高压旋喷桩加固流塑黄土底层施工技术总结.docx
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高压旋喷桩加固流塑黄土底层施工技术总结
高压旋喷桩固化隧道湿软黄土地层施工技术总结
（吕梁环城高速公路项目部徐云叶朋）
摘要高压旋喷桩是以高压旋转的喷嘴将水泥浆喷入土层与土体混合，形成连续的水泥加固体，从而有效固结了软弱地层，提高了围岩自稳能力。
梨树塔隧道通过采用高压旋喷桩加固湿软黄土地层，达到了湿软黄土隧道快速施工的目的，实践表明实施效果良好，为类似工程积累了经验。
关键词隧道涌泥沉陷湿软黄土高压旋喷桩
1.工程概况
1.1隧道概况
梨树塔隧道为吕梁环城高速公路全线重点控制性工程，隧址区位于黄土残塬丘陵区，地形起伏较大，黄土冲沟发育。
隧道最大埋深100米，最小埋深28米。
左线起止里程ZK17+730～ZK18+845，全长1115m；右线起止里程K17+708～K18+870，全长1162m。
隧道洞身主要位于
黄土和
红粘土地层中,
黄土为粉质粘土，硬塑～流塑状，块状整体结构；
红色粉质粘土，呈软塑～硬塑状，块状整体结构，夹杂有砾石和姜石层。
和
界面以及
红粘土中砾石和姜石层为两个含水层，开挖过程中出现点滴状出水，局部出现线状出水。
1.2出口右洞概况
梨树塔隧道出口右洞设计为Ⅴ级深埋围岩，超前支护采用φ42的注浆小导管，环向间距40cm，长3.5m；初期支护采用I18a钢拱架，间距为75cm，喷C25混凝土25cm，铺设φ8钢筋网片，间距20×20cm，拱墙设φ25全螺纹早强药包锚杆，长3m，纵横向间距75×100cm，每环设4根φ25锁脚锚杆；二次衬砌采用现浇C25钢筋混凝土，厚度为45cm。
2013年4月1日掌子面里程K18+600，初期支护变形沉降过大，随即会同设计院现场察看后对支护参数进行调整。
K18+600～K18+520段采用双层拱架，内侧I20工字钢，外侧I16工字钢，间距60cm；二衬厚度增加至55cm。
（衬砌结构图见图一）
图一双拱架衬砌结构图
2013年6月1日，K18+560掌子面出现湿软黄土涌出、初期支护下沉，暂停掌子面掘进，拟采用盖挖法施工。
6月6日挖掘机在平整场地过程中发生地表沉陷，形成直径37米，深19米陷坑，掌子面大量涌泥，涌出量越2100m³，造成挖掘机被埋，衬砌台车剪切变形损坏。
（见图二、图三）
图二地表沉陷图三洞内涌泥
2.原因分析
梨树塔隧道右洞K18+560～K18+480段埋深33-40m，据钻探揭示，该段隧道大部分位于
和
界面上，该界面上土层为可塑状，为潜水含水层。
2011年、2012年降水量大，因该段地势为局部凹地，切地表黄土垂直裂隙发育，降雨后难以形成地表径流，易造成地面降水大量入渗，汇积于含水层中，使可塑地层转变为流塑，造成土体强度降低，致使掌子面土体涌出，地表土体形成塌坑。
现场试验测得涌泥含水率为31.4%，液限为28.4%。
图四洞顶地貌图五流塑黄土
3.处理方案
6月30日至7月1日，设计院邀请相关专家，会同建设单位、监理单位、施工单位，在现场调查资料的基础上，召开了梨树塔隧道专题会议，综合考虑隧址区的地形、工程地质、水文地质条件以及施工安全、工期、造价等因素，经分析论证，确定采取高压旋喷桩固化洞身湿软黄土处置方案。
同时对初期支护参数调整。
3.1平整场地
测量放样处理范围，按1:
0.75坡率开挖至旋喷桩桩顶标高，并回填密实K18+560处黄土塌坑，清除地表种植土、垃圾，场地平整度能够满足旋喷钻机施工行走需要。
修建临时便道，保障材料正常进出场。
3.2施做洞顶防排水系统
洞顶周边低洼处设纵向截水沟，将地表水引入横向排水沟内排出，施作时，将基底夯实后进行砌筑，并根据实际地形将排水设施的设置位置、设置长度、标高等做适当调整，使之更加完善合理，防止雨水对洞顶围岩的冲刷。
3.3旋喷桩加固
高压旋喷桩设计参数：
总桩数2627根，桩径60cm；桩间距，洞身段间距80cm，洞身两侧间距依次为80cm、100cm、120cm、150cm，梅花形布置。
加固范围，右洞洞身两侧8m范围内；加固深度为隧道顶8m以下至仰拱底5m。
高压旋喷桩注浆水泥为42.5级普通硅酸盐水泥，水灰比1:
1，掺水玻璃2%～3%；注浆压力不小于20MPa，桩体28d单轴抗压强度不小于5MPa，施工前现场试桩，确定最终注浆参数，根据地质条件禁止采用水钻。
高压旋喷桩分3阶段施工，第一阶段：
K18+560～K18+530；第二阶段：
K18+530～K18+510；第三阶段：
K18+410～K18+480。
