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文檔簡介
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
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