隧道旋喷注浆预加固施工技术
2015-06-03
1 引言
在特殊地质、软弱围岩隧道施工中，易出现溜塌、滑塌、地表沉陷等现象，这样不但影响施工安全、质量和进度，还会加大施工成本，如果加固措施不到位还会影响到隧道投入使用后的运营安全。因此，特殊地质、软弱围岩隧道施工中加固技术非常重要，不仅可以提高围岩稳定性，还可以保证施工过程中的施工安全。预加固技术原理是利用高压旋喷注浆加固软弱地层，沿拱部外缘施做相互咬合的旋喷柱体，前后循环相互搭接形成拱棚，在它的保护下安全、高效地进行开挖作业。
2 预加固法原理
预加固法的施工理念源自“软岩隧道重在加固”。首先采用大直径深孔在隧道轮廓以外引水，然后通过施做玻纤锚杆来预加固掌子面，通过利用水平旋喷台车沿隧道周边施做水平旋喷桩来代替国内的超前大管棚和小导管进行断面预加固，开挖、支护、二次衬砌全部采用机械化作业，机械化程度高、设备配套完善，提高了功效，降低了施工安全风险。
施工过程使用PST—60钻机钻孔，钻到设计深度后，回撤钻杆，通过高压泵以大于35Mpa的压力把配制好的浆液喷射到砂土内，喷射时待浆液将一定范围内的砂体稀释，并在喷嘴作缓慢旋转和进退的同时切割砂土体，使砂颗粒与浆液充分混合，待浆液凝固后，形成水平圆柱状水泥砂土固结体，即成水平旋喷桩。水平旋喷桩可以提高砂土体的强度和结构特性，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，起到防坍塌、防滑塌和防止因隧道开挖而引起地表沉降的作用，可保证隧道安全掘进。
3 预加固法设备
预加固法施工的主要机械有PST—60水平旋喷钻机、SM—14钻机和高压泵站两大部分。
3.1 PST—60水平旋喷机
PST—60水平旋喷机是有意大利土力公司自行研发制造，采用履带式地盘、全液压传动并设有操作室的摇臂钻机，可以根据工程性质和作业环境的不同方便地调换部件，能满足大扭矩和长行程的施工要求。PST—60水平旋喷机配有深度和精度测定仪，可随时测出钻进深度和钻孔垂直度，保证钻进的精确、灵敏度。钻进时最大钻孔角度可达20°，左右回旋最大角度为120°。
3.2 高压泵站
高压泵站是旋喷注浆形成帷幕进行超前预加固的关键设备。泵的压力与流量直接影响旋喷桩长度、直径的大小和强度。高压泵的重要性能除压力外，再就是流量的控制。PST—60钻机的高压泵站能满足压力、流量的调节要求。
4 预加固施工方法
4.1 预加固施工顺序
（1）隧道掌子面挂设钢筋网片，使用C20混凝土封闭掌子面。
（2）掌子面中部施钻泄水孔（由上至下）。
（3）隧道周边施做旋喷加固孔，旋喷结束后及时顶入大管棚，采用跳孔施工。
（4）隧道周边是施做排水孔。
（5）掌子面施做玻纤锚杆孔，隔排跳孔施工。
4.2 预加固法施工相关参数
（1）为了防止在高压旋喷过程中因喷射压力过大引起掌子面坍塌，在掌子面施钻泄水孔和泄压孔，长度为11m，孔径60mm，成孔后下入PVC滤水管泄水。
（2）使用PST—60水平旋喷机进行引孔旋喷加固，每循环加固范围为15m，开挖10m为宜。旋喷桩沿隧道开挖轮廓线环向布置。施工参数：桩径600mm，桩长15m，相邻两根桩的角度为5°～10°，旋喷压力为40Mpa，转速为10r/min，水泥浆流量为250L/min，后退速度为1cm/s，采用1:1普通水泥浆液，浆液在洞外泵站配置，采用管道输入。
（3）在隧道轮廓线外设环向真空深孔降水孔，深度为40m，孔径60mm。
（4）掌子面加固采用套管跟进方式施做玻璃纤维锚杆，长度为11m，梅花形布置，孔间距1.5m，数量45～55根，孔内压注1:1普通水泥浆液，端头采用旋喷2m增加锚固强度。
