高压水平旋喷桩超前支护技术在铁路隧道工程中的应用.pdf

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现代隧道技术器善嚣墨驴LLlNG高压水平旋喷桩超前支护技术在铁路隧道工程中的应用文章编号：

10096582（2014）02010807高压水平旋喷桩超前支护技术在铁路隧道工程中的应用肖广智游旭（中国铁路总公司工程管理中心，北京10084）摘要文章介绍了高压水平旋喷桩的机理、特点、施工工艺、国内外应用情况及工程实例，提出了在隧道与地下工程中采用高压水平旋喷桩作为超前支护的适用条件及技术发展建议。

关键词水平旋喷桩隧道超前支护适用条件施工工艺中图分类号：

U4557文献标识码：

A1高压水平旋喷桩的机理及特点11高压水平旋喷桩的机理水平旋喷桩成桩机理：

采用水平定向钻机钻孑L，钻至设计深度后边拨钻杆边把浆液喷射到土体内，借助流体的冲击力切削土层，改变土体结构。

钻杆一边低速（20rmin）旋转，一边f速度15。

30cmmin）徐徐外拔使土体与水泥浆充分搅拌混合，胶结硬化后形成直径比较均匀、具有一定强度（0580MPa）的桩体，从而使地层得到加固。

当旋喷桩相互咬接后，便以同心圆形式在隧道拱顶及周边形成封闭的水平旋喷帷幕体。

水平旋喷桩不仅具有梁效应、拱效应和土体改良加强效应，能够起到防流沙、抗滑移，保证隧道掘进安全的作用；同时在旋喷过程中水泥浆液能沿着地层的缝隙渗透扩散，尤其在涌水量较大的地层中，水泥浆液扩散填充缝隙后可起到止水效果。

12高压水平旋喷桩技术特点

（1）强度高在高压旋喷过程中，土体与水泥浆充分混合，形成一种类似混凝土的固结体其强度比一般的水泥浆体强度高。

（2）均匀性强在成桩过程中高压水泥浆喷射流可以将较大的块状土体破碎，使其充分与水泥浆液混合，形成水泥浆液与土体较均匀的混合体。

（3）可控性强水平旋喷的浆液局限在土体破坏范围内，浆液注入部位和范围可以控制，可通过调节注入参数（切削土体压力、固化材料注入速度与配比、注入量等）获得满足设计要求的固结体。

（4）综合效果好具有提高复合土体强度、防渗、抗滑、预支撑等多重作用。

2水平旋喷技术在国内外应用情况21国外应用情况日本和意大利是研究开发水平旋喷技术较早的国家意大利RODIO公司于1983年首次将水平旋喷技术用于隧道预支护，美国80年代开始使用此项技术，1987年此项技术首次在南美应用。

目前，该技术在意大利、日本等国家应用较为广泛。

22国内应用情况国内部分铁路科研和院校进行了试验研究但修改稿返回日期：

20131225作者简介：

肖广智（1964一），男，教授级高级T程师，主要从事隧道与地下T程的技术管理，E-mail：

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里堂竖V0151N02TotalNo355Apr2014万方数据高压水平旋喷桩超前支护技术在铁路隧道工程中的应用现代隧道技术MODERNTUNNELLINGTECHNOLOGY未进行工程推广应用。

