摘要：盾构隧道和顶管隧道在洞口段推进时，由于地质情况复杂，极易出现大变形甚至坍塌事故。本文结合西安雁南一路综合管廊隧道洞口施工针对高压旋喷桩洞口加固方法的工艺及应用进行介绍，对于黄土地层深井大断面洞口施工，高压旋喷桩具有施工简单，操作方便，成本低等优点，为类似工程的施工提供参考经验，具有较好的推广应用价值。
关键词：高压旋喷桩；综合管廊；土体加固；顶管施工
引 言：随着城市建设进程的不断提高，民生需求的提高以及城市的承载能力的提升，城市地下综合管廊已经在越来越多的城市中进行试点和建设。地下综合管廊不仅为城市交通拥堵问题带来解决方案，同时也为市政管线的安全管理和防灾减灾提供了巨大贡献。盾构和顶管工法是城市地下综合管廊的主要施工方法，洞门是施工最薄弱的部分之一，洞门预加固是保证工程顺利安全的关键所在。目前主要针对洞门预加固的方法有注浆法、高压旋喷桩法和冻结法[1]-[4]，管廊施工应针对不同的地层条件及施工环境选择合适的洞门预加固方法。
1 工程概况
西安市地下综合管廊雁南一路地下缆线管廊全长1185m，位于西安市雁塔区，为二环内老城区，管廊西起长安南路东至翠华路、沿翠华路向南至昌明路，整体呈“L”型布置，采用顶管法施工，沿线路前进方向共布置 9 口竖井，其中始发井3口、接收井3口、顶管完成后二次开挖施工节点井3口。入廊管线分别为：电力电缆、通信线缆，廊体敷设于现状雁南一路道路机动车道北侧、翠华路道路机动车道南侧。拟建缆线管廊位于西安市已建成市政道路雁南一路和翠华路，场地呈东高西低、南高北低之势，勘探点实测地面高程介于415.92～425.20m，高差最大为9.2m。拟建场地地层条件为黄土。实测地下水稳定水位埋深12.6～15.10m，属于潜水类型，地下水的主要补给方式为大气降水。
图1 雁南一路缆线管廊地理位置示意图
2 洞门加固方案设计讨论
针对目前广泛应用的洞门预加固方法，注浆法主要适用于砂土、砂砾等土层，有利于浆液的扩散；冻结法则是主要针对富含地下水地层，相比于二者，高压旋喷桩的适用性更广。本工程工作井井壁上预留φ4.3m的顶管机进出洞口，由于预留洞口截面较大，工作井较深，土体压力过大，人工凿除进出洞口支护桩后，如果洞口外土体强度不够且未采取必要的土体加固措施，进出洞口位置容易发生土体坍塌，致水土流失和地表大面积沉降，危及地下管线和周围的建筑物。相反，如果加固强度太高，又会给顶管机刀盘切削带来困难，引起机械故障，使工程进度受到影响。综合考虑施工难度、工艺成熟性、成本等因素，本工程采用高压旋喷桩对洞口处土体进行加固，在井壁支护桩外侧设置单排旋喷桩加固，桩径500mm，桩间距400mm，桩与桩之间搭接100mm，纵向超出洞口上下各3m。在顶管机进出洞前，在井壁外侧设置一排高压旋喷桩，利用顶管机机头添加贝壳刀的方式，磨断旋喷桩进行顶进。综合分析，本工程选择高压旋喷桩方法进行洞门加固。
图1 高压旋喷桩洞口加固示意图
3 高压旋喷桩原理及主要施工工艺
3.1 加固原理及分类
高压旋喷桩施工技术是在静压灌浆的基础上引进水力采煤技术而发展起来的[5]-[8]，利用高压泵将水泥浆液通过钻杆端头的特制喷头，以高速水平喷入土体，借助液体的冲击力切削土层，同时钻杆以一定的速度旋转，同时低速提升，使土体与水泥浆充分搅拌混合凝固，形成具有一定强度（0.5～8.0MPa）的圆柱固结体（即旋喷桩），从而使地基得到加固。
