水平旋喷桩在深圳地铁超前预加固中的应用

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1、水平旋喷桩在深圳地铁超前预加固中的应用【摘要】介绍水平旋喷桩超前预加固技术在深圳地铁大 一科区间不良地质地段中的 应用,重点阐述水平旋喷桩加 固机理、施工工艺和效果。【关键词】地下铁道 软弱围岩 水 平旋喷桩预加固1 引言在软弱、松散、富水地层中修建地下工程，一般多采用 超前预加固辅助工法。目前 超前预加固方法 主要有超前 小导管、超前小导管预注浆、大管棚、深孔注浆、水平旋喷 桩、水平搅拌桩和水平冻结等，应根据地质条件及周边环境进 行安全、技术、经济 对比和适用、成熟可靠性 分析 合理 选用。深圳地铁大一科区间位于深圳市主要干道深南大道正 下方，单线长1 144.7 m ,埋深1019 m ,

2、分左右两条单线 隧道，线间距13.217.2 m。其中SK3 + 210SK3 + 315段 通过不良地质地段，该段埋深1517 m ,上覆素填土、粉质 粘土、砾砂层、砾质粘性土、流塑状粘性土其中流塑状粘性 土侵入隧道断面36 m。该地段土体自稳能力极差,土层中 局部存在囊体,囊体内充填水和泥砂混合物，在隧道开挖过程 中会毫无征兆地喷发,泥砂俱下,导致土体失稳，引起险情。受环境制约,该地段不允许进行地表降水和注浆加固, 洞内起初仅采用小导管加密注浆,但效果甚差，安全、质量、 进度无法保证，一度处于停工状态。2001年10月22日，50 多位地下工程界的专家、学者会聚深圳，联手“把脉会诊”， 经

3、过综合论证,建议优先选用水平旋喷桩并辅以小导管注浆 加固的施工方案。目前工程进展顺利，二次衬砌已施工完毕, 达到了 “安全、经济、快速、优质”的目标。2 水平旋喷桩加固机理及特点水平旋喷桩是以高压泵为动力源,通过水平钻机钻杆、 喷嘴把配制好的浆液喷射到土体内，喷射流以巨大的能量将 一定范围内的土体射穿,并在喷嘴作缓慢旋转和进退的同时 切割土体,强制土颗粒与浆液搅拌混合。待浆液凝固后，形成 水平圆柱状水泥土固结体即水平旋喷桩,当旋喷桩相互咬合 后，便以同心圆形式在隧道拱顶及周边形成封闭的水平旋喷 帷幕体，起到防流砂、抗滑移、防渗透的作用。水平旋喷桩具有以下特点：(1) 可控性。水平旋喷桩的浆液局

4、限在土体破坏范围内, 浆液注入部位和范围可以控制,可通过调节注入参数(切削土 体压力、固化材料注入速度与配比、注入量等)获得满足设 计要求的固结体。(2) 均匀性。喷射流在能量衰减前交汇，切削能量在碰撞 点相互抵消,在比桩心到碰撞点距离大的地方,射流无能力 切削土体,加固体均匀程度好。(3) 成本低、效率高。由于限定注入范围，注入量大幅减 少，水泥用量仅为100150kg/m,施工速度比大管棚或深孔 注浆提高23倍。(4) 具有提高复合土体强度、防渗、抗滑、预支撑等多重效果。3水平旋喷桩超前预加固方案通过室内模拟试验、现场试验、理论 分析以及专家意 见，决定采用“以周边单层咬合水平旋喷桩加固为

5、主(特别困 难地段双层),以小导管注浆为辅,掌子面采用间隔水平旋喷 桩”的超前预加固方案。3.1 加固范围采用SIR22000型地质雷达（美国GSSI公司）和洛阳 铲相结合的方法,对开挖面前方地质进行超前预报并据此结 合地层界线确定周边水平旋喷桩预加固范围。一般情况下的 加固范围为拱部150°,对于流塑状粘性土侵入隧道下部 的加固范围适当调整至180°270°之间。掌子面 加固范围为开挖面上台阶核心土及弧形导坑内缘。其纵、横 断面详见图1及图2。3.2 主要设计参数周边旋喷加固体的直径为500 mm ,孔深15 m ,考虑 不设扩大工作室，为减少周边破桩工作量，桩

6、尾3.0 m范围只 成孔而不旋喷成桩,实际成桩长度12 m ,纵向搭接长度1.5 m。环向间距开孔处0.33 m ,终孔处图1水平旋喷桩加固示意（纵断面）图2水平旋喷桩加固示意（横断面）0.4 m,外插角5°8°（视地质及线路坡度而 定）,相邻加固体咬合厚度10 cm,施工一循环旋喷桩,开挖、 初支进尺10.5 m。为减少前方土体滑移引起掌子面失稳，加 剧结构变形和地表沉降,掌子面亦设置水平旋喷桩,桩间距 1 1.5 m,桩长 L = L1+ L 2+ H ×tan（45 -2） =1413 m （L1:循环长度，10.5 m;L 2:锚固长度，2 m; H :上