施工时先进行第一阶段，通过对洞身土质围岩类型、含水量等情况分析，若洞身处于软塑至流塑状土层地段，则进行下一阶段的加固。
施工时通过洞内开挖土体情况判断，三个阶段全部进行了旋喷桩处理。
图六高压旋喷桩加固方案图
3.3.1施工方法的选择
高压旋喷桩施工有单管法、二重管法、三重管法，单管只输送喷射浆液；二重管输送喷射浆液、气两种介质；三重管输送喷射水、气、浆液三中介质。
介于隧道洞身范围土体饱水，不考虑三重法，在单管和二重管之间选择，通过试桩单管法和二重管法均满足设计桩径60cm要求，在考虑施工成本的情况下，确定采用单管法。
3.3.2施工机具的选择
高压旋喷桩施工机具主要为钻机和高压注浆泵，钻机钻孔深度、输出转速、提升速度、高压注浆泵注浆压力、输出流量等参数要能够满足施工需求，此外还应配备压力、流量、注浆量的显示装置，压力表须经标定。
通过试桩，我部选择的四川钻神岩土工程设备制造有限公司XP-50A型锚固旋喷钻机和天津聚能有限公司XPB-90D高压注浆泵能够满足要求。
表1XP-50A型锚固旋喷钻机参数表
钻孔深度
50～60m
旋喷角度
-5°～90°
输出转速
正：
19、38、70、120rpm反：
22rpm
提升力
额定24KN，最大30kn
给进力
额定16KN，最大21kn
提升速度
0～25cm/min（可调）
额定扭矩
1500N•m
表2XPB-90D高压注浆泵参数表
电机最大转速
1340r/min
柱塞行程
100mm
理论流量
电机功率
柱塞直径（mm）
55
75
90
m³/h
L/min
额定排出压力（Mpa）
6
100
22
32
38
50
5
85
28
39
45
45
4
66
33
45
55
40
3.3.3测量放样
平整场地后，由测量人员对旋喷桩中心位置进行准确放样、抄平，将桩位用钢筋桩插入，并标明该桩桩号、钻孔深度及成桩标高。
图七桩位放样图
3.3.4试桩
为了更准确地获得高压旋喷桩施工技术参数，施工前选择了具有代表性的地段进行成桩工艺性试验。
水泥用量按试验确定的300Kg／m、325Kg／m和350Kg／m各2根，两处地段共6根试桩，注浆压力分别采用22、25MPa。
需确定的技术参数主要包括：
喷射压力、浆液流量、提升速度、旋转速度、水泥用量、成桩直径、桩体强度等。
试桩前预先试验设计各项参数，通过实际试桩参数与设计参数对比，以及现场试验检测数据分析来最终确定施工参数。
表3高压旋喷桩设计参数表
桩号
水泥用量（Kg/m）
喷浆量（L/m）
注浆压力（MPa）
浆液流量（L/min）
提升速度（cm/min）
旋转速度（r/min）
桩径（mm）
桩体强度（MPa）
A-10
300
389.6
22
100
25
22
≥600
≥5
300
389.6
25
100
25
22
≥600
≥5
A-15
300
389.6
22
100
25
22
≥600
≥5
300
389.6
25
100
25
22
≥600
≥5
D-2
325
422.1
22
100
23
22
≥600
≥5
325
422.1
25
100
23
22
≥600
≥5
D-6
325
422.1
22
100
23
22
≥600
≥5
325
422.1
25
100
23
22
≥600
≥5
G-18
350
454.5
22
100
22
22
≥600
≥5
350
454.5
25
100
22
22
≥600
≥5
A-23
350
454.5
22
100
22
22
≥600
≥5
350
454.5
25
100
22
22
≥600
≥5
表4高压旋喷桩试桩实测参数表
桩号
水泥用量（Kg/m）
喷浆量（L/m）
注浆压力（MPa）
浆液流量（L/min）
提升速度（cm/min）
旋转速度（r/min）
桩径（mm）
桩体强度（MPa）
A-10
304.5
395.5
22
98.9
25
22
643
5.8
302.7
393.1
25
98.3
25
22
650
6.3
A-15
303.8
394.5
22
98.6
25
22
611
5.5
301.4
391.4
25
97.9
25
22
667
6.1
D-2
326.2
423.6
22
97.4
23
22
626
5.7
325.9
423.2
25
97.3
23
22
653
6.4
D-6
327.7
425.6
22
97.9
23
22
609
6.6
327.1
424.8
25
97.7
23
22
635
5.8
G-18
