中铁隧道集团一处有限公司 重庆 401121
摘要：目前，风积砂隧道为年久风力搬运形成，颗粒均匀呈粉砂状，砂层密实度较高，风干后自然流淌，经现场检测砂层含水量为2-3%。砂层注浆扩散系数小，大管棚或小导管注浆难以扩散，不能有效的将超前支护范围内的砂层固结，粉砂会从上面超前导管缝隙中与前方掌子面流出，形成体积不等的空腔，在开挖过程中，不断有并且随着掌子面的开挖掘进粉砂层空腔不断扩大，达不到超前预支护目的，隧道开挖难以施工。
关键词：风积沙隧道；水平旋喷桩；施工技术；应用
1工程概况
概况：(1)某高速公路神木一号隧道设计为分离式隧道，设计总长度865m，左线进口里程桩号为(起点)ZK90+870，出口里程桩号(终点)ZK91+360，全长490米；右线进口里程桩号(起点)K90+870，出口里程桩号(终点)K91+345，全长475米。由于进口段受风积沙浅埋影响，施工时调整了设计方案，左线ZK90+870～ZK90+998，右线K90+870～K90+993变为路堑；ZK90+998～ZK91+014，右线K90+993～K91+008变为明洞。隧道穿越风积沙层的里程：左线为ZK91+178～+325，右线为K91+159～+319共计307m，穿越风积沙层断面尺寸：跨度15.3m，高度11.2m，断面尺寸124.9cm2；(2)该隧道隧址区位于沙漠浅丘单元，地表沙丘起伏不平，局部有弃土堆。地面高程在1130.3～1068.6米，相对高差38米，沙丘中间高两端低。左线ZK91+178～+325与右线K91+159～+319段为风积沙(Q4eol)，松散－稍密，厚45.0～57.0m，无自稳能力；(3)隧道埋深：左线ZK91+178～+325，右线K91+159～+319段拱顶至地面约11.0～30m(隧道底至地面约为19.0～38m)为风积沙。风积沙层结构松散，颗粒单一，粒径小，粘聚力低，压缩性小，透水性强，抗剪强度相对较低，无自稳力，开挖易大面积坍塌，安全系数低，施工难度大。
2水平与竖直旋喷桩组合设计方案
2.1水平与竖直旋喷桩组合设计参数
神木一号隧道风积沙段洞身外采用竖直旋喷桩方式对拱顶开挖线以上3米范围进行地表加固，加固宽度为隧道中线两边各9.25米(竖直旋喷桩为每排31根)，桩径50cm，间距@=60×60cm。神木一号隧道风积沙段洞身内采用从洞身起拱线至拱顶开挖轮廓线外增设水平旋喷桩，桩之间须咬合，环向间距@=30cm，旋喷桩桩径50cm，每循环搭接5米，每循环长度18米。
2.2注浆设计参数
竖直旋喷桩采用水泥净浆，水灰比1.2∶1，注浆压力25Mpa；水平旋喷桩采用水泥净浆，水灰比1∶1，注浆压力35～40Mpa；护壁浆液：膨胀土。
2.3技术要求
(1)水平旋喷桩：水平钻进因钻杆自重作用，易下垂，钻机定向要有一个仰角，设计为α=3°。注浆：拨出钻杆时，一般喷嘴以大于35MPa的压力把配制好的浆液喷射到土体，使风积沙与水泥浆充分搅拌混合，胶结硬化后形成直径均匀、符合设计强度的桩体。钻杆的旋转速度为20r/min，钻杆外拔速度为15～30cm/min之间；(2)竖直旋喷桩：钻机安放稳固，场地要平整，钻杆一定要垂直；注浆：提升钻杆时，钻杆的旋转速度为20r/min，钻杆提升速度为20～25cm/min，一般喷嘴以25MPa的压力把配制好的浆液喷射到土体内，使风积沙与水泥浆充分搅拌混合，胶结硬化后形成直径均匀、符合设计强度的桩体。
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3竖直旋喷桩施工
3.1定位
(1)施工准备：按设计要求以隧道中线两边各加固9.25米宽初步放出旋喷桩的施工范围；(2)平整场地：根据隧道顶部实际地形进行场地平整及操作平台的搭设，为以后施工工序提供工作场所；(3)定孔位：严格按设计孔桩间距@=60×60cm进行测量放样，做好桩中心位置标；(4)钻机安装：施工前将钻机管架整体定位安放于铺设好的水平轨道上，钻杆确保垂直，允许倾斜度符合规范要求且不得大于1.5%。
3.2钻孔
