缑智强

摘 要：水平高压咬合旋喷桩加管棚加固技术是利用工程钻机在定向情况下，在预定位置钻孔，再用高压旋转的喷嘴，喷射浆液冲击切割土体，使水泥浆液与土体搅拌混合固化，相邻桩体咬合搭接成整体，同心施作管棚增加拱部承载应力。本文主要探讨水平高压咬合旋喷桩加同心管棚在隧道软弱黄土围岩加固中的应用，以期为类似工程提供借鉴。

关键词：隧道;黄土软弱围岩;水平高压咬合旋喷;同心管棚

中图分类号：U455.4文献标识码：A文章编号：1003-5168（2021）16-0105-03

Abstract： The reinforcement technology of horizontal high-pressure occluded jet grouting pile and pipe shed is to use the engineering drilling rig to drill holes at the predetermined position under the directional condition， and then use the high-pressure rotating nozzle to spray slurry to impact and cut the soil， so as to mix and solidify the cement slurry and soil. The adjacent piles are occluded and overlapped as a whole， and the pipe shed is applied concentrically to increase the bearing stress of the arch. This paper mainly discussed the application of horizontal high-pressure interlocking jet grouting pile and concentric pipe shed in the reinforcement of tunnel soft loess surrounding rock， in order to provide reference for similar projects.

Keywords： tunnel;loess weak surrounding rock;horizontal high pressure occluded jet grouting pile;concentric pipe shed

1 工程概况

簸箕湾隧道起讫桩号为ZK40+375～ZK42+475，长2 100 m，隧址区上覆地层为第四系滑坡堆积黄土状土、崩坡积黄土夹泥岩。洞身围岩上层覆盖黄土，下层为泥岩、泥质砂岩夹层，岩质外观发黄，设计均为Ⅴ级围岩，最大埋深200 m。隧道进出口位于黄土沟壑坡面上，山体植被稀少。由于常年受风雨侵蚀，沟壑较深，自然坡度为30°～50°，隧道中部山顶及山坡较为平缓，多为开垦地，局部成直立状，植被不发育。

隧道区域属温带半干旱气候区，气候自然分区属甘东黄土山地区。降水稀少，遇雨季有暴雨，昼夜温差大，冬季较长。区内多年平均降雨量为390 mm，降水分布不均匀，多集中在7—9月，占全年降水量的60%左右。主导风向为NNW，平均风速为1.28 mm/s;年平均气温为5.9 ℃，极端最高气温为39.8 ℃，极端最低气温为-27.2 ℃。隧道洞身范围内地表水不发育，但随地表降雨量而增加，以点渗水或流水为主。隧道出口右侧约50 m，黄土与泥岩交界面附近见泉眼，不排除存在地下水的情况，可能存在渗水、涌水现象。

2 现场施工情况

2020年4月底，隧道出口掌子面开挖至ZK42+142处时，拱部右侧出现局部涌泥，形成宽约3.5 m、纵向约2.5 m、高约10 m的塌腔，随后采取预案对局部涌泥进行处治。5月6日至8日，连续发生强降雨水。由于雨水大量下渗，长时间浸泡，导致ZK42+142处二次出現大量涌泥，并在地表形成陷坑，直径约为10 m，深约为20 m。同时，后方ZK42+155至ZK42+142处初期支护钢拱架出现沉降变形，侵限最大尺寸为18 cm。对洞内涌泥含水率进行测量可知，ZK42+165、ZK42+155、ZK42+145三处含水率分别为19.5%、21.6%、21.7%。为防止坍塌进一步扩大，导致已施工初支二次坍塌，项目部决定停止掌子面施工，采用洞外运土反压掌子面，并且施打纤维锚杆加喷射混凝土的方法封闭掌子面。ZK42+142掌子面涌泥处纵断面见图1。

3 处理方案

3.1 处理工法

该坍塌段隧道地质为强、中风化砂砾岩，泥质砂岩，泥岩、上覆盖黄土埋深50 m，在ZK42+142处拱顶偏右侧出现局部涌泥现象。项目部组各参建方相关专家，在保证施工安全可行、质量可控的原则下提出以下处治方案：①洞外运土反压稳定掌子面，确保掌子面安全稳定，同时，对地面塌坑周围做好安全防护，防止水倒灌，在塌坑四周施作排水沟，并用泡沫混凝土回填部分塌坑。②在DK42+169～ZK42+142段设置临时支撑，确保结构安全，防止塌方范围持续扩大。同时，加大洞内量测频率，观测初支变化情况。③按照坍塌涌泥纵断面图，从ZK42+152处开始对拱部加固，再对侵限段落进行换拱处理，对换拱、坍塌段采用S5d复合式衬砌。

