1、1水平旋喷桩在地铁工程地层预加固中的应用研究摘要：论文在论述水平旋喷桩的基础上，对水平旋喷桩的加固成本与工效进行了探讨，依托工程实例论证了水平旋喷桩在地铁工程地层预加固中的应用效果，结果表明：在软弱土层中采用水平旋喷桩法，对地面沉降控制效果很好。 关键词：地铁工程；水平旋喷桩；加固效果 中图分类号：K826.16 文献标识码：A 文章编号： 地铁工程一般属于城市浅埋隧道，地表沉降控制、隧道自身稳定以及掌子面的稳定对预加固技术提出了很?的要求，另外由于城市浅埋隧道覆盖层多为松散的第四纪地层，特殊的地段还有大断面的砂卵石地层，特别是像北京、沈阳和成都等城市。如果在地铁的建设过程中不对特殊地层进行相
2、应的预加固措施，就不能对周围地层的特性作出精确的预测，并可能将对地下工程本身、地下管线以及已有建筑物造成很大的影响。本文采用理论与实践相结合的方式，对水平旋喷桩在地铁工程地层预加固的应用进行了研究。 1 水平旋喷桩加固原理 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，喷射流以巨大的能量将一定范围内的土体射穿，并在喷嘴作缓慢旋转和2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，形成水平圆柱状水泥土固结体即水平旋喷桩。水泥与松散土体土结合过程中发生一系列的物理和化学反应而生成的水泥土加固体，可以显著提高土体
3、的强度和结构特性；且其中部分自由水以结晶的形式固定下来,加固体中含水量低于原土样的含水量；因掺入的水泥浆重度与周围土质重度相差不大，所以加固体对土体不会产生大的附加荷载，也不会产生较大的附加沉降。 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,起到防流沙、抗滑移、防渗透的作用。 2 水平旋喷桩的加固成本与工效分析 2.1 施工材料的消耗 水平旋喷桩的主要施工材料消耗包括：水泥、水、电力。三种材料的施工成本比较低，不需要耗费钢材、混凝土等建筑材料，成本控制比较可观。三种材料中主要需要控制好旋喷桩每米水泥用量。 旋喷桩每米水泥用量与设计要求的柱径、桩体强度直接有关、一
4、般情况下，桩径越大、桩体强度越高、每米水泥用量就越大。根据地基基础工程施工质量验收规范GB50202-2002，确定旋喷桩每米水泥用量见表 1。 3表 1 旋喷桩每米水泥用量 注:“新”系采用高压水泥浆泵，压力为 36-40MPa，流量 80-110L/min 的新单管或二重管法。 旋喷桩的设计是以压力，所需桩的强度、桩的作用以及实际地层条件而定，其所需的压力决定桩径，提升速度转速与水泥浓度决定了桩的强度及水泥用量。因此，高压旋喷桩的水泥用量也可按如下方法计算： 条件：提升速度 a cm/min，水灰比 b: c，装液流速 d L/s。 每米提升需要时间：（100/a)60 (S) 每升?液水
5、泥用量：1/ (3b+c) 每秒水泥用量：d(l/(3b+c) 则，每米水泥用量：(100/a)60)d(l/(3b+c) 根据实际施工经验：旋喷桩作为止水帷幕；旋喷压力 20-25MPa，1:1装液，单 2.5mm 喷嘴，提升速度 25cm/min，在一般砂土地层中可成桩0.5-0.6m，水泥用量 200-250kg/m。 500mm 旋喷桩施工参数一般为：注?压力 20MPa，1:1 浆液，喷嘴 1 个，直径 2.2mm，高压注装菜的排?量为 40L/min，损失系数选用 0.1，则每米4水泥用量 165kg/m。 水平旋喷桩作为隧道超前预加固手段，由于限定注入范围，若精心组织施工，实际工
6、程中可以更有效的提高材料的利用率。桩径(l500rnm的水平旋喷桩每米水泥用量可以控制在 100150kg。但若地层含水量较大，则每米水泥用量会相应提高较多。 2.2 施工工效 旋喷桩技术依其工艺流程和输送介质的管道不同，可以分为单管、双管、三重管和多重管等四种方法。具体使用的施工方法与施工机械应根据地层条件以及桩身直径等因素有关。对不同的土层，旋喷桩加固的直径不同。考虑到双重管、三重管法施工时置换量较大，不利于地层的稳定，地铁工程中作为隧道超前支护手段的水平旋喷桩施工一般采用单管法，其工艺流程见图 1。 图 1 水平旋喷柱超前支护施工工艺流程图 由上图可见，水平旋喷柱施工，钻进、旋喷一次完成
