水平旋喷搅拌桩预支护在地铁工程的应用
2013-04-25 23:45
水平旋喷搅拌桩预支护在地铁工程的应用
摘 要：以水平旋喷搅拌桩在深圳地铁软弱富水地层暗挖隧道的超前加固应用为案例，介绍了该工法的基本要素及技术特点，着重推介水平旋喷桩的孔口保压和水平孔内导向等技术优化控制工艺，实践证明该施工方法是成功的，为同类工程应用提供技术经验。
关键词：水平旋喷搅拌桩，隧道，预支护，施工方法
１ 引言
在地下隧道、储库、综合管线及水工等地下暗挖工程施工过程中，当遇到富水、松散、软弱等地层时，为控制结构安全和环境风险，须对地层进行超前加固以增强围岩自稳能力。根据超前加固方式，大体可分冻结法、超前预注浆、超前管棚（导管）、水平搅拌桩及水平旋喷桩等。
其中，水平旋喷搅拌桩为近年来在垂直旋喷桩、搅拌桩基础上发展起来的一种新方法。水平旋喷搅拌桩比常规的垂直旋喷桩、超前管棚等超前支护，更有其独特工程作用与特质：旋喷搅拌桩由原来的竖向发展为水平向后工程适应范围更广阔，较大的弹性模量赋予它使围岩承载力及刚度大、强度高，且咬合后因桩体呈拱形连续墙而兼备堵水作用，在施工时更灵活可控及高工效。因此，它受到了越来越多的行业关注和实际应用。大量工程实例证明，它已在富水砂层、黄土地层、松散地层等软弱地层暗挖工程中取得成功［１，２］。
现以深圳地铁暗挖隧道工程为实例进行介绍，以促进该技术进一步的研究交流与推广运用。
２ 水平旋喷桩施工技术
２．１ 成桩机制
用高压泵，将配制好的水泥浆液通过耐压管道、水平钻杆、喷嘴等通路，以超高压力方式射入地层土体中。喷射流因其巨大能量将射穿喷嘴周围一定范围内的土体。在喷嘴喷射浆液的同时，钻杆按预定参数旋转和进退，从而达到高压浆液呈螺旋运动切割土体和强制土颗粒与浆液搅拌混合的目的。在浆液与土体复合体终凝后，形成的水平圆柱状水泥土固结体即水平旋喷桩。采取技术工艺控制，致使相邻旋喷桩能相互咬合成整体，即以同心圆形式按设计要求对隧道拱顶或周边封闭，就能构筑成防渗透、防流砂、抗滑移的拱壳帷幕体。
２．２ 施工工艺与主要设计参数
水平旋喷搅拌桩工艺如流程图１所示。
２．３ 主要设计参数
高压射流切削土层所形成的加固桩体的直径、桩体强度与以下施工参数相关：喷嘴出口压力，钻杆旋转速率和提升速度，复喷循环次数，喷嘴直径及其形状，土层力学性质（如强度），喷射流的流量、流速及密度等等。
日本喷流技术协会通过大量的工程试验得出如下经验公式［３］：
Ｌｍ＝ａｖＫＰαＱβＮγ／Ｖｎδ （１）
式中：Ｐ———喷射压力（ｋＰａ）；
Ｑ———喷射液体流量（Ｌ／ｍｉｎ）；
Ｎ———循环次数；
Ｖｎ———喷嘴移动速率（ｍ／ｓ）；
Ｌｍ———成桩半径（ｍ）；
Ｋ———土性系数；
喷射压力控制：它是旋喷桩最关键的施工设计指标。理论上，只要喷射压力大于土层能被切割的临界值，浆液就能维持对喷嘴周边土层的预期作用。然而，为保证旋喷搅拌的持续有效性，在实际施工时的工作压力须较大地超出土层临界值。砂土和粘性土是暗挖地下工程中运用本工法时常遇到的地层，根据日本柴崎光弘对此类地层的工程试验，研究表明砂土临界点约为８０ｋＮ／ｍ２，粘性土临界点约为１５０ｋＮ／ｍ２。试验研究结果提出的切削距离与喷射压力的关系如图２所示。