例如：

铁道科学研究院于1987年在内蒙古乌兰浩特附近轻亚粘土地层中进行了水平旋喷试验：

石家庄铁道学院从1994年起开始水平旋喷机的研制和水平旋喷技术的研究工作，先后在厚砂质粘土地层和松散细砂地层做过水平及倾斜旋喷工艺试验。

近年来随着国内外技术交流的增进和国内隧道施工技术的发展，已有部分专业公司掌握了水平旋喷技术，并开始大量工程应用，取得了非常好的效果。

3采用高压水平旋喷桩在隧道内进行超前支护的适用条件结合工程实践提出采用高压水平旋喷桩在隧道内进行超前支护的适用条件如下：

流塑状、孑L隙率小、开挖后自稳能力极差的地层，如含水砂层、淤泥地层、含水全风化地层、第三系含水未成岩地层等。

（1）进行高压喷浆前应检查高压注浆泵。

检查钻杆接头处是否漏气，喷嘴是否堵住。

（2）在孑L底高压喷浆时应停留一定时间，然后再缓慢外拔钻杆，同时高压喷浆。

（3）当钻杆拔至孔口050m时停止注浆关闭浆液通道，再缓慢拔出钻杆，进行封孑L作业。

（4）每根高压旋喷钻杆拔出后应立即用清水高压冲洗干净，避免残留浆液凝固，避免下次旋喷时残留颗粒物堵喷嘴。

（5）喷浆参数：

浆液水灰比一般为1：

1，注浆压力一般为3540MPa。

44封孔喷浆至孔口掌子面050m时停止喷浆，卸下孑L口管最外端的密封装置，关闭循环液排出口，快速拔出钻杆和钻头，关闭大球阀，补注浆。

4高压水平旋喷桩施工装备及工艺4-5清洗管道及设备在隧道内应用高压水平旋喷桩可采用国外先进成套设备，也可国内自行研发，两者都已在国内多个工程中使用。

国外先进成套设备价格高，但施工效率高。

进度快，适合大断面作业；国内自行研发的设备价格低，作业灵活，单台设备施工速度较慢，综合造价较低。

41施工准备

（1）设备进场及检验。

（2）测量放线定桩位。

（3）钻机安装：

平整工作平台，安装油泵、高压泵。

（4）设备安装好后，按技术交底调整钻机角度、方位，对准孔位，孔位误差控制在+50mm以内。

（5）根据施工方案和技术交底要求的配比配制水泥浆，浆液搅拌必须均匀；在制浆过程中应随时测量浆液比重，每孑L高喷灌浆结束后要统计该孑L的材料用量：

浆液用高速搅拌机搅制，拌制浆液必须连续均匀搅拌时间不小于3rain，一次搅拌使用时间亦控制在4h以内。

42钻进为确保钻孔质量，应首先打设12个探孔，查明地层变化情况及地层对钻孑L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。

43高压旋喷每根桩施工完毕后都应用清水高压冲洗管道及设备，确保管道内不留残碴，清洗完毕后移至下一桩位。

5应用实例对国内早期水平旋喷桩应用情况的调研发现，国内早期水平旋喷桩多应用于地铁施工中，主要用于应对富水饱和土体、涌泥涌砂、流塑状粘性土等软弱地质，由于设备、工艺技术等因素影响，工程效果不甚理想。

近年来随着工艺、技术的提高及设备的改进，高压水平旋喷加固技术已基本成熟，在兰渝铁路桃树坪、大西客专上白、厦深客专梁山等铁路隧道应用中取得了非常好的效果，使施工受阻的隧道工程得以顺利推进。

51兰渝铁路桃树坪隧道

（1）概况桃树坪隧道位于新建兰州一重庆铁路LYS一7标段内，隧道起止里程为DK3+435DK6+655，全长3220m，为单洞双线隧道，开挖面积140余m2。

隧道穿行于黄河高阶地下部，地形起伏大，相对高差达200m以上，最小埋深处仅6m，地表上沟谷发育，下切较深隧道下穿多个垃圾回填的浅埋沟谷、青兰高速、312国道、厂矿企业、密集的居民区。

为加快施工进度，后期新增了5个施工斜井。

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璺些璺9V0151，No2，TotalNo355Apr2014万方数据现代隧道技术笔酱麓裂NELLlNG高压水平旋喷桩超前支护技术在铁路隧道工程中的应用

（2）工程难点及水平旋喷超前加固技术的引进桃树坪隧道于2009年正式开工，设计地层为第三系未成岩砂岩，实际揭示掌子面地层为富水粉细砂层，开挖后地层自稳性差，易涌泥涌水，初期支护变形大，多次产生坍塌。

施工严重受阻。

为解决施工安全、进度难题，各工作面开展了不同的工艺工法试验研究。

结合意大利“新意法”超前加固掌子面核心土、实现大断面开挖的理念，2011年元月决定在出口工区原采用CRD工法开挖掘进至DK6+462时（进洞183m），进行水平旋喷桩超前支护和加固掌子面地层，以及大断面开挖新工法试验研究。