根据喷射方法的不同，喷射注浆可分为单管法、二重管法和三重管法。单管法使用单层喷射管喷射水泥浆；二重管法则同时将高压水泥浆和空气两种介质喷射流横向喷射出，在高压浆液和它外圈环绕气流的共同作用下，在土中形成较大的固结体；三重管法是将浆液、水、气喷射，高压水流和气流喷射冲切土体，形成较大空隙，水泥浆以较低压力注入到被切割、破碎的地基中，喷嘴旋转和提升，使水泥浆与土混合，凝固形成较大的固结体，其加固体直径可达2m。
本工程需要加固顶管机进出洞口区域土体，无需形成较大的固结体；若加固强度太高会影响顶管机切削，因此本工程采用单管法旋喷注浆。
图2 高压旋喷桩工作示意图
3.2 施工工艺
（1）工艺流程
高压旋喷桩的施工工艺流程如图3所示：
图3 高压旋喷桩施工流程图
1）钻机定位。移动旋喷桩机到指定桩位，将钻头对准孔位中心，同时整平钻机，放置平稳、水平，钻杆的垂直度偏差不大于1%～1.5%。就位后，首先进行低压（0.5MPa）射水试验，用以检查喷嘴是否畅通，压力是否正常。
2）制备水泥浆。桩机移位时，即开始按设计确定的配合比拌制水泥浆。首先将水加入桶中，再将水泥和外掺剂倒入，开动搅拌机搅拌10～20分钟，而后拧开搅拌桶底部阀门，放入第一道筛网（孔径为0.8mm），过滤后流入浆液池，然后通过泥浆泵抽进第二道过滤网（孔径为0.8mm），第二次过滤后流入浆液桶中，待压浆时备用。
3）将喷管插入地层预定的深度，在钻孔完毕后拔出岩芯管，并换上旋喷管。在插管过程中，为防止泥砂堵塞喷嘴，可边射水、边插管，水压力一般控制在1MPa以下。若压力过高，则易将孔壁射塌。
4）当喷管插入预定深度后，由下而上进行喷射作业。必须时刻注意检查浆液初凝时间、注浆流量、压力、旋转提升速度等参数是否符合设计要求，并随时做好记录。
5）桩头部分处理。当旋喷管提升接近桩顶时，应从桩顶以下1.0m开始，慢速提升旋喷，旋喷数秒，再向上慢速提升0.5m，直至桩顶停浆面。
6）若遇砾石地层，为保证桩径，可重复喷浆、搅拌：按上述4～6步骤重复喷浆、搅拌，直至喷浆管提升至停浆面，关闭高压泥浆泵，停止水泥浆的输送，将旋喷浆管旋转提升出地面，关闭钻机。
7）若遇砾石地层，为保证桩径，可重复喷浆、搅拌：按上述4～6步骤重复喷浆、搅拌，直至喷浆管提升至停浆面，关闭高压泥浆泵（清水泵、空压机），停止水泥浆（水、风）的输送，将旋喷浆管旋转提升出地面，关闭钻机。
8）清洗。向浆液罐中注入适量清水，开启高压泵，清洗全部管路中残存的水泥浆，直至基本干净。并将粘附在喷浆管头上的土清洗干净。
9）移位。移动桩机进行下一根桩的施工。
10）补浆。喷射注浆作业完成后，由于浆液的析水作用，一般均有不同程度的收缩，使固结体顶部出现凹穴，要及时用水灰比为1.0的水泥浆补灌。
（2）工艺参数确定
高压旋喷桩单管法施工采用42.5级普通硅酸盐水泥，水泥掺量根据实验确定，用量不小于200kg/m，旋喷压力不小于20MPa。水泥浆液的水灰比1：1。为保证施工质量应严格遵守试桩要求，在展开大批量制桩前进行试桩，以校验施工工艺参数是否合理，现根据试桩用工艺提出高压旋喷桩工艺参数如表1所示：
表1 高压旋喷桩工艺参数
经试桩验证高压旋喷桩工艺参数切实可行，试桩质量高，则按照表1中的各项控制参数进行高压旋喷桩的后续施工。
单根旋喷桩的喷浆量计算如下：
