李占廣

(中鐵十八局集團(tuán)有限公司第四工程有限公司，天津 300000)

水平旋噴注漿技術(shù)的理論分析與應(yīng)用

李占廣

(中鐵十八局集團(tuán)有限公司第四工程有限公司，天津 300000)

水平旋噴注漿技術(shù)起到了防流沙、抗滑移、防滲透的作用。論文在總結(jié)大量前人的研究成果前提下，分析了水平旋噴注漿技術(shù)作用機(jī)理，并通過(guò)工程實(shí)例，總結(jié)了水平旋噴施工工法的技術(shù)分析、設(shè)計(jì)及施工參數(shù)、工藝流程、檢驗(yàn)方法和常見(jiàn)問(wèn)題。

水平旋噴注漿；固結(jié)體；影響因素；施工工藝

1.引言

近年來(lái)，隨著國(guó)內(nèi)的經(jīng)濟(jì)水平飛速發(fā)展，土木工程建設(shè)規(guī)模日益擴(kuò)大，難度不斷提高，土木工程功能化、城市建設(shè)立體化、交通高速化和改善綜合居住條件成為現(xiàn)代化土木工程的特征，而在土木建設(shè)過(guò)程中，巖土加固遇到的問(wèn)題也越來(lái)越多，如施工場(chǎng)地狹窄、土質(zhì)情況復(fù)雜多變等。因此，面對(duì)這些新的問(wèn)題傳統(tǒng)的巖土加固處理技術(shù)應(yīng)不斷的發(fā)展以適應(yīng)工程建設(shè)的需要。

水平旋噴注漿預(yù)加固技術(shù)是旋噴注漿加固技術(shù)的一種，就是在土層中水平(亦可作小角度的俯、仰和外斜)鉆進(jìn)成孔，注漿管呈水平狀，噴嘴由里向外移動(dòng)進(jìn)行旋噴、注漿。它適用于砂類(lèi)土、粘性土、黃土、人工填土等地層。日本和意大利是研究開(kāi)發(fā)水平旋噴注漿加固技術(shù)較早的國(guó)家，意大利RODIO公司于1983年首次將水平旋噴注漿技術(shù)用于隧道預(yù)支護(hù)，并逐漸把水平旋噴注漿列為加固和保護(hù)隧道圍巖的基本方法之一。

國(guó)內(nèi)外眾多隧道工程實(shí)例已經(jīng)證明，在軟弱地層中應(yīng)用水平旋噴注漿加固技術(shù)能夠很好的加固地層，且具有施工時(shí)無(wú)公害、操作簡(jiǎn)單安全、材料價(jià)格低廉等特點(diǎn)。水平旋噴注漿加固技術(shù)同其它巖土工程領(lǐng)域的新技術(shù)一樣，需要不斷的進(jìn)行實(shí)踐，不斷完善其理論。一項(xiàng)新技術(shù)的發(fā)展需要大量的工程試驗(yàn)、應(yīng)用和系統(tǒng)的理論研究作指導(dǎo)，使之進(jìn)一步的發(fā)展和推廣應(yīng)用。因此，本文試圖對(duì)水平旋噴注漿加固的機(jī)理進(jìn)行研究，并結(jié)合工程實(shí)例，進(jìn)一步改進(jìn)施工工藝，科學(xué)規(guī)范及水平旋噴工法的設(shè)計(jì)及施工，使它更好的為工程建設(shè)服務(wù)。

2.水平旋噴預(yù)支護(hù)技術(shù)的作用機(jī)理

水平旋噴超前支護(hù)是隧道超前支護(hù)的新方法，水平旋噴超前支護(hù)的使用，對(duì)于消除施工前期的土體變形起到了積極的控制作用。通過(guò)對(duì)注漿管棚的研究認(rèn)為，管棚預(yù)支護(hù)結(jié)構(gòu)在隧道縱軸方向上可視為梁，在橫向上可視為拱，且梁、拱主要承受壓力，水平旋噴超前支護(hù)的作用機(jī)理與此相同。由于這一結(jié)構(gòu)的支撐作用，限制了圍巖應(yīng)力的釋放，從而保證了隧道工作面的穩(wěn)定。

(1)防塌方

由于水平旋噴固結(jié)體的作用，減小了工作面上覆的土壓力，穩(wěn)定了圍巖，從而避免了土體塌方，即便有一定程度沉降的產(chǎn)生，也不會(huì)發(fā)生災(zāi)難性事故。

(2)阻斷沉降作用

由水平旋噴固結(jié)體的超前預(yù)支護(hù)作用，可有效抑制地面和拱頂沉降。

(3)均勻沉降曲線

由于水平旋噴固結(jié)體的承托作用，使得沉降槽沉降集中的程度大幅度減小，沉降總量在減小的同時(shí)有向兩端均勻分布的趨勢(shì)。

(4)提高土層物理參數(shù)，增大地層自穩(wěn)能力

在傳統(tǒng)教學(xué)課堂上，教師“灌輸式”的教學(xué)方式，使得學(xué)生很難主動(dòng)參與到知識(shí)的探究思考中去。新課程強(qiáng)調(diào)學(xué)習(xí)方式的變革，要求學(xué)生要在“實(shí)踐活動(dòng)”中探究出新知，必須具備“生活經(jīng)驗(yàn)”。這里所說(shuō)的經(jīng)驗(yàn)包括學(xué)生已有的生活經(jīng)驗(yàn)、學(xué)習(xí)方法、學(xué)習(xí)習(xí)慣等。