355.4
461.6
22
96.9
21
22
624
6.2
353.5
459.1
25
96.4
21
22
627
6.7
A-23
352.3
457.5
22
96.1
21
22
635
6.5
351.6
456.6
25
95.9
21
22
621
6.3
高压旋喷桩成桩3天后，对桩径进行了开挖测量，测量桩径均大于600mm，能够满足桩径600mm的设计要求。
28填后试验测得高压旋喷桩单轴抗压强度均大于5MPa，能够满足设计要求。
现场实测取得个各项参数与预先试验设计的参数基本一致。
最终确定以下符合技术要求的参数进行桩基大面积施工。
水泥用量：
300Kg/m；喷浆量389.6L/m；注浆压力：
22Mpa；浆液流量：
100L/min；提升速度：
25cm/min；旋转速度：
22r/min。
图八桩体强度试验图九桩头
3.3.5旋喷桩施工工艺
（1）施做洞内止水墙
旋喷桩施工前，用沙袋做好止水墙，并采用φ100打孔PVC管作邻水排水系统。
如下图所示
图十洞内沙袋止水墙
（2）旋喷工艺流程
图十一高压旋喷桩施工工艺流程图
（3）钻机就位
设备进场，在技术员的指挥下钻机调平、对准桩位，依机架两边所吊线锤平行机架为准，亦可用水平靠尺调整，倾角不大于0.5°。
高压设备与管路系统畅通，符合安全要求。
管路系统的密封良好，各管道和喷嘴内不能有杂物。
钻进过程中，钻机因故下陷倾斜，需及时调整。
（4）钻进成孔
启动钻机边旋转边钻进，在钻进成孔过程中，为防止泥砂堵塞喷嘴，高压喷嘴边射浆、边钻进，至设计标高后停止钻进。
桩顶至地面高度内的虚桩不要求成孔直径，可适当加快钻进速度，钻进至设计桩顶标高再放缓速度。
钻进过程中记录好安装的钻杆数量，钻杆每节长度2米，通过地面标高和钻杆总长度推算是否钻至设计底标高。
（5）旋喷注浆
在旋喷注浆前先检查高压设备和管路系统，设备的压力和排量必须满足施工要求。
各部位密封圈必须良好，各通道和喷嘴内不得有杂物，并做高压水射水试验，合格后方可喷射浆液。
旋喷作业系统的各项工艺参数都必须按照拟定施工参数进行控制，并做好旋喷时间、用浆量、冒浆情况等的记录。
喷浆时，先达到预定的喷射压力、喷浆旋转30秒，水泥浆与桩端土充分搅拌后，再边喷浆边反向匀速旋转提升注浆管，直至距桩顶1米时，放慢搅拌速度和提升速度。
保证桩顶密实均匀。
中间发生故障时，应停止提升和旋喷，以防桩体中断，同时立即检查排除故障，重新开始喷射注浆的节段与前段搭接不小于1m，防止固结体脱节。
（6）拔管冲洗
喷射注浆施丁完毕后，把注浆管等机具设备冲洗干净，管内和机内不得残存水泥浆。
再把浆液换成水在地面上喷射，以便使泥浆泵、注浆管和软管内的浆液全部排出。
（7）移动机具
将钻机等机具设备移至新孔位上进行下一个桩基施工。
旋喷施丁全过程，值班技术人员和试验检测人员必须时刻注意观察监控浆液初凝时间、注浆流量、压力、旋转提升速度等参数是否符合拟定要求，并随时做好记录。
3.4洞内支护参数调整
高压旋喷桩加固段隧道支护采用软弱层段支护参数，软弱层段支护参数为：
超前支护采用φ42的注浆小导管，环向间距35cm，长3.8m；初期支护采用I20a钢拱架，间距为50cm，喷C25混凝土27cm，铺设φ8钢筋网片，间距20×20cm，拱墙设φ42灌浆径向锚管，长4m，纵横向间距50×100cm，每环设4根φ42灌浆锁脚锚管；二次衬砌采用现浇C25钢筋混凝土，厚度为45cm。
3.5地表恢复
在地表高压旋喷桩加固隧道围岩后，地表回填80cm粘土及50cm种植土，恢复绿化，并设置洞顶永久排水沟。
4.实施效果
洞内开挖揭示，高压旋喷桩实施效果良好，对湿软黄土地层加固成效显著，优点如下：
（1）改善隧道受力状况。
旋喷桩固结体形成了良好的应力环，承受了外部沙土地层的土压力，减小了洞内初期支护钢架、喷射混凝土和网片的受力。
（2）加快隧道施工进度。
旋喷加固之前出口右洞基本处于停滞状态，月进尺不足10米，加固后施工进度显著加快，日进尺达到1～1.5米。
隧道开挖过程中无塌方，拱部、边墙薄弱处钢拱架无劈裂现象。
（3）止水效果好。
旋喷桩固结体强有效的止水效果，开挖掌子面和喷射混凝土表面干燥无水、围岩稳定性较好。
图十二旋喷桩加固洞内效果
5.结束语
实践表明，高压旋喷桩加固湿软黄土地层效果良好，确保了隧道开挖的安全性和可靠性。
该技术施工方便、工艺简单、加固见效快、施工工期短，有很好的经济效益和社会效益，有很大的推广价值。
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