水平旋喷隧道预支护施工技术水平旋喷隧道预支护技术简况

水平旋喷隧道预支护施工技术水平旋喷隧道预支护技术简况隧道水平旋喷“预支护”控制变形有关技术及变形有关量测研究一、在松散不稳定地层中，预支护是控制隧道变形的重要技术措施，而水平旋喷用作预支护，其高压射流切割周边土体并混合胶凝成柱状固结体，可在粘土、淤泥、松砂地层中成柱直径大，强度高，质量可靠，旋喷柱体间可环向完全咬合、纵向良好搭接的预支护拱棚，在松散含水不稳定地层隧道施工中，可有效止水、防流砂、防止坍塌、控制地层变形，提高地层稳定性，保证施工和支护结构的安全。所采用的TGD-50型水平旋喷机结构新颖，可实现液压升降及水平，倾斜和竖直旋喷作业；液压系统简单，操作维修方便，各项性能参数合理，造价低。这套设备和工艺在国内属首创。该项成果已成功应用于风积粉细砂隧道、黄土偏压隧道工程预支护。成果已通过铁道部鉴定，铁道部科教司发函（科教基函[2001]140号），要求下属各设计、施工单位，结合有关工程，推广该成果。因此，即将开工建设的神朔铁路复线风积粉细砂隧道等工程将应用该项新技术。二、水平旋喷隧道预支护技术与国内外同类技术的比较1．水平高压旋喷注浆技术的开发及应用与隧道施工技术的发展有密切关系。在覆盖层较薄的松软层，如含砂地层及淤泥质地层，邻近建筑物和地中埋设物对隧道暗挖施工引起地层扰动要求严格时，修建地下建筑物面临着地层不稳定，容易引起坍塌和地面过量沉陷等问题。以前解决办法一般是在地面注浆加固地层后再进行开挖。而传统的水泥浆或化学浆液静态注浆都有注浆效果不易控制，仅适用于中粗砂等颗粒较粗、空隙度比较大的地层。静压注浆压力低，达不到注浆效果，压力过高会引起地面隆起，损坏地面建筑物。高压喷射注浆开发成功使各国工程技术界想到利用它来提高围岩的稳定性。开始是从地面竖直钻孔在隧道周边进行高压旋喷，当地面有建筑物或地面交通繁忙时，也有从侧上方进行倾斜钻孔旋喷。竖直和倾斜钻孔旋喷受到地面场地限制，隧道埋深较大时，旋喷桩体之间不易搭接完善，受固结体之间粘结强度及抗剪强度控制，加固范围比较大。据此，人们自然想到用水平钻孔旋喷注浆来加固地层。2、在松软自稳能力差的地层中修建隧道时，为保证开挖面的稳定性，防止坍塌和引起严重地面沉降通常采用“预支护”技术。常用的预支护技术有：注浆超前小导管、大管棚、水平旋喷和预切槽。注浆超前小导管是在洞室开挖面前方，沿隧道开挖轮廓打入直径φ40,长3m,间距30cm左右的小钢管,并进行管内注浆,然后再进行开挖的方法,其优点是无需大型设备、施工方便，其缺点是一次支护长度短，支护刚度小，注浆效果不易控制等，难以满足地层压力大，断面大时对隧道稳定性和地面沉降控制的要求。大管棚是在洞内开挖面前方，沿隧道开挖外轮廓利用专用管棚钻机或地质钻机打入直径大于φ80，长度大于10m，间距在30cm的大钢管，然后再进行开挖的方法。其优点是一次支护长度大，支护刚度大，其缺点是造价高，在含水砂层、非常松散的细粒土及淤泥质地层中，管棚缝隙之间会出现流水流砂现象。预切槽是在洞内开挖面前方，沿隧道开挖外轮廓利用专用预切槽机械切割出槽状空隙，空隙填充砼形成预支护，然后再进行开挖的方法。其优点是切割对地层扰动小，其缺点是受切割机械的限制，一次切割长度短（小于2.5m），造价高，槽内砼不易密实，同时国内尚无此种施工机械和技术。水平旋喷预支护是在洞内开挖面前方，沿隧道开挖轮廓利用水平旋喷机按间距50cm，长10m以上进行钻孔，当钻至设计长度后，高压泵开始输送高压浆液，钻头一边旋转一边后退，浆液从钻头处直径φ2.5左右的喷嘴中高速射出。射流切割下的土层与喷出的浆液在射流的搅拌作用下混合，最后凝固成直径大于60cm旋喷柱体。在环向让相邻柱体之间相互咬合，在开挖面前方形成整体性较好的旋喷拱，具有较好的抗压和抗弯性能，可有效防止流砂；所形成的固结体强度比原状土极大程度地提高。由于高压射流对固结体周围土体的挤压和渗透作用，固结体周围土层的物理力学性能也有显著改善；由于预支护是在开挖前就已深入到开挖扰动范围以外，旋喷预支护形成的刚性较大的拱棚能有效地减少开挖面前方拱棚以外地层的扰动和位移。