實(shí)際施工中，水平旋噴樁相互搭接，且固結(jié)體漿液向周?chē)馏w滲透。使得水平旋噴固結(jié)體與其周?chē)耐馏w成為一個(gè)整體，從而極大地增強(qiáng)了土層的自穩(wěn)能力。由于水平旋噴超前支護(hù)的以上作用，在隧道穿越施工中，如隧道穿越重要建筑物、重要管線等得到廣泛應(yīng)用。圖1所示的是水平旋噴超前支護(hù)的示意圖。

圖1 水平旋噴超前支護(hù)示意圖

3.水平旋噴注漿技術(shù)施工工法分析及應(yīng)用

3.1 施工設(shè)備技術(shù)方案

國(guó)內(nèi)以往的水平旋噴施工多采用傳統(tǒng)的旋噴裝置加以改造，這樣的機(jī)械設(shè)備在施工質(zhì)量、精度、效率上都難以保證質(zhì)量，并且也不符合新形式下巖土工程建設(shè)的需要。日本及歐美一些國(guó)家水平旋噴注漿加固技術(shù)開(kāi)發(fā)較早，設(shè)備比較先進(jìn)已經(jīng)形成一套完整水平旋噴施工機(jī)械設(shè)備體系。SJ-180型水平旋噴鉆機(jī)采用全液壓系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)，鉆機(jī)配備雙動(dòng)力源，履帶行走，結(jié)構(gòu)緊湊，施工范圍廣。動(dòng)力頭工作行程長(zhǎng)，施工速度快(工期短)，鉆孔和旋噴一次完成，工效高。鉆孔角度自動(dòng)顯示，定位精確，施工精度高，具有很好的運(yùn)用前景。水平旋噴注漿技術(shù)的主要機(jī)械設(shè)備有水平旋噴機(jī)和高壓注漿泵兩大部分。

(1)水平旋噴機(jī)

國(guó)外的水平旋噴機(jī)一般都是將鉆噴機(jī)構(gòu)安裝在多功能鉆車(chē)上，既能鉆水平孔又能鉆豎直孔，這樣的多功能鉆車(chē)可以進(jìn)行多種作業(yè)。

(2)高壓注漿泵

高壓注漿泵是隧道水平雙液旋噴注漿成拱預(yù)支護(hù)的關(guān)鍵設(shè)備。泵的壓力與流量直接影響旋噴樁成樁效果及其直徑的大小和強(qiáng)度。

3.2 工法的設(shè)計(jì)

(1)設(shè)計(jì)原則

水平旋噴作為一直新興的巖土加固技術(shù)，目前尚無(wú)統(tǒng)一的設(shè)計(jì)規(guī)范，根據(jù)《建筑地基處理技術(shù)設(shè)計(jì)規(guī)范JGJ79-2002》中有關(guān)高壓噴射注漿法的設(shè)計(jì)要求，高壓噴射注漿法的設(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)半經(jīng)驗(yàn)半理論的方法加以判斷、確定，有條件的可以針對(duì)施工地層進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，以確定旋噴樁的樁徑、強(qiáng)度與地層間的關(guān)系。因此，水平旋噴樁設(shè)計(jì)應(yīng)遵循以下原則：

①水平旋噴樁的設(shè)計(jì)要考慮多方面因素，場(chǎng)區(qū)土層條件、水文地質(zhì)條件、地面荷載條件，隧道埋深以及隧道結(jié)構(gòu)斷面各項(xiàng)參數(shù)、施工方法等等。綜合考慮施工參數(shù)對(duì)加固區(qū)變形的影響，在確保地表結(jié)構(gòu)安全使用的同時(shí)，保證施工的安全。在設(shè)計(jì)時(shí)綜合考慮各種因素條件下，力求面面俱到。

②對(duì)于復(fù)雜環(huán)境條件下巖土加固的問(wèn)題，對(duì)水平旋噴樁的長(zhǎng)度、水平旋噴樁施工的精度等有很高的要求，這樣，在設(shè)計(jì)水平旋噴樁時(shí)必須考慮工藝的可行性，以滿足施工要求，保證工程進(jìn)度。

(2)孔位布置設(shè)計(jì)

孔位布置方式根據(jù)工程性質(zhì)確定，一般隧道預(yù)加固施工中，應(yīng)現(xiàn)根據(jù)地層、因素，確定水平旋噴樁的直徑大小，根據(jù)直徑大小考慮孔位布置。一般樁間應(yīng)充分考慮搭接效果。一般設(shè)計(jì)樁徑相互搭接不宜小于300mm。噴射管分段提升的搭接長(zhǎng)度不得小于200mm。尤其在截水工程中尚需要采取可靠方案或措施保證相鄰樁的搭接，防止截水失敗。在普通硅酸鹽水泥漿中摻入2%～4%的水玻璃，可顯著提高固結(jié)體的抗?jié)B性。