3.2 坍塌处拱部加固方案

根据各参建方对拱部加固措施的讨论，初步提出了如下方案。①该坍塌段位于浅埋冲沟处，埋设50 m，可以采用地表大直径深孔袖阀管注浆加固（加固在拱部以上10 m范围），降低了围岩含水率，增强了掌子面及拱部围岩稳定性后掘进。该工艺被应用在宁西高铁上阁村黄土富水隧道，效果显著。②在洞内掌子面及附近初支采用超前小导管帷幕注浆加固，纵向注浆长度不小于25 m，径向注浆范围至隧道开挖轮廓线外3～5 m，防止地下水渗透至掌子面，增加拱部围岩稳定性，提高施工安全性。③洞内拱部范围采用水平高压咬合旋喷桩加固地层[1-4]，同时，同心设置管棚，拱部形成帷幕承载拱。旋喷桩直径60 cm，桩有效长度25 m，环向29根，咬合距离10 cm;管棚为Φ108 mm×6 mm钢管，长25 m。

3.3 拱部加固方案选择

采用地表大直径深孔注浆法加固拱部不合适，因为黄土土体黏性大，渗透困难，注浆效果难以保证，临时占用农田面积大，噪声影响大。采用超前小导管帷幕注浆，小导管外插角、搭接长度不易控制，注浆易出现死角，开挖中仍会出现坍塌、掉块。而采用水平咬合旋喷桩加管棚加固隧道拱部地层，按预定的方向钻孔，高压旋转的喷嘴喷射浆液冲击切割土体，破坏原有土体结构，具有固化土体的作用[3-5]，使拱部径向3 m范围内土体能够有效固结。加之同心管棚增加了旋喷桩刚度，起到了良好的支撑作用。因此，此方法适宜拱部加固处理。

4 水平咬合旋喷桩加同心管棚加固方法

4.1 加固范围及处理目的

按照隧道坍塌情况，利用水平高压咬合旋喷桩加同心管棚，对隧道拱部120°范围进行加固。旋喷桩直径为60 cm，纵向长25 m，共29根;其外插角3°，咬合距离10 cm;同心施打Φ108 mm×6 mm管棚增加拱部刚度，防止开挖过程中拱部掉块而导致二次坍塌冒顶现象。水平高压旋喷咬合桩加同心管棚加固如图2所示。

4.2 水平咬合旋喷桩加同心管棚施工工艺

利用水平咬合旋喷桩加同心管棚加固软弱围岩及塌方体，钻孔外插角控制在5°～10°，以36 MPa压力喷射浆液冲击切割土体，将浆液与土粒强制搅拌混合，在土体中形成一个圆柱状固结体;同心施打Φ108 mm×6 mm的管棚并注浆，提高围岩的抗剪强度，增强拱部承载能力。具体施工工艺如下。①钻机就位。移动旋喷桩机到指定桩位，钻头对准孔位中心，调整钻机对中偏差不大于1.5%，以0.5 MPa射水试验检查喷嘴是否畅通，压力是否正常。②制备水泥浆。首先，按照配比在搅拌机中加入已量取的水，再加入预先准备的水泥，开机搅拌过滤合格浆液备用。水泥浆液水灰比为1∶1，比重为1.512，水泥采用PO42.5普通硅酸盐水泥。③钻孔。用旋喷机一次钻孔到位，拔钻杆插入选喷嘴，以较小压力（0.5～1.0 MPa）边下管边射水，钻孔分两次施作，纵向搭接不小于5 m。④喷射作业。喷嘴到孔底位置，停止钻进，启动高压泥浆泵，压力达到36 MPa、座底喷浆30 s后，边喷浆边旋转，慢速拨出钻杆。依据试桩参数检查注浆压力、注浆流量、旋喷机的旋转速度、推拉速度等，并做好施工记录。⑤管棚作业。旋喷桩施工完毕，将准备好的Φ108 mm×6 mm的帶孔管棚同心打入预设位置，管内注浆，排气孔有浓浆液流出，封堵排气孔，持压3 min封堵。⑥冲洗作业。循环作业完成后，用清水将旋喷管、高压管、高压泵等机具清洗干净，确保下次作业机械性能良好。

5 处理效果分析

簸箕湾隧道ZK42+152～ZK42+132段坍塌处理，采用水平高压咬合旋喷桩加同心管棚技术，整体效果良好。①掘进过程中，掌子面涌泥得到了有效控制，流水现象明显减少。②加固改善隧道受力状况，掌子面稳定性较好。③水平高压咬合旋喷桩加同心管棚联合支护，形成良好的支撑应力，减小了初期支护受力。开挖过程中未出现掉块、坍塌的现象，支护后表面无裂纹，快速通过塌腔。④变形段换拱，监控量测数据正常，施工安全可控。

6 结论

簸箕湾隧道涌泥坍塌、初支变形侵限段，采用水平高压咬合旋喷桩加同心管棚联合支护处治措施，有效控制了黄土软弱浅埋隧道的施工风险，确保了隧道安全掘进，达到了预期的效果。通过研究，得到如下结论：①水平高压咬合旋喷桩对黄土、泥岩、泥质砂岩土地质有良好的处治效果;②拱部施作咬合旋喷桩，对围岩固结效果好，避免了开挖过程出现大量掉块和桩间涌流土现象，拱部整体固结效果良好，有效控制了初支变形侵限;③旋喷桩内增加同心管棚联合支护，增加了支撑应力，减少了初支承载，达到了安全施工的要求。实践证明，采用水平高压咬合旋喷桩加同心管棚联合支护，对软弱、浅埋、变形坍塌、涌泥等地质加固效果显著，对类似围岩有借鉴意义。

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