CN112983463A - 水平旋喷桩超前支护穿越富水砂岩段围岩隧道施工工法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水平旋喷桩超前支护穿越富水砂岩段围岩隧道施工工法，针对疏松砂岩地质的特点，提出了水平旋喷在疏松砂岩地层中的操作要领、注浆压力、固结体直径、浆液自止浆及旋喷桩施工精度等一系列技术参数；在浆液配比方面，做了大量的室内外浆液配比试验，找到了疏松砂岩土质的最佳浆液配方；成功地控制了隧道疏松砂岩地层，使拱顶下沉减少了86％～90％，初期支护水平收敛降低了34％～65％，取得了良好的支护效果。此工法的应用，成本低，效果好，取得了很好的经济效益和社会效益。

Description

水平旋喷桩超前支护穿越富水砂岩段围岩隧道施工工法

技术领域

本发明属于软弱不良地层的预支护技术领域，特别涉及一种水平旋喷桩超前支护穿越富水砂岩段围岩隧道施工工法。

背景技术

水平旋喷预支护施工技术是在常规旋喷注浆技术基础上发展起来的一种新的施工技术，适用于软弱地层，特别是含水软弱地层，如:淤泥层、粘性土、砂类土、泥页岩、砂砾层、破碎带等，目前技术上还不成熟，处于探索阶段。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供一种水平旋喷桩超前支护穿越富水砂岩段围岩隧道施工工法,包括以下步骤：

(1)施工准备

(2)旋喷桩施工顺序

按照先两侧，后中间的顺序进行旋喷施工，横向按照每次间隔一个，左右交替进行，使后旋喷孔填充两孔间间隙，保证旋喷桩间的咬合；

(3)桩位测量

测定并放出孔位，做好孔位标志，编定孔号；

(4)设备安装调试

(5)钻孔

1)使用吊线及水平尺调试安装好开孔器底座，进行预开孔，接着退出钻具，安装直径为ф108mm长度为0.5～1.0m孔口导向管；同时为了加固导向管，在掌子面植入4根ф12mm的钢筋，钢筋用锚固剂固结，将钢筋与导向管焊接牢固；

2)正式钻孔前，先试桩，通过试桩成孔，判断处理区地层情况是否与设计资料一致；

3)试桩完成经过一定时间(七天以上)后，开挖一定深度进行桩体外观检查，测量桩径，同时在桩体上取芯，进行无侧限抗压试验，获取抗压强度值，从而确定施工参数；包括旋喷压力、钻进角度控制、旋转速度、拔杆速度、浆液水灰比；

4)根据确定的施工参数，启动旋喷钻机，钻头边旋转边钻进，钻进中为冷却钻头，减少阻力，防止砂粒进入喷嘴，用低压低流量清水从喷嘴中喷出，中途接杆时，将输浆管连接器连同过渡短杆卸下接装在待装杆尾部，再将后续杆与机上杆连接；旋转钻杆使接口压缩开始钻进，依此类推，接长钻杆直至钻到设计孔深后钻机停止接杆和钻进；

5)在钻进过程中，若有钻进困难、油压增加时，应把钻杆退后再钻进；

(6)成孔检查

使用SE-1水平导向仪测量，通过显示器所显示开挖钻头倾角、面向角、长度，检查成孔方向和成孔长度是否符合要求；

(7)下喷管

喷管下入前，检查输浆管、供风管道通畅及完好，准备就绪后下入喷浆管；

(8)制水泥浆液

1)按照水泥浆配合比：m_c：m_w＝1：0.7制备水泥浆，浆液搅拌必须均匀，搅拌时间不小于5min，一次搅拌使用时间亦控制在4小时以内，同时要求对浆液进行试块试验；

2)在制浆过程中应随时测量浆液比重，每孔高压喷浆结束后要统计该孔的材料用量；

3)水泥浆从搅拌机倒入储存罐前要经经筛过滤，以防出浆口堵塞；

(9)高压喷射注浆

高压喷射泵压读数，必须在达到30MPa～40MPa时，才可开始喷浆施工；

2)应控制好水平旋喷桩施工上倾角度，防止孔口出现返浆溢流造成无法成桩或成桩失败情况；

3)在高压喷浆时，应随时观察泵压变化，一旦发现泵压过低或过高时应及时停止喷浆，查明原因后再恢复高压喷浆；

4)喷浆至孔口掌子面0.50m时，应停止喷浆；

(10)质量检验。

优选地，施工参数为：

1)旋喷桩孔外倾角为3～10°，桩径60cm，桩长15m，纵向相互咬合10cm，纵向搭接5m；

2)旋喷桩浆液材料采用水泥-水玻璃双液浆，水泥：水玻璃(体积比)＝1：(0.6～1.0)，水泥浆水灰比0.8：1～1：1，水玻璃模数2.6～3.8，水玻璃浓度35Be’，注浆压力20MPa；

