（岩土工程专业论文）水平旋喷注浆超前加固机理及在隧道工程中的应用(1).pdf

北京交通人学硕士学位论文摘要 摘要 随着我国交通事业的发展，出现了许多存软弱地层开挖的隧道，在施工过程 中保证隧道和围岩的稳定性是施工成败的关键，因此必须采取一些超前加固处理 措施来保证施工的顺利进行，而水平旋喷注浆超前加固就是一种比较好的处理方 式。 本文在综合分析水平旋喷注浆加固机理的基础上，结合具体隧道施工工程， 采用理论分析、数值计算和现场实测等研究手段，得到工盔垩醒嘘注装超前朝闾 殖砰挡髅道构影晌重蒜；争析手i h 鼻表，拱顶幂1 4 唰共迦的位移变化，同时也研究了 水平旋喷注浆超前加固对洞周围岩非线性变形的塑性区域和隧道结构内力的影 响。本文为了更好的研究水平旋喷注浆超前加固的力学机理，在弹性力学范围内 推导出了其应力和位移分布公式，进一步说明了其加固地层的本质。 论文也讨论了在粘土和砂土这两种地层中，水平旋喷注浆前后土层的物理力 学性质的变化，总结出了一些规律。并且，论文还以作者参加的一座隧道工程为 案例和一些工程实例进行了三种超前加固方法( 水平旋喷注浆、小导管注浆、大 管棚加小导管注浆) 的比较，得出了一些有用的结论。在水平旋喷注浆的施工中， 本论文也就施工工艺做了更深步的讨论，对工程中经常出现的问题做了较详细 的分析，并提出了相应应对措箍。通过有限元数值模拟和工程实测数据的比较， 论证了数值模拟可以为隧道工程前期方案确定提供相应依据，保证施工的优质、 安全和高效。 最后总结全文，提出了水平旋喷注浆超前加崮在隧道工程应用中具有普遍 意义的结论，对隧道设计和施工具有参考价值。 【关键词】水平旋喷注浆小导管注浆大管棚有限元 北京交通大学预七学位论文 英文摘要 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft r a f f i ci no u rc o u n t r y , m o r ea n dm o r et u n n e l si ns o f t s u r r o u n d i n gr o c k sa l ep u ti n t oc o n s t r u c t i o n ，t h es t a b i l i t yo fs u r r o u n d i n gr o c ka n d e x i s t i n gt u n n e ls t r u c t u r em u s tb e e ne n s u r e dd u r i n gc o n s t r u c t i o n s os o m em e a s u r e so f a d v a n c ep r e r e i n f o r c e m e n ta r eu s e dt oe n s u r et h es u c c e s so f e n g i n e e r i n g a n dt h e h o r i z o n t a lw h i r l i n g j e tg r o u t i n gi sab e t t e rm e t h o do f a d v a n c e p r e - r e i n f o r c e m e n t o nt h eb a s i so f a n a l y z i n gt h er e i n c e f o r e e m e n tm e c h a n i c so f h o r i z o n t a lw h i r l i n g j e tg r o u t i n gc o m p r e h e n s i v e l y ，t h ei n f l u e n c el e v e l so fh o r i z o n t a lw h i r l i n gj e tg r o u t i n g p r e r e i n f o r c e m e n ta r eo b t a i n e db y m e a n so f t h e o r e t i c a la n a l y s i s ，n u m e r i c a lc a l c u l a t i o n ， t e s t i n gi ns i t ua n do t h e rw a y sw i t ht u u n e le n g i n e e r i n ga s s o c i a t e d n o to n l ya r et h e d i s p l a c e m e n tc h a n g e s o fs o