摘  要 在深圳地铁安托山站—侨香站区间矿山法隧道超前支护施工中，由于采用了水平旋喷桩施工工艺，成功地解决了安-侨区间暗挖隧道在饱和粉细砂层及砾砂层中近距离穿越大断面雨水箱涵及 φ500 mm 次高压燃气管线的难题，节约了施工成本，充分显示了水平旋喷桩施工工艺在富水砂层浅埋暗挖隧道开挖预支护工程应用上的经济优势。 文章论述了水平旋喷桩的工艺机理、适应性、优缺点以及在该工程中的应用效果。

关键词 水平旋喷桩 暗挖隧道 超前支护 富水砂层

 

      城市地铁暗挖隧道工程是在岩土体内部进行的，无论其埋深大小，隧道的开挖施工将不可避免地扰动地下岩土体，破坏原有的平衡状态，而向新的平衡状态转化。 地下岩土体的开挖会引起地表沉降和变形，地表沉降到一定的程度，将影响地面建筑物的安全和地下管线的正常使用。 而地铁线路一般都会穿过人口密集、地面建筑物林立、地下管网密布的市中心繁华地段， 该区段对施工产生的地表位移和变形的要求都很高，施工方法的选择如稍有失误，将会造成不可估量的损失。在这种情况下修建隧道，就必须先对工作面前方沿隧道轮廓线进行预加固， 然后再开挖，以保证施工安全。 预加固的方法已有很多，如静压注浆、工作面小导管注浆、钢管棚预支护、预切槽等。 它们各有优缺点。 当土层颗粒较细时，采用静压注浆和工作面小导管注浆加固效果难以保证，且超前加固范围较小；而钢管棚预支护耗钢量大，且往往会使软土从管间滑落，导致坍塌，在富水地区还会从管间缝隙漏水。预切槽拱厚均匀，但长度有限，在富水软土地层中槽孔不易保持；而水平旋喷注浆预加固技术由于桩间相互搭接，成拱效果好，既有一定强度又能防止渗漏，其加固范围和加固效果可人为控制，具有良好的工程应用前景。

      本文将首先介绍水平旋喷桩的工艺原理、 施工质量控制及其工程适应性， 然后结合深圳地铁 2 号线2222 标安托山站—侨香站区间矿山法隧道详细阐述水平旋喷桩的施工方案确定及具体实施流程；并通过经济对比， 论证水平旋喷桩施工工艺在富水砂层浅埋暗挖隧道开挖预支护工程应用上的经济优势。

 

      水平旋喷桩的成桩原理是在垂直旋喷桩、 搅拌桩基础上发展起来的， 即在普通钻杆的旋喷头上加焊搅拌叶，钻进过程中边旋喷边搅拌，使水泥浆与土体充分混合，从而使其硬结形成具有整体性、不透水性且强度较高的水泥土。水平旋喷桩具有旋喷桩、搅拌桩的双重优点，对地层适用范围进一步扩大，水泥土拌合更加均匀，强度更高，止水效果更好，施工质量有保证。

      水平旋喷桩工艺流程见图1。

      测定并放出桩位，作好桩位标志，编定桩号。

      （1）平整工作平台，要求场地平整硬化，同时挖设排水及废浆回收通道。

      （2）铺设轨道，安装立柱。 要求 H 型钢轨找平误差≤3 mm；底盘对角线找方误差为±3 mm；斜拉筋需绷紧，交叉拉力基本相等； 四柱对角误差为±5 mm。

      （3）设备安装好后，按技术交底调整钻机角度、方位，对准孔位，孔位误差控制在±50 mm 以内。

      （4）检查钻机、高压注浆泵运行是否正常，油路、电路是否完好通畅、符合安全要求。

      （5）安装钻头，并检查探棒及喷嘴是否能正常工作。

      （1）使用吊线和水平尺调试安装好开孔器底座，进行预开孔。

      （2）埋设孔口管，安装孔口密封装置。

      （1）将导向钻头及第一根钻杆送入孔口管内。

      （2）开始钻进，每钻进4 m 要使用 SE-1 水平导向仪测量一次，并做好测量记录，一旦发现偏斜要及时进行纠正，直到钻至设计深度。

      （1）根据施工方案和技术交底要求的配比配制水泥浆， 浆液搅拌必须均匀 ， 搅拌时间不小于 5min，一次搅拌时间亦控制在 4 h 以内，同时要求对浆液进行试块试验。

      （2）在制浆过程中应随时测量浆液比重，每孔高压喷浆结束后要统计该孔的材料用量。

      （1）进行高压喷浆前应检查高压注浆泵，查看泵压读数，在达到 30～40 MPa 时才可开始喷浆施 工。

      （2）在高压喷浆时，泵工应随时观察泵压变化，一旦发现泵压过低或过高时应及时停止喷浆， 查明原因后再恢复高压喷浆。

      （3）当钻杆拔至离孔口0.5 m 处时 ，高压泵停止注浆，关闭浆液输送通道，再缓慢拔出钻杆，进行封孔作业。

      （1）缷下孔口管最外端的密封装置，关闭循环液排出口。

      （2）拔出钻杆和钻头，关闭封孔设备。

      水平旋喷桩一般采用单管旋喷工艺， 旋喷压力为15～20 MPa，浆液采用 32.5R 普通硅酸盐水泥，水泥配比为0.75～1.00，并掺入适当的速凝剂。 钻杆旋转速度为15 r/min，钻进速度为 30～50 cm/min，退钻速度为1～25 cm/min。

