朱呈彪

（中鐵十八局集團第二工程有限公司，河北 唐山 064000）

40m超前水平旋噴樁加固黃土溜塌、錯落體隧道進出洞技術

朱呈彪

（中鐵十八局集團第二工程有限公司，河北 唐山 064000）

在中西部黃土地區(qū)施工隧道時，隧道進出洞時常會出現(xiàn)地表開裂，山體溜塌等問題，不僅易造成人身傷害和財產(chǎn)損失，還會導致工程進度緩慢。為解決溜塌、錯落體及砂質(zhì)新黃土邊坡安全進洞問題，以蒙華鐵路柳灣2號隧道進洞為例，通過采用HTG-200型水平鉆孔旋噴機打設水平孔，XPb-90E型高壓泵噴射漿液到土體內(nèi)形成40m超前水平旋噴樁加固區(qū)，有效控制了地表及洞內(nèi)沉降和收斂，實現(xiàn)了安全進洞，為今后黃土地區(qū)復雜地形下隧道進出洞開拓了思路，并提供了有益借鑒。

40m超前水平旋噴樁；溜坍；錯落體

我國黃土以分布廣、厚度大、地層層序完整、古土壤清楚而著稱于世。由于黃土獨特的物質(zhì)組成及節(jié)理屬性，在黃土地區(qū)施工時經(jīng)常遇到淺埋、溜塌、錯落體等不良地質(zhì)，影響工程正常施工。隨著國家經(jīng)濟的深入發(fā)展及路網(wǎng)的全面建設，施工中黃土高邊坡溜塌錯落體隧道進洞更為常見，傳統(tǒng)的超前大管棚、雙層管棚以及超前小導管有時己不能滿足安全進洞需求，所以創(chuàng)新、豐富進洞手段意義重大［1］。本文中柳灣2號隧道采用40m超前水平旋噴樁加固黃土高邊坡溜塌、錯落體進洞在國內(nèi)尚屬首次，通過總結(jié)相關施工參數(shù)，為后續(xù)類似施工提供了經(jīng)驗參考。

1 工程概況與地質(zhì)情況

蒙華鐵路柳灣2號隧道位于陜西省安塞縣坪橋鎮(zhèn)，隧道進口里程為DK291+310.43，隧道全長663.57m，為單洞雙線隧道，最大埋深約117.8m，隧道坡度為-1.17%。隧道進口與陽坬中橋?qū)樱瑯蛄号_尾里程為DK291+310.43。隧道進口段為土石分界，上部地質(zhì)主要為第四系上更新統(tǒng)風積（Q3eol）和統(tǒng)沖洪積（Q3al+pl）砂質(zhì)新黃土，中下臺階為第四系中更新統(tǒng)沖洪積黏質(zhì)老黃土、細砂、白堊系下統(tǒng)砂巖，產(chǎn)狀295°∠4°，全風化，原巖結(jié)構(gòu)已破壞，巖質(zhì)較軟，呈角礫狀松散結(jié)構(gòu)。土石分界處有裂隙水流出，主要受大氣降水及地下水徑流補給，雨季降雨入滲，水量較大。

隧道處于黃土高原梁峁區(qū)，地形起伏較大，沖溝發(fā)育。進口山體自然邊坡40°～60°，表層覆蓋少量植被，進口有一沖溝，沖溝內(nèi)有水塘。

砂質(zhì)新黃土：淺黃色，稍密～密實，稍濕，具大孔隙，結(jié)構(gòu)疏松。

砂巖：淺黃色，泥質(zhì)膠結(jié)，薄～中厚層結(jié)構(gòu)造，強風化（W3）—弱風化（W2），節(jié)理裂隙發(fā)育。

泥巖：肉紅色，褐黃色，弱風化（W2），泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，薄～中厚層狀構(gòu)造，節(jié)理裂隙發(fā)育。

柳灣2號隧道進口穿越地層巖性為第四系上更新統(tǒng)砂質(zhì)新黃土，具有濕陷性，濕陷性系數(shù)δs=0.016～0.065，厚約5～10m，為Ⅲ級（嚴重）自重濕陷性場地（如圖1）。