（3）水平旋喷超前加固进行了三方面的旋喷加固，即周边水平旋喷桩（6600mm，拱墙单排400mm间距咬合布置）、掌子面玻璃纤维锚杆旋喷桩（1500mm1500mm梅花形布置）、大直径锁脚旋喷桩（西600mm，长6m）。

水平旋喷桩开孑L、加固断面见图1、图2。

置量1523扩挖后拱架1462周边旋喷孔扩挖前拱架】50。

掌子面磊蜀1旋喷7L。

型2量ox兰型引I水平旋喷桩丌孔横断面（啦位in）Fig1Horizontaljetgroutingholes卜!

墅一图2水平旋喷桩加固纵断面（单位：

cm）Fig2Profileofreinforcementbyhorizontaljetgroutingpiles水平旋喷桩纵向长度18m，开挖15m，预留3m作为循环搭接。

周边水平旋喷桩桩体之间紧密咬合形成完整的帷幕体系，充分保护开挖时对周边围岩土体的扰动，有效阻挡涌泥和流沙：

掌子面玻纤锚杆旋喷桩设计为梅花形布置，主要目的是稳定掌子I建兰!

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里宴坚V0151，No2，TotalNo355Apr2014面正前方土体，防止土体向外流塌；锁脚旋喷桩代替了传统的锁脚锚杆，起到临时封闭成环的作用，使软岩隧道的“落底”工序变得比较安全。

锁脚旋喷桩长度为8m，桩径600mm，斜向隧道两侧下方30。

一45。

打设每榀拱架之间左右拱脚处各一根。

另外还进行了超前长导管降水和隧底垂直深井降水。

工法得以实现的最核心机械是PST一60单臂隧道钻机（最大功率155kW，重量66t，作业半径3765m最大高度107m）及其配套的7T一505型高压大流量泵站（图3、图4）。

这套设备的主要技术优势体现在钻机的25m通长钻杆，钻孑L施作过程中不需要加卸钻杆，一次性进钻成孔、退钻旋喷成桩，既大大提高了施工效率，又保证了成桩质量。

避免了停钻、流量不足带来的断桩、缩径、桩体未咬合等一系列的质量问题，40min就可完成l根桩。

SGM45水泥搅拌站拥有两个35t容量的水泥立罐，并且配备一个20t备用水泥存储罐，配备自动拌浆系统及设备运转情况检查系统。

两个搅拌桶双轴搅拌可完成连续搅拌要求，保证了快速成桩时的水泥浆供给。

罔3PST一60咿臂隧道钻机Fig3，IPS1-60singleainllrillingIT沁图47T-505型高压大流量泵站及SGM45水泥搅拌站Fig4The7T一505high-pressurehigh-capacitypumpstationandSGM45cementmixingstation初步成本核算结果为旋喷注浆工法每延米成洞的成本2527万元左右其中水平旋喷超前预加固万方数据高压水平旋喷桩超前支护技术在铁路隧道工程中的应用现代隧道技术MODERNTUNNELLINGTECHNOLOGY的成本约占总成本的50左右为1213万元左右。

（4）效果评价桃树坪隧道出口采用水平旋喷桩支护、掌子面加固、超前降水、隧底降水等技术措施后，实施了台阶法开挖。

较其它工作面采用“CRD”法施工减少了内部支撑工序，提高了施工进度，拱顶沉降量仅为2cm（而“CRD”法施工时沉降量一般为3012m，部分地段沉降过大、侵限甚至坍塌）。