开挖后，预支护拱就会立即发挥作用，抑制了围岩的大部分位移，承受了大部分地层压力。这就保持了松软地层在隧道开挖后的稳定，大大减少了隧道开挖引起的地表沉降。3、研制出的TGD-50型多功能旋喷机获得国家专利（专利号ZL96-2-205-09﹒5），针对我国岩土及地下工程的实际需要与购买能力，使研制的旋喷机既能满足旋喷工法的需要，又能满足工艺相近的其它岩土工程施工；既使旋喷机性能可靠，又使其轻便、操作简单，便于维护，且造价低；主要用于水平旋喷，也可用于倾斜或竖直旋喷，还可用作锚杆钻机或其它一般用途的地质钻机。该旋喷机升降爬杆、后爬杆缸浮动位，钻塔前端可左右摆动等技术先进，使整套钻机动能全，操作方便，产品通过了企业标准及标准化审查，通过了铁道部产品质量监督检验中心的检验，钻机各项性能参数达到或超过设计要求。经过国家专利局审查，目前国内尚无此种类型的旋喷机产品，故获该项实用新型专利（专利号ZL96-2-205-09.5），填补了国内此项设备的空白，与国外同类产品比较具有功能基本齐全，但售价大大降低的特点。4、水平旋喷加固地层技术能够在松散不稳定地层中有效防止坍塌，控制变形，提高地层稳定性，保证施工安全。填补了我国水平及倾斜旋喷设备和技术空白，为我国岩土工程加固技术及软弱地层隧道预支护技术提供了新的手段。通过机理分析，掌握了旋喷射沉切割、置换搅拌土体的影响规律，通过工艺试验和工程实际测试，提出了合理的工艺参数和浆液配方，找到了旋喷柱体成型规律，为旋喷技术在工程中的推广应用和参数设计提供了重要依据。实现旋喷柱体间环向良好的精度一次旋喷预支护段长度，由国外一般11～13m，最长16m，发展到12.5～13.5m，最长达17.5m。实现单管旋喷柱体直径，在旋喷压力20～25Mpa，砂土地层平均直径在60cm以上，国外一般在40Mpa左右，柱体直径达到60cm要求。（1）喷射流的动压力作用这是喷射流破坏土体的最主要作用，从孔径很小的喷咀中射出的高压喷射流，速度很大，携带有很高的能量。当喷射流冲击土体时，由于受冲击土体的区域较小，因此在此区域上产生很大的冲击压力，从而使此区域内及其周围一定范围内的始应力场改变，当土体中的应力状态达到其破坏临界数值。土体原来的结构便遭到破坏。喷射流介质密度和喷咀截面积一定时，喷射流的破体力和速度的平方成正比，面喷射压力越高流速越大。通过提高高压泵工作压力来增大喷射速度，从而提高喷射流的破坏力是比较合理的途径。（2）喷射流的脉动引起土体的疲劳作用由于用于旋喷的高压泵一般都是往复式高压柱（活）塞泵，排出压力和流量也是变化的，所以喷射流的流速也是不均匀的，存在着脉冲现象。当喷射流不停地以脉冲式冲击土体时，土粒表面受到脉动负荷的影响，逐渐产生疲劳，同时残余变形也越来越大，土体的抗剪强度也逐渐降低，最后使土粒失去平衡导致破坏。（3）气蚀（空穴）现象所谓气蚀现象是指当某点压强降低至该处温度下的蒸汽压强时，因气化生成的大量气泡因受压而溃灭，在该点造成高达几百大气压以上的压强。当喷射流还没有将土体射出孔洞时，其冲击土体使以冲击面上的大气压力为基础，产生压力变动，在压力差大的部位产生孔洞，呈现出类似空穴的现象，如图4-1-1所示。在冲击面上的土体被蒸发气泡的溃灭所腐蚀，也会把较软弱的土体掏空，造成空穴扩大，使更多的土颗粒遭受剥离，使土体遭受破坏。（4）水力楔形效应所谓水楔效应，是指射流的作用使垂直于喷射流轴线方向的土体向两侧挤压，如同“楔子”贯入土中一样，当喷射流充满土层时，由于喷射流的反作用力，产生水楔。喷射流在垂直于喷射流轴线的方向上，楔入上体的裂缝或薄弱部分中，这时喷射流的动压变为静压，使土发生剥落加宽裂隙。（5）各个液滴的冲击力在喷射流沿程流动的过程中，分散出很多大大小小的液滴，这些液滴具有一定的速度同样对土体会产生冲击力，从而加速土体的破坏。