i ls u r f a c e 、a r c hc r o w na n di n v e r t e da r c h a n a l y s e db u ta l s o t h ep l a s t i cz o n ea n d e n d o g e nf o r c ec h a n g e so f t u n n e la r ea n a l y s e d a tt h es a l t l et i m e ， f o r h a v i n g ab e t t e rr e s e a r c ho fh o r i z o n t a l w h i r l i n gj e tg r o u t i n gp r e r e i n f o r c e m e n t m e c h n i c st h ea r t i c a l e g i v e s t h es t r e s sa n d d i s p l a c e m e n tf o r m u l a o fs o i li nt h e m e c h a n i c so fe l a s t i ct oe x p l a i nt h es o i lr e i n f o r c e m e n te s s e n c ef u r t h e r t h ea r t i c l ea l s od i s c u s s e st h ep h y s i c a la n dm e c h a n i c a lp r o p e r t yb e f o r ea n da f t e r h o r i z o n t a lw h i r l i n gj e tg r o u t i n gi nc a l ys o i la n ds a n ds o i la n dg e t ss o m e r e g u l a r i t i e s o fc o u r s e ，ac a s eo ft u n n e le x c a v a t i o nw h i c ha u t h o rh a st a k e np a r t i c i p a t e di na n d s o m eo t h e r e n g i n e e r i n g c a s e sa r ea l s os t u d i e di nt h i st h e s i sa n ds o m eu s e f u l c o n c l u s i o n sa r eo b t a i n e db yc o m p a r i n gt h r e ep r e r e i n f o r c e m e n tm e t h o d sw h i c ha r e h o r i z o n t a lw h i r l i n gj e tg r o u t i n g ，g r o u t i n gu s i n gs m a l ld u c ta n dl a r g es t e e l - p i p e s h i e l d & g r o u t i n gu s i n gs m a l ld u c tr e s p e c t i v e c o n s t r u c t i o nt e c h n o l o g ya n ds o m ef r e q u e n t p r o b l e m si n h o r i z o n t a lw h i r l i n gj e t g r o u t i n g e x e c u t i o na r ed i s c u s s e da n da n a l y s e d d e t a i l e d l yi nt h et h e s i sa n ds o m es o l v i n gm e t h o d s a l eg a i n e dt od e a lw i t ht h e p r o b l e m s t h ea r t i c l ea l s od e m o n s t r a t e st h ef a c tw h i c hn u m e r i c a ls i m u l a t i o nm a y s u p p l ys o m e u s e f u ld a t af o rc o n f i r m a t i o no fp r i o rs c h e m eo ft u n n e l e n