冯 波

(中铁十一局集团有限公司， 重庆 400000)

我国交通运输行业已进入高速时代，对公路、铁路选线提出了更高要求。我国山岭众多，新建高速公路、高速铁路，隧道占比越来越高，隧道建设中遇到浅埋段的情况不可避免。

隧道进出口浅埋段覆盖层岩土体多破碎，风化严重，节理裂隙发育，洞身沟谷浅埋段易汇集地表水，隧道开挖后围岩受卸荷、遇水软化效应影响较大，浅埋段开挖时极易出现坍塌、涌突水等灾害，对隧道建设带来较大困难。

现阶段隧道浅埋段常用的加固方法分为洞内加固及洞外地表加固，洞内有超前小导管注浆、洞内水平旋喷桩、超前小导管、超前锚杆加固等[1-3]。隧道浅埋段的地表加固方法包括注浆法、水泥土搅拌桩法和高压旋喷桩法等[4-7]。

高压旋喷桩法是利用高速浆液对地层土体进行切割、搅拌，使浆土混合并凝固为具有一定强度和完整性的固结体以对地层进行加固的方法[8-11]，它可提高地层强度、抗渗性、完整性及开挖后的围岩稳定性，减小浅埋段地表沉降，改善支护结构受力，降低围岩渗透性，减少隧道后期运营阶段的衬砌水害，确保隧道施工及运营安全。在隧道软弱浅埋段，高压旋喷桩法具有适用地质条件范围广、成桩效果好、加固深度大、施工设备简单、对周围生态环境影响小的特点，因此，该法在隧道软弱浅埋段地表加固工程中应用较广。

依托云茂高速公路新屋隧道高压旋喷桩地表加固工程，旨在介绍高压旋喷桩法在隧道软弱浅埋段加固应用中的施工工艺及方法，并提出施工技术难题的解决方案，结合现场监测对新屋隧道浅埋段的加固效果进行评价。

1 双管法高压旋喷桩加固技术

1.1 施工工艺

双管法高压旋喷桩法施工流程可分为施工准备、钻机就位、制备水泥浆、钻孔插管、提钻旋喷、桩头处理、机具清洗、补浆等，如图1所示。

图1 高压旋喷桩施工工艺流程

1.2 施工过程

1.2.1 施工准备

1) 施工前应明确桩位、编号、施工顺序、水电线路和机具预设位置；2) 确定施工工艺及机械器具、配套设备、废浆处理措施；3) 对施工场地进行处理：将地表软弱土层进行清理，使地层能够承受旋喷桩机自重而不陷沉，保证场地平整，能将桩机水平放置，做好场地四周排水，为废浆处理做准备；4) 在平整后的场地中安置机具，连接仪器。应保证高喷旋喷的钻孔机具应满足能在施工地层中单独钻进成孔；所用的输浆管、喷头、喷射钻喷杆应密封可靠；输浆管应连接顺直，喷嘴定向应准确。

1.2.2 钻机就位

移动旋喷桩机到指定桩位，将钻头对准孔位中心，同时整平钻机，放置平稳、水平，钻杆的垂直度偏差不大于1%～1.5%。钻机就位后，首先进行低压(0.5 MPa)射水试验，用以检查喷嘴是否畅通、压力是否正常。

1.2.3 制备水泥浆

水泥浆制备按设计的配合比进行，步骤如下：1) 将水加入桶中，再将水泥倒入，开动搅拌机搅拌10 min～20 min；2) 拧开搅拌桶底部阀门，放入第1道筛网(孔径为0.8 mm)，过滤后流入浆液池；3) 通过泥浆泵抽进第2道过滤网(孔径为0.8 mm)，第2次过滤后流入浆液桶中备用。

1.2.4 钻孔插管

1) 启动钻机，同时开启高压泥浆泵低压输送水泥浆液，使钻杆沿导向架振动、射流成孔下沉，直到桩底设计标高；2) 插管过程中应注意观察工作电流不大于额定值，为防止泥砂堵塞喷嘴，可用较小压力(0.5 MPa～1.0 MPa)边下管边射水。旋喷桩插管如图2所示。

