水平旋噴樁在某地鐵超前預(yù)加固中的應(yīng)用

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【摘要】介紹水平旋噴樁超前預(yù)加固技術(shù)在深圳地鐵大—科區(qū)間不良地質(zhì)地段中的 應(yīng)用 ,重點(diǎn)闡述水平旋噴樁加固機(jī)理、施工工藝和效果?！娟P(guān)鍵詞】地下鐵道　軟弱圍巖　水平旋噴樁　預(yù)加固1 　引言

   在軟弱、松散、富水地層中修建地下工程,一般多采用超前預(yù)加固輔助工法。 目前 超前預(yù)加固 方法 主要有超前小導(dǎo)管、超前小導(dǎo)管預(yù)注漿、大管棚、深孔注漿、水平旋噴樁、水平攪拌樁和水平凍結(jié)等,應(yīng)根據(jù)地質(zhì)條件及周邊環(huán)境進(jìn)行安全、技術(shù)、 經(jīng)濟(jì) 對(duì)比和適用、成熟可靠性 分析 合理選用。    深圳地鐵大—科區(qū)間位于深圳市主要干道深南大道正下方,單線長(zhǎng)1 144.7 m , 埋深10～19 m , 分左右兩條單線隧道,線間距13.2～17.2 m 。其中SK3 + 210～ SK3 + 315 段通過(guò)不良地質(zhì)地段,該段埋深15～17 m , 上覆素填土、粉質(zhì)粘土、礫砂層、礫質(zhì)粘性土、流塑狀粘性土,其中流塑狀粘性土侵入隧道斷面3～6 m 。該地段土體自穩(wěn)能力極差,土層中局部存在囊體,囊體內(nèi)充填水和泥砂混合物,在隧道開(kāi)挖過(guò)程中會(huì)毫無(wú)征兆地噴發(fā),泥砂俱下,導(dǎo)致土體失穩(wěn),引起險(xiǎn)情。    受環(huán)境制約,該地段不允許進(jìn)行地表降水和注漿加固,洞內(nèi)起初僅采用小導(dǎo)管加密注漿,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)。2001 年10 月22 日,50 多位地下工程界的專家、學(xué)者會(huì)聚深圳,聯(lián)手“把脈會(huì)診”,經(jīng)過(guò)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。目前工程進(jìn)展順利,二次襯砌已施工完畢,達(dá)到了“ 安全、經(jīng)濟(jì)、快速、優(yōu)質(zhì)”的目標(biāo)。   2 　水平旋噴樁加固機(jī)理及特點(diǎn)    水平旋噴樁是以高壓泵為動(dòng)力源,通過(guò)水平鉆機(jī)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)的土體射穿,并在噴嘴作緩慢旋轉(zhuǎn)和進(jìn)退的同時(shí)切割土體,強(qiáng)制土顆粒與漿液攪拌混合。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(dāng)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、防滲透的作用。   水平旋噴樁具有以下特點(diǎn):    (1) 可控性。水平旋噴樁的漿液局限在土體破壞范圍內(nèi),漿液注入部位和范圍可以控制,可通過(guò)調(diào)節(jié)注入?yún)?shù)(切削土體壓力、固化材料注入速度與配比、注入量等) 獲得滿足設(shè)計(jì)要求的固結(jié)體。   (2) 均勻性。噴射流在能量衰減前交匯,切削能量在碰撞點(diǎn)相互抵消,在比樁心到碰撞點(diǎn)距離大的地方, 射流無(wú)能力切削土體,加固體均勻程度好。   (3) 成本低、效率高。由于限定注入范圍,注入量大幅減少,水泥用量?jī)H為100～150 kg/m , 施工速度比大管棚或深孔注漿提高2～3 倍。   (4) 具有提高復(fù)合土體強(qiáng)度、防滲、抗滑、預(yù)支撐等多重效果。