预支护加固技术在德吉隧道风积砂围岩中的应用

预支护加固技术在德吉隧道风积砂围岩中的应用

黄亚林黄智鹏

黄亚林黄智鹏

铁科院（北京）工程咨询有限公司西安分公司陕西西安710000

摘要：阐述了隧道预支护技术的原理，水平旋喷桩在风积砂隧道中的预支护技术，掌子面掘进方法和注意事项。

关键词：风积砂隧道；预支护技术；水平旋喷桩；掌子面掘进

前言：实践和理论分析证明，隧道开挖过程中，围岩应力状态的改变和松弛将波及开挖前面一定范围内的地层，所以提高开挖面前方土体强度和改善其受力条件，是保证开挖面稳定和控制开挖产生过大沉降的重要手段。因此，预支护加固就成为土质浅埋隧道中经常使用的施工措施。

1概述

所谓隧道预支护技术就是在隧道开挖前，预先设在隧道轮廓线以外一定范围内的支护，有的还与开挖面后方的支架等共同组成支护体系。超前杆和小导管注浆是一般土质隧道采用较多的预支护方法，前者适用于拱顶以上黏性土地层较薄或为粉土地层，后者多用于砂层或砂卵石地层。他们能有效的防止顶部围岩坍塌，在一定程度也有利于开挖面的稳定度，但由于预支护长度短（一般3m～5m），在特别松软的地层中，难以有效地支承开挖面前方破坏棱体上方的土体；此外，对限制土体变形的作用也不够明显。所以国外在对地层扰动大或开挖成型困难的超浅埋隧道、多连拱隧道和平定直墙隧道，都无例外地采用了管棚等大型预支护手段。

管棚和超前长桩是对传统预支护手段的重大改进，不仅把预支护长度增加到10m～20m以上，有的还在开挖面前方形成空间刚度很大，纵横两个方向均能传力的伞状预支护体系，因而对控制开挖产生的地面沉降特别有效。一种常见的超前长桩是意大利人开完的旋喷水平桩，利用专用设备，根据土层分别选用不同的注浆方法及注浆材料，可以在隧道外围构筑直径0.6m～2m的砂浆桩（在砂性土中，采用单管法，使用水泥浆加固，砂浆桩的直径为0.6m～0.8m；在淤泥和黏性土中，采用双管法，用压缩空气+水泥浆加固，砂浆桩的直径为1.2m，若采用三重管法，用压缩空气+水+水泥浆加固，砂浆桩的直径可达2.0m）。

管拱实际上时一种直径达2m的巨型钢筋混凝土超前长桩，它同时又作为隧道主要承载结构的一部分。米兰地铁verriezia车站采用了这一技术。车站主体为净跨22.8m、净高16m的单拱隧道，开挖宽度达28m，覆盖层厚度为4m～5m，埋置于砂砾和粉细砂组成的地层中。先在墙角处开挖两个侧导洞并浇筑混凝土；在车站两端的竖井内沿隧道顶部依次顶入12根覆盖整个车站的钢筋混凝土管，在管内填充混凝土；从侧导洞沿拱圈每隔6m开挖一个弧形导洞，施作支承顶管的钢筋混凝土拱肋；在管拱的下面开挖隧道，施作仰拱。实测施工引起的地面沉降为10mm～14mm。

预切槽法是隧道开挖前，沿隧道外轮廓用专用设备切出1.5～5.0m的深槽，当为土质隧道时必须用喷射混凝土立即充填，形成一个预拱。它可用于开挖断面积为30m2～150m2、土质比较均匀的隧道。

超前置换法是一种全新的隧道施工方法。通过在特定形状的机架上安装带掘进头的箱体结构，掘进头连同箱体沿着隧道方向掘进，掘进到位后一边回退一边灌注混凝土从而在开挖线外形成以箱体为模的混凝土预制件。沿着拱架环向施作多个这种板状预制件并在隧道开挖线外搭接形成一拱壳，这种拱壳就是超前置换形成的初期支护。其机械化程度比盾构法低而大大高于一般的矿山法。在超前支护的保护下并根据需要在隧道掌子面进行适当的加固，就能安全地进行隧道的全断面机械化开挖。该方法不仅能安全的进行机械化的快速隧道施工而且能有效控制地面沉降。

2工程概况

德吉隧道位于川藏铁路拉林段DK103+095～DK104+810处，全长1715m，为单线隧道，隧道最大埋深为276m。

3地质条件

隧道出口DK104+630～+810段位于第四系全新统、晚更新统冰川、风等堆积成因的粉土、粉砂、细角砾土、粗角砾土及块石土中，为稍密～中密状态，稍湿～干燥。以风积、残积、坡积为主。

4隧道结构设计

隧道按最高时速160km/h客货共线单线隧道设计，隧道拱顶内缘至内轨顶面的高度均采用720cm，隧道净宽630cm。隧道轨面以上有效净空面积为42.06m2。

序号设备名称单位数量性能

1SP-30

水平旋喷桩钻机台套1钻孔深度30～50m；钻杆直径φ50mm、φ60mm（双重管）；倾角-10°～90°；输出扭矩2300Nm；

2单液注浆机

（SG-165SV-0）台套1工作压力45Mpa，流量165l/min.