图2 高压旋喷桩钻孔插管

1.2.5 提升喷浆管、搅拌

1) 喷浆管下沉到达设计深度后，停止钻进，但保持旋转不停；2) 高压泥浆泵压力增到施工设计值，保持坐底喷浆30 s；3) 边喷浆边旋转，按照设计和现场试验确定的提升速度提升钻杆。若为双管法施工，在达到设计深度后，应立即接通高压水管、空压管，开动高压清水泵、泥浆泵、空压机和钻机进行旋转，并用仪表控制压力、流量和风量，分别达到预定数值时开始提升，直至达到预期的加固高度后停止。

1.2.6 桩头部分处理

1) 当旋喷管提升接近地表时，应降低提升速度旋喷；2) 旋喷管离地表1 m时暂停提升，保持旋喷数秒后再向上慢速提升0.5 m；3) 离地表0.5 m时再次暂停提升，保持旋转数秒后慢速提升至停浆面。

1.2.7 清洗

施工完毕应把注浆管、压浆机等机具设备冲洗干净，管内、机内不得残存水泥浆液。清洗管道常用方法是把水泥浆液换成水，在地面上喷射，直至把泥浆泵、注浆管软管内的浆液全部排出。

1.2.8 补浆

喷射完成后，由于浆液的析水作用，一般均有不同程度的收缩，使固结体顶部出现凹穴，要及时用水灰比为1∶1的水泥浆进行补灌。

2 旋喷桩施工中易出现的问题及预防措施

2.1 不同性质地层下的桩体缩颈

对穿越多种地层的桩体而言，其施作过程中若旋喷参数保持不变，极易造成在不同地层桩径不一。为避免坚硬地层中的成桩发生明显缩颈形成“葫芦桩”，主要采取增加复喷次数、增强喷射压力的方式进行处理，以此提高桩体直径。对整个桩体在不同地层中施作时，可通过调整旋喷参数和复喷次数来保持桩体直径的一致性。

2.2 高压旋喷桩冒浆量异常

在旋喷过程中，随着喷射管的提升，通常会有部分浆液会裹挟岩土体颗粒沿喷浆管壁冒出地面，即冒浆。根据工程经验，冒浆(内有土粒、水及浆液)量小于喷浆量20%属正常现象，超过20%或完全不冒浆则属于非正常情况，应查明原因。冒浆不正常的常见原因及可采取的措施如下：

1) 施作时不冒浆。通常是由地层中存在较大空隙引起，可在浆液中掺加适量的速凝剂缩短固结时间，使浆液在一定土层范围内迅速凝固，阻止后续浆液从裂隙渗出；此外，若缝隙体积不大，也可在空隙地段增大喷浆量，填满空隙后再继续正常旋喷。

2) 冒浆量过大。主要是因有效喷射范围与喷浆量不相适应，喷浆量大大超过旋喷固结所需的浆量所致。减少冒浆量的措施通常有提高喷射压力、适当缩小喷咀孔径、加快提升速度和旋转速度3种。

2.3 高压旋喷桩桩顶凹穴

当采用水泥浆液进行旋喷时，由于浆液的析水作用，浆液与岩土体搅拌混合后的凝固过程中会出现不同程度的收缩，造成在固结体顶部出现一个凹穴，其深度一般0.3 m～1.0 m。旋喷桩硬化后桩顶凹穴如图3所示。

图3 固结体顶部凹穴

桩顶凹穴现象对加固区的防渗堵水极为不利，若隧道浅埋段的高压旋喷桩地表加固工程有防渗要求，则必须采取措施对凹穴现象予以消除。目前常用的处理措施为：在旋喷完毕后开挖出固结体顶部，在凹穴中灌注混凝土，或在凹穴中再次进行旋喷，直至填满凹穴。