g i n e e r i n gb ym e a n so f c o m p a r i n g t h ed a t ab e t w e e nn u m e r i c a ls i m u l a t i o no ff e ma n df i e l dt e s t i n g t h u s ，t h e 北京交通大学颇十学位论文英文摘要 p r i m eq u a l i t y , s a f e t ya n dh i g he f f i c i e n c yo f t u n n e le n g i n e e r i n g c a nb ee n s u r e d ， a tl a s t ，t h eg e n e r a lc o n c l u s i o n st oa p p l i c a t i o no fh o r i z o m a lw h i r l i n gj e tg r o u t i n g p r e r e i n f o r c e m e n ti nt u n n e le n g i n e e r i n gi sd r a w no nb a s i so fs u m m a r y , a sh a v et h e r e f e r e n c ev a l u ei nt u n n e ld e s i g na n dc o n s t r u c t i o n k e y w o r d s ：h o r i z o n t a lw h i r l i n gj e tg r o u t i n g ；a d v a n c eg r o u t i n gu s i n gs m a l ld u c t l a r g es t e e l p i p e - s h i e l d ：f e m ( f i n i t ee l e m e n t m e t h o d ) ； 北京交通大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 引言 改革开放促进了我国经济的飞速发展，土木工程建设规模日益扩大，难度 不断提高，土木工程功能化、城市建设立体化、交通高速化和改善综合居住条 1 牛成为现代化土木工程的特征。我国铁路、公路、水电站、城市地铁等隧道工 程的发展也进入了一个新时期。n 2 0 0 0 年我国已经有公路隧道1 6 8 4 座，总长 6 2 8 k m ，到1 9 9 8 年底铁路运营隧道约5 5 3 6 座，总长2 5 6 5 k m 。除隧道的数量增加 外，隧道的长度也有所突破，如长度超过1 2 k m 的长梁山隧道，西安一安康线上 的长1 8 6 k m 的秦岭隧道，正在修建的长达1 8 k m 的终南山公路隧道，以及小浪底 水电工程中的地下群体的修建。地下城市交通也已经存在在一些大中城市，北 京、上海，广州等城市都已经有相当的地下交通线，并h 许多城市的地下交通 线正在修建之中。 随着隧道建设的规模越来越大、建筑地域日益广阔，也自然经常要在软弱 地层中修建铁路、公路隧道及城市地下铁道等工程。软弱松散地层的自稳性能 非常差，在这样的地层中修建隧道，就必须先对工作面前方沿隧道轮廓线进行 超前加固，然后再开挖，以保证旌工安全。隧道超前加固问题处理1 i 好，后果 严重。据调查统计，世界各国发生的各种隧道工程建设中的工程事故，开挖隧 道中的软弱松散地层问题常常是主要原因。隧道的超前加固问题处理好，不仅 安全可靠而且具有较好的经济效益。需求促进发展、实践发展理论，这些年来 我国在隧道超前加固处理技术方面发展很快，队伍不断扩大，水平不断提高， 隧道超前加固已经成为活跃的土木工程领域的热点。2 1 世纪是土木工程大发 展的世纪，也是隧道建设、地下空间充分利用的大发展世纪，隧道超前加固技 术也必将拥有更为广阔的前景。 第1 页 北京交通大学硕士学位论文第一章绪论 1 2 水平旋喷注浆技术研究的目的和意义 1 2 1 水平旋喷注浆技术研究的目的 人们对隧道超前加固的新方法有个逐渐认识和发展的过程。开始，人们 采用静压注浆对丌挖隧道前方地层进行处理，人们把注浆管静置于地层或岩石 裂隙中，以较低的压力，把能凝固的浆液以填充、裂隙、渗透和挤压等方式注 入其内，浆液产生凝胶，便把原来松散的土固结为有定强度和防渗性能的整 体或把岩石裂隙堵塞起来，从而起到加固地层或防渗堵水作用。但是静压注浆 对颗粒细小的砂类土和含泥量人的粘性土等软弱地层，水泥浆难以注入，只能 依靠较高的压力强制注入，但浆液不能均匀渗透，多呈脉状或片状扩散，浆液 流失到预定范围外情况较严重，以至于固结体的整体性和均匀性都较差。