（6）挤压力作为喷射流能量衰减很大的终了区域不能直接冲击土体使土粒剥落，但可以对处于射流有效射程的边界土，产生挤压力，对四周的挤密相作用，并使部分浆液进入土粒之间的空隙里，使固结体与其左右两侧及其下部土紧密相依，不产生脱离现象。上述这些作用，只能定性地说明喷射流切削，破坏土体的几种作用，它们不一定同时发生，也难以定量地确定其大小，因为这些作用的发生及其影响大小与喷射的压力、流量、喷咀的形式及加工精度等均有复杂的关系。2、水平旋喷注浆的固结机理由于水平旋喷与竖直旋喷的成柱条件有很大不同，而高压喷射流对土体的破坏作用对二者是基本相同的，所以水平旋喷和竖直旋喷的成柱作用机理是既有区别又有联系。高压喷射流是高能高速集中且连续作用于土体上，压应力和冲蚀等多种作用同时密集在压应力区域内发生的效应，因此，喷射流具有冲击切割破坏土体并使浆液与土粒搅拌混合的功能。旋喷时，高压喷射流在土体中把土体冲击切割破坏，切割土体的浓度与喷咀的移动速度有关系。由于喷头的旋转与后退，更高压喷射流有效射程内的土体得到连续不断地切割破碎，被切割破碎的土体与喷射出的浆液在射流的搅拌作用下混合，高压喷射流切割土体范围的容积小于浆液与土粒混合体的体积，一部分浆液与土粒的混合液便顺着水平钻孔与旋喷管之间的空隙流出孔口（即漏浆现象）。小颗粒在中部居多，大颗粒多在外侧或边缘部分，但由于重力方向与固结体轴线垂直及大颗粒在重力作用下的下沉作用，使土颗粒的排列重新调整，小颗粒在中部及上部居多，大颗粒多在底部及截面水平两侧，若浆液的胶凝时间较短（如试验中采用的水泥浆一硬化液），大颗粒在下沉前或下沉刚开始便已胶凝，则固结体截面的中部小颗粒居多，大颗粒在截面边缘居多。从而形成了浆液土体，搅拌混合。压缩和渗透等部分，经过一定时间便凝固成强度较高渗透系数小的固结体。随着土体的及浆液胶凝时间的不同，固结体横断面的结构也有所不同。由于浆液胶凝时间较长，则浆液土粒混合液便形成一个自由面，凝固后，固结体上方与土层脱离，形成孔洞脱离区，岩浆液的胶凝时间很短，浆液上粒混合液在形成自由面之前便发生胶凝，凝固后，固结体上方与土层接触紧密，不能形成空洞脱离区，由于固结体不是等颗粒均匀排列的单体结构，固结体的质量也不太均匀。固结体的开头与喷咀移动方向和持续喷射时间有密切关系。当喷咀一边旋转一边后退，便形成圆柱体或异型圆柱体。当喷咀一边喷射一边后退，便形成板状固结体。四、影响高压喷射流对土体破坏效果的因素。高压喷射流对土体的破坏效果，随着土体物理力学性质的不同，在数量方面有较大的差异，影响高压喷射流对土体破坏效果的因素上要有以下几个方面：1、喷射压力高压喷射流的喷射压力是影响土体破坏效果最重要的因素，喷射压力越大，喷射流的速度也就越大，因而喷射流冲击土体的产生的动压越大，对土体的破坏和搅拌作用就越显著。2、喷咀的形式及直径喷咀形式对喷射流能量的发挥有重要影响，理想的喷咀形式可以将高压浆液的压能最大限度地转化成喷射流的动能，即喷射流的速度很大，能够充分冲击破坏土体。在高压泵的压力及流量相同条件下，增大喷咀直径，会降低喷射流的速度，从而削弱对土体的破坏效果。3、喷咀的移动速度试验和实践证明，土体破体的程度与喷咀的相对移动速度有关。从土的破坏过程可以看出：土体受到射流的定向冲击后，很快被切割穿透，穿透的深度随持续喷射时间的增加而增大。当冲击力的能量等于切割消耗能及土的结构强度时，切割停止，穿透深度不再增加，这时的深度为最大切割深度，相应的定向射流喷射时间为最佳喷射时间。旋喷时，由于喷咀的旋转与后退，土体受射流冲击时间小于最佳喷射时间，则切割深度小于可能达到最大切割深度。喷咀移动速度越快，射流集中在同一区域土体的喷射时间越短，切割深度越小。4、土体的物理力学性质土体是旋喷的环境，因而土体的物理力学性质直接影响着喷射流对土体的破坏效果。旋喷土体越密实，破坏土体所消耗喷射流的能量越大。5、喷咀出口处的静水压力高压喷射流在水中喷射时动压及速度比在空气中喷射时衰减较快，当在地下水位以下的土层中旋喷时，高压喷射流冲开水体后才破坏土体，因而