水平旋噴樁施工在隧道塌方治理中的應用

1、水平旋噴樁施工在隧道塌方治理中的應用在隧道施工塌方治理中，由于圍巖地質的特殊性，無法采用常規(guī)支護治理措施確保施工安全，從而快速的通過塌方段。本文結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，重點闡述了水平旋噴高壓劈裂注漿的加固機理、和施工作用，為類似的工程加固施工提供了借鑒和參考。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+049-DK523+402全長9353m。隧道正洞DK520+150-DK52甘115段為W圍巖深埋地段，洞身位于頁巖夾砂巖層中，淺灰灰綠等色，砂巖薄層中厚層狀，泥質膠結，局部夾炭質頁巖，層理發(fā)育，節(jié)

2、理較發(fā)育，巖體軟硬不均，相對破碎，風化差異大，OW級軟石，風化層厚25m,局部達20m。隧道正洞上半斷面開挖支護至DK520+601時,正洞上半斷面DK520+56DK520+601段發(fā)生塌方，塌體出露圍巖巖性為強風化頁巖，開挖中可見巖體間為黃色泥膜、硬塑，塌方首先從拱部開始，延伸至拱部約120°范圍，經鉆探量測，塌方體長3036m塌方量超過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；土石分界面附近有上層滯水，該層滯水對拱部圍巖壓力較大；下部隧道開挖后拱部圍巖收斂變形，導致巖體節(jié)理張開，上部滯水下滲，對圍巖產生較大壓力后在

3、開挖爆破震動的誘因下，造成塌方。塌方后采用管棚對塌體上部進行支護，但該塌方體主要為拱頂粘土層，且水量較大，經長時間浸泡已基本無自穩(wěn)能力，呈現塑性涌出，無法進行開挖作業(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，無法承受塌腔內飽和土體自重，如開挖塌體則存在較大安全隱患。為此，需采取新的塌體治理措施后，方可進行掘進施工。塌方體治理方案該隧道施工進度壓力大，直接影響到整條線的正常通車，出現如此大規(guī)模的塌方并且多種支護方案均告失敗在施工中非常少見，針對上述復雜情況，專門就該隧道的工程地質條件、水文地質條件、塌方原因、支護方案的選擇與確定、支護機理及效果分析等多方面進行充分的分析和研究，在此基礎

4、上，確定了一套實用且有效的施工方案。塌方處理一般分兩階段進行，首先進行塌體封閉，防止塌方繼續(xù)擴展，施工中采用噴射砼對塌方體進行封閉，因塌體飽水壓力較大，噴射砼前進行了掛網作業(yè)，并在塌體下部埋設花管泄水孔；其次，進行塌體加固、處理，塌方治理主要方法有管棚預支護法、注漿加固法、冷凍固結法、錨桿（小導管）超前加固法、明挖法、蓋挖法等。上述各種施工方法的施工過程、效果與可靠性比較如下：管棚預支護法：該塌方段已完成管棚的支護施工，但因塌體較長，施做的管棚無法嵌入前方穩(wěn)固基巖，且塌體上方塌腔較大，充填了大量飽和粘土，管棚支護力有限無法承載此巨大壓力，且管棚間間隙較大，流塑狀粘土容易下漏使塌方進一步發(fā)展，存

5、在安全隱患，無法開挖。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，對塌體進行固結，改良塌體的物理狀態(tài)，使之恢復自持能力，與未擾動圍巖共同作用，防止塌方擴大及拱部坍塌，恢復掌子面開挖。注漿采用的設備較小，造價少施工簡便，施工性能良好；壓入漿液可以改良圍巖，對拱部的坍塌防止效果好，可靠性高，但作用范圍有限，只適合于小型塌方治理或大形塌方綜合治理的輔助措施。冷凍法：運用制冷機凍結塌方段，從中掘進支護；從塌體飽水狀態(tài)看冷凍法是最理想的固結、支護塌體的方法，但冷凍法費用很高，且施工周期長，不符合工期要求，操作過程工作環(huán)境要求高、設備昂貴故放棄此方案。錨桿（小導管）超前加固法：運用鑿巖機鉆孔，

6、打入錨桿或小導管，利用錨桿小導管的懸吊、錨固作用固結塌方體；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，故不采用。明挖法、蓋挖法：此兩種方法是將塌方體從地表直接挖開然后施做支護結構；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80m無法采用。通過比較，管棚超前支護法和注漿固結法適合于該塌方的治理，但根據該隧道塌方區(qū)大小及塌體工程地質條件，這兩種方法均不能獨立完成塌體固結、支護作用，主要因素有：由于大量粘土的存在無法直接采用常規(guī)注漿的加固方案，常規(guī)注漿要求被加固體有良好的導漿特性，漿液滲透、圍裹塌落物并在凝固后相互粘結形成一整體

7、，而粘土是注漿法中漿液擴散最不利的地質層，且受水浸泡后處于飽和狀態(tài)，具有良好的隔水性，注漿后漿液不能有效擴散，擴散半徑很??；而初期采用的管棚施工，因塌體軟弱，潛孔鉆無法成孔鋼管不能插入有效長度，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)成孔問題，但因為需要將整根管棚鋼管切成若干段套絲連接，所以承載力大大下降，管棚的棚護、支撐上方塌體能力減弱，且因塌體注漿效果差，管棚的壓漿固結作用也大打折扣。針對上述情況，為使得管棚的棚護作用及注漿固結作用充分發(fā)揮，結合塌方體的工程地質特性及工期、降低成本方面考慮，引人高壓旋噴注漿加固的施工方法，來解決該塌方段的超前加固、封堵上部滯

