下穿深圳地铁三号线——软弱围岩水平旋喷桩施工技术代祥

下穿深圳地铁三号线——软弱围岩水平旋喷桩施工技术代祥

代祥

中铁十五局集团

【摘要】本文论述了水平旋喷桩的施工原理、施工工艺、施工注意事项等。充分显示了水平旋喷桩施工在软弱围岩铁路隧道超前支护措施是一种既经济又安全的施工工艺。

【关键词】水平旋喷桩软弱围岩隧道

1、工程概况

1.1工程概述

广深港客运专线ZH-4标益田路隧道在DK110+469.5和DK110+482.9处分别下穿地铁3号线的左右线。地表为莲花山公园南门，无建筑物，隧道埋深约28m，地铁3#线隧道结构与本隧道结构之间的净距为2.5m。地铁3号线处于运营状态，对检测要求高，施工难度大，施工地质复杂，下穿深圳地铁3号线右线段（W4地层）（DK110+510～DK110+476）段超前支护措施采用拱部施作双排φ600@400水平旋喷桩+掌子面φ600水平旋喷桩加固，按一环长度为34米。（图1-1）

图1-1纵断面

1.2地质情况概述

1.2.1工程地质

主要地层自上而下分布如下：人工填土层、冲洪积层、坡残积层、基岩。场地基岩以燕山期花岗岩为主，局部为震旦系变质砂岩，接触带为侵入不整合关系。上述基岩按风化程度可分为全、强、弱三个风化带。局部因不整合接触导致岩体破碎，沿接触带地下水发育，需采取一定的措施。地质岩层芯样见下（图片1、图片2、图片3、图片4）

1.2.2水文地质

隧道地下水较发育，根据地下水的形成，水力特征及水理性质，可划分为两大基本类型：第四系松散岩类孔隙水以及燕山期，震旦系基岩列隙水。

2、施工原理及断面布置图

2.1施工原理

水平旋喷桩是用水平定向钻机打设水平孔，以高压泵为动力源，通过钻机、钻杆、钻头、喷嘴把配制好的水泥浆液喷射到土体内。在喷嘴作缓慢旋转和后退的过程中喷射流以巨大的能量将一定范围内的土体切削、摧毁，强制土颗粒与水泥浆液在地层原位充分混合，然后形成大致水平的柱状水泥土固结体即水平旋喷桩。当多个旋喷桩相互咬合后，在隧道拱部或周边形成桶状的帷幕，起到防变形防渗透的拱壳保护作用。

2.1断面布置（图2-1、2-2、2-3）

图2-3旋喷桩三维效果图

3、施工工艺流程及施工方法

3.1现场准备

3.1.1施工前应保证场地的三通一平，旋喷钻机行走范围内场地必须平整，无地表障碍物。

3.1.2预计泥浆的排放情况，修建泥浆分级沉淀池，按要求铺设各种管线（施工电缆、供浆、供水、供气管）。

3.1.3测量放线，并设置桩位标志。

3.2施工工艺及技术措施

3.2.1工艺流程（图3-1）

水平旋喷桩施工工艺流程图如下：

图3-1工艺流程图

3.3施工过程及操作要点

3.3.1钻机就位：

水平钻机就位要求精度高，孔位偏差不得大于50mm，倾角与设计误差不得大于1°。拱部水平旋喷桩，孔间距400mm，排间距400mm。铺设轨道，安装立柱。要求H型钢轨找平误差≤3mm；底盘对角线找方误差±3mm；斜拉筋需绷紧，交叉拉力基本相等；四柱对角误差±5mm。为了钻机前后位置与隧道中线平行，本段工程中使用标尺，然后进行拉线，使钻机位置达到最佳。

3.3.2钻进：

按照施工要求进行钻机施工入孔左右角度，水平尺测量核实钻机施工入孔上下角度；利用安装无线测量探棒的特制钻头进行钻进施工。本工程施工中，将导向钻头及第一根钻杆送入孔口管内，记录下进入的正方向，然后开始钻进，每钻进3m要使用SE-2水平导向仪测量一次，一旦发现偏斜要及时进行纠偏，直到钻至设计深度。旋喷桩施工进钻压力为3～5MPa。

楔形钻头和导向显示如图所示：

图3-3导向仪显示屏幕

钻头内装有特制的探头，导向仪显示屏上会显示出实时钻头的坡度（导向板的方向：导向板朝上即为12点方向，如同时钟）。打设角度如偏下，可以把钻头调至12点，即导向板朝上，直接顶进，此时由于导向板底板斜面面积大，受到一个向上的力，钻头轨迹就会朝上前进；同理在6点纠偏可以使轨迹朝下。角度纠偏完成后钻杆匀速旋转钻进，此时钻杆轨迹基本上是平直的，所以楔形钻头是上下纠偏的关键。