3)钻杆回撤速度：15～25cm/min，旋喷压力：35～40MPa。

优选地，所述步骤(1)具体为：

1)封闭上台阶和下台阶工作面，喷射混凝土厚度不小于20cm；

2)精确测量中线、水平，搭设工作平台，平整、铺垫、夯实作业平台，以满足施工机械安装和行走的需求；

3)浆液制备及输送设备放置在旋喷钻机附近，依次设置水泥存放台、浆液搅拌桶、储浆桶、高压泵；制浆工人按试验配合比向桶内注入水及水泥，每桶搅拌时间不少于2min；浆液流入储浆桶前过滤，桶内吸浆管也装滤网，防止堵塞管道；储浆桶应不停地人工搅拌以防止沉淀离析；

4)在旋喷施工场地内做好排水设施，并挖好废浆沟和废浆池。

优选地，所述步骤(4)具体为：

1)旋喷设备安装完毕后，进行调试，确保设备状态良好，运转正常；钻机转速，控制误差10％以内；

2)调整钻架、钻杆，用坡度仪调整钻杆的倾角和摆角，对准孔位，孔位误差控制在±50mm以内；

3)检查钻孔、高压注浆泵运行是否正常，油路、电路是否完好通畅，符合安全要求；

4)安装钻头，并检查探棒及喷嘴是否能正常工作。

优选地，所述步骤(10)具体为:

检查的数量为旋喷桩总量的5％，对于整个工程用不少于3根；检测的对象应选择为地质条件较复杂的地区及旋喷桩灌注时有异常现象的旋喷桩；质量检测主要通过钻孔取芯检测；

钻孔取芯检测是在桩体龄期28天后，采用钻探取芯，判断或鉴别桩体的桩长、完整性、水泥掺入量、桩体是否夹泥情况，并将所取的试件制成标准试块，进行室内无侧限抗压强度试验，检测桩体材料强度；取芯时钻孔位置宜在距桩中心10～15cm的位置。

本发明施工工法支护后形成的拱棚固结体可有效止水，防止漏沙及砂体坍塌，限制地层及地表变形，提高地层稳定性，保证施工和支护结构的安全。

该施工工法可以根据不同的软弱地层条件及设计要求，旋喷的各项性能参数可根据实际需要进行调整。

本施工工法主要适用于软弱地层，特别是含水软弱地层，如:淤泥层、粘性土、砂类土、泥页岩、砂砾层、破碎带等。

本施工工法可灵活适应于全断面或台阶法的不同施工方法。

附图说明

图1是水平旋喷桩预支护示意图。

图2是本发明水平旋喷桩超前支护穿越富水砂岩段围岩隧道施工工法的施工工艺流程图。

具体实施方式

如图2所述，本发明公开了一种水平旋喷桩超前支护穿越富水砂岩段围岩隧道施工工法。

1施工参数

1)旋喷桩孔外倾角为3～10°，桩径60cm，桩长15m，纵向相互咬合10cm，纵向搭接5m；

2)旋喷桩浆液材料采用水泥-水玻璃双液浆，水泥：水玻璃(体积比)＝1：(0.6～1.0)，水泥浆水灰比0.8：1～1：1，水玻璃模数2.6～3.8，水玻璃浓度35Be’，注浆压力20MPa；

3)钻杆回撤速度：15～25cm/min，旋喷压力：35～40MPa。

2施工准备

1)封闭上台阶和下台阶工作面，喷射混凝土厚度不小于20cm；

2)精确测量中线、水平，搭设工作平台，平整、铺垫、夯实作业平台，以满足施工机械安装和行走的需求；

3)浆液制备及输送设备放置在旋喷钻机附近，依次设置水泥存放台、浆液搅拌桶、储浆桶、高压泵等。制浆工人按试验配合比(以每桶计)严格向桶内注入水及水泥，每桶搅拌时间不少于2min。倒水泥时应通过筛网将纸袋杂物清除。浆液流入储浆桶前过滤，桶内吸浆管也装滤网，防止堵塞管道。