7、台阶开挖高 度，3 m;:内摩擦角，15°。），取15 m。周边小导管注浆 间距为0.330.40 m,长3.5 m,纵向搭接主2.0 m。对相 邻旋喷桩加固体的咬合处,浆液采用CS双液浆，水灰比为 0.8 ： 1 ,水玻1 ,体积比1 ：璃玻美度为1520。4 各工序技术要点4.1 施工参数（1）钻杆钻进速度：01250135 m/min ; 钻杆（轴）转速:12070 r/min ;W=1 :(3) 水泥浆配合比:C ： 017 ;(4) 每延米水泥用量:75 kg ;(5) 钻杆每节长3m,外径50mm,旋喷钻头外径90mm, 单孔，孔径2 mm ;(6) 旋喷压力：2025

8、MPa。4.2 施工准备封闭上台阶和下台阶掌子面，喷混凝土厚度主20 cm。 精确测量中线、水平，搭设工作平台，平台上铺设竹夹板和枕 木，将钻机、高压泵及其它机具一字排列就位。设置临时边沟 及废浆池。4.3 浆液配制浆液严格按设计配合比配制，充分拌和均匀,拌合时间 主3 min,水泥浆从搅拌机倒入贮浆桶前要经筛过滤，以防出浆口堵塞。4.4 钻孔及旋喷按照“先周边、后掌子面”顺序进行旋喷施工，周边按 照每次间隔一孔，孔位从下到上左、右交替进行。跳跃式成桩, 两边强度平衡，可以减少因钻杆偏移造成桩间咬合率低的 问 题。按设计外插角，分孔 计算 每根桩的偏角和仰角,利用 三维坐标，使钻机精确定位。开

9、孔时慢进，钻至1 m后按正常 速度钻至设计深度,当浆液从喷嘴喷出并达设计压力后开始 旋喷，桩前端原地旋喷主30 s。为保证桩径和桩间咬合，弥补 目前国内水平钻旋喷作业退进速度快的不足，采用复喷工艺 （即退一次、进一次、再退一次，共计三次旋喷作业），以提高 固结体的增径效果及咬合率。在桩前端受外插角的影响，为 确保加固效果,前端旋喷时加大压力或降低喷嘴的旋转提升 速度。当旋喷至孔口 3 m时停止，并立即退出钻杆，用棉纱塞 堵孔口，以防浆液外泄。4.5 冒浆处理工艺在旋喷过程中，往往有一定数量的土颗粒随着一部分浆 液沿着注浆管管壁冒出。通过对冒浆的观察,可以及时了解 地层状况，判断旋喷的大致效果和

10、评定旋喷参数的合理性等。 根据经验，冒浆量小于注浆量20 %30 %为正常现象，超过 30 %或完全不冒浆时，应查明原因并及时采取措施。当旋喷流量不变而压力突然下降时，应检查各部位的泄 漏情况，必要时拔出注浆管检查密封性能。出现不冒浆或断续 冒浆时，若系土质松散则视为正常现象，可适当进行复喷。若 系附近有空洞，则可继续注浆或拔出注浆管待浆液凝固后重 新注浆至冒浆为止,或采用速凝浆液使浆液在注浆管附近凝 固。冒浆量过大的主要原因是有效喷射范围内注浆量大大 超过旋喷固结所需浆量，可采用提高喷射压力（喷浆量不变） 或适当缩小喷嘴直径（喷射压力不变）,加快提升和旋转速度 等措施。5 旋喷加固效果（1）

11、试验表明，旋喷固结体直径为4070 cm（地层越软 弱,桩径越大），平均值满足设计要求。固结体强度接近C10素 混凝土，桩间咬合率N80 % ,形成了较好的拱壳支护,在开挖 过程中(循环进尺0.7 m)能承受开挖线外土桩的压力，保证 掘进安全。(2) 固结体周围土体得到了挤压，土体孔隙比减小，抗渗 能力得到提高,初支渗水明显减少,为复合防水层及二衬施工 提供了较好的外部环境。(3) 地表下沉和拱顶下沉得到有效控制。地表沉降减少 51 % ,洞内拱顶下沉减少54 % ,在SK3 + 355过煤气管处, 采用周边双层旋喷桩和掌子面旋喷加固,按照“短台阶、小 步距、快开挖、快支护、快封闭、快通过”的

12、施工原则，并增 设临时仰拱和加密锁脚导管及时进行背后注浆,在流塑状地 层中控制煤气管下沉量仅为26.9 mm ,保证了通过煤气管道 的安全。(4) 在大科区间流塑状粘性土地段，共施工旋喷桩11 000延米,每根桩施工时间约为2 h ,每循环时间为3 d ,月 掘进进尺30 m左右,远远高于采用大管棚或深孔注浆的施工 进度。采用水平旋喷桩每米增加费用6 0008 000元，低于 大管棚、深孔注浆和水平冻结诸法所需费用，具有很好的技术 经济优势。6 结束语水平旋喷桩在我国应用 和 研究起步较晚,目前大多 数还处于试验阶段，在施工工法、数值模型、理论研究和机 械选型配套方面还有大量工作要做。随着我国地下工程的发 展，水平旋喷桩的研究也将进一步深入,相信在不久的将来, 水平旋喷桩在地下工程软弱地层中会得到逐步推广，大显身 手。