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水平旋喷桩在深圳地铁大—科区间流塑状粘性土中的应用
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摘 要 介绍水平旋喷桩超前预加固技术在深圳地铁大剧院—科技馆区间不良地质地段中的应用,重点阐述水平旋喷桩加固机理、施工工艺和效果。（参考《建筑中文网》）
关键词 地铁 软弱围岩 水平旋喷桩 预加固
1 概述
在软弱、松散、富水地层中修建地下工程,采用超前预加固辅助工法已得到地下工程界的广泛认同和应用。目前,超前预加固方法主要有超前小导管、超前小导管预注浆、大管棚、深孔注浆、水平旋喷桩、水平搅拌桩和水平冻结等。在工法选取上应根据不同水文、地质、周边环境进行安全、技术、经济对比和适用、成熟可靠条件分析,进行动态设计,合理选用。
深圳地铁大—科区间位于深圳市主要干道深南大道正下方,单线长1 144. 7 m , 埋深10～19 m , 分左右2 条单线隧道,线间距13. 2～17. 2 m 。其中SK3 210 ～S K3 315 段通过不良地质,该段埋深15～17 m , 上覆素填土、粉质粘土、砾砂层、砾质粘性土、流塑状粘性土,其中流塑状粘性土侵入隧道断面3～6 m 。该地段土体自稳能力极差,土层中局部存在囊体,囊体内充填水和泥沙混合物,在隧道开挖过程中会毫无征兆地喷发,泥沙俱下,导致土体失稳,引起险情。
受环境制约,该地段不允许进行地表降水和注浆加固,洞内起初仅采用小导管加密注浆,但效果甚差, 安全、质量、进度无法保证,一度处于停工状态。2001 年10 月22 日,50 多位地下工程界的专家、学者会聚深圳,联手“把脉会诊”,经过综合论证,建议优先选用水平旋喷桩并辅以小导管注浆加固的施工方案。目前工程进展顺利,该段二次衬砌施工完毕,达到了“安全、经济、快速、优质”的目标。
2 水平旋喷桩加固机理
水平旋喷桩是以高压泵为动力源,通过水平钻机钻杆、喷嘴把配制好的浆液喷射到土体内,喷射流以巨大的能量将一定范围内的土体射穿,并在喷嘴作缓慢旋转和进退的同时切割土体,强制土颗粒与浆液搅拌混合,待浆液凝固后,便形成水平圆柱状水泥土固结体,即水平旋喷桩。当旋喷桩相互咬接后,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, 起到了防流沙、抗滑移、防渗透的作用,保证了隧道掘进安全。
水平旋喷桩具有以下特点。
(1) 可控性 水平旋喷桩的浆液局限在土体破坏的范围内,浆液的注入部位和范围是可以控制的,可通过调节注入参数(切削土体压力,固化材料的注入速度,配比,注入量等) 获得满足设计要求的固结体。
(2) 均匀性 喷射流在能量衰减前使其射流交汇, 在碰撞点切削能量相互抵消,以致比桩心到碰撞点距离大的地方射流已无能力切削土体,所以加固体均匀程度好。
(3) 成本低、效率高 由于限定注入范围,相对注入量大幅减少,每m 水泥用量仅为100～150 kg , 施工速度比大管棚或深孔注浆提高2 倍～3 倍,周期缩短。
(4) 效果好 具有提高复合土体强度、防渗、抗滑、预支撑等多重效果。
3 水平旋喷桩超前预加固方案
通过室内模拟试验、现场试验、理论分析以及专家意见,确定了在大—科区间流塑状粘性土地段采用“周边单层咬合水平旋喷桩加固为主,特别困难地段双层以小导管注浆为辅,工作面采用间隔水平旋喷桩”的超前预加固方案。
(1) 加固范围
采用SIR 2000 型地质雷达(美国GSSI 公司) 、工作面素描和洛阳铲相结合的方法,对开挖面前方地质进行超前预报,根据预报结果结合地层界线确定周边水平旋喷桩预加固范围。一般情况下拱部150°范围,对于流塑状粘性土侵入隧道下部的加固范围适当调整至180°～270°。工作面加固范围为开挖面上台阶核心土及弧形导坑内缘(图1 、图2) 。
图1 水平旋喷桩加固示意(纵断面) ( 单位:m)
图2 水平旋喷桩加固示意(横断面) ( 单位:m) (2) 主要设计参数
为减少前方土体滑移引起工作面失稳, 加剧结构变形和地表沉降, 工作面亦设置水平旋喷桩, 桩间距1 ～ 1. 5 m , 桩长L =L 1 L 2 H ×tan ( 45°-φ/ 2)= 14. 3 m , 取15 m (L 1 为循环长度10. 5 m ; L 2 为锚固长度2 m; H 为上台阶开挖高度3 m;φ 为内摩擦角15°) 。