储浆桶应不停地人工搅拌以防止沉淀离析；

4)在旋喷施工场地内做好排水设施，并挖好废浆沟和废浆池。

3旋喷桩施工顺序

按照先两侧，后中间的顺序进行旋喷施工，横向按照每次间隔一个，左右交替进行，使后旋喷孔填充两孔间间隙，保证旋喷桩间的咬合。

4桩位测量

测定并放出孔位，做好孔位标志，编定孔号。

5设备安装调试

1)旋喷设备安装完毕后，进行调试，确保设备状态良好，运转正常。钻机转速，控制误差10％以内。

2)调整钻架、钻杆，用坡度仪调整钻杆的倾角和摆角，对准孔位，孔位误差控制在±50mm以内。

3)检查钻孔、高压注浆泵运行是否正常，油路、电路是否完好通畅，符合安全要求。

4)安装钻头，并检查探棒及喷嘴是否能正常工作。

6钻孔

1)使用吊线及水平尺调试安装好开孔器底座，进行预开孔，接着退出钻具，安装直径为ф108mm长度为0.5～1.0m孔口导向管。同时为了加固导向管，在掌子面植入4根ф12mm的钢筋，钢筋用锚固剂固结，将钢筋与导向管焊接牢固。

2)正式钻孔前，先试桩，通过试桩成孔，判断处理区地层情况是否与设计资料一致；

3)试桩完成经过一定时间(七天以上)后，可以开挖一定深度进行桩体外观检查，测量桩径，同时在桩体上取芯，进行无侧限抗压试验，获取抗压强度值，从而确定施工参数。包括旋喷压力、钻进角度控制、旋转速度、拔杆速度、浆液水灰比等。

4)根据确定的施工参数，启动旋喷钻机，钻头边旋转边钻进，钻进中为冷却钻头，减少阻力，防止砂粒进入喷嘴，用低压低流量清水从喷嘴中喷出，中途接杆时，将输浆管连接器连同过渡短杆卸下接装在待装杆尾部，再将后续杆与机上杆连接。旋转钻杆使接口压缩开始钻进，依此类推，接长钻杆直至钻到设计孔深后钻机停止接杆和钻进。

5)在钻进过程中，若有钻进困难、油压增加时，应把钻杆退后再钻进。但当油压超过16MPa任然不能钻进或钻机出现异常状态，必须退杆停机，不能盲目硬钻。

7成孔检查

使用SE-1水平导向仪测量，通过显示器所显示开挖钻头倾角、面向角、长度，检查成孔方向和成孔长度是否符合要求。

8下喷管

喷管下入前，检查输浆管、供风管道通畅及完好，准备就绪后下入喷浆管。为防止下管过程中堵塞喷嘴，可将喷嘴包扎或轻压力送浆下管。

9制水泥浆液

1)按照水泥浆配合比：m_c：m_w＝1：0.7制备水泥浆，浆液搅拌必须均匀，搅拌时间不小于5min，一次搅拌使用时间亦控制在4小时以内，同时要求对浆液进行试块试验。

2)在制浆过程中应随时测量浆液比重，每孔高压喷浆结束后要统计该孔的材料用量。

3)水泥浆从搅拌机倒入储存罐前要经经筛过滤，以防出浆口堵塞。

10高压喷射注浆

1)高压喷射泵压读书，必须在达到30MPa～40MPa时，才可开始喷浆施工。

2)应控制好水平旋喷桩施工上倾角度，防止孔口出现返浆溢流造成无法成桩或成桩失败等情况。

3)在高压喷浆时，应随时观察泵压变化，一旦发现泵压过低或过高时应及时停止喷浆，查明原因后再恢复高压喷浆。

4)喷浆至孔口掌子面0.50m时，应停止喷浆。

11质量检验

施工后检测是对旋喷桩施工质量的鉴定，作为施工验收的依据，一般在旋喷桩桩体强度达到检测要求时进行，检查的数量通常为旋喷桩总量的5％，对于整个工程用不少于3根。检测的对象应选择为地质条件较复杂的地区及旋喷桩灌注时有异常现象的旋喷桩。质量检测主要通过钻孔取芯检测。

