国内外水平旋喷注浆加固技术的应用发展

1 问题的提出

竖直旋喷注浆技术已成功地用于多种地层条件(如粘土、砂土、淤泥、砂夹卵石、冰碛土、黄土、腐植土、泥炭土等)下的加固及防渗止水,并显示其优越性。某些条件下,进行竖直钻孔不可能或不适宜,但又需要用高压喷射注浆,人们自然想到用水平或倾斜钻孔方式。日本和意大利是研究开发水平旋喷技术较早的国家,意大利RODIO公司于1983年首次将水平旋喷技术用于隧道预支护。美国80年代开始使用此项技术,1987年此项技术首次在南美应用。

水平钻孔旋喷注浆的应用和隧道施工技术的发展有密切联系。在覆盖较薄的松软地层中修建地下结构面临着地层不稳定,较易引起坍塌和地面沉陷等严重问题。高压喷射注浆的开发成功,使工程技术界想到利用它来提高隧道围岩的稳定性。从地面竖直钻孔在隧道周边进行旋喷存在钻孔深度过大,钻孔精度及各固结体之间搭接不易保证等缺点。另外,受固结体之间的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实现旋喷问题。

2 日本的几代旋喷工法

2.1 CCP-H工法

此工法是80年代初日本在单管旋喷的基础上开发的专用于水平钻孔的旋喷工法。它是在注浆管的后端位置设置一个扩径钻头,以加强对土体的破坏。扩径钻头在钻进时缩于钻杆的凹槽内,后退开始旋喷时,靠阻力自动打开,在旋喷前先搅动土层以确保并扩大水平旋喷柱体的直径。为了加速浆液和土粒的固结,在浆液中加适量的速凝剂和硬化剂。日本国铁第一工程局用此法进行过试验和施工。

2.2 RJFP工法

随着旋喷技术的不断发展,日本又提出RJFP工法[1](图1)。此法可在隧道拱部外缘旋喷成的固结体中插入钢筋或钢管,使形成的固结体拱棚除了有横向抗压能力外,还有纵向抗弯能力。他们已用此法成功地修建了几十座隧道。该法一般只加固隧道的拱部,使旋喷柱体相互搭接成拱棚。其钻孔长13m,旋喷11m,每段拱棚搭接1m。这些隧道所用的喷射压力在40MPa左右,形成的固结体直径60~70cm,旋喷固结体的单轴抗压强度3.5~8.0MPa。

2.3 MJS工法

MJS工法是“全方位高压喷射技术”的简称。此法最大特点是具有排泥机构。这是针对一般旋喷工法的剩余泥浆大量从孔口涌出,污染作业环境,随着旋喷孔深度增加,排浆难度增大,喷射、搅拌效果降低等不足而开发的。在监控器上设MJS装置。该装置是在喷嘴后方装的排泥浆吸入口,由该吸入口吸入泥浆,还可调整排泥量及对地基的压力,使喷射压力充分运用。该装置不仅用在竖直大深度旋喷,在水平、倾斜方向也能运用。由于钻管内还装设有大小7根管线,所以又叫七管旋喷法。

该优点是不污染现场,保持良好的施工环境,但设备过于复杂,占用空间较多,搬运不便。

3 欧美水平旋喷工法现状

意大利是多山国家,其隧道及地下工程的施工技术比较发达,水平旋喷技术的开发应用在欧洲处于领先地位。在1992年Sloveia召开的隧道及地下建筑施工国际会议上,该国代表系统总结了该国及世界各国隧道围岩的加固方法,把高压喷射注浆法和静态注浆、冻结法和机械预切槽等一并列为隧道围岩加固的基本方法[2]。最典型作法是沿拱部外缘用水平钻孔旋喷柱体相互搭接形成拱棚,在它的保护下开挖上部断面。用台阶法施工时,为提高拱脚地层的强度,在坑道内两侧倾斜打入钻孔,将旋喷柱体连接成墙体。图2为一双车道公路隧道,断面积为120m2,旋喷柱长13m,中心距50cm,旋喷柱体直径60cm,相邻旋喷段搭接3m。

从意大利的工程实践得知,在砂粒土和中细砂地层,水平旋喷质量良好,固结体平均抗压强度达18~19MPa,接近C20等级混凝土。在水平旋喷柱体相搭接形成的旋喷拱棚的保护下,通过对开挖过程中设置的拱肋受力量测表明,其受力极小,说明旋喷拱棚的刚度很好,承受住了山体的压力。

德国波恩地铁一段区间隧道通过松散未固结、渗透率平均为8mm/s的莱茵河砾石及不均匀泥砂层,平均埋深为3.5m,顶部还有一条污水管通过。为控制地面深陷并确保污水管的安全,采用旋喷注浆结合新奥法施工(图3),获得良好效果[3]。本次旋喷柱长12m,柱体直径60cm,中心距47cm,搭接3m,柱体向外倾斜10°。旋喷压力大于40MPa时,曾引起地面隆起达91mm,采取降压及钻卸压孔等措施后降低到8mm。旋喷引起地面隆起问题已引起工程界重视。