(3)注漿量計(jì)算

根據(jù)計(jì)算所需的噴漿量和設(shè)計(jì)的水灰比，可確定水泥的使用數(shù)量。水泥漿液的水灰比視工程地質(zhì)特點(diǎn)或?qū)嶋H工程要求確定，可取0.8～1.5，常用1.0。目前注漿量計(jì)算有體積法和噴量法兩種，實(shí)際計(jì)算時(shí)取其計(jì)算結(jié)果的較大值作為設(shè)計(jì)噴射注漿量。

3.3 水平旋噴注漿技術(shù)應(yīng)用實(shí)例

天津地鐵2號(hào)線第十三合同段，設(shè)計(jì)里程AK18+441.359～AK20+093.102，包括沙柳路站(主體、出入口、風(fēng)道)、沙柳路站～博山道站區(qū)間、博山道站(主體、出入口、風(fēng)道)的基坑、結(jié)構(gòu)、防水、回填等工程。

隧道主要通過(guò)③-1、③-2、④-1-a、④-1-b淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土-粉質(zhì)粘土，各層物理力學(xué)指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 各層地層物理力學(xué)指標(biāo)

根據(jù)原設(shè)計(jì)，洞內(nèi)起初僅采用長(zhǎng)管棚支護(hù)體系，但效果甚差，安全、質(zhì)量、進(jìn)度無(wú)法保證，一度處于停工狀態(tài)。后經(jīng)10多位地下工程界的專(zhuān)家、學(xué)者綜合論證，建議優(yōu)先選用水平旋噴樁并輔以小導(dǎo)管注漿加固的施工方案。最終工程采用周邊單層咬合水平旋噴樁加固為主、雙層小導(dǎo)管注漿為輔，工作面采用間隔水平旋噴樁的超前預(yù)加固方案，最終工程達(dá)到了“安全、經(jīng)濟(jì)、快速、優(yōu)質(zhì)”的目標(biāo)。

4.結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)水平旋噴加固技術(shù)的射流性質(zhì)、結(jié)構(gòu)構(gòu)造、作用機(jī)理、現(xiàn)場(chǎng)施工、影響因素、常見(jiàn)問(wèn)題的處理等方面的研究和論述，得到了如下結(jié)論：

(1)水平旋噴就是水平方向的高壓噴射注漿，其加固的效果與高壓噴射流的性質(zhì)密切相關(guān)；

(2)水平旋噴樁有良好的隧道預(yù)加固效果；

(3)水平旋噴技術(shù)在地層適應(yīng)范圍上與高壓噴射注漿基本類(lèi)似，可適用于處理淤泥、淤泥質(zhì)土、流塑、軟塑或可塑粘性土、粉土、砂土、黃土、素填土和碎石土等地層。

[1]孫星亮，劉勇，王朝建.國(guó)內(nèi)外水平旋噴注漿加固技術(shù)的應(yīng)用發(fā)展[J].探礦工程(巖土鉆掘工程)，2001(3)：8-11.

[2]Yoshida，Kenji，Kataoka，Isao，Yoshida，Hiroshi，Yokoo，Mitsuru，Horii，Kiyoshi.Analyseshydrodynamic structure of water jet and its application to jet grouting.Proceedings of the 4th ASME/JSME Joint Fluids Engineering Conference：Volume 1，part B，F(xiàn)orums，2003，741-746.

[3]高成雷，朱永全.兩種超前預(yù)支護(hù)技術(shù)控制地層沉降效果對(duì)比研究[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2003(7)：59-61.

[4]周振強(qiáng).連拱隧道淺埋暗挖法施工對(duì)地面下沉控制與試驗(yàn)研究[J].市政技術(shù)，2004(6)：267-271.

[5]吳波，高波，駱建軍.地鐵區(qū)間隧道水平旋噴預(yù)加固效果數(shù)值模擬[J].西南交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2004(10)：605-608.

Theoretical Analysis and Application of Horizontal Rotary Jet Grouting Technology

LI Zhan-guang

(China Railway 18th Bureau (Group) the 4th Engineering Co., Ltd., Tianjin 300000, China)

Horizontal rotary jet grouting technology makes a difference on defending drifting sand, deterring slipping, and defending permeating. In the paper, on the basis of the large number of previous research results, analyzing the effect mechanism and through the examples summarizing the technical analysis, design and working parameter, technological process, inspection procedure, and so on, frequently problems of horizontal rotary jet grouting technologies.

horizontal rotary jet grouting; jet-grouted solid; effect factors; construction technology

2017-02-25

李占廣(1982- )，男，大學(xué)，中鐵十八局集團(tuán)有限公司第四工程有限公司工程師，研究方向：土木工程施工。

TU472

A

1671-3974(2017)02-0074-03