钻进：在设计桩位中心处先做导孔，导孔深度约2米，钻导孔的旋转速度10～15r/min(小于20r/min)，然后按转速20r/min钻至设计标高，采用膨胀土为护壁浆液。在施工过程中，应详细记录实际孔位、孔深和沙层情况。
3.3旋喷注浆
(1)孔深达到设计标高时先进行试喷，正常后才能进行高压旋喷，提升钻杆时，钻杆的旋转速度为20r/min，钻杆提升速度为20～25cm/min，一般喷嘴以25MPa的压力把配制好的浆液喷射到土体内，浆液流量控制在60～120L/min范围；(2)水泥浆用量及拌制：按设计要求预先计算出桩的注浆量，采用425号水泥，水灰比1.2∶1进行搅拌均匀，宜在旋喷前1小时以内拌制完成；(3)旋喷桩桩顶标高控制：按设计要求桩顶控制在隧道外拱顶以上3米处停止浆液喷射，通过测量钻杆长度控制桩顶标高；(4)桩顶空钻部分钻杆提升控制：提升钻杆的旋转速度为15r/min，钻杆提升速度为15cm/min，确保桩顶空钻部分不坍塌。孔桩注浆完毕，立即冲洗干，及时清理废浆废液并进行下一根孔桩施工。
4水平旋喷桩施工
水平旋喷桩施工主要步骤：施工准备(水平旋喷桩工作室)、工作平台搭设、泥浆池施工、钻机就位、钻进、高压旋喷注浆(交液配制)、封孔、清洗管道及设备：(1)施工准备。按设计测量放样，先进行水平旋喷桩工作室的施工。工作室设计尺寸：长8m，净高80cm，渐变段长5m。在隧道起拱线至拱部范围内预埋导向孔，埋设深度200mm，仰角设计为α=3°以保证桩身不侵入隧道净空及相邻桩体相互咬合；(2)工作平台搭设。因隧道内空间狭小影响孔桩钻进操作，所以平台布置要便于隧道起拱线至拱腰两侧钻机的操作并满足钻孔精度；(3)泥浆池。为保证隧道内干燥、环境卫生和隧道底不被水浸泡，池四周及底部要做防水处理并做好排水沟；(4)钻机就位。钻机的钻杆轴线与隧道掌子面大致垂直，钻杆的仰角与导孔的仰角一致，设计为α=3°，以保相邻桩体相互咬合；(5)钻进。钻机施工过程中要连续作业，不能间断，钻杆旋转速度为15r/min左右，钻进压力保持在5MPa左右，保持匀速钻进；(6)高压旋喷注浆。孔深达到设计深度后，进行旋喷注浆，压力控制为35MPa左右，浆液流量控制在60～120L/min范围。注浆过程中钻机旋转速度为20r/min，退杆速度为20cm/min，水泥标号应为425号，水灰比为1∶1；(7)封孔。注浆至孔口0.5m时停止注浆，快速拔出钻杆和钻头，封堵孔口；(8)清洗管道及设备。孔桩施工完毕要对管道及设备用高压水冲洗，清除残留水泥浆液后进行下一根孔桩施工。
5水平与竖直旋喷桩组合超前预支护分析
从隧道开挖过程的现场实际监控量测数据分析：采用水平与竖直旋喷注浆组合超前支护挤压与搅拌风积沙混合胶结硬化，使其颗粒间隙致密，达到改良风积沙体的效果，增强了风积沙围岩自稳能力。旋喷桩相邻水平旋喷桩互相咬合，把隧道拱部形成了注浆帷，同时隧道洞身外两侧的竖直旋喷桩伸入隧道底部，防止了隧道底部开挖大量的风积沙涌入，确保了隧道施工安全，顺利穿越了风积沙层。隧道开挖后沉降分析：水平与竖直旋喷注浆组合超前支护下，风积沙层未出现坍落和大变形位移的情况，地面也未出现沉降现象，与现场监控量测数据基本一致。
6结论
某高速公路神木一号隧道采用水平与竖直旋喷桩组合作为超前预支护，虽然增大了投资，但是确保了安全，缩短了工期，实现了全线的通车目标，有较好的社会效益。水平与竖直旋喷桩组合超前支护在风积沙隧道中成功的应用，作为隧道的一种超前预支护手段，具有一定的应用前景，为今后类似隧道施工提供了参考的案例。
参考文献：
[1]王朝杰.风积沙围岩隧道施工新技术研究[J].交通标准化，2014，04：32-35.
[2]杨转运.水平旋喷桩在隧道超前支护中的应用[J].交通科技与经济，2014，03：119-121.
论文作者:白冰
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2017年第7期
论文发表时间:2017/8/7
标签：隧道论文; 钻杆论文; 水平论文; 钻机论文; 浆液论文; 注浆论文; 沙层论文; 《建筑学研究前沿》2017年第7期论文;