3 　水平旋噴樁超前預(yù)加固方案    通過(guò)室內(nèi)模擬試驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)、 理論 分析以及專家意見(jiàn),決定采用“以周邊單層咬合水平旋噴樁加固為主(特別困難地段雙層),以小導(dǎo)管注漿為輔,掌子面采用間隔水平旋噴樁”的超前預(yù)加固方案。   3.1 　加固范圍    采用SIR22000 型地質(zhì)雷達(dá)( 美國(guó)GSSI 公司) 和洛陽(yáng)鏟相結(jié)合的方法,對(duì)開(kāi)挖面前方地質(zhì)進(jìn)行超前預(yù)報(bào)并據(jù)此結(jié)合地層界線確定周邊水平旋噴樁預(yù)加固范圍。一般情況下的加固范圍為拱部150°,對(duì)于流塑狀粘性土侵入隧道下部的加固范圍適當(dāng)調(diào)整至180°～ 270°之間。掌子面加固范圍為開(kāi)挖面上臺(tái)階核心土及弧形導(dǎo)坑內(nèi)緣。其縱、橫斷面詳見(jiàn)圖1 及圖2 。   3.2 　主要設(shè)計(jì)參數(shù)    周邊旋噴加固體的直徑為500 mm , 孔深15 m , 考慮不設(shè)擴(kuò)大工作室,為減少周邊破樁工作量,樁尾3.0 m 范圍只成孔而不旋噴成樁,實(shí)際成樁長(zhǎng)度12 m , 縱向搭接長(zhǎng)度1.5 m 。環(huán)向間距開(kāi)孔處0.33 m , 終孔處   圖1 　水平旋噴樁加固示意(縱斷面)    　    　       圖2 　水平旋噴樁加固示意(橫斷面)    0.4 m, 外插角5°～8°(視地質(zhì)及線路坡度而定),相鄰加固體咬合厚度10 cm, 施工一循環(huán)旋噴樁,開(kāi)挖、初支進(jìn)尺10.5 m 。為減少前方土體滑移引起掌子面失穩(wěn),加劇結(jié)構(gòu)變形和地表沉降,掌子面亦設(shè)置水平旋噴樁,樁間距1 ～1.5 m, 樁長(zhǎng)L = L1+ L 2+ H ×tan(45 -2) =1413 m (L1:循環(huán)長(zhǎng)度,10.5 m;L 2:錨固長(zhǎng)度,2 m; H :上臺(tái)階開(kāi)挖高度,3 m;:內(nèi)摩擦角,15°。),取15 m 。周邊小導(dǎo)管注漿間距為0.33～0.40 m, 長(zhǎng)3.5 m, 縱向搭接≮2.0 m 。對(duì)相鄰旋噴樁加固體的咬合處,漿液采用CS 雙液漿,水灰比為0.8∶1 , 水玻1 , 體積比1∶璃玻美度為15～20 。   4 　各工序技術(shù)要點(diǎn)   4.1 　施工參數(shù)   (1) 鉆桿鉆進(jìn)速度:0125～0135 m/min ;    (2) 鉆桿(軸) 轉(zhuǎn)速:120～70 r/min ;W=1∶   (3) 水泥漿配合比:C∶017 ;    (4) 每延米水泥用量:75 kg ;    (5) 鉆桿每節(jié)長(zhǎng)3 m , 外徑50 mm , 旋噴鉆頭外徑90 mm , 單孔,孔徑2 mm ;    (6) 旋噴壓力:20～25 MPa 。   4.2 　施工準(zhǔn)備    封閉上臺(tái)階和下臺(tái)階掌子面,噴混凝土厚度≮20 cm 。精確測(cè)量中線、水平,搭設(shè)工作平臺(tái),平臺(tái)上鋪設(shè)竹夾板和枕木,將鉆機(jī)、高壓泵及其它機(jī)具一字排列就位。設(shè)置臨時(shí)邊溝及廢漿池。   4.3 　漿液配制    漿液嚴(yán)格按設(shè)計(jì)配合比配制,充分拌和均勻,拌合時(shí)間≮3 min , 水泥漿從攪拌機(jī)倒入貯漿桶前要經(jīng)篩過(guò)濾,以防出漿口堵塞。   4.4 　鉆孔及旋噴    按照“先周邊、后掌子面”順序進(jìn)行旋噴施工,周邊按照每次間隔一孔,孔位從下到上左、右交替進(jìn)行。跳躍式成樁,兩邊強(qiáng)度平衡,可以減少因鉆桿偏移造成樁間咬合率低的 問(wèn)題 。    按設(shè)計(jì)外插角,分孔 計(jì)算 每根樁的偏角和仰角,利用三維坐標(biāo),使鉆機(jī)精確定位。開(kāi)孔時(shí)慢進(jìn),鉆至1 m 后按正常速度鉆至設(shè)計(jì)深度,當(dāng)漿液從噴嘴噴出并達(dá)設(shè)計(jì)壓力后開(kāi)始旋噴,樁前端原地旋噴≮30 s 。