在某 些隧道工程中，采用静压注浆法处理的效果不是很好或者出现了事故。问题的 出现促使土木工程工作人员从各种角度思索怎样解决遇到的工程问题，于是各 种新的隧道超前加固方法随之出现并在随后的工程施工中不断完善和发展，如 常用的工作商小导管注浆、管棚预支护等。但是，在土层颗粒较细时，采用小 导管注桨加固效果难以保证，而采用管棚支护往往会使软土从管间滑落，导致 坍塌。这时，采用水平旋喷注浆超前加固技术，经过国内外大量工程实践证明 是很合适的，其加固范围和加固效果可以很好地得到人为控制。 旋喷注浆法是近十年来发展起来的一种地层加固新技术。它具有加固体高 强度、加固质量均匀、加固体形状可以控制的特点，已经成为国内工程界普遍 接受的、多用的、高效的地层加固方法。它是利用工程钻机，将旋喷注浆管置 于预计的地层加固深度，在钻杆旋转退出时，将配制好的浆液，用定的压力， 从喷咀中喷出，冲入地层，把土和浆液搅拌成混合体，随后凝聚固结，形成一 种新的有一定强度的水泥土。这种地层加固方法，我们称之为旋转喷射注浆法， 简称旋喷法。一般情况，钻机都为垂直钻孔，旋转喷射称为垂直旋喷注浆法。 顾名思义。水平旋喷注浆法，就是在土层中水平( 亦町作小角度的俯、仰和外 第2 页 苎蔓銮望查堂堡兰垡望兰 苎：至堕堡 斜) 钻进成孔，注浆管呈水平状，喷咀由旱向外移动进行旋喷、注浆。它适用 于砂类土、粘性土、黄土和人工填土等地层。 属于注浆法中一个分支的水平旋喷注浆法的应用同其它岩土工程领域的 新技术一样，有着“先实践，后理论”和“地区性”的特点，随着土力学理论、 计算技术、测试仪器及旌工机具和施工工艺的不断发展，水平旋喷注浆法的工 程应用和技术正在不断的发展和完善。但是由于水平旋喷注浆法有其特殊性， 并且在一些地下工程施工中，水平旋喷注浆法的使用有其不可替代的优点，使 得人们深深的感觉到，更好的了解水平旋喷注浆法的机理和效果将能大大的改 善地下工程的施工安全和进程。 国内外很多隧道工程实例已经证明，在软弱地层中应用水平旋喷注浆法能 够很好的加固地层，保证施工的安全，具有施工时无公害、简单、比较安全以 及浆材来源广阔，价格低廉等特点并且还具有工程数量减少、缩短工期、降低 造价的效果。同时也可以把水平旋喷的构筑物f 拱体) ，当作地下工程结构的一 部分，加强结构物的刚度和防水性能。这种方式对防止坑道坍塌，有效控制地 面沉陷，使隧道顺利施工起到良好的作用，这一技术值得引用和推广。 水平旋喷注浆拱、预切槽和管棚支护都是超前加固方法的一种，三者各有 其优缺点和适用条件。水平旋喷注浆拱并不能在一切条件下代替预切槽和管 棚，但在一定条件( 如预切槽深度不够，槽内混凝土不易密实等) 水半旋喷注 浆拱棚较之其他方法能更好的解决问题。水平旋喷注浆和小导管静压注浆、管 棚注浆都能起到加固地层的作用，各自的机理和加固范围不同。从控制固结范 围和固结体强度角度看，水平旋喷注浆是隧道围岩加固的良好方法之一，能够 更好的适应隧道工程。 1 2 2 水平旋喷注浆技术研究的意义 在很深的地层中修建地下铁道、隧道、涵洞、矿山巷道、人防和都市地道 等不宜大开挖的地下建设工程的施工中，如果遇到软弱地层，常用的工作面小 导管注浆、管棚预支护等超前加固方法就显得力不从心了，在土层颗粒较细时， 第3 砥 韭塞窒望奎兰堡主兰堡堡苎苎= 童堕笙 采用小导管注桨加固效果难以保证，而采用管棚支护往往会使软土从管问滑 落，导致坍塌。而这类地质情况在隧道施工中是经常出现的。这时只能采用水 平或者倾斜钻孔旋喷注浆才能满足地层加固的要求，保证施工安全。这样，由 于隧道工程建设的需要，发展水平旋喷注浆法的要求自然而然地被提了出来。 意大利旋喷技术研究起步比我国晚七、八年，但水平旋喷的试验和施工开 展得很好，在欧洲处于领先地位。意大利已经把旋喷技术列为加固和保护隧道 围岩的基本方法之一。德国也有较成功的实践。我国旋喷技术偏重于施工工艺 方面，关十其机理方面研究很少，还处于初步阶段，急需迎头赶上。 弄清楚水平旋喷注浆法的机理，能够更好的指导丌挖隧道地层的加固和应 付各种复杂的地质条件，并能进一步的改进施工工艺，提高施工质量。随着我 国生产建设事业的日益发展，原来的隧道超前加固方法已经不能完全满足要 求，迫切需要拥有水平旋喷注浆超前加固技术。因此研究水平旋喷注浆法的机 理和效果是适宜的，符合土木工程发展需要的，并且也能带来较大经济效益的， 能够更好的指导隧道超前加固。 