3.3.3制备水泥浆液

鉴于本工程中水平旋喷桩的特殊性，前期进行了3根工艺性试验桩，根据实验结论得到最佳配比为0.5:1～1:1，现场拌制浆液搅拌均匀，搅拌时间不小于5分钟，一次搅拌使用时间亦控制在4小时以内，在制浆过程中应随时测量浆液比重，每孔高压喷浆结束后现场技术人员要统计该孔的材料用量。

3.3.4旋喷：

旋喷过程中除了必须的旋转速度、回拔速度的控制外，为保证地层稳定需要对施工回浆进行测量和调节。

本工程旋喷施工参数：

退钻压力：35MPa±5MPa；

回拔旋喷速度：控制在25cm/min以内；

注浆流量：80L/min~90L/min；

旋喷施工时返浆量大于50L/min时，必须将旋喷孔半封闭，控制返浆量。

旋喷施工要点：

⑴据旋喷施工时钻具内回浆流动状态，判断是否进行排浆量调节。

①通过调节加大排浆控制阀门通道和启用负压排浆反射流泵来增加回浆排放量控制；

②在回浆量明显过大时关闭或者减小排浆控制阀门通道来进行保压；

③施工中随时观测回浆状况，及时调节排浆量，发生异常可以暂停施工，查明原因后方可恢复施工。

⑵根据旋喷施工时孔内注入量和孔口返出量对比来判断施工的安全性。

①当孔口返出浆量小于孔内旋喷所有液体注入量60%时，需要加大排浆量，措施与⑴所述相同；

②孔口返出量在孔内注入量70~90%时，施工属于正常；

③孔口返出量大于孔内注入量90%以上时，需要采取保压措施，关闭排浆通道并排查泄漏原因，直至排除危险因素后方可继续施工。

4、安全、质量保证措施

4.1施工角度控制和定位

4.1.1全方位控向系统

针对控向钻孔存在的问题及隧道超前支护在有限区域大量钻孔的特点，借用水平定向钻的地面跟踪导向方法原理，我公司研发出了“将地面跟踪测量改为地下连续跟踪测量”控向钻进导向方法，

4.1.2水平定向洞内跟踪测量钻进方法原理

水平定向钻进方法是非开挖管线施工的一种方法。该方法要求在钻进过程中，接收仪在地表跟踪准确测定钻头在地下的位置和方向。根据钻头在钻进过程中的位置和方向同设计轨迹的差异，利用能进行调节方向的钻头（一般为楔型钻头）改变钻头的钻进方向，从而按设计要求完成各种管线的铺设。钻头示意图如（图4-1）：

图4-1钻头示意图

a.如图所示：钻头内装有特制的传感器，传感器直接由15V直流供电。显示屏显示钻头的倾角(水平角度)、面向角(导向板的方向：导向板朝上即为12点，如同钟面)。打设角度如果偏下，可以把钻头调到12点，即导向板朝上，直接顶进，此时由于导向板底板斜面面积大。受到一个向上的力，钻头轨迹就会朝上运动。同理在6点纠偏可以使钻头轨迹朝下，9点、3点分别是为左、右纠偏方向。如果角度合适，钻机会匀速旋转钻进，此时钻杆轨迹一般是平直的。所以导向钻头是上下纠偏的关键。

b.跟踪控向钻进是将地面跟踪测量改为地下跟踪连续测量，常规地标测量受深度、地层内建筑物、管线、电（光）缆等影响，误差较大；在施工掌子面预成孔（距离施工范围5米内），埋设的?50绝缘保护管，将带接收传感器天线送入保护管内（跟随钻进轨迹运动，保持最近距离），将天线的屏蔽线与显示器连接，直接能够读出施工角度数据。如（图4-2）所示：

图4-1跟踪导向示意图

施工中使用带有信号发射器的钻头，当钻头钻进到最近位置的接收器时，接收器接收到钻头发出的信号，接收器通过信号电缆传递给电脑计算机，计算机对信号进行处理和计算，能够实时显示钻头所在的位置、行进轨迹等系列参数，通过显示的数据，设备操作人员根据导向原理及时进行角度纠偏，以保证施工的准确性。

5、结束语

广深港客专益田路隧道采用水平旋喷桩超前支护，成功穿越了深圳地铁三号线，确保了既有线正常运营，本工艺充分验证了水平旋喷桩超前支护措施在软弱围岩矿山法铁路隧道中的应用，为后续隧道开挖提供了有力的安全保障，为类似地质工况下增添了一项新的施工技术措施。

参考文献：

[1]《水平旋喷加固在厦深铁路梁山隧道断层突水涌泥段处理中的应用》现代隧道技术（增刊），2012

[2]《水电水利工程高压喷射灌浆技术规范》DL-T5200—2004