钻孔取芯检测是在桩体龄期28天后，采用钻探取芯，判断或鉴别桩体的桩长、完整性、水泥掺入量、桩体是否夹泥等情况，并将所取的试件制成标准试块，进行室内无侧限抗压强度试验，检测桩体材料强度。取芯时钻孔位置宜在距桩中心10～15cm的位置。

水平旋喷桩是以高压泵(>30MPa)为动力源通过水平钻机钻杆、喷嘴把配制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切削，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。浆液凝固后，形成水平圆柱状水泥土固结体即水平旋喷桩，当旋喷桩相互咬合后，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，起到防流砂、抗滑移、防渗透的稳定拱壳保护作用，具有提高复合土体强度、防渗、抗滑、预支撑等多重效果。

发明人根据水平旋喷机的使用机理，针对疏松砂岩地质的特点，进行了多次工艺试验，掌握了水平旋喷在疏松砂岩地层中的操作要领、注浆压力、固结体直径、浆液自止浆及旋喷桩施工精度等一系列技术参数，取得了水平旋喷固结体周围砂体物理力学性质的变化数据。固结体开挖后，进行微单元取样化验测试，得到了旋喷固结体的单轴抗压强度及应力-应变关系、抗拉强度、容重等数据。在浆液配比方面，做了大量的室内外浆液配比试验，找到了疏松砂岩土质的最佳浆液配方。在此基础上，于2020年10月将此工法与配套设备运用于兰临高速公路长下坡路段改造处治工程(新建路段LLGZSG-1合同段)齐家庄隧道k12+471～k12+689段富水疏松砂岩段的超前预支护施工之中，成功地控制了隧道疏松砂岩地层，使拱顶下沉减少了86％～90％，初期支护水平收敛降低了34％～65％，取得了良好的支护效果。此工法的应用，成本低，效果好，取得了很好的经济效益和社会效益。见图1:水平旋喷桩预支护示意图。

申请人在富水疏松砂岩段，设计为拱部施作水平旋喷桩，采用6000B型型水平钻孔旋喷机及与其配套的GZB-90型高压泵，采用水平旋喷桩超前预支护施工工法施工，有效控制围岩坍塌，使隧道开挖、支护安全快速地进行，应用效果良好。该工法机械化程度高，施工速度快，工艺简洁流畅，节约施工工期。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.水平旋喷桩超前支护穿越富水砂岩段围岩隧道施工工法,其特征在于：包括以下步骤：

(1)施工准备

(2)旋喷桩施工顺序

(3)桩位测量

(4)设备安装调试

(5)钻孔

(6)成孔检查

(7)下喷管

喷管下入前，检查输浆管、供风管道通畅及完好，准备就绪后下入喷浆管；

(8)制水泥浆液

1)按照水泥浆配合比：m_c：m_w＝1:0.7制备水泥浆，浆液搅拌必须均匀，搅拌时间不小于5min，一次搅拌使用时间控制在4小时以内，同时要求对浆液进行试块试验；

2)在制浆过程中应随时测量浆液比重，每孔高压喷浆结束后要统计该孔的材料用量；

3)水泥浆从搅拌机倒入储存罐前要经筛过滤，以防出浆口堵塞；

(9)高压喷射注浆

高压喷射泵压读数，必须在达到30MPa～40MPa时，才可开始喷浆施工；

2)应控制好水平旋喷桩施工上倾角度，防止孔口出现返浆溢流造成无法成桩或成桩失败情况；

3)在高压喷浆时，应随时观察泵压变化，一旦发现泵压过低或过高时应及时停止喷浆，查明原因后再恢复高压喷浆；

4)喷浆至孔口掌子面0.50m时，应停止喷浆；

(10)质量检验。

2.根据权利要求1所述的水平旋喷桩超前支护穿越富水砂岩段围岩隧道施工工法,其特征在于：

施工参数为：

1)旋喷桩孔外倾角为3～10°，桩径60cm，桩长15m，纵向相互咬合10cm，纵向搭接5m；

2)旋喷桩浆液材料采用水泥-水玻璃双液浆，水泥：水玻璃(体积比)＝1：(0.6～1.0)，水泥浆水灰比0.8：1～1：1，水玻璃模数2.6～3.8，水玻璃浓度35Be’，注浆压力20MPa；