钻杆转速及进退运动速度控制：高压喷射搅拌桩施工时，对旋喷成桩效率有重要影响的因素，主要包括有效切割压力、喷浆流量、钻杆转速、钻杆进退速度及复喷循环次数等。其中，具有相关关系的是：旋喷成桩效果与切割压力、喷浆流量、复喷循环次数成正比，而与钻杆转速及进退速度成反比。相关关系如（１）式所示。
３ 工程运用与评价
深圳地铁五号线西大区间风道断面尺寸高１５．８ｍ、宽１０．９ｍ、长度３８．５ｍ。地质勘察报告资料表明，风道地质情况：底板位于较均匀分布的粉质粘土、强风化岩层及全风化岩层；隧道结构穿越粉质粘土、粘土和强风化岩层；隧道上部地层依次为约２ｍ厚的砂层、不均匀的砂层上覆粉质粘土及素填土层。
西大风道采用八部ＣＲＤ法开挖施工。由于相邻标段的类似工程在施工时发生了涌砂涌泥，经设计优化，决定对隧道拱部及上半断面增设水平旋喷搅拌桩对地层进行加固预处理。按设计要求，水平旋喷桩布置情况如下：在隧道的拱部连续布置，桩径规格５００ｍｍ，相邻桩中心距３５０ｍｍ（即桩体咬合１５０ｍｍ）；上半断面梅花型布置，桩径５００ｍｍ，间距１２００ｍｍ。桩体布置图如图３。
３．１ 主要施工步骤与要素
（１）封闭隧道结构与开挖断面。由于水平旋喷桩注浆压力较大，每次循环旋喷桩施工前，必须先封闭已开挖隧道结构体及开挖作业面，防止出现坍塌和涌砂、流泥。
（２）沿风道结构的外缘测量放设桩位。即在隧道作业面测量并标出其开挖的外轮廓线，按设计位置放线以定出桩位，并用钢筋标志桩位和编号。
（３）安装作业平台。铺设轨道，安装立柱并挖设排水沟。工作平台要具备升降功能，其上还应安装工字钢轨道，便于钻机升降平移。
（４）钻机与高压泵安装就位。钻机应安放稳固，就位后对正孔位并调整好钻杆角度。高压泵安放的场地应硬化平整。安装后应进行验收，以确保泵体的平稳安全。
（５）浆液配制。按施工方案和技术交底要求的配比配制水泥浆。注意水泥浆从浆液搅拌机倾倒至旋喷机的注浆桶前须进行细目网过滤，防止泵体的出浆口被堵塞而发生故障。
（６）施钻、送浆、搅拌。掌握好钻进速度、浆液压力和送浆量，现场工程师认真观察孔口溢出的水泥土浆体的物理状态，以确认其是否得到了充分搅拌，据此合理调整钻杆旋转速度与钻进速度。
（７）退钻、继续送浆、循环搅拌。钻到设计的孔位深度时就可向外退钻，同时要继续按要求压送水泥浆液，并做重复性循环旋转搅拌，以有效地混合均匀水泥浆液与土体颗粒。现场工程师对旋喷注浆过程的特殊情况，如孔口溢浆异常、钻机电流突变等，要对土层做出深入分析，以便动态调整喷射参数，确保成桩效果。
（８）封口成桩。退出钻头孔口用棉纱木楔等将孔口封住，防止浆液外流。
（９）移机跳桩施钻。要求上一根桩水泥土混合浆液达到一定初凝强度后才能施钻相邻桩，以确保相邻桩桩体既不被破坏又能相互咬合成整体。
桩体强度不合格、断桩、短桩、缩劲桩等问题，是水平搅拌桩常见的质量问题。因而，在施工过程中要防止因机电故障而出现塌孔、堵嘴等情况。在连接、卸下、更换浆体输送管时要快，如超出要求应按断桩处理，应重新钻桩。
（１０）管道及设备清洗。为防止管道及设备内残渣造成故障，每根桩施工完后都须对管道及设备用清水反复冲洗，然后再移至下一根桩的位置以备继续施工。
