水平旋喷桩施工在隧道塌方治理中的应用

  来源:安全管理网 点击:  评论:  更新日期:2018年06月13日

    在隧道施工塌方治理中,由于围岩地质的特殊性,无法采用常规支护治理措施确保施工安全,从而快速的通过塌方段。本文结合包西铁路新九燕山隧道一大型塌方段的综合治理,阐述了在饱水粘土层塌方体中,综合各种治理措施,重点阐述了水平旋喷高压劈裂注浆的加固机理、和施工作用,为类似的工程加固施工提供了借鉴和参考。
    包西通道新九燕山隧道位于包西线延安至甘泉北区间,起迄里程为DK514+049~DK523+402,全长9353m。隧道正洞DK520+150~DK521+115段为Ⅳ围岩深埋地段,洞身位于页岩夹砂岩层中,浅灰~灰绿等色,砂岩薄层~中厚层状,泥质胶结,局部夹炭质页岩,层理发育,节理较发育,岩体软硬不均,相对破碎,风化差异大,○Ⅳ级软石,风化层厚2~5m,局部达20m。
隧道正洞上半断面开挖支护至DK520+601时,正洞上半断面DK520+565~DK520+601段发生塌方,塌体出露围岩岩性为强风化页岩,开挖中可见岩体间为黄色泥膜、硬塑,塌方首先从拱部开始,延伸至拱部约120°范围,经钻探量测,塌方体长30~36m,塌方量超过3000立方米。
塌方原因分析:隧道拱顶距土石分界面较近,垂直距离为12~13m,且顶部岩体节理发育,完整性差;土石分界面附近有上层滞水,该层滞水对拱部围岩压力较大;下部隧道开挖后拱部围岩收敛变形,导致岩体节理张开,上部滞水下渗,对围岩产生较大压力后在开挖爆破震动的诱因下,造成塌方。
塌方后采用管棚对塌体上部进行支护,但该塌方体主要为拱顶粘土层,且水量较大,经长时间浸泡已基本无自稳能力,呈现塑性涌出,无法进行开挖作业,已施做的管棚受上方塌体砸压且下部塌体遇水软化下陷,无法承受塌腔内饱和土体自重,如开挖塌体则存在较大安全隐患。为此,需采取新的塌体治理措施后,方可进行掘进施工。
塌方体治理方案
该隧道施工进度压力大,直接影响到整条线的正常通车,出现如此大规模的塌方并且多种支护方案均告失败在施工中非常少见,针对上述复杂情况,专门就该隧道的工程地质条件、水文地质条件、塌方原因、支护方案的选择与确定、支护机理及效果分析等多方面进行充分的分析和研究,在此基础上,确定了一套实用且有效的施工方案。
  塌方处理一般分两阶段进行,首先进行塌体封闭,防止塌方继续扩展,施工中采用喷射砼对塌方体进行封闭,因塌体饱水压力较大,喷射砼前进行了挂网作业,并在塌体下部埋设花管泄水孔;其次,进行塌体加固、处理,塌方治理主要方法有管棚预支护法、注浆加固法、冷冻固结法、锚杆(小导管)超前加固法、明挖法、盖挖法等。上述各种施工方法的施工过程、效果与可靠性比较如下:
  管棚预支护法:该塌方段已完成管棚的支护施工,但因塌体较长,施做的管棚无法嵌入前方稳固基岩,且塌体上方塌腔较大,充填了大量饱和粘土,管棚支护力有限无法承载此巨大压力,且管棚间间隙较大,流塑状粘土容易下漏使塌方进一步发展,存在安全隐患,无法开挖。
注浆加固法:该法从工作面向塌体打入钢花管,注入水泥浆液,对塌体进行固结,改良塌体的物理状态,使之恢复自持能力,与未扰动围岩共同作用,防止塌方扩大及拱部坍塌,恢复掌子面开挖。注浆采用的设备较小,造价少施工简便,施工性能良好;压入浆液可以改良围岩,对拱部的坍塌防止效果好,可靠性高,但作用范围有限,只适合于小型塌方治理或大形塌方综合治理的辅助措施。