      该工艺的主要施工设备：TGD-50 水平旋孔旋喷机；YZB-32 型液压注浆泵，功率 60 kW；浆液搅拌机、储浆罐、高压输浆管、浆液混合器、滤网、配套台架等。

 

      水平旋喷技术由高压喷射注浆技术发展而来，因此在地层适应范围上与高压喷射注浆基本类似。不仅如此，水平旋喷技术适应范围还受水平旋喷所采用的喷射方式（单管、双管、多重管等）影响，可适用于处理淤泥、淤泥质土、流塑、软塑或可塑粘性土、粉土、砂土、黄土、素填土和碎石土等地层。对于含大粒径块石、大量植物有机质，以及地下水流速过大和已涌水的场地，应根据现场适应结果确定其适用性。

      水平旋喷的成柱机理和固结体性能与竖直旋喷基本相同， 可以在旋喷后插入钢筋以增强固结体的抗弯、抗剪强度，固结体周围地层也因挤压渗透作用得到一定程度的加固。因此，凡是需要应用高压旋喷的工程，由于条件限制，不能或不适合进行竖直钻孔高压旋喷时，都可考虑采用水平或倾斜钻孔旋喷。水平旋喷作为一种先进的高压灌浆加固技术， 可以适应于既有建筑物和新建建筑物地基加固， 以及深基坑、地铁等工程的土层加固或防水。

      （1）质量优

      水平搅拌桩桩体外型标准，内部质量均匀稳定，相互咬合的水平搅拌桩就像一道连续墙， 其防坍和防渗效果好， 将其作为隧道的超前支护和止水加固是理想的隧道及地下工程辅助施工工法。

      （2）效率高

      水平旋喷桩无需成孔，其钻进、搅拌、注浆同步进行，施工速度快，每小时成桩 15 m 左右，与小导管注浆、大管棚和冷冻法相比其效率要高。

      （3）安全可靠

      采用水平搅拌桩作为隧道超前支护和止水加固措施，因其质量稳定，防坍防渗效果好，在它的保护下进行隧道开挖，施工安全有保障。另外将其应用于城市浅埋隧道施工，还有以下优点:可以避免过分抽排地下水引起地表下沉； 可以避免采用小导管注浆等产生地表隆起； 可避免大管棚成孔过程中使地表产生较大沉降等不良影响。

      （4）操作方便

       水平搅拌桩的施工无需大型设备，其工艺简单，容易掌握，操作方便。

      （5）经济实用

      水平搅拌桩由于其加固范围小(仅桩体部分)，又不存在串浆，所以其用浆量与小导管注浆加固等工法相比要小；另外它还不需要其他辅助材料，如钢材等。与能达到相同效果的其他工法相比，水平旋喷桩的成本较低，而其效果要比其他工法好。

      水平旋喷注浆作为软土隧道的超前支护或加固措施具有优质高效、安全可靠、操作方便、经济实用等优点，但也有着一些不足之处，例如，桩长受限制，一般为8～12 m， 若桩长太长其尾部容易向下偏移；如遇障碍物则难以处理， 一旦卡钻则只好将钻杆钻头丢弃。

 

      深圳地铁2 号线东延段土建 2222 标段安托山站—侨香站区间线路由安托山站起， 线路出安托山站后沿侨香四道呈东西方向敷设， 到达侨香路后再向东北方向延伸，进入侨香站。 起点为安托山站，终点为侨香站，区间双线总长度为1 340 m，线间距为11.0～15.2 m，线路轨面埋深 17.0～21.4 m。

      安-侨区间原设计采用盾构法施工， 由于区间中间段存在近200 m 长花岗岩硬岩段（岩石最大抗压强度高达150 MPa）， 同时区间多处存在上软下硬地层及填石层，盾构机掘进困难、风险大。 因此，2009 年 3 月将安-侨区间全线改为矿山法施工。 在安 托 山 站—侨 香 站 区 间 东 端 里 程 ZDK19＋630～ZDK19＋665 段， 隧道需要从疏解后的侨香路、6 600mm×3 100 mm 雨水箱涵及次高压燃气管线下方斜穿，其隧道与道路、管线的立面关系如图 2 所示。

      侨香路段附近的地质剖面如图2 所示。

      该段隧道上覆及穿越地层自上而下分布有：素填土，由粘性土混少量砾砂及角砾组成，结构松散至稍密，厚0.60～13.30 m；粉质粘土，透镜状分布，厚度为0～5.60 m；粉质粘土 ，透镜状分布 ，厚度为 1.30～5.50 m；砾砂 ，透镜状分布 ，厚度为 1.50～9.50 m；砾质粘性土，层状分布，厚1.00～7.10 m。

