功能鉆車可以進行多種作業(yè),較受用戶歡迎。當代各種鉆車發(fā)展總趨勢具有以下特點。5.1.1 注重一機

13、多能      采用積木式組合設計,注重一機多能?？梢愿鶕?jù)不同工程不同作業(yè)的需要方便地調換部件,組成不同施工方法的機種。意大利SoilMec公司的SM-405、SM-400、SM-103鉆機都可用于水平旋噴,特別是SM-103微型液壓鉆機可在閉塞狹小的場所工作(圖5),用于旋噴最大施工深度可達9m。英格索蘭公司的GH、KG、KR、KS等系列都可安裝旋噴鉆機,圖6為該公司KR803-02型巖土工程鉆機。意大利卡沙特蘭地公司的L6型、PG125型水平噴射注漿機主要在隧道中應用。圖7為PG125型水平鉆機在隧道中進行預支護作業(yè)。5.1.2 采用全液壓

14、傳動和集中控制      為確保大扭矩和長行程給進的要求,在結構設計上采用變量馬達配置方案,實現(xiàn)了恒功率和恒扭矩的調節(jié)。操縱、控制均集中于操縱控制室內,小型鉆車一般均有可移動的機外操作臺。液壓系統(tǒng)多采用先導比例閥控制,從而保證了控制的精確、靈敏。同時控制系統(tǒng)設有顯示裝置與儀表監(jiān)視裝置。如寶峨公司的BG30型鉆車操縱室內配置有連續(xù)深度記錄裝置,土力公司的C48型設有混凝土壓力傳感器;英格索蘭公司GH系列配有深度和精度測定儀,可隨時讀出鉆進深度和鉆孔垂直度等等。5.1.3 采用履帶式專用底盤     

15、; 它較好地解決了鉆車在工地的就位、移動,且使地面單位壓力減小,能適應較軟弱地層,又能使鉆車重心明顯降低,穩(wěn)定性提高。多數(shù)鉆車的履帶軌距是可以調整的,使鉆車作業(yè)時間的穩(wěn)定性進一步得到提高,且使在狹窄工區(qū)移位時又不受限制。如土力公司的CM-48、R-12、R-15型鉆車的履帶軌距均可由2500mm加寬到4000mm;英格索蘭公司的GH120H-200H系列軌距變化為35004500mm,MR701的軌距可從700mm加寬到900mm。      應當指出的是有的履帶軌距變動的方案構思頗具特色,如土力公司采用鉸接油缸斜推方案,在行進過程中逐步從運輸

16、狀態(tài)下的窄軌距變成施工狀態(tài)下的寬軌距,這樣就可避免軌距加寬時必須將鉆機抬起的要求,從而簡便可靠。5.1.4 采用電力驅動      鉆車動力裝置的選擇除考慮牽引性能和性外,我們認為還必須考慮對施工環(huán)境的污染問題。隧道旋噴作業(yè)時,其鉆車在施工工作面的最前方,若選用內燃機為動力源,廢氣有損工人的身體健康。故選用電動機較為適宜,特別是交流異步電動機,這樣可直接并入工農業(yè)電網(wǎng)中,給施工帶來極大方便。5.2 高壓注漿泵      高壓注漿泵,特別是高壓雙液變比化學注漿泵是隧道水平雙液旋噴注漿成拱預支護的關

17、鍵設備,產品質量不易過關。泵的壓力與流量直接影響旋噴樁直徑的大小和強度。目前歐洲一些國家生產的高壓注漿泵壓力已達到60MPa, 甚至更高。他們早在高壓旋噴施工中應用,而我國目前生產的高壓注漿泵壓力低、體積偏大,只能輸送單漿液,不能滿足水平旋噴注漿工藝的要求。      地質科學院勘探技術研究所開發(fā)研制的YZB-32型高壓注漿泵,如圖8,其最大壓力可達32MPa,最大流量為90L/min,且可輸送雙漿液,實現(xiàn)壓力、流量的無級調節(jié)。課題組曾用該泵在神延鐵路宋家坪隧道進行水平旋噴注漿施工。實際使用表明,該泵漿缸密封性良好,壽命長,故障率低,是目前較為

18、理想的旋噴注漿配套設備。      垂直與水平旋噴施工對高壓發(fā)生器的要求是一樣的,但因水平作業(yè)更易溢漿,所以對泵的流量控制要求更嚴,否則溢到施工工地的漿液太多,不僅使?jié){液耗損太大,而且也污染環(huán)境。6 結語      日本及歐美一些國家水平旋噴注漿加固技術開發(fā)較早,設備比較先進,但是其價格昂貴,國內大多數(shù)均無力購買。石家莊鐵道學院巖土工程研究所通過多次工藝試驗,不僅掌握了水平旋噴工法的工藝,而且聯(lián)合有關單位開發(fā)出了水平鉆孔旋噴機和配套設備。此項技術已經(jīng)在軟弱圍巖隧道中作預支護獲得成功。初步顯示了其價廉、高效及良好支護性等優(yōu)越性,為推廣此項技術提供了范例。水平旋噴注漿加固技術的應用成功,為我國巖土工程中的軟弱地層加