1 3 国内外研究现状分析 1 3 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、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r o d i o 公司于1 9 8 3 年首次将水平旋喷技术用于隧道超前加固a 美国8 0 年代开始使用此项技术，1 9 8 7 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 第4 页 些塞銮垄查堂堡主兰丝垒塞笙：里堕丝 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 及各闽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注浆。 1 3 2 国外水平旋喷注浆加固技术的研究现状 高压喷射注浆( h i g hp r e s s u r ej e tg r o u t i n g ) 技术是6 0 年代后期起源 于【_ _ ! | 本几产冻结有限公司的一种加固松软土体的应用技术，是化学注浆急速结 合高压射流切割技术发展起来的。其实质是采用钻机先钻进至预定深度后，由 钻杆一端安装的特别喷咀，把水泥浆液高压喷出，以喷射流切割搅动土体。同 时，钻杆边旋转边提升，使土粒与水泥浆混合凝固，从而造成一个均匀的圆柱 状水泥一土固结体，以达到加固地基和止水防渗的目的。 1 3 2 1 日本的水平旋喷工法的研究和发展现状 l 、c c p h ( c h e m i c a lc h u r n i n gp i l eo rp a t t e r n t t o r i z o n t a l i t y ) 工法 这是8 0 年代初日本在单管旋喷的基础上开发的专用于水平钻孔旋喷的施 工方法。它是在注浆管的下端位置设置一个特殊的扩径钻头、以加强剥土的破 坏。此扩释钻头存钻进时缩于钻杆的凹槽内，钻杆后退丌始旋喷时，靠阳力自 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。r 本国铁用此方法进行 过试验和施工，先沿坑道周边用旋喷形成水平加固棚体，在此加固棚体的保护 下进行坑道开挖。 2 、r j f p ( r o d i nj e tf l o wp i l e ) 工法 r j f p 工法是日本隧道软弱围岩加固中普遍采用的旋喷加固方法。至1 9 9 5 年6 月利用该方法加固隧道至少有几十座。它一般只加固隧道拱顶部分，使旋 喷柱体相互搭接形成棚体，钻孔长1 3 m ，旋喷1 1 m ，每段拱棚搭接1 m ，在其保 护下继续开挖。该方法旋喷压力一般在4 0 5 0 m p a ，形成的旋喷柱体直径一般 在6 0 7 0 c m ，旋喷固结的单轴抗压强度在3 5 8 m p a 之间。该加固方法还有 鹪5 面 北京交通大学硕士学位论文第一章绪论 专门的废浆液重利用设备，可以对从孔内漏出的浆液重新利用。r j f p 工法作 业顺序见图l l 。 一一怔三三三三= 1 、钻机定能 姜啡基兰芎辛萼芎三，、 、 _ l i一丫 ” 一生 l l 垦 i 2 、按要求深度钻出旋喷孔 一斜蓁慕 亡_ 。 亘营 3 、自孔底喷射浆液、边喷、边转动、边后退，形成崮结体 北京交通太学顾十学位论文 第一章绪论 鬻熬蒸一 、纛“1 4 、喷毕、拔出喷头、将术栓塞入孔口，制止浆液外流 5 、视需要插入芯材( 如钢筋或者钢管) 以提高圃结体的抗弯折能力 圈1 1r j f p 工法作业顺序 3 、m j s 工法 m j s 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m j s 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。由于钻机内还装有大小7 根管线，所以又叫七管旋喷法。 该工法优点是不污染现场，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。 垄塞銮塑查堂堕! ：兰垡堡茎墨：童竺丝 1 3 2 2 意大利水平旋喷工法的研究和发展现状 意大利已经把旋喷法列为加固和保护隧道围岩的基本方法之一。 意大利是多山国家，其隧道及地下工程的旌工技术比较发达。意大利旋 喷技术虽然起步比我国晚，但水平旋喷技术的开发应用在欧洲处丁领先地位。 1 9 9 2 年在s l o v e n i a 召开的隧道和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，把旋喷注浆法和静态注浆、冻结法 和机械预切槽等一并列为隧道围岩加固基本方法。最典型作法是沿拱部外缘用 水平旋喷柱体相互搭接形成拱棚，在它的保护下丌挖上部断面。