美国于80年代初期首次应用旋喷技术并获得成功,由于此项技术价廉及对各种土壤的普遍适用性而在美国得到广泛应用。华盛顿地铁在海军工厂以东区间隧道修建过程中采用大范围水平旋喷注浆,使土压平衡盾构得以从百年前修建的直径18ft(5486.4mm)的砖和素混凝土结构的下水道下方通过。

在修建苏黎世地铁时,瑞士首次使用水平旋喷技术作预支护[4]。在St·Antoniuskirch车站到Stadehofen车站之间有一段松散破碎的冰碛石带。虽然覆盖层在整个工程中是最薄的,但因上部有铁路线而不能明挖施工。区间隧道采用机械掘进,遇到松散破碎的冰碛石层时,出现了最严重的塌方事故。最后改为水平旋喷注浆对地层进行预支护,成功地通过了松散破碎带。开挖前,隧道拱部设置了23根长16m、直径70cm的水平旋喷柱体在隧道拱部形成一个支护拱。其钻孔直径10cm,旋喷压力为40~80MPa。旋喷拱棚完成并待固结体充分固结后,用台阶法施工,上部台阶每进尺1m,完成一个旋喷段的开挖要7天时间。相邻两旋喷段搭接2m。本次旋喷柱体长16m,这是迄今所查到资料的最长纪录。

4 我国水平旋喷工法现状

4.1 铁道科学研究院的研究工作

为推进旋喷技术的发展,铁道科学研究院于1987年在内蒙古乌兰浩特附近轻亚粘土地层进行水平旋喷试验。试验结果表明,在20MPa压力下柱径可达58cm,固结体强度为2.8MPa,拱棚厚度20~25cm,无空洞和断柱。浆液在高压射流作用下注入部分软土和土缝中,势如树根,土体得到一定加固,取得了初步成果。

4.2 石家庄铁道学院的研究工作

石家庄铁道学院从1994年起开始了水平旋喷机的研制和水平旋喷技术的研究工作。先后在厚砂质粘土地层和松散细砂地层做过4次水平及倾斜旋喷工艺试验及一系列测试,取得大量研究成果。还和徐州工程机械厂联合设计制造出“TGD-50型水平钻孔旋喷机”,如图4。该机可作竖直~上仰15°的钻孔并旋喷,不仅可用于隧道作预支护,而且可用于路基、边坡加固,基坑壁施作土锚杆等。并分别于1998年12月和1999年10月在神延线沙哈拉峁隧道洞口风积沙地层及宋家坪隧道洞内浅埋偏压段作预支护,一举获得成功。开挖后的变形及压力量测结果表明。加固效果良好,初步显示了该工法的优越性。水平旋喷加固技术的应用成功,填补了我国该项技术的空白。

5 水平旋喷注浆机械研究动态

水平旋喷注浆技术的主要机械有水平旋喷机和高压注浆泵两大部分。

5.1 水平旋喷机

国外的水平旋喷机一般都是将钻喷机构安装在多功能钻车上,既能钻水平孔又能钻竖直孔。这样的多功能钻车可以进行多种作业,较受用户欢迎。当代各种钻车发展总趋势具有以下特点。

5.1.1 注重一机多能

采用积木式组合设计,注重一机多能。可以根据不同工程不同作业的需要方便地调换部件,组成不同施工方法的机种。意大利SoilMec公司的SM-405、SM-400、SM-103钻机都可用于水平旋喷,特别是SM-103微型液压钻机可在闭塞狭小的场所工作(图5),用于旋喷最大施工深度可达9m。英格索兰公司的GH、KG、KR、KS等系列都可安装旋喷钻机,图6为该公司KR803-02型岩土工程钻机。意大利卡沙特兰地公司的L6型、PG125型水平喷射注浆机主要在隧道中应用。图7为PG125型水平钻机在隧道中进行预支护作业。

5.1.2 采用全液压传动和集中控制

为确保大扭矩和长行程给进的要求,在结构设计上采用变量马达配置方案,实现了恒功率和恒扭矩的调节。操纵、控制均集中于操纵控制室内,小型钻车一般均有可移动的机外操作台。液压系统多采用先导比例阀控制,从而保证了控制的精确、灵敏。同时控制系统设有显示装置与仪表监视装置。如宝峨公司的BG30型钻车操纵室内配置有连续深度记录装置,土力公司的C48型设有混凝土压力传感器;英格索兰公司GH系列配有深度和精度测定仪,可随时读出钻进深度和钻孔垂直度等等。