浆量计算有两种方法，即体积法和喷量法，取大者作为设计喷射浆量。
体积法：
喷量法：
式中：Q ——需要的喷浆量（m3）；
De——旋喷固结体直径（m），本工程为0.5m；
D0——注浆管直径（m），取0.1m；
K1——填充率，一般为0.75～0.9，本工程取0.8；
h1——旋喷长度（m），本工程加固长度10.3m；
K2——未旋喷范围土的填充率，一般为0.5～0.75，本工程取0.6；
h2——未旋喷长度（m），本工程为6.4m；
β——损失系数，一般为0.1～0.2，本工程取0.15；
ν——提升速度（m/min），本工程为0.15 m/min；
H——喷射长度（m），本工程为0.5 m；
q——单位喷浆量（m3/m），[100cm/15 cm/min]×0.08m3/min=0.533 m3。
采用体积法和喷量法的计算结果分别为：1.89 m3和1.02 m3。因此选取较大者作为设计喷射浆量。
3.3 质量控制要点
（1）在复检现场测量放样的中桩、边桩的放样是确定使用正确的数据和方法，桩位要做出明显标志，在确定桩数、桩距、桩位、处理宽度的正确后，才可钻机就位，并开始作业。
（2）钻孔的位置与设计位置的偏差不得大于50mm，桩身垂直偏差不超过1.5%，施工应对桩机的定位及垂直度进行认真检查，并填写检查记录表。喷射孔达到标高时，即可喷射注浆，在喷射注浆参数达到规定值后，随即按旋喷工艺要求，提升喷射管，由下而上喷射注浆、喷射管分段提升的搭接长度不得小于100mm。
（3）在高压喷射注浆过程中出现压力骤然下降，上升或冒浆异常时应查明原因，并及时采取措施。高压喷射注浆完毕，应迅速拔出喷射管，为防止浆液凝固收缩，影响桩顶高度，必要时，可在原孔位采用冒浆回灌或第二次注浆等措施。施工中应做好泥浆处理，及时将泥浆运出或在现场短期堆放后作土方运出。施工中应严格按照施工参数和材料用量施工，并如实做好各项记录。
（4）高压喷射注浆的施工参数应根据土质条件、加固要求通过试验或工程经验确定，并在施工中严格加以控制。高压水泥浆或高压水的压力应大于20MPa。当设计深度范围内没有发现相对硬层，或者在设计范围内有无法打到设计深度的桩应如实记录，保证检查记录的完整性、真实性。
结语
顶管隧道工程施工前，应进行技术、经济指标的综合评价，根据实际的地层条件及施工环境选择顶管进出洞口土体加固方案。高压旋喷桩加固法从经济上、技术上统筹考虑比较合适，其工艺发展更加成熟，加固质量易保证，可有效的增加顶管机进出洞口土体的稳固性，保证顶管施工的稳定进行，同时提高了井下施工的安全性，保障了整个地下综合管廊工程的安全和质量，结合本工程的现场施工实践更进一步的验证了高压旋喷桩的工程可行性和高效可操作性，为今后类似施工提供了宝贵的经验。
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作者简介：刘博元，男，助理工程师，中建二局一公司陕西分公司管廊202项目副总工，西安市未央区太华北路华远锦悦17层，邮编710000。
论文作者:刘博元1,曲连峰2,杨呈2,祝永辉1
论文发表刊物:《基层建设》2018年第30期
论文发表时间:2018/11/15
标签：高压论文; 洞口论文; 水泥浆论文; 浆液论文; 工程论文; 地层论文; 顶管论文; 《基层建设》2018年第30期论文;