隧道進口溜塌及錯落體邊緣，左側(cè)距隧道洞口中心65m，右側(cè)距離隧道中心12m，高51.4m，縱向水平距離39.8m，坡頂錯臺4m。

圖1 柳灣2號隧道進口縱斷面圖

2 施工“三原則”

堅持“早進晚出”原則。減少洞口開挖量，盡量不擾動邊坡，力求保持原有土體狀態(tài) ，維持洞口地形，保持土體原有自穩(wěn)性。

堅持“先加固后進洞”原則。對洞口淺埋、偏壓進行處理加固，洞口邊仰坡先進行防護，消除洞口安全隱患后再進行進、出洞施工。

堅持“超前加固”原則。洞口砂質(zhì)新黃土均為風積形成，結(jié)構(gòu)松散，開挖擾動易引起變更、開裂、溜塌等災害，因此需先對洞口采用超前旋噴樁進行預加固，提高圍巖承載能力。

3 關鍵施工技術

3.1 旋噴樁原理及工藝

水平旋噴樁是以高壓泵（＞30MPa）為動力源，通過水平鉆機鉆桿、噴嘴把配制好的漿液噴射到土體內(nèi)。噴射流以巨大的能量將一定范圍內(nèi)的土體切削，并在噴嘴作緩慢旋轉(zhuǎn)和進退的同時切割土體，強制土顆粒與漿液攪拌混合，形成水泥和巖土組成的流塑體。待漿液凝固后，形成水平圓柱狀水泥土固結(jié)體即水平旋噴樁。當旋噴樁相互咬合后，便以同心圓形式在隧道拱頂及周邊形成封閉的水平旋噴帷幕體，起到防流砂、抗滑移、防滲透的穩(wěn)定拱殼保護作用［3］。

3.2 水平旋噴樁

柳灣2號隧道進口DK291+316.13～DK291+356.13段縱向共40m，拱部180°范圍采用超前水平旋噴樁預加固。為提高水平旋噴樁抗剪強度，拱部150°水平旋噴樁內(nèi)插φ89鋼管進行預加固。φ89鋼管環(huán)向間距40cm，長度為40m；DK291+316.13～DK291+336.13段縱向20m，兩側(cè)邊墻范圍采用超前水平水平旋噴樁預加固。拱部及邊墻超前水平旋噴樁于DK291+316.13里程處一次打設完成，旋噴樁按隧道坡度打入，水平旋噴樁預留變形量20cm（如圖2）。

圖2 樁位分布圖

3.3 施工重點難點及分析

3.3.1 長距離旋噴的導向控制

鉆進軌跡決定著旋噴成樁軌跡，而旋噴樁體與隧道開挖線的距離是驗證旋噴施工成功與否的一個重要標志。旋噴樁體與隧道開挖線的最佳距離為20～30cm，超過此距離會造成樁體下部土體坍塌，進而導致隧道超挖，增加噴錨量。小于此距離，又會涉及到破樁，給開挖施工增加難度。

（1）施工中每3m測量一次角度，發(fā)現(xiàn)偏差超過0.5%，立即實施糾偏措施；

（2）施工糾偏中每m至少測量一次角度，直至滿足要求；

（3）施工角度發(fā)生偏差無法進行糾偏作業(yè)，須立即停止鉆進，原地低壓灌漿，待24h后重新鉆孔。

3.3.2 旋噴施工時成樁效果控制

旋噴樁的成樁效果包括：樁徑、強度、完整性。強度高、完整性好的旋噴樁代表成樁效果越好，而旋噴樁的樁徑既要滿足設計要求又要保證相鄰樁體的咬合，同時也要考慮水泥用量的節(jié)約，控制樁徑過大，減少浪費。所有參數(shù)需以經(jīng)驗數(shù)據(jù)為基礎通過現(xiàn)場試樁分析得出。

3.3.3 旋噴時返漿量的控制及對周圍環(huán)境的影響

旋噴施工時孔口返漿是不可避免同時也是必要的，返漿量大或者不返都不是正常的施工狀態(tài)。返漿量大會造成水泥的浪費，同時給水泥漿液的回收處理增加難度，對成樁樁徑也有一定影響?？卓诓环禎{一般有2種情況：一種情況是前端地層有裂隙或者空洞，旋噴的漿液都填充到裂隙或者空洞里；第二種情況是返漿通道被阻塞。不管是有裂隙空洞還是孔道阻塞導致不返漿，都會造成旋噴回拔時鉆機扭矩增大，從而導致抱鉆［4］。長時間不返漿，造成地層填充物增多，壓力過大，給地表造成隆起。返回的漿液一經(jīng)流出就作為廢漿處理，不能影響周圍山體植被及附近河流。