３．２ 施工技术优化措施［４］
（１）旋喷保压控制
当浆液离开喷嘴后旋喷压力会急剧下降而形成自然返浆，如按往常工法，孔口未设密封措施，高压浆液将随着压力急剧下降，切削土体的范围难以达到设计要求，有时还会因为浆液和切削土体流失造成较大沉降。现通过工艺优化，在孔口加设密封装置。具体方法如下：
采用Φ１３０ｍｍ钻头进行开孔器开孔。根据地层条件，开孔的孔深约０．５～１．０ｍ。孔口管可采用比祼孔直径小５ｍｍ、长度比孔深长１０ｍｍ的钢管，孔口管埋入已钻孔内后其外露不小于１０ｍｍ。用瞬凝水泥将孔口管四周密封严实后，将孔口管与隧道作业面采取锚焊刚度联结。孔口密封联结装置结构如图４。
（２）孔内导向控制
水平旋喷桩体的空间咬合是成型后拱体的整体防渗性能与承载强度的关键。水平搅拌旋喷桩在质量控制上存在通病，即桩体水平分叉与下垂偏差。以往对水平分叉主要控制措施是采用定位导向架和刚度大 （单位重量大）的６０钻杆和２００～３００型水平水泥土钻机，对下垂偏差依施工经验采取预先上仰来平衡。但工程实际结果表明，仅采用上述措施也难以保证桩体的空间咬合精度。本案在以往控制手段的基础上强化了控制工艺，通过采取钻杆水平孔内导向取得更好工效。
钻杆水平孔内导向方法关键是要求施钻全过程中能直观有效地检测钻头在地层中的具体姿态参数，从而据设计所要求轨迹的比较差异进行动态调整。钻杆水平孔内导向实际操作时，利用能调节方向的楔型钻头来调整钻杆的钻进水平及竖直方向。可导向楔型钻头的结构示意图见图５。
楔型钻头内装有位移传感器，显示屏显示钻头与设计桩体的水平倾角和下垂角度，因而可以适时地调整实际钻杆与设计轨迹的偏差。新型的终孔偏差可以控制在满足误差控制指标±５‰以内，满足了桩体姿态质量控制的要求。
３．３ 施工效果评价
通过在深圳地铁西大风道和怡黄区间盾构接应段的工程实践，水平旋喷桩技术能够实现对隧道拱部和掌子面超前预加固及止水的效果。水平旋喷桩成桩后，在隧道环径向周围形成固结体，挤密压实固结体周边地层，避免了隧道开挖时出现涌泥、涌砂等问题，并能有效控制隧道地表沉降与拱顶下沉，确保了工程结构和工程周边建筑物的安全。
４ 结论
本工程通过应用孔口密封与返浆装置，保证了水平旋喷搅拌桩桩径的稳定性，孔内持续压浆同时填充至地层裂隙又提高了土体的自稳能力。通过运用水平孔内导向控制技术，提高了相邻桩体的咬合性，使咬合桩桩体拱壳真正地达到堵水与防坍的双重工效。
水平旋喷桩施工技术适用于松散、富水等软弱地层，施工效率高、工艺简单、操作方便，同时具有防坍与堵水等多重预加固作用，因而在修建交通、水工、综合管线等地下暗挖工程中具有广阔的应用前景。
参 考 文 献
［１］ 江涛．水平旋喷桩在长春轻轨暗挖区间的应用研究［Ｊ］．国防交通工程与技术，２０１０（３）：５５－５８．
［２］ 罗成江．黄土隧道中水平旋喷桩预支护施工技术［Ｊ］．贵州工业大学学报（自然科学版），２００８（５）：１８９－１９２．
［３］ 彭少杰．水平旋喷加固体的成桩机理与直径分析研究［Ｊ］．地下工程与隧道，２００８（３）：４２－４４．
［４］ 丁锐．深圳地铁５号线５３０７标水平旋喷桩施工技术总结（２０１１－１０）［Ｒ］．深圳：中国中铁隧道集团有限公司，２０１１