  冷冻法:运用制冷机冻结塌方段,从中掘进支护;从塌体饱水状态看冷冻法是最理想的固结、支护塌体的方法,但冷冻法费用很高,且施工周期长,不符合工期要求,操作过程工作环境要求高、设备昂贵故放弃此方案。
  锚杆(小导管)超前加固法:运用凿岩机钻孔,打入锚杆或小导管,利用锚杆小导管的悬吊、锚固作用固结塌方体;此法作用范围、效果具有局限性,在岩体隧道中方能起到锚固作用,该塌体为流塑状粘土,故不采用。
  明挖法、盖挖法:此两种方法是将塌方体从地表直接挖开然后施做支护结构;此法施工安全可靠,效果好,但只能在近地表、工作量较小地段施工,该隧道埋深超过80m,无法采用。 
  通过比较,管棚超前支护法和注浆固结法适合于该塌方的治理,但根据该隧道塌方区大小及塌体工程地质条件,这两种方法均不能独立完成塌体固结、支护作用,主要因素有:由于大量粘土的存在无法直接采用常规注浆的加固方案,常规注浆要求被加固体有良好的导浆特性,浆液渗透、围裹塌落物并在凝固后相互粘结形成一整体,而粘土是注浆法中浆液扩散最不利的地质层,且受水浸泡后处于饱和状态,具有良好的隔水性,注浆后浆液不能有效扩散,扩散半径很小;而初期采用的管棚施工,因塌体软弱,潜孔钻无法成孔钢管不能插入有效长度,制约了管棚施工,为此,改用钢管套丝跟管施做大管棚,解决了软弱塌体管棚作业成孔问题,但因为需要将整根管棚钢管切成若干段套丝连接,所以承载力大大下降,管棚的棚护、支撑上方塌体能力减弱,且因塌体注浆效果差,管棚的压浆固结作用也大打折扣。
针对上述情况,为使得管棚的棚护作用及注浆固结作用充分发挥,结合塌方体的工程地质特性及工期、降低成本方面考虑,引人高压旋喷注浆加固的施工方法,来解决该塌方段的超前加固、封堵上部滞水问题,形成水平旋喷帷幕体,防止塌体开挖过程中管棚间隙的漏土、滑泥,解决塌体开挖问题。
其主要加固机理及优点为:
在管棚间隙上方施做同角度水平高压旋喷桩,桩与桩相互咬合,并将管棚有效包裹,形成上部旋喷固结桩体受压、下部纵向管棚受拉的简支受力结构体,有效承载塌腔内塌体自重压力,并对塌方体开挖过程中管棚间隙的漏土、涌泥起到封堵作用;
为防止掌子面前方塌方体在开挖后涌出,使管棚失去下部支撑点,还必须对开挖面内土体进行预固结,这样就可形成管棚前端支撑在稳定塌体上、后方开挖后支撑在钢拱架支护上,确保了施工的安全。根据塌体饱水特点,采用水玻璃、水泥的双液浆作为压浆材料,充分发挥水玻璃的排水、速凝固结作用,利用塌体下方的泄水管排除开挖面塌体的水分并压浆固结;
水平旋喷桩还具有以下优点:
    ①质量可控,水平旋喷搅拌桩内部质量均匀、稳定,根据塌体物理性状采用合理的压力、间距可使桩与桩之间相互咬合,在管棚上方形成一个防塌、防渗的连续帷幕体,为下部塌体开挖提供安全保障;
②同管棚、超前小导管协同作用,受力更好,可以有效解决管棚、小导管在非透水性围岩中压浆无法扩散或扩散半径小的问题,使管棚、小导管被水泥搅拌桩包裹、互相咬合,提高棚护效果;
③高压旋喷桩无需成孔,解决软弱围岩成孔困难问题,且其钻进、搅拌、注浆可同步进行,施工效率高、时间短,符合工期要求;
④旋喷桩注浆位置可控,可以根据工程需要准确的对谋部位进行注浆,可通过注浆压力,桩间距、注入的浆液材料、配比等的调节,获得最佳的固结效果;