      在安托山站—侨香站区间东端里程 ZDK19＋630～ZDK19＋665 段第一次全线变更中采用冷冻法进行地层加固，在设计里程起始端均采用垂直旋喷桩加固地层并在加固地层中扩大隧道断面（作为冷冻法施工工作室）。 综合考虑工期和经济效益，经多次专家工法论证后，隧道穿越侨香路段采用了“周边全断面水平旋喷桩帷幕+超前全断面深孔注浆 ”的地层加固方案， 并辅以原地次高压燃气管线悬吊保护措施。

      由于本段暗挖隧道洞身主要在饱和粉细砂层、中砂层、粗砂层中通过,地质条件极差，开挖时极易产生涌砂、涌水现象，同时次高压燃气管线及雨水箱涵沉降要求严格， 传统矿山法超前支护措施已无能为力。综合分析隧道所处地质条件， 考虑到施工安全、施工工期、工程造价及对周围环境影响等因素，本段暗挖隧道采用水平旋喷桩进行超前支护， 其支护方案如下述。

      根据现场地质条件和计算的相关参数，在隧道拱顶180°范围布置 φ500 水平旋喷桩 ， 桩中心距离隧道初期支护开挖轮廓线为200 mm（图 3）。 为加强拱部加固体的强度和刚度， 在隧道拱顶仍布置超前小导管，并注浆。 为保证初期支护钢架的稳定性，在初期支护拱脚处布置一根旋喷桩，使拱部钢架落在旋喷桩上， 以利于控制拱顶沉降和水平收敛。

      为确保水平旋喷桩的咬合效果， 本段暗挖隧道的水平旋喷桩超前支护分成两段， 第一段桩长 28m，第二段长 35 m。

      第一段自侨香站内进行施工， 因拱部为车站主体结构横梁阻挡，最终采取内收 50 cm，通过逐步缓挑最终达到与设计位置拟合的结果。 每根水平旋喷桩的施工除了严格按上述施工工艺和施工参数进行控制外，还要采取以下措施：

      （1）首先按照设计孔位及水平旋喷桩设计外插角度采用金刚石钻头钻穿既有钢筋混凝土结构，成孔直径较水平旋喷钻机钻头直径大6～8 cm。

      （2）水平旋喷桩采用加密外插的方式在成桩端部约8 m 范围内形成扩大断面 ，以备隧道断面扩大作为第二次水平旋喷施工工作室。

      （3）在孔口1 m 范围内减小注浆压力，只搅拌不旋喷，以防喷浆（此段范围内采用掌子面帷幕注浆加固地层，确保安全施工进洞）。

      （4）为了防止拱部水平旋喷桩在重力作用下下沉侵限，应预先较设计值上仰 1.5°,且桩位要适当外放。

      （5）为控制相邻水平旋喷桩分叉，要求采用刚度大的钻杆和自重大的钻机施工， 并在掌子面处采用定位导向架。

      （6）钻至设计深度后，应继续旋喷搅拌 2～3 min再退钻，以保证对接接头区桩体的施工质量。侨香站内水平旋喷桩布孔如图4 所示。

      单根旋喷桩（掌子面内试验桩）开挖进尺为 20m 处成桩效果图见图 5。

      第一段水平旋喷桩施工完成后，对掌子面进行帷幕注浆，进行隧道初期支护施工。扩大断面（工作室）支护完成后封闭掌子面，按照以上施工参数和措施施作第二段水平旋喷桩。

      本段暗挖隧道在水平旋喷桩超前支护作用下，在封闭的拱壳内施工，有效地防止了涌砂、涌水的发生，洞内止水效果良好，成功地解决了传统矿山法施工无法完成的难题。隧道采取“短进尺、勤支护，步步为营”等措施进行开挖。 整个开挖过程，对应地表沉降最大值为10.5 cm，拱顶最大沉降为 3 cm，次高压燃气管线最大沉降为8.7 cm。经专业公司检测，次高压燃气管沉降均匀， 沉降引起的内应力远小于容许应力，处于安全状态。

      本段隧道施工取得了良好的经济效益， 与冷冻法相比节约成本1 168 万元，见表 1。

      深圳地铁2 号线东延段土建 2222 标段安托山站—侨香站区间线路暗挖隧道采用水平旋喷桩超前支护，成功穿越了次高压燃气管线，确保了地面沉降控制在合理的范围内， 没有影响侨香路的正常交通。水平旋喷桩在矿山法隧道超前支护中的应用，使矿山法隧道在饱和粉细砂层及砾砂层中施工获得成功，打破了以往矿山法隧道的施工瓶颈，突破了传统矿山法超前支护理念，拓宽了传统矿山法的适用范围，给矿山法隧道超前支护增添了一种新的辅助措施。

 

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