3I型自动水泥浆搅拌机台17.5Kw

4水平旋喷桩作业台车台1

6水平旋喷桩施工

6.1水平旋喷桩设计

控制地表下沉、隧道大变形和大断面掌子面的稳定是该风积砂隧道设计和施工的难点。

采用拱部、掌子面、两侧边墙共布设水平旋喷桩70根，桩径为φ500mm咬合桩，仰角5°～10°（优化为2°～5°），环向间距0.35m，水平旋喷桩桩长15m，10m一环，解决地表下沉和隧道大变形。上台阶掌子面3根φ500mm旋喷桩解决大断面掌子面的稳定问题（图1水平旋喷桩大样图）。

图1水平旋喷桩大样图

根据风积砂最大覆盖厚度18m，重度18kN/m3，按浅埋松散堆积层VI级围岩设计支护。拱圈最大跨度7.3m，拱顶距腰高2.8m，依据单线浅埋荷载和三铰拱理论进行简单校核，计算要求旋喷桩抗压强度＞0.5Mpa，依据经验，采用水灰比为1，P.O42.5级普通硅酸盐水泥搅拌桩施工，桩体强度＞5Mpa进行施工。

6.2水平旋喷桩施工顺序

封闭掌子面。喷射C20混凝土，厚度20cm。Φ8钢筋网，间距25cm×25cm；设3.5m长砂浆锚杆，垂直打入掌子面，间距暂按2m梅花形设置。施工过程中根据其效果进行调整。

先施作上台阶掌子面3根φ500旋喷桩。

施作拱部旋喷，旋喷次序为：先钻喷拱顶中央孔（0号孔），然后每次间隔一个孔位从上到下，左右交替补喷所缺部位。

开挖隧道上台阶，上台阶长度宜控制在3m左右。

施作上台阶初期支护，喷混凝土、挂网、架立型钢钢架。

施作下台阶φ500mm水平旋喷桩，开挖隧道下台阶（CRD工法）。

施作下台阶初期支护，喷混凝土、挂网、架立型钢钢架。

每10m施工完毕后，参照（1)-(7)步进入下一循环。

6.3水平旋喷桩施工工艺

6.3.1施工工艺流程如下

放线→定点位→钻机调平→钻杆定位→钻进至设计孔深→旋喷、后退（喷浆、搅拌、回转）→到设计位置停止旋喷→封孔口→转入下一个钻孔。

6.3.2工艺原理

水平旋喷桩预支护工法是在不良地质隧道工作面前方，沿隧道开挖外轮廓线钻孔，达到预定深度后，边后退边高压旋喷注浆，相邻的旋喷固结体相互搭接咬合形成旋喷拱棚进行围岩预加固。

6.3.3施工准备

搭设作业平台，同时挖设排水及废浆回收通道。

6.3.4方向及角度控制

①保证作业平台定位准确，稳固，满足钻机施工需要。

②对孔位。孔位误差控制在±50mm以内。

③为确保钻孔质量，首先打设1～2个探孔，查明地层变化情况及地层对钻孔角度的影响，然后根据探孔情况确定旋喷桩钻孔的打设角度。

6.3.5埋设导孔装置

①开孔埋设密封装置，使用吊线和水平尺调试安装好开孔器底座，进行预开孔。

②采用ø130mm钻头钻进开孔，钻进深度为1～2m；初始开孔角度误差不超过5‰，采用水平导向器进行校正。

③退出钻具，将一根直径为ø127mm、长0.8～1m的孔口管埋入已开好的孔内，作为孔口管，孔口管外露0.2m。

④在孔口附近植ø12mm钢筋4根，将钢筋与孔口管焊接牢固，孔口钢筋与掌子面钢筋焊接牢固，加固孔口管。

6.3.6钻进

①检查确定孔口管安装牢固后，调整钻机，对好孔位。

②旋喷次序：采用间隔交错施工，先钻喷拱顶中央孔（0号孔），然后每次间隔一个孔位从上到下，左右交替直到底部。再从上到下，左右交替补喷所缺孔位，使轨道左右均匀受压，后旋喷孔固结体能填补两孔间空隙。

