水平旋喷在隧道下穿既有建筑物工程中的应用

　　1 工程概况

　　北三环热力外线隧道下穿城铁和平里车站工程属北三环热力外线工程的一部分。城铁和平里车站为单层三跨现浇钢筋混凝土双向框架结构，城铁地上二层高架车站，车站长度为120in，宽度约21m。热力隧道下穿车站第一跨。车站基础采用分离式基础+桩基删;桩径800mm，桩长为16～21m，热力隧道穿过位置为两桩之间，隧道拱顶和和平里车站基础底距离约1.817m。隧道开挖轮廓两侧与车站钻孔桩距离2.05m。由于城铁和平里车站为正在运行的城铁线路车站，控制站内沉降，将隧道施工对城铁的影响降到最低限度，是本工程的重中之重。

　　根据现场勘察，热力隧道底层为人工堆积的地质土层，主要成分为砖块、灰渣、碎石等，层厚3.80 —5.10m，层底标高为39.16～40.20m。其下为第 四系沉积的粉质粘土层，层厚7.50～9.00m，层底标高为30.46～32.30m。场区内地下水类型属于上层滞水，水位埋深4.65～5.0m，标高39.15～39.61m。

　　2 水平旋喷桩的加固原理

　　旋喷注浆是高压注浆法之一，是在静压注浆加固地基基础上，应用高压喷射注浆技术而发展起来的一项土体加固的新技术。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，喷射流以巨大的能量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，形成水平圆柱状水泥土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，起到防流沙、抗滑移、防渗透的作用。水平旋喷桩形成的固结体和对周边围岩的加固，可以显著提高围岩的级别。对于砂土类地层，固结体强度等级可以比原来围岩提高3～4级，可达4～10MPa，对黏土类围岩，固结体也比原来围岩提高1～3级，可达1～5MPa。

　　3 水平旋喷桩现场实验

　　为检验水平旋喷桩质量，确定工程桩的各施工参数，为正式旋喷桩的施工提供依据，选择在东边竖井的南侧地面下约12m，共做3根旋喷桩，桩长24m，桩径350mm，桩中心距250mm，相互咬合100mm。旋喷试桩时，在地面沿桩轴线每6m布沉降观测点，对地面变形进行连续监、咬合(表1)。从表1可以看出地表沉降值都非常小，施工过程中几乎没有沉降，施工后3天内沉降稳定，各测点累计沉降分别为：Q1(0+00m)的累计沉降为0.64mm，DB1(0+6m)累计沉降为1.03mm，1)B2(0+12m)累计沉降为1.03mm，DB3(0+18m)累计沉降为0.98mm，DB4(0+24m)累计沉降0.55mm，从5天的沉降观测表明水平旋喷试桩施工对地表的影响非常小。

　　

　　施工过程中每旋喷8m左右留取孔口流出水泥土，采用砂浆试验标准，1”、3”试桩各3组试样，2“试桩4组，共10组，每组3个试样。进行7天强度、28天强度和90天强度试验，确定水泥土强度的变化规律。7天的平均抗压强度达到2.9MPa，28天的平均抗压强度达到9.8MPa，90天的平均抗压强度达到13.3MPa。

　　可见，水平旋喷桩在提高土体强度，加固改善基础性能方面效果明显，从而减少土体变形，有效控制因隧道开挖引起的地面沉降。

　　4 水平旋喷桩设计、施工及效果检验

　　(1)设计：在隧道开挖前沿隧道周围施做水平高压旋喷桩：桩长24m，水平旋喷桩直径为350mm，中心距250mm，桩相互咬合100mm;钻孔位置与设计位置偏差不宜超过30mm。垂直度偏差不宜大于1.50A，，施工旋喷桩注浆压力为进钻压力3MPa，旋喷压力20MPa。每一循环在靠近掌子面1.5～2m内不进行高压旋喷，采用低压钻进。浆液为水泥浆，水灰比为0.8～1.5。旋喷桩施工完3天后再进行隧道开挖。

　　(2)施工关键技术：水平旋喷桩桩长24m，由于高压浆液对土体的削切及钻杆本身的重力，钻头在钻进过程中会发生明显的下移，为此对上拱120度范围内的旋喷桩，对内侧旋喷桩，预先上仰1.5%的设计坡度，外侧按水平旋喷施工;沿隧道初衬外边缘施做双排连续封闭旋喷桩，采用跳3根以上施工，跳跃式钻孔两边对打水平旋喷桩，从隧道下面往上施做、先做内圈后做外圈旋喷桩。

　　(3)水平旋喷超前加固效果：为了解水平旋喷桩超前加固对土层变形的影响;了解暗挖隧道支护结构和周围地层的变形情况，为施工管理提供信息，保证施工的安全和城铁的正常运行，特在车站各个基础桩、城铁轨道和道床布置多个监测点。

　　经过3个月的监测，获得了宝贵的第一手资料，为深入剖析水平旋喷桩的加固机理，验证支护结构设计和施工方案的可靠性，为支护结构设计和施工方案的调整提供反馈信息，提高地下工程的设汁和施工水平提供了依据(表2)。

　　

　　分析现场监测数据，得到如下结论：

　　(1)水平旋喷施工可能引起地面的隆起，而不仅仅是沉降，这有可能是大量水泥浆液进人土体所致，适当的隆起与隧道开挖引起的沉降相叠加，对减少地面变形是有益的。

　　(2)水平旋喷沿长度方向的变形是不均匀的，这不仅与上部荷载有关，钻头旋转速度、钻进速度和注浆压力的改变也必然引起不均匀变形，保持钻头旋转速度钻进速度和注浆压力的稳定至关重要。

　　(3)用水平旋喷作超前支护后，土体强度明显加强，在上部车站荷载作用下，最大变形仍然只有5mm，且大部分变形控制在1～2mm，大大小于城铁车站限制变形在10mm的要求，效果明显。

　　5 总结

　　研究表明，软弱围岩浅埋隧道地面沉陷的30%～40%和地层沉降量的30%～70%是在一般支护开始发挥作用之前发生的。而水平旋喷桩作为超前支护的一种，在开挖前已深入到开挖扰动范围以外，开挖后水平旋喷超前支护形成刚性较大的拱棚就能立即发挥作用，在水平旋喷柱体相互咬合形成的旋喷拱棚的保护下，隧道内土方开挖采用短推进、勤支护、快施工，能安全地通过浅埋暗挖隧道的含水砂层和软弱松散土质，抑制了围岩的大部分位移，承受大部分地层压力，防止开挖面前方拱棚以外围岩的扰动的位移，从而有效控制地面的沉降和防止漏水涌砂，确保了管线及道路交通安全。