用台阶法施工 的时候，为提高拱脚地层的强度，在坑道内两侧倾斜打入钻孔，将旋喷柱体联 结成墙体。图1 2 所举的例子是一座双线公路隧道，断面为1 2 0n 1 2 ，旋喷柱 长1 3 m ，中心距0 ，5 m ，杠体直径0 6 m ，开挖进入l o m 后钻喷下一组，搭接 3 m 。 水平旋喷拱棚 图1 2 水平旋喷在隧道周边形成拱棚 从意大利的工程实践中 ：导知，在砂粒土和中细砂地层，水平旋喷质量较好， 固结体平均抗压强度达到1 8 1 9m p a ，接近c 2 0 等级混凝土。在水平旋喷体 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，其受力极少，说明旋喷拱棚的刚度很好，承受住山体的压力。 第8 页 ! ! 塞窒望叁兰堡主兰堡垒三 蔓：! 堕堡 1 3 23 欧美国家水平旋喷工法的研究和应用现状 高压旋喷注浆加固隧道围岩在欧美各国得到广泛的应用。 德国波恩地铁一段区间隧道松散未固结土层、渗透率平均为0 0 0 8 m s 的莱 茵河砾石及不均匀泥沙层，平均埋深为3 5 m ，顶部还有一条污水管道通过。 为控制地面沉陷并确保污水管的安全，采用旋喷法注浆结合新奥法施工( 图1 3 ) ，获得良好效果。本次旋喷柱长1 2 m ，柱体直径为o 6 m ，中心距为o 4 7 m ， 搭接3 m 。柱体向外倾斜l o 。旋喷压力大于4 0 m p a 时，曾引起地面隆起达 到9 1 m m ，采取降压及钻卸压孔等措施后降低到8 r a m ，旋喷引起地面隆起问 题引起工程界重视。 地面 婴皇一蓼攀一一 謦憝一l 卜潦删 j ! 塞銮堕查兰堡主堂堡垒苎；苎= 童丝堡 为旋喷拱棚与喷混凝土、钢拱衬砌一起作为一支护系统具有良好的支护效果， 可以有效抑制地面沉陷。 在修建苏黎世地铁时，瑞士首次使用水平旋喷技术作超前加固。在 s t a n t o n i u s k i r c h 车站到s t a d c h o f e n 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，出现了最为严重的塌方事故，最 后改为水平旋喷注浆对地层进行超前加固，成功地通过了松散破碎带。开挖前， 隧道拱部设置了2 3 根长1 6 m 、直径7 0c m 的水平旋喷柱体，在隧道拱部形成 一个支护拱。其钻孔直径1 0c m ，旋喷压力为4 0 8 0m p a 。旋喷拱栅完成并 待固结体充分固结后，用台阶法施工，上部台阶每进尺l m ，完成一个旋喷段 的开挖要7 天时间。相邻两旋喷段搭接2 m 。本次旋喷柱体长1 6 m ，这是迄今 所查到资料中的最长记录。 存瑞士修建的楚格瓦尔德隧道，洞口段通过冰碛石和山体滑坡十石，都 是松软岩层。开挖前用2 8 根长1 5 m ，直径为6 0 c m 的旋喷注浆柱体在隧道拱 部形成一个支护拱。在其保护下用挖掘机以几米距离逐步丌挖拱部、掘进速度 为每月1 2 5 m 。 1 3 3 我国水平旋喷注浆加固技术的研究和应用现状 1 3 3 1 铁道科学研究院的工作 为了推进旋喷技术的发展，我国铁道科学研究院于1 9 8 7 年在内蒙古乌兰 浩特附近轻亚粘土层进行水平旋喷试验。先进行工艺试验确定旋喷参数，用七 根水平旋喷柱组成拱棚。试验结果表明，在1 2 m p a 压力下平均柱径3 8 7 m m ， 压力2 0 m p a ，柱径町达5 8 0 m m ，固结体强度为2 8m p a ，拱棚厚度在2 0 0 2 5 0 n l l n 之间。浆液在高压射流作用下注入部分软土和土缝中，士体得到一定加固， 取得了初步成果。 1 3 3 2 石家庄铁道学院的工作 石家庄铁道学院从1 9 9 4 年起开始了水平旋喷机研制和水平旋喷技术的研 篱1 0 硬 ! ! 塞壅望查兰堡主兰堡堡苎塑童堑笙 究工作。先后在硬砂质粘土地层和松散细砂地层作过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。与徐州机械厂联合设计制造出的 “t g d 一5 0 型水平钻孔旋喷机”，可作峰直至上仰1 5 。的钻孔并旋喷它不仅可 用于隧道超前加固，而且可用丁路基、边坡加固、基坑壁施作土锚杆等。该机 分别于1 9 9 8 年1 2 月和1 9 9 9 年l o 月在神延线沙哈拉茆隧道洞口风积沙地层及宋 家坪隧道洞内浅埋偏压段作超前加固，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空白。 1 3 4 水平旋喷拱的数值模型 预衬砌方法和数值模型的提出，为高压旋喷注浆与新奥法的结合提供了理 论和实践基础。 