2.4 高压旋喷桩钻孔垂直度偏差

在高压旋喷桩加固工程具有较高防水要求时，对桩体垂直度有较高要求。桩体之间应保持较好的搭接距离，通常高压旋喷桩垂直度偏差不应大于1%，实际钻孔位置与设计位置偏差不应大于50 mm[12]。在实际高压旋喷桩加固工程中，钻孔垂直度的保持是一个技术难点，施工中常常出现钻杆偏斜，以致桩体倾斜，显著降低了防水效果。出现钻杆偏斜主因有以下2种：

1) 高压旋喷桩机位置摆放不当。施工过程中，受现场条件限制、施工人员工作经验的影响，旋喷桩机设备可能一开始就出现了摆放倾斜的情况；施工过程中，旋喷桩机动力系统振动较大，试验区地表耕植土层承载力不足，也可能造成桩机枕木两端不均匀沉降，引起桩机倾斜。

2) 地层存在孤石，造成钻头钻进偏移。对于钻孔垂直度偏差，根据情况可采取以下不同措施：

(1) 为保证初始施作时设备摆放平整，预先对场地整平，在枕木下方布设石块降低桩机不均匀沉降；钻机就位后，现场配备水平尺，每钻进1 m～2 m用水平尺校核1次机架水平度，不符合要求时立即纠正，做到施工全过程采用水准尺校准桩机垂直度。

(2) 对于孤石造成钻头偏移的情况，采用了降低钻头钻进速度、增加钻头旋喷速度的措施；卵石层钻进困难时，下钻速度保持在5 cm/min左右，旋喷速度保持在18 r/min左右，具体施工参数根据现场情况，并由机具操作人员现场作出适当调整。

3 工程应用

3.1 工程概况

新屋隧道为分离式双向4车道隧道，单洞长约2 500 m，浅埋段位于隧道洞身，在隧道纵向总长约400 m，位于沟谷地段，最小覆土层厚度约为7 m。浅埋段围岩等级为Ⅴ级，隧道掌子面采用三台阶法开挖，上台阶采用机械开挖，开挖进尺1 m，中台阶、下台阶和仰拱采用爆破开挖。初期支护由间距50 cm的I20a型钢、长度3.5 m的Φ25中空注浆锚杆、Φ6钢筋网、26 cm的C25喷射混凝土组成。二次衬砌采用50 cm厚C30混凝土，钢筋Φ22@5。超前支护采用双层小导管，长度4.0 m。锁脚采用3.5 m长Φ42导管，每环12根。

围岩为耕植土、粉质粘土、淤泥质粉质粘土、细砂、粉质粘土、强风化变质砂岩、中风化变质砂岩。地表水系发育，浅埋段位于洞身段，为多条冲沟交汇处，周围山体陡峭，汇水面积较大，地表常年有溪水流淌，有排水形成的天然冲沟，且浅埋段附近存在鱼塘和大片水田，如图4所示。

图4 浅埋段场地情况

现场施工期间排水的困难极大，隧道洞内围岩稳定性差，对隧道建设及运营带来了极大隐患。

3.2 加固范围

浅埋段高压旋喷桩横向加固范围为隧道左右洞两侧各超出轮廓线3 m，横向整体加固宽度约19 m。旋喷桩加固深度为打入强风化变质砂岩层0.5 m，如图5所示。

单位：cm

3.3 加固参数

高压旋喷桩主要设计参数为桩体直径60 cm，桩间距为120 cm，采用三角形布桩方式；施工参数为浆液压力22 MPa～24 MPa、提升速度18 cm/min、浆液流量75 L/min～80 L/min、提升速度15 r/min～18 r/min；浆液采用水灰比1∶1的纯水泥浆液。