3.4 主要機械設備、材料以及人員配置

如表1、表2所示。

表1 主要機械設備和材料表

表2 人員組織

續(xù)表2

3.5 技術措施

3.5.1 根據(jù)試樁的數(shù)據(jù)分析調(diào)整最佳的施工參數(shù)

（1）鉆進過程中嚴格控制進孔、外插角度。機手調(diào)好角度后，由現(xiàn)場技術員復核，確認后方可通知機手開鉆。利用無線導向儀器跟蹤監(jiān)測鉆進角度，發(fā)現(xiàn)跟設計角度不符的實時糾偏調(diào)整。對于特殊孔位的位置挪動，必須經(jīng)過現(xiàn)場技術員、甲方有關人員共同簽字確認。

（2）旋噴過程中嚴格按照參數(shù)來施工。

（3）加長鉆機，采用5m鉆桿施工，減少上、卸鉆桿時間，減小噴嘴堵眼概率。

（4）在鉆頭前端加裝直射噴嘴，提高鉆進速度。

（5）采用可導向的糾偏鉆頭控制鉆進軌跡。

3.5.2 水平定向跟蹤測量鉆進方法原理

（1）水平定向鉆進方法要求在鉆進過程中，接收儀在地表跟蹤準確測定鉆頭在地下的位置和方向。根據(jù)鉆頭在鉆進過程中的位置和方向同設計軌跡的差異，利用能調(diào)節(jié)方向的鉆頭（一般為楔型鉆頭）改變鉆頭的鉆進方向，從而完成設計要求。鉆頭示意圖見圖3。

圖3 鉆頭示意圖

如圖3所示，鉆頭內(nèi)裝有特制的傳感器，傳感器直接由15V直流供電。顯示屏顯示鉆頭的傾角（水平角度）、面向角（導向板的方向：導向板朝上即為12點，如同鐘面）。打設角度如果偏下，可以把鉆頭調(diào)到12點，即導向板朝上，直接頂進。此時由于導向板底板斜面面積大，受到一個向上的力，鉆頭軌跡就會朝上運動。同理在6點糾偏可以使鉆頭軌跡朝下，9點、3點分別為左、右糾偏方向。如果角度合適，鉆機會勻速旋轉(zhuǎn)鉆進，此時鉆桿軌跡一般是平直的，所以導向鉆頭是上下糾偏的關鍵。

（2）施工中使用帶有信號發(fā)射器的鉆頭。接收器接收到鉆頭發(fā)出的信號后通過信號電纜傳遞給電腦計算機，計算機對信號進行處理和計算，能夠?qū)崟r顯示鉆頭所在的位置、行進軌跡等系列參數(shù)。通過顯示的數(shù)據(jù)，設備操作人員根據(jù)導向原理及時進行角度糾偏，以保證施工的準確性。

3.6 施作試樁，確定參數(shù)

本段工程地層軟弱，位于溜塌體，隧道開挖安全風險高，為保證水平旋噴樁支護效果，利用現(xiàn)場實際環(huán)境施作試驗樁。

試樁選于下臺階范圍處，試樁共計2根，長度按5m控制，樁徑600mm，樁間距400mm，水泥采用42.5號普通硅酸鹽水泥。具體過程：先根據(jù)經(jīng)驗數(shù)據(jù)選擇1組參數(shù)，在2個實驗孔實驗，觀察漿液凝固時間、旋噴機和高壓泵運轉(zhuǎn)及漿液外泄情況，8h后挖開測量固結(jié)體直徑，14d后取試件進行各種強度試驗，然后綜合分析修改工藝參數(shù)，確定本工點水平旋噴樁采用的技術參數(shù)，見表3。

表3 試樁參數(shù)

經(jīng)驗數(shù)據(jù)：為保證旋噴施工時水泥漿液壓力，壓力控制35MPa以上；為保證水泥漿液的比重，水灰比嚴格控制在1∶1，水泥用量誤差控制在10kg以內(nèi)；回拔速度（15～20cm/min）和旋噴速度（10～20r/min）滿足要求。