施工安全性和质量得到大大改善。

52厦深铁路梁山隧道

（1）工程概况梁山隧道为厦深铁路福建段最长的隧道，全长9888m，为全线控制工程之一。

隧道位于福建省漳州市漳浦县和云霄县境内，最大埋深680m，主要穿越地层为燕山早期第四次侵入晶洞花岗岩及第二次侵入黑云母花岗岩基岩中分布多次侵入辉绿岩和闪长玢岩。

线路坡度为人字坡，隧道共设进151、出IZI、1”斜井、2。

斜井四个工区。

其中1”斜井与正洞交于DK96+044斜井长62lnl：

24斜井与正洞交于DK98+403斜井长2527ITI。

（2）实施背景2009年3月14日。

4月6日，l号斜井工区正洞遇L7软弱带先后发生多次突水涌泥灾害，总涌泥量约20000m3。

同时洞顶发生塌陷，陷坑处隧道埋深270m，陷坑近似椭圆形，上宽下窄，长轴长约57m。

短轴宽约33m，深约1525m，陷坑面积约900m2深约1525m。

经补勘，L7软弱带宽约26m，夹层物质为全风化花岗岩夹辉绿岩、闪长玢岩，呈砂状和土状，极富委葡S譬1怍窀环向扩挖12m、水。

与线路平面夹角为610，延伸长度约23km，深度270m。

涌泥及地表塌陷发生后采用左侧迂回导洞进行施工，靠近软弱带时实施了帷幕注浆和大管棚超前预加固措施。

2010年3月迂回导洞施工进入软弱构造带75m时（DK96+5285），再次发生多次间歇性突水涌泥，总涌泥量约5500m3，原地表塌陷区坑底再次发生坍塌，成漏斗形加深约15m。

在对帷幕注浆、冻结法、水平旋喷等超前加固措施进行了比选和多次专家会议论证后，最终确定在实施右侧高位迂回泄水洞泄水的前提下，正洞采用水平旋喷超前预加固方案。

（3）水平旋喷加固方案（图5）在开挖轮廓线外拱墙范围设置4环水平旋喷桩预加固，旋喷体厚155In。

其中外侧3环主要作用为改良地质、承载和阻水；内侧1环主要作用是为超前大管棚钻：

LC,J造条件。

为防止发生隧道底鼓或管涌破坏，仰拱底部设置2环水平旋喷注浆预加固，旋喷体厚085in。

旋喷钻孑L长40m外倾角为25，最小旋喷体直径为西500mm，环向中心间距为035m，相邻旋喷体相互咬合015m：

相邻环水平旋喷体中心间距035m，交错布置，相互咬合：

旋喷体设计抗压强度I3MPa。

采用初期支护+双层二次衬砌，CRD工法开挖。

水平旋喷设备：

水平钻机（国内专业公司自制、90kW）5台，自制环形台架1台（图6），高压泵（160kW）2台，泥浆泵、潜水泵各2台，自制搅拌机（搅浆桶）2台，空压机2台。

实际功效为57根d。

成本情况：

隧道每延米综合单价81万元，每延米水平旋喷加固费用为55万元，水平旋喷占比68似搿扎鑫黜愕龚拱墙4环曩平旋喷顾加固I譬鬈襄4径1歪小卜士500mmJ钻彳L进人预测软I40m旋喷钻II砧，L址m口瓠拱墙串15味帅夫管栩加强J弱带对一界嘶5m点护及朴难浆f蹦中未示JIIIf、签壁地堡勘瓣辱径J挂壁麴堂痢。

I冬15水平旋11次JJIl布置（一丫if移：

in1）、ig5Iotll，frt_inlbr（ellltllllJ）11【JlTizontajelgrot,tingpiles第5l卷第2期I总第355期）2014年4月出版lllV0151No2TotalNo355Apr2014趟陬产燮水烈kr驴万方数据现代隧道技术器裂NELLlNG高压水平旋喷桩超前支护技术在铁路隧道工程中的应用图6水平旋喷自制环形台架Fig6Homemadeannularrackforhorizontaljetgrouting（4）效果评价由于工程本身的特殊性（长距离、高风险性），采用了孑L内成像、钻孑L取芯、水文观测及开挖揭示验证等多项措施进行了水平旋喷桩施作质量效果验证。