為保證樁徑和樁間咬合,彌補(bǔ) 目前 國(guó)內(nèi)水平鉆旋噴作業(yè)退進(jìn)速度快的不足,采用復(fù)噴工藝(即退一次、進(jìn)一次、再退一次,共計(jì)三次旋噴作業(yè)),以提高固結(jié)體的增徑效果及咬合率。在樁前端受外插角的 影響 ,為確保加固效果,前端旋噴時(shí)加大壓力或降低噴嘴的旋轉(zhuǎn)提升速度。當(dāng)旋噴至孔口3 m 時(shí)停止,并立即退出鉆桿,用棉紗塞堵孔口,以防漿液外泄。   4.5 　冒漿處理工藝    在旋噴過(guò)程中,往往有一定數(shù)量的土顆粒隨著一部分漿液沿著注漿管管壁冒出。通過(guò)對(duì)冒漿的觀察, 可以及時(shí)了解地層狀況,判斷旋噴的大致效果和評(píng)定旋噴參數(shù)的合理性等。根據(jù)經(jīng)驗(yàn),冒漿量小于注漿量20 %～30 % 為正?，F(xiàn)象,超過(guò)30 % 或完全不冒漿時(shí), 應(yīng)查明原因并及時(shí)采取措施。    當(dāng)旋噴流量不變而壓力突然下降時(shí),應(yīng)檢查各部位的泄漏情況,必要時(shí)拔出注漿管檢查密封性能。出現(xiàn)不冒漿或斷續(xù)冒漿時(shí),若系土質(zhì)松散則視為正常現(xiàn)象,可適當(dāng)進(jìn)行復(fù)噴。若系附近有空洞,則可繼續(xù)注漿或拔出注漿管待漿液凝固后重新注漿至冒漿為止,或采用速凝漿液使?jié){液在注漿管附近凝固。    冒漿量過(guò)大的主要原因是有效噴射范圍內(nèi)注漿量大大超過(guò)旋噴固結(jié)所需漿量,可采用提高噴射壓力(噴漿量不變) 或適當(dāng)縮小噴嘴直徑(噴射壓力不變),加快提升和旋轉(zhuǎn)速度等措施。   5 　旋噴加固效果   (1) 試驗(yàn)表明,旋噴固結(jié)體直徑為40～70 cm(地層越軟弱,樁徑越大),平均值滿足設(shè)計(jì)要求。固結(jié)體強(qiáng)度接近C10 素混凝土,樁間咬合率≥80 % , 形成了較好的拱殼支護(hù),在開(kāi)挖過(guò)程中(循環(huán)進(jìn)尺0.7 m) 能承受開(kāi)挖線外土樁的壓力,保證掘進(jìn)安全。   (2) 固結(jié)體周圍土體得到了擠壓,土體孔隙比減小,抗?jié)B能力得到提高,初支滲水明顯減少,為復(fù)合防水層及二襯施工提供了較好的外部環(huán)境。   (3) 地表下沉和拱頂下沉得到有效控制。地表沉降減少51 % , 洞內(nèi)拱頂下沉減少54 % , 在SK3 + 355 過(guò)煤氣管處,采用周邊雙層旋噴樁和掌子面旋噴加固, 按照“短臺(tái)階、小步距、快開(kāi)挖、快支護(hù)、快封閉、快通過(guò)”的施工原則,并增設(shè)臨時(shí)仰拱和加密鎖腳導(dǎo)管及時(shí)進(jìn)行背后注漿,在流塑狀地層中控制煤氣管下沉量?jī)H為26.9 mm , 保證了通過(guò)煤氣管道的安全。   (4) 在大～ 科區(qū)間流塑狀粘性土地段,共施工旋噴樁11 000 延米,每根樁施工時(shí)間約為2 h , 每循環(huán)時(shí)間為3 d , 月掘進(jìn)進(jìn)尺30 m 左右,遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于采用大管棚或深孔注漿的施工進(jìn)度。采用水平旋噴樁每米增加費(fèi)用6 000～8 000 元,低于大管棚、深孔注漿和水平凍結(jié)諸法所需費(fèi)用,具有很好的技術(shù) 經(jīng)濟(jì) 優(yōu)勢(shì)。6 　結(jié)束語(yǔ)    水平旋噴樁在我國(guó) 應(yīng)用 和 研究 起步較晚,目前大多數(shù)還處于試驗(yàn)階段,在施工工法、數(shù)值模型、 理論 研究和機(jī)械選型配套方面還有大量工作要做。隨著我國(guó)地下工程的 發(fā)展 ,水平旋噴樁的研究也將進(jìn)一步深入, 相信在不久的將來(lái),水平旋噴樁在地下工程軟弱地層中會(huì)得到逐步推廣,大顯身手。