③将旋喷钻头及钻杆送入孔口管内。启动旋喷钻机，钻头边旋转边钻进：钻进中为冷却钻头，减少阻力，防止砂粒进入喷嘴，用低压低流量清水从喷嘴中喷出。

④每钻进2m使用水平导向仪测量一次，并做好测量记录，一旦发现偏斜要及时进行纠偏，直到钻至设计深度。

6.3.7制浆旋喷

①按试验确定的水灰比进行拌合，试桩抗压强度＞5Mpa，将计算出来的P.O42.5级普通硅酸盐水泥用量放入搅拌机中，每桶搅拌时间不少于3min。

②浆液流入储浆桶前过滤，桶内吸浆管安装滤网，防止堵塞管道。

③改变旋喷机旋转方向，通知给浆后，先旋转半分钟再开始后退。

④每孔旋喷到距孔口1.5m左右时即停止旋喷，退出钻头后，立即用木塞包水泥袋堵住孔口，以防止浆液大量外泄。

⑤返浆处理：在旋喷施工时，在其工作平台下方放置一台泥水分离器，将返出的浆液导入分离器，废渣运至弃碴场。

6.4进洞施工

6.4.1技术参数

水平旋喷桩施工完成28天后，强度达到100%。进行进洞施工。根据设计要求，洞口段采用台阶法（临时横撑）施工进洞，拱部及仰拱喷C25喷混凝土；钢架采用I20b工字钢，全环封闭，间距0.8m，采用螺栓连接；φ8钢筋网片拱墙布置，尺寸20×20cm。

6.4.2台阶法+临时横撑施工顺序

台阶法+临时横撑施工流程图如下：超前地质预→报测量放线→上台阶超前支护→上台阶开挖、初期支护及临时横撑→下台阶超前支护→下台阶开挖、初期支护→下台阶临时横撑、仰拱基底处理→仰拱开挖、初期支护→仰拱施工→仰拱填充施工→拆除临时横撑→二次衬砌施工。

6.4.3开挖支护施工工艺

①开挖施工工艺

由于出口段150m为风积砂地层，开挖采取非钻爆法，人工配合机械开挖。开挖后留核心土，并及时安设临时横撑。

开挖方法为：旋喷桩超前、短台阶、留核心土、人工开挖、短进尺。

②挂网施工工艺

钢筋网设计采用Φ8钢筋制作，网格间距20×20cm。钢筋使用前应清除污锈，在固定胎模上焊接牢固，定型误差不大于1cm。增设Φ20定位钢筋，钢筋网与定位钢筋连接牢固，再沿环向压紧网片后喷射混凝土。

③钢架施工工艺

本隧道出口风积沙地层段洞身围岩为Ⅵ级，采用的衬砌支护类型为Ⅵ级围岩Ⅰ、Ⅱ型复合式衬砌断面。施工中的钢架采用I20b型钢按设计尺寸加工而成。钢架全环设置，纵向间距0.8m。

④临时横撑施工

临时横撑施工基本同上钢架施工平行。

临时横撑钢架间距结合洞身钢架间距，每榀钢架设置一处。上台阶临时横撑需加设网片及采用C25喷射混凝土进行覆盖，仰拱开挖前临时横撑仅进行钢架的安装，不再加设网片及喷射混凝土。

7施工效果及质量检验

7.1监控量测

为了更好确认设计和施工效果，对地表沉降、拱顶下沉、净空收敛量进行系统的测量，进行设计校正。

经测量，水平旋喷桩预支护技术成功的控制了地表和地面沉降，净空收敛也趋于渐趋稳定。

7.2质量检验

旋喷桩施工结束后，对布桩数量、形式、桩位进行了全数检查，对桩身完整性、均匀性、桩身强度进行了2‰抽样。经检验，全部符合设计要求。

掌子面开挖后，检查桩径、桩体长度符合设计要求，桩径规则，全部＞0.5m，相邻桩咬合良好，形成完整拱形，保证桩体受压均匀。

8结束语

严格控制钻孔深度、旋喷速度，牢记卸杆后恢复给浆时的技术要领，避免断桩，确保旋喷桩桩长达到设计值。严禁未达到设计深度及尚未旋喷满的情况下进行旋喷机后退旋喷作业。

在后退旋喷作业时，若喷嘴堵塞，泥浆泵压力表指示压力将急剧升高，这时应停止送浆。迅速退出钻杆和喷头，换上新的喷头并钻进到原先喷射处前0.5m处，再正常送浆，继续后退旋喷作业。

定位准确，桩位偏差控制在50mm内，钻进过程中，控制钻头及钻杆的方向，防止偏位，角度偏差控制在1.5%以内。

应认真做好浆液配制工作，认真填好施工原始记录，严禁涂改及伪造，时刻关注注浆压力、流量的变化、总喷入量和机械设备的正常运转。

施工中应对围岩加强检查与量测。时刻关注掌子面和地表的异常变化，发现异常或变形不收敛、超过最大值警戒值，立即停工采取措施。

参考文献：

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