通过验证，在软弱带中水平旋喷获得了预想的均匀、连续并具有一定强度（大于3MPa）的加固体。

开挖过程中仅有局部细微渗水。

隧道已于2012年11月顺利贯通。

5-3大西客专上白隧道

（1）工程概况新建铁路大同至西安客运专线上白隧道位于山西省闻喜县境内，为单洞双线隧道。

隧道全长1717m，设单面坡，自进口至出I=1为145。

的上坡，最大埋深12622m。

隧道所属地区为黄土台塬地貌，冲沟发育，地形起伏较大；山体绵延起伏，大部分被黄土覆盖，沟谷深切较大，多呈”U”及”V”字型，地表多为耕地及林地。

全隧道均穿越不同程度的干燥水平粉细砂层，安全风险高，施工难度极大。

（2）实施背景上白隧道于2010年6月813实现进洞施工，7月23日拱部开始出现砂层，砂层物理性质为粉细砂，干燥、密实、呈松散结构此种砂层受开挖扰动后立刻呈现流砂及涌砂状态，短时间内即形成堆积体。

开挖过程中滑砂、流砂、涌砂现象严重施工进展极为缓慢，工期风险大，已成为大西客专全线隧道头号难点工程，2011年2月被列为铁道部极高风险隧道。

2010年10月1213、11月24日大西公司两次组织召开了由国内著名隧道专家参加的较大规模的施工方案研讨会，根据纪要精神，施工中主要采取密排超前小导管结合注浆的试验处理方案。

在采取密排小导管施工的5个月时间内分别对超前小导管及注浆参数进行了多次加强调整，但均未解决掌子面爻苎!

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里堂竖V0151，No2TotalNo355Apr2014涌砂问题。

2011年初，结合兰渝铁路桃树坪隧道砂层段施工经验开始对粉砂层采用超前水平旋喷桩进行预加固试验。

水平旋喷桩按隧道断面1800范围内布置。

长度为18m，桩径600mm，桩间距350mm，外插角度为35，每循环搭接3m。

掌子面设置梅花形水平旋喷桩（图7）。

图7水平旋喷桩布置断面（单位：

m）Fig7Layoutofhorizontaljetgroutingpiles水平旋喷超前预加固咬合桩施工采用3台三一SJl80咬合桩钻机机组施工f图8）。

其中包括：

三一SJl80钻机（国内专业公司改装）、自制台架、电动空气压缩机（20m3min）、注浆用灰浆搅拌机（2400L）、液压注浆泵（140Umin）、离心式泥浆泵（280m3h一26m）。

在全断面砂层情况下进度指标为13耐月初步成本核算结果约为2527万元延米。

图8施工现场照片Fig8Constructionsite（3）工程效果经试验水平旋喷桩效果较好（图9，图10），在全隧道中应用后解决了长期困扰施工现场的施工安全和进度问题，该隧道已于2013年5月513实现贯通。

目前在铁路隧道中采用水平旋喷桩作超前支护的案例已逐渐增多，如莞惠城际松山湖隧道、昆玉铁“iijin土jijji：

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砂M洲蚕|j丽删万方数据现代隧道技术高压水平旋喷桩超前支护技术在铁路隧道工程中的应用器裂NE。

L1NG图9水平旋喷桩支护效果Fig9Supporteffectofthehorizontaljetgroutingpiles图10采用超前小导管支护漏砂情况Fig10Thesandleakageundertheadvancesmallpipesupport路宝峰隧道下穿高速公路、广深港客专福田站下穿深圳地铁区间及商业街等，均很好地解决了隧道施工安全和进度问题。

6在隧道T程中应用高压水平旋喷桩目前存在的问题与建议高压水平旋喷施工技术在国外非常成熟在国内正逐步开始应用。

存在的主要问题为：

一是没有定额，使得设计无法合理计价：

二是国外进El设备价格较高，增加了成本；三是国内自行研发的设备还较少，使得高压水平旋喷施工技术大量应用受到一定限制。

因此，建议有关部门尽快制定相关定额，加快专用设备研发，为高压水平旋喷施工技术在隧道与地下工程中的应用创造条件。

7结束语高压水平旋喷桩在隧道施工中用作超前支护，具有刚度大、强度高、施工可控性强等优点，在含水砂层中或淤泥地层中应用保证了掌子面的稳定，初期支护变形小，施工安全度高，进度可控，丰富了软弱破碎地层隧道施工的技术手段。

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