⑤设备投入小,操作简单,无需大型设备,工艺比较容易掌握,可根据地质情况在浆液中加入其他化学浆液,提高凝结强度和凝结速度;
⑥经济效果好,旋喷搅拌桩由于压浆范围可控,不会串浆,相对于其他高压注浆用浆量受控,且不需要埋设注浆管(钢管),节省钢材,成本较低;
4、水平旋喷桩的注浆原理:首先需要较高的注浆压力,是在原常规注浆的基础上,应用高压喷射注浆技术而发展起来的一项土体加固技术。水平旋喷桩是以高压泵为动力源,通过水平钻机钻杆将带有特殊喷嘴的注浆管置入土层的预定位置后,喷嘴把配置好的浆液喷射到土体内,喷射流以巨大的压力将一定范围内的土体射穿,并在喷嘴作缓慢旋转和进退的同时切割土体,强制土颗粒与浆液搅拌混合,待浆液凝固后,形成水平圆柱状固结体即水平旋喷桩。当旋喷桩相互结合后,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,起到防漏、防渗透的作用。
施工应用
  根据以上分析计算,结合高压劈裂注浆的施工工艺要求及塌方区的具体情况,做出如下施工方案:
    1、在塌体同性状土体内做旋喷试验,确定注浆压力、浆液配比及有效桩径,经过试验,在压力不小于18MPa下经过反复试验旋喷搅拌桩径能够达到50cm,桩体强度可达到3~5MPa,水泥浆液采用1:1拌制;
2、对塌体封闭、设止浆墙,采用砼加固原塌体封闭喷射砼,并在止浆墙下部预留排水孔;
3、已施做大管棚环向间距30cm,根据试验旋喷桩径可达到50cm,所以采用在拱部120°设环向间距40cm与管棚同角度(外插角3°)的旋喷桩,相邻桩间咬合10cm,确保桩与桩能够互相咬合且能包裹大管棚;4、旋喷桩每根桩钻进到位后,退杆喷浆时间控制在10~15分钟,即每分钟退杆1.5m,钻杆旋转速度控制在15转/分钟;

小导管注浆布置图
5、旋喷桩在施做过程中,因塌体软弱,其钻深长度不宜过长,过长会
造成桩尾部向下偏移,所以旋喷桩桩长控制在15~20m,采用打设两个循环对塌方段进行棚护支撑;
6、根据塌体工程性质,对旋喷桩下(开挖面内)塌体采用水泥、水玻璃双液浆小导管压浆加固,利用水玻璃的排水、速凝性质,对塌体内部土体进行排水固结,为塌体开挖提供条件,确保开挖后前方土体稳定,同时为开挖面前方管棚、旋喷桩提供支点,使开挖工作范围位于管棚旋喷桩前方支撑在固结塌体上、后方支撑在新立拱架上的安全棚护下,确保施工安全;
7、塌体注浆小导管长6米,周边两环外插角5°-8°,内部水平施做,打设到位后用锚固剂封口并从下而上注双液浆加固塌体,完成一循环6m小导管注浆后开挖3m,中施做下一循环,直至塌方通过。   
效果验证
    按照以上施工方案,经过精心组织施工,用时2个月,完成了对该隧道的塌方处理施工任务,其中水平旋喷桩作为超前支护的有力措施,在后期塌体开挖中起到了主要的支护作用。
该方案中水平旋喷超前支护与大管棚形成了刚性较大的拱棚,在水平旋喷柱体相互咬合形成的旋喷拱棚,承载了塌腔内堆积体的自重压力,隔绝了上层滞水进一步下渗侵害软化围岩,有效控制了上部流塑状粘土从管棚间隙下漏,为塌体开挖提供了安全的作业空间,确保了该隧道大型塌方体顺利开挖通过。

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