3.4 分层施工及困难

新屋隧道浅埋段高压旋喷桩最大桩长15 m，竖向加固范围内自上而下依次是耕植土、粉质粘土、卵石土、全风化变质砂岩、强风化变质砂岩，5种地层性质差异较大。耕植土和粉质粘土层的密实度、标准贯入值均较小，土体软弱，成桩效果较好；卵石土中卵石强度较高，对浆液切割土体的作用进行了一定的阻挡，桩径无法保证；全风化变质砂岩、强风化变质砂岩的密实度、标贯值相对较大，采用在软土中的常用施作参数，浆液压力不足以充分切割搅拌地层，成桩质量亦难以保证。

新屋隧道试验区覆盖层存在约0.8 m厚的碎石卵石层，卵石磨圆情况差，呈尖棱状；钻机钻井至该地层时，出现卵石层钻进困难，钻杆摆动幅度增大的现象。初步分析为：钻头钻进过程中遇到大粒径孤石，难以钻进，钻头偏向周围较软弱土体，导致钻孔偏斜和钻杆摆动幅度增大，如图6所示，主要采取降低钻头钻进速度，增加钻头旋喷速度的措施解决这一困难。

图6 卵石碎石地层样芯

4 加固效果

为对新屋隧道浅埋段高压旋喷桩加固的效果进行评价，在洞内开挖过程中进行了现场监测工作，地表高压旋喷桩施作完成后进行了现场取样测试和现场开挖检查等工作。

4.1 加固后桩体强度

高压旋喷桩养护28 d后，基本成桩，具备一定的强度，对加固区桩体进行样芯取样，并进行强度测试，加固各种地层中的3组桩体样芯无侧限强度均在10 MPa左右，较之加固前原地层嵌固提高了几十倍，表明旋喷桩的施作对地层强度的提高作用显著。加固区桩体现场取样如图7所示。

图7 现场钻孔芯样

4.2 现场监测及现场开挖

为评价旋喷桩加固后隧道开挖时的围岩稳定性及围岩抗渗性，在开挖过程中对围岩压力、拱顶沉降、地表沉降、孔隙水压力等进行了监测，对洞内开挖后的渗水情况进行了观察。

1) 围岩稳定性

根据监测数据，隧道开挖后浅埋段加固区的地表最大沉降为50 mm，隧道拱顶的沉降最大值为42 mm，初支所受的最大围岩压力为56 kPa。在加固前，浅埋段围岩软弱，直接进行洞内开挖难度较大；采用高压旋喷桩加固后，浅埋段洞内开挖后的支护结构变形及地表沉降均较小，支护结构承受的围岩压力也较低；可见，高压旋喷桩的施作使围岩的自承能力较加固前得到极大的增强，提高了围岩的稳定性，为洞内安全施工创造了条件。

2) 围岩抗渗性

根据现场孔隙水压力的3组监测数据可知，加固区外围地下水位较高，而加固区围岩孔隙水压力较小，约10 kPa，且在较长时间里加固区孔隙水压力未变化，表明加固区外的地下水难以渗入到加固区。此外，根据加固区的洞内开挖情况，掌子面较为干燥，仅存在少量渗水，并未出现大量渗水；加固区洞内开挖情况，如图8所示。综合孔隙水压力监测情况和洞内开挖情况可知，旋喷桩的施作极大地提升了浅埋段的抗渗性，降低了洞内开挖时发生涌突水的风险。

图8 加固区洞内开挖掌子面干燥

5 结束语

1) 高压旋喷桩在隧道浅埋段加固技术流程与高压旋喷桩的传统应用场景并无较大差别，但在技术工艺上有较高的控制要求。

2) 高压旋喷桩施工时主要技术难题是桩身缩颈、冒浆异常、桩顶凹穴、钻孔垂直度偏移等，结合地表加固工程实际情况，提出了相应的解决措施。

3) 旋喷桩加固后浅埋段地层强度、稳定性、抗渗性都得到了极大提高，隧道开挖过程中未出现塌方、涌水等灾害，表明旋喷桩在隧道浅埋段加固效果很好。