4.3 高压旋喷施工工艺
4.3.1施工前准备工作
（1）检查钻机、高压注浆运行是否正常，其它配套设备是否齐全。
（2）挂设钢筋网、喷射混凝土封闭掌子面，在掌子面测量标出隧道开挖轮廓线，测量放线定桩位，并编号每个桩号，以便于施工资料记录。
（3）挖设排水沟和浆液沉淀坑，废水和溢浆通过排水沟流入沉淀坑后外运，以免出现侵泡拱脚和污染施工现场。
4.3.2水平旋喷机就位
隧道水平旋喷桩施工一般自拱脚开始，PST—60水平旋喷机就位时机座要平稳，然后调整钻机角度、方位，对准孔位，孔位误差控制在±20mm,倾角误差一般不得大于1°。
4.3.3水泥浆液配制
水平旋喷桩采取单液浆旋喷，水泥浆液配比为1:1，水泥可采用P.O42.5普通硅酸盐水泥。根据地质情况，水泥浆液可以适当调整配比进行优化。浆液在洞外高压泵站处配制，经高压泵站通过输送管送至掌子面处。
4.3.4水平旋喷机钻进
PST—60水平旋喷机按照测量定位的桩位孔采用专用钻头进行钻进。先调整钻机对准孔位，将导向钻头送入孔内，钻杆通过导轨定向，钻进时采用高压水辅助，钻头前端有水眼，钻进时高压喷射，切割钻孔周围砂土，起到辅助钻进作用。每钻进5m要测一次倾斜度并做好记录，每次倾斜角度偏差不超过1%。如果钻进过程中角度符合要求，钻机则匀速旋转钻进，钻杆轨迹一般是平直的；如果钻进过程中角度出现偏差，钻机会非匀速旋转钻进，此时钻杆轨迹会出现偏移。如发现偏斜角度超过1%要及时纠正，直到钻至设计深度。
4.3.5高压旋喷成桩
（1）PST—60水平旋喷机钻进至设计深度后，先退出钻杆，再将带有喷嘴、调试好压力的钻杆下至设计喷射深度，调整喷嘴位置，开进行水平旋喷作业。当浆液流出孔口后，按照设计的提升速度、旋转速度，自内向外开始进行喷射、旋转、提升，一直到设计的终止位置停止水平旋喷，将钢管连续推入孔内并注浆填满为止。此时退出喷射管跟换钻孔钻头进行下一个孔施工。
（2）当施工中遇到围岩较好的地质情况时，旋喷是固结体尺寸可减小，可适当提高喷射压力、泵送量或降低回转与提升速度及采取复喷搅拌措施，可先喷1～2遍清水，再喷1～2遍水泥浆。在旋喷时随时观察记录注浆压力表，如果发现压力降低，应立即停止旋喷，检查原因，待压力升起后可继续旋喷。
（3）为了保证水平旋喷桩质量，旋喷过程必须连续，防止出现断桩、缩桩及堵嘴现象。水平旋喷的速度及压力直接决定了桩的质量，压力和速度控制合适后，可以使切割的砂土体与浆液充分混合，形成均匀的水平柱状水泥砂土固结体，即水平旋喷桩。水平旋喷桩不仅可以起到加固支撑作用，还可对后续开挖施工提供安全保障。
（4）水平旋喷桩成桩时，喷浆至孔口掌子面1m距离段必须做好封孔工作，孔口的止浆装置一般为大球阀。当施工完毕一根水平旋喷桩后应及时用清水高压冲洗管道及设备，确保管内不留浆液，清洗完毕后进行下一个桩位施工。因为浆液初凝需要时间，所以应该间隔施做，间隔2～3个桩位为宜。
（5）如果水平旋喷桩施做过程中遇到其它因素停喷后，重新恢复施工前，应先将喷头前移30cm，采取重叠搭接喷射处理后，再继续后退及喷射注浆，并记录好中断深度和时间。如果停机超过2h时，应对泵体输浆管进行清水高压冲洗管道后方可继续施工。
5 结束语
水平旋喷桩作为超前预加固措施效果较好，可在特殊地质、软弱围岩的隧道周边形成帷幕体，可承受部分地层压力，保持砂土软岩在开挖后的稳定，在帷幕体的保护下，隧道开挖能够安全地通过软弱围岩的地层，有效地控制拱顶滑塌或坍塌、地表沉降，确保地表管线、建筑物、道路交通安全。