3)钻杆回撤速度：15～25cm/min，旋喷压力：35～40MPa。

3.根据权利要求1所述的水平旋喷桩超前支护穿越富水砂岩段围岩隧道施工工法,其特征在于：所述步骤(1)具体为：

1)封闭上台阶和下台阶工作面，喷射混凝土厚度不小于20cm；

2)精确测量中线、水平，搭设工作平台，平整、铺垫、夯实作业平台，以满足施工机械安装和行走的需求；

3)浆液制备及输送设备放置在旋喷钻机附近，依次设置水泥存放台、浆液搅拌桶、储浆桶、高压泵；制浆工人按试验配合比向桶内注入水及水泥，每桶搅拌时间不少于2min；浆液流入储浆桶前过滤，桶内吸浆管也装滤网，防止堵塞管道；储浆桶应不停地人工搅拌以防止沉淀离析；

4)在旋喷施工场地内做好排水设施，并挖好废浆沟和废浆池。

4.根据权利要求1所述的水平旋喷桩超前支护穿越富水砂岩段围岩隧道施工工法,其特征在于：所述步骤(2)具体为：

按照先两侧，后中间的顺序进行旋喷施工，横向按照每次间隔一个，左右交替进行，使后旋喷孔填充两孔间间隙，保证旋喷桩间的咬合。

5.根据权利要求1所述的水平旋喷桩超前支护穿越富水砂岩段围岩隧道施工工法,其特征在于：所述步骤(3)具体为：

测定并放出孔位，做好孔位标志，编定孔号。

6.根据权利要求1所述的水平旋喷桩超前支护穿越富水砂岩段围岩隧道施工工法,其特征在于：所述步骤(4)具体为：

1)旋喷设备安装完毕后，进行调试，确保设备状态良好，运转正常；钻机转速，控制误差10％以内；

2)调整钻架、钻杆，用坡度仪调整钻杆的倾角和摆角，对准孔位，孔位误差控制在±50mm以内；

3)检查钻孔、高压注浆泵运行是否正常，油路、电路是否完好通畅，符合安全要求；

4)安装钻头，并检查探棒及喷嘴是否能正常工作。

7.根据权利要求1所述的水平旋喷桩超前支护穿越富水砂岩段围岩隧道施工工法,其特征在于：所述步骤(5)具体为：

1)使用吊线及水平尺调试安装好开孔器底座，进行预开孔，接着退出钻具，安装直径为ф108mm长度为0.5～1.0m孔口导向管；同时为了加固导向管，在掌子面植入4根ф12mm的钢筋，钢筋用锚固剂固结，将钢筋与导向管焊接牢固；

2)正式钻孔前，先试桩，通过试桩成孔，判断处理区地层情况是否与设计资料一致；

3)试桩完成经过七天以上，开挖一定深度进行桩体外观检查，测量桩径，同时在桩体上取芯，进行无侧限抗压试验，获取抗压强度值，从而确定施工参数；包括旋喷压力、钻进角度控制、旋转速度、拔杆速度、浆液水灰比；

4)根据确定的施工参数，启动旋喷钻机，钻头边旋转边钻进，钻进中为冷却钻头，减少阻力，防止砂粒进入喷嘴，用低压低流量清水从喷嘴中喷出，中途接杆时，将输浆管连接器连同过渡短杆卸下接装在待装杆尾部，再将后续杆与机上杆连接；旋转钻杆使接口压缩开始钻进，依此类推，接长钻杆直至钻到设计孔深后钻机停止接杆和钻进；

5)在钻进过程中，若有钻进困难、油压增加时，应把钻杆退后再钻进。

8.根据权利要求1所述的水平旋喷桩超前支护穿越富水砂岩段围岩隧道施工工法,其特征在于：所述步骤(6)具体为：

使用SE-1水平导向仪测量，通过显示器所显示开挖钻头倾角、面向角、长度，检查成孔方向和成孔长度是否符合要求。

9.根据权利要求1所述的水平旋喷桩超前支护穿越富水砂岩段围岩隧道施工工法,其特征在于：所述步骤(10)具体为:

检查的数量为旋喷桩总量的5％，对于整个工程用不少于3根；检测的对象应选择为地质条件较复杂的地区及旋喷桩灌注时有异常现象的旋喷桩；质量检测主要通过钻孔取芯检测；

钻孔取芯检测是在桩体龄期28天后，采用钻探取芯，判断或鉴别桩体的桩长、完整性、水泥掺入量、桩体是否夹泥情况，并将所取的试件制成标准试块，进行室内无侧限抗压强度试验，检测桩体材料强度；取芯时钻孔位置宜在距桩中心10～15cm的位置。

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