周边小导管注浆间距为0. 33 ～ 0. 4 m , l = 3. 5 m ,纵向搭接不小于2. 0 m 。设置在相邻旋喷桩加固体的咬合处, 浆液采用CS 双液浆, 水灰比为0. 8 ∶1 , 体积比1 ∶1 , 水玻璃15 ～ 20 Be′。
4 各工序技术要点
( 1) 施工参数
① 钻杆钻进速度:0. 25 ～ 0. 35 m/ min;
② 钻杆(轴) 的转速:70 ～ 120 r/ min ;
③ 水泥浆配合比: m C ∶m W = 1 ∶0. 7 ;
④ 每延米水泥用量:75 kg;
⑤ 钻杆每节长3 m , 外径50 mm , 旋喷钻头外径90 mm , 喷射头单孔孔径2 mm;
⑥ 旋喷压力:20 ～ 25 MPa 。
(2) 施工准备
封闭上台阶和下台阶工作面,喷混凝土厚度不小于20 cm , 精确测量中线、水平,搭设工作平台,平台上铺设竹夹板和枕木,将钻机、高压泵及其他机具一字排列就位。设置临时边沟及废浆池。
(3) 浆液配制
浆液严格按设计配合比配制,充分拌和均匀,拌和时间不少于3 min , 水泥浆从搅拌机倒入贮浆桶前要经筛过滤,以防出浆口堵塞。
(4) 钻孔及旋喷
按照“先周边,后工作面”顺序进行旋喷施工,周边按照每次间隔1 个,孔位从下到上,左、右交替进行。跳跃式成桩,两边强度平衡,可以减少因钻杆偏移造成桩间咬合率低的问题。
按设计外插角,分孔计算每根桩的偏角和仰角,利用三维坐标,使钻机精确定位。开孔时慢进,钻至1 m 后,按正常速度钻至设计深度;当浆液从喷嘴喷出并达设计压力后开始旋喷,桩前端原地旋喷不少于30 s 。为保证桩径和桩间咬合,弥补目前国内水平钻旋喷作业退进速度快的不足,采用复喷工艺(即退1 次,进1 次,再退1 次,共计3 次旋喷作业),复喷的次数越多, 固结体的增径效果越好,咬合率越高。桩前端受外插角的影响,为确保加固效果,前端旋喷时加大压力或降低喷嘴的旋转提升速度。当旋喷至孔口3 m 时停止, 并立即退出钻杆,用棉纱塞堵孔口,以防浆液外泄。旋喷完毕后及时清洗管路和机械,废浆外运。
(5) 冒浆处理工艺
在旋喷过程中,往往有一定数量的土颗粒随着一部分浆液沿着注浆管管壁冒出,通过对冒浆的观察,可以及时了解地层状况,判断旋喷的大致效果和评定旋喷参数的合理性等。根据经验, 冒浆量小于注浆量20 %～30 % 为正常现象,超过30 % 或完全不冒浆时, 应查明原因及时采取措施。
旋喷流量不变而压力突然下降时,应检查各部位的泄漏情况,必要时拔出注浆管,检查密封性能。出现不冒浆或断续冒浆时,若系土质松散则视为正常现象,可适当进行复喷;若系附近有空洞,则应不提升注浆管,继续注浆直至冒浆为止,或拔出注浆管待浆液凝固后重新注浆至冒浆为止,或采用速凝浆液,使浆液在注浆管附近凝固。
冒浆量过大主要原因是有效喷射范围内注浆量大大超过旋喷固结所需的浆量,可采用提高喷射压力(喷浆量不变) 或适当缩小喷嘴直径(喷射压力不变),加快提升和旋转速度等措施。
5 旋喷加固效果
(1) 在大—科区间先后进行了4 次现场试验,旋喷固结体的直径最小40 cm , 最大可达70 cm , 平均值满足设计要求(地层越软弱,桩径越大) 。固结体强度接近C10 素混凝土,比固结前原状土强度增加110 倍, 固结体弹性模量提高814 倍; 桩间咬合率达80 % 以上,形成了较好的拱壳支护,在开挖过程中(循环进尺0. 7 m) 能够承受开挖线外土柱的压力,保证了掘进安全。
(2) 固结体周围土体得到了挤压和加固,土体孔隙比减小,抗渗能力得到提高。旋喷桩预加固地段,初支渗水明显减少,为复合防水层及二衬施工提供了较好的外部环境。
(3) 通过三维有限元模拟试验,旋喷加固地段土体稳定性得到了明显提高,洞周塑性区范围明显减少,由于旋喷桩拱棚有效的承载作用,围岩压力减少,初期支护和二衬受力更趋均匀合理。
(4) 地表下沉和拱顶下沉得到有效控制。从量测
数据分析,地表沉降可减少51 % , 洞内拱顶下沉减少 54 % 。在SK3 355 经过煤气管处,采用周边双层旋喷桩和工作面旋喷加固,按照“短台阶、小步距、快开挖、快支护、快封闭、快通过”施工原则,增设临时仰拱和加密锁脚导管,及时进行背后注浆,在流塑状地层中控制煤气管下沉量仅为26. 9 mm , 保证了煤气管的安全。
原文网址：http://www.pipcn.com/research/200810/8880.htm
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