7、，施工工艺简单，施工效率较高，由于采用的是钻孔旋喷一体的钻机设备，施工过程中可以达到不间断施工的流水作业。且水平旋喷桩钻孔和旋喷可以一次完成，钻机的钻杆较长，可一次施工很长的一段水平旋喷桩，从而有效的提高了施工效率。在软土地层，根据实际记录，水平旋喷桩施工进度约 15m/h 左右；长度在 8m 左右的旋喷桩，在正常的施工条件下，平均耗时 45min，施工效率还是比较高的。 2.3 成本分析 5拟定水平旋喷桩柱径 500mm，每米水泥用量 160kg/m，根据建设工程预算定额，采用单管法施工水平旋喷桩单价构成见表 2。 表 2 水平旋喷桩施工单价分析表 具体工程中，水平旋喷柱施工成本应根据旋喷桩
8、工艺、布置，以及每延米水泥用量计算。其中，每延米水泥用量和成桩工艺对施工成本影响很大。如采用双管法施工，可按单管法定额乘以系数 1.2?1.3，三管法施工按双管法定额乘以系数 1.3 左右计算。 3 水平旋喷桩在地铁工程地层预加固中的应用实例 3.1 工程地质情况 K 市地铁某区间埋深 1517m，地层情况复杂，隧道断面内有 3-6m 的流塑性粘土侵入，无支护条件下自稳能力很差，勘察报告还显示，该地段土层中存在充填水和砂的“囊体” ，有时候会突然喷发，水和砂涌入隧道中，造成险情。 该工程地质情况如下：上覆土为褐黄色人工素填土，残积层，覆土下主要是各种风化程度花岗岩，隧道开挖主要在风化岩中进行，
9、隧道拱部以上为含水量较高的砂层，部分侵入?挖断面内，厚度约 5m 左右，同时，有 700 余米长的饱和?土层侵入隧道断面大约 6 米左右，该饱和?土层呈流塑状，含水量高，土质松软，工程条件极差，在此地层中开挖，会引起地面沉降过大，造成周边建筑破坏严重。地质剖面图如下： 6图 2 地质断面图 3.2 加固方案选择 与冻结法相比，水平旋喷桩法更适合本工程，原因在于，该工程所处软弱地质范围较大，长距离的水平冻结孔钻进、纠偏都不是一件容易的事情，另外因为温度变化所引起的附加应力对周围的建筑以及地下管线会产生很大的影响，对周围土体性质的影响更是很难估计，而且此种方法日均开挖进尺只有大约 0.3m，工期很
10、长，因此施工方决定采用“隧道周边以水平旋喷桩为主，特别地段进行小导管注浆，掌子面间隔水平旋喷桩“的方案。 该区间隧道施工中共做了三次水平旋喷桩实验，用以检验是否可以在无地面降水的条件下，隧道开挖是否可以平稳的穿越软流塑地层，结果证明，该工法隔水能力较好，土体自稳能力也有了较大改善，加快了施工进度。 具体施工方案是：根据地质超前预报结果，决定将水平旋喷桩设置在隧道拱部 150范围内，水平旋喷桩直径为 0.5m，孔深 15m，但仅在12m 范围内做桩，外插角为 5。环向间距：开孔处 0.33m，终孔处0.40m。相邻加固体间咬合厚度不小于 100mm，每个循环进尺为 9.8m。另外，在相邻旋喷桩咬
11、合的地方进行小导管注装。工作示意图如下。 （a）拱部加固布置图面 (b)I-I 剖面 图 3 隧道拱部水平旋喷桩示意图 工作面上，水平旋喷桩交叉设置，桩长 15m，间距为 1m 或 1.5m，示7意图如下： 图 4 工作面水平旋喷桩示意图 3.3 加固效果分析 结果显示，水平旋喷桩加固体与周围土体相比，强度与弹性模量均有较大提高，起到了良好的加固效果，不仅能够承担开挖面以上土体的荷载，而且起到了良好的隔水效果。 从监测结果看，地表下沉和拱顶下沉得到有效控制，地表沉降最大没有超过 50mm，洞内拱顶下沉也没有超过 30mm，周边水平收敛在 10mm以内，地下管线下沉量最大仅为 26. 9mm。
12、由以上工程实例可以看出，在软弱土层中采用水平旋喷桩法，对地面沉降控制效果很好，但是水平旋喷桩还属于一种新工艺，技术还不成熟，造价也非常高，这些都限制了它更广泛的被使用。因此工程人员在选择时，应根据实际情况谨慎使用该工法。 4 结束语 地层预加固技术作为一种地铁工程的辅助施工技术措施，对地铁工程的安全施工和提高施工进度意义重大。虽然地层预加固技术在工程实际中的应用比较广泛，但发展还不够成熟，目前的状况是边探索试验边施工，凭经验设计，各种地层预加固技术缺乏归纳总结和系统性研究，有赖于工程技术人员作进一步研究。 参考文献 81王兴华等.多目标模糊优选在地铁施工方案选择中的应用J.地下空间，2004. 2董新平，周顺华.软弱地层管棚荷载传递作用分析J.现代隧道技术，2005. 3铁路工程施工技术手册M.北京：中国铁道出版社，1999.