8、水問題，形成水平旋噴帷幕體，防止塌體開挖過程中管棚間隙的漏土、滑泥，解決塌體開挖問題。其主要加固機理及優(yōu)點為:在管棚間隙上方施做同角度水平高壓旋噴樁，樁與樁相互咬合，并將管棚有效包裹，形成上部旋噴固結樁體受壓、下部縱向管棚受拉的簡支受力結構體，有效承載塌腔內塌體自重壓力，并對塌方體開挖過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挖后涌出，使管棚失去下部支撐點，還必須對開挖面內土體進行預固結，這樣就可形成管棚前端支撐在穩(wěn)定塌體上、后方開挖后支撐在鋼拱架支護上，確保了施工的安全C根據塌體飽水特點，采用水玻璃、水泥的雙液漿作為壓漿材料，充分發(fā)揮水玻璃的排水、速凝固結作用，利用塌

9、體下方的泄水管排除開挖面塌體的水分并壓漿固結；水平旋噴樁還具有以下優(yōu)點： 質量可控，水平旋噴攪拌樁內部質量均勻、穩(wěn)定，根據塌體物理性狀采用合理的壓力、間距可使樁與樁之間相互咬合，在管棚上方形成一個防塌、防滲的連續(xù)帷幕體，為下部塌體開挖提供安全保障；同管棚、超前小導管協(xié)同作用，受力更好，可以有效解決管棚、小導管在非透水性圍巖中壓漿無法擴散或擴散半徑小的問題，使管棚、小導管被水泥攪拌樁包裹、互相咬合，提高棚護效果； 高壓旋噴樁無需成孔，解決軟弱圍巖成孔困難問題，且其鉆進、攪拌、注漿可同步進行，施工效率高、時間短，符合工期要求； 旋噴樁注漿位置可控，可以根據工程需要準確的對謀部位進行注漿，可通過注漿

10、壓力，樁間距、注入的漿液材料、配比等的調節(jié)，獲得最佳的固結效果；設備投入小，操作簡單，無需大型設備，工藝比較容易掌握，可根據地質情況在漿液中加入其他化學漿液，提高凝結強度和凝結速度； 經濟效果好，旋噴攪拌樁由于壓漿范圍可控，不會串漿，相對于其他高壓注漿用漿量受控，且不需要埋設注漿管（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)注漿的基礎上，應用高壓噴射注漿技術而發(fā)展起來的一項土體加固技術。水平旋噴樁是以高壓泵為動力源，通過水平鉆機鉆桿將帶有特殊噴嘴的注漿管置入土層的預定位置后，噴嘴把配置好的漿液噴射到土體內，噴射流以巨大的壓力將一定范圍內的土體射穿，

11、并在噴嘴作緩慢旋轉和進退的同時切割土體，強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體即水平旋噴樁。當旋噴樁相互結合后，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。施工應用根據以上分析計算，結合高壓劈裂注漿的施工工藝要求及塌方區(qū)的具體情況，做出如下施工方案：1、在塌體同性狀土體內做旋噴試驗，確定注漿壓力、漿液配比及有效樁徑，經過試驗，在壓力不小于18MPa下經過反復試驗旋噴攪拌樁徑能夠達到50cm樁體強度可達到35MPa水泥漿液采用1:1拌制；2、對塌體封閉、設止?jié){墻，采用砼加固原塌體封閉噴射砼，并在止?jié){墻下部預留排水孔；3、已施做大管棚環(huán)向間

12、距30cm根據試驗旋噴樁徑可達到50cm所以采用在拱部120。設環(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確保樁與樁能夠互相咬合且能包裹大管棚；4、旋噴樁每根樁鉆進到位后，退桿噴漿時間控制在1015分鐘，即每分鐘退桿1.5m，鉆桿旋轉速度控制在15轉/分鐘；小導管注漿布置圖5、旋噴樁在施做過程中，因塌體軟弱，其鉆深長度不宜過長，過長會造成樁尾部向下偏移，所以旋噴樁樁長控制在1520m采用打設兩個循環(huán)對塌方段進行棚護支撐；6、根據塌體工程性質，對旋噴樁下（開挖面內）塌體采用水泥、水玻璃雙液漿小導管壓漿加固，利用水玻璃的排水、速凝性質，對塌體內部土體進行排水固結，為塌體開挖提供條件，確保開挖后前方土體穩(wěn)定，同時為開挖面前方管棚、旋噴樁提供支點，使開挖工作范圍位于管棚旋噴樁前方支撐在固結塌體上、后方支撐在新立拱架上的安全棚護下，確保施工安全；7、塌體注漿小導管長6米，周邊兩環(huán)外插角5°-8°，內部水平施做，打設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小導管注漿后開挖3m中施做下一循環(huán)，直至塌方通過。效果驗證按照以上施工方案，經過精心