現(xiàn)場試驗樁檢測：1#和2#樁徑分別為620mm、810mm，樁體連續(xù)，完整性好。

綜上，最終確定本隧道水平旋噴技術參數(shù)為：

旋噴樁徑600mm；樁間距400mm；旋噴壓力38MPa；旋噴轉(zhuǎn)速15r/min；漿液配合比1∶1；回拔速度20cm/min；每延m水泥用量148kg；嚴格執(zhí)行拆接桿復噴要求，搭接段不小于20cm，因故中斷施工30min以上，重復搭接1m復噴。

3.7 旋噴樁施工

（1）錨噴掌子面。

旋噴前要對掌子面進行網(wǎng)噴混凝土封閉加固，以防掌子面在旋噴過程中受壓坍塌。噴混凝土厚10cm，網(wǎng)片采用φ6鋼筋制成的方格網(wǎng)，網(wǎng)眼尺寸為20cm×20cm。定位筋采用φ20鋼筋，長50cm，間距100cm×120cm，成梅花型布置。

（2）鉆孔旋噴機就位，放出輪廓線。

鉆孔旋噴機安裝在軌道上后，沿軌道左右兩側(cè)移動，將軌道壓實。壓實過程中用水準儀校正軌頂高程，據(jù)觀察結(jié)果處理基底，使左右軌道面保持水平，然后停放在需鉆孔的前方。按各孔位坐標要求，用全站儀測量、調(diào)整鉆塔高度、傾角及擺角，使鉆桿軸線方向符合外擴角的要求。

4 隧道監(jiān)測效果

現(xiàn)場圍巖量測數(shù)據(jù)來看，采用40m超前旋噴樁進洞后，隧道正洞開挖過程中拱頂最大沉降7cm，左右最大收斂3.5cm，地表最大沉降4.8cm。而查閱管段內(nèi)墩梁1號隧道進口（砂質(zhì)新黃土）108管棚超前支護施工監(jiān)控量測數(shù)據(jù)，開挖后拱頂最大沉降量達23cm，收斂4.5cm，可見旋噴樁回固有效地減小了地表及洞內(nèi)沉降，同時很好的控制了洞內(nèi)收斂，實現(xiàn)了隧道安全進洞。

表4 蒙華鐵路柳灣2號隧道正洞監(jiān)測日報

5 結(jié)論與建議

（1）通過對柳灣2號隧道進口施作40m超前水平旋噴樁，其樁與樁間的咬合形成了有效的土體內(nèi)護拱結(jié)構(gòu)，將隧道斷面范圍內(nèi)的土體與“護拱”外側(cè)土體隔離，利用拱自身強度、剛性和抗剪性能，減少了開挖過程對滑塌體的擾動，有效控制了出洞地表及洞內(nèi)沉降和收斂，確保了砂質(zhì)新黃土溜坍、錯落體邊坡隧道安全進洞。

（2）實測柳灣2號隧道滑移面距洞口32m，通過40m超前水平旋噴樁預加固并在拱部150°范圍旋噴樁內(nèi)增設φ89鋼管，有效增強了“護拱”剛度及抗剪性，將滑塌體固定在山體上效果明顯。

（3）建議今后隧道進洞前應查明洞口在老滑塌體上或洞口邊坡存是否存在大溜塌或錯落體，找準滑塌面位置，進洞超前加固措施應考慮穿過滑塌面，將滑塌面和山體形成一個整體，防止在施工過程中因凍融、施工擾動、土石分界、涌水、砂質(zhì)新黃土、淺埋、偏壓等造成施工中次生溜塌。

［1］ 趙勇，李國良，喻渝. 黃土隧道工程［M］. 北京：中國鐵道出版社，2011.

［2］ 中國非開挖技術協(xié)會. 水平定向鉆進管線鋪設工程技術規(guī)范 ［S］. 2002.

［3］ 王曉州，朱永全. 大斷面黃土隧道建設技術［M］. 北京：中國鐵道出版社，2009.

［4］ TZ204-2008鐵路隧道工程施工技術指南［S］. 北京：中國鐵道出版社，2008.

Technology of reinforce the loess collapse and the strewn body in and out of tunnel by the 40m advance horizontal jet grouting piles

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