控制地面沉陷始终是松软地层中修建浅埋隧道的一项重要研究课题。根 据日本研究人员横山等人的研究，浅埋隧道地面整个沉降量的3 0 4 0 和地 下地层的整个沉降量的5 0 7 0 是在一般支护开始发生作用之前发生的，所 以，加固工作面前方的地层对抑制地面沉陷非常重要。换言之，加固工作面前 方的地层，同时采用初期支护以保持自然地层的原始状态，防止地面沉陷是根 本的。 1 9 8 9 年在加拿大多伦多召丌的国际隧道协会会议上，日本人根据本国及 世界各国的工程实践，提出了“预衬砌方法”，作为一项在浅埋地层中修建隧 道时有效抑制地面沉陷的新方法。该方法主要是在工作面前方地层中预先铺设 一个薄的拱壳衬砌，在其保护下进行开挖。此拱壳材料应该有素混凝土一样的 刚性，还必须经济、适应性强、便于运输。预切槽和旋喷拱都能满足这一以方 法的要求，后者设备比前者简单，深度也比前者深。因而，旋喷拱属于预衬砌 方法之一种。 1 9 9 0 年在成都召开的国际隧道协会1 6 届年会上，奥地利学者c s w o b o d a 提出了“数值模型对新的隧道开挖方法发展的影响”的论文，文中用i 维数值 荫i l 硬 ! ! 塞奎望查兰婴生兰垡丝兰兰：皇堕丝 模型分析论证各种新的施工方法的力学机理，对旋喷注浆与新奥法的结合，他 认为是“先进的奥地利施工方法”。三维的隧道数值模型( 图1 - 4 ) 分析表明， 歼挖期间的应力重分布只发生在开挖面前方非常有限的区域，而且发现发生坍 圈1 4 先进的奥地利施工方法的数值模型 塌的危险区也是在开挖面处的这个很短的区域内。这就意味着这一区域内早期 支护措施特别重要，应采用先进的奥地利施工方法。旋喷注浆是用来在开挖面 前方形成拱棚。文中还认为旋喷拱棚虽然未加钢筋，但其纵向支护效果是次要 的，主要是粘结力太小的松散土壤和混凝十相连接。用三维有限元分析结果表 明，在旋喷拱保护下，内层的喷混凝土和二次衬砌应力和变形都很小。 1 4 目前研究存在的问题 目前我国对水平旋喷超前加固技术的相关研究还是比较初步的，相关部门 的主要研究仍然是围绕其施工方法和质检标准展开，而对其理论和数值模拟研 究的比较少，同时也仍旧没有系统全方位的对其深入的研究，岩土理论领域的 一些新的进展也没有引入进来。总之，水平旋喷超前加固技术的研究仍然需要 进一步深化。 笫1 2 页 北京交通大学硕士学位论文第一章绪论 1 5 本文主要研究内容与研究方法 针对目前研究存在的问题，本文系统的总结并发展了水平旋喷注浆超前 加固方式的相关内容，以现场实测、理论分析和有限元计算等手段来研究水平 旋喷注浆超前加固在隧道施工中的作用和效果，主要包括以下内容： 1 、深入研究了高压喷射流的构造和特性、高压喷射流对土体的破坏作用 及水平旋喷注浆成柱作用机理。 2 、研究了水平旋喷注浆固结体的主要力学性能。主要对硬粘土和细砂两 种土层以及两类浆液( 单水泥浆液和水泥一水玻璃双浆液) 在旋喷前后的相关 力学性能数据进行了分析，其包括旋喷固结体的无侧限抗压强度、抗拉强度、 强度软化系数、容重、柱体直径、压缩模量、变形模量以及旋喷固结体周围土 体的物理力学性质变化。 3 、研究了水平旋喷注浆超前加固的施工工艺。对水平旋喷注浆的施工设 备、材料、施工主要技术措施、施工工艺以及施工中常见问题的处理做了详细 的阐述。 4 、在弹性力学范围内推导了水平旋喷注浆超前加固的等效力学模型，解 释了超前加固的力学机理，并通过实例计算做了相关验证。 5 、应用大型有限元程序a n s y s 对超前加固进行了数值模拟。通过北京长 安街复线热力管线工程的实例，对4 个工况( 不超前加固、水平旋喷注浆、小 导管注浆和大管棚加小导管注浆) 的情况进行了模拟， 并对模拟数据和现场 测试数据进行了比较和分析，得出了一些有用结论。 6 、介绍了一些水平旋喷注浆超前加固的应用实例，并对几种超前加固方 式做了一些比较分析，说明了水平旋喷注浆加固的优缺点和适用范围。 第1 3 页 北京交通大学硕士学位论文 第二章水平旋喷注浆成柱作用机理 第二章水平旋喷注浆成柱作用机理 2 1 高压喷射流的构造和特性 高压喷射流是指液体通过高压发生装黄获得巨大能量后，从一定形状和孔 径的喷咀中，以很高的速度喷射出来的射流。由于实际工程应用中流动的雷诺 数都很大，高压喷射流都是紊流射流。射流流入于其性质相同介质的流动称为 淹没射流；射流流入空气中称为自由射流。试验“7 1 发现，自由射流和淹没射流 在构造上极为近似，可以认为是一一致的，但二者喷射流的扩散却不相同。单 管旋喷注浆使用高压水泥浆射流，其射流构造可以用高压水连续喷射流在空气 中喷射( 即自由射流) 的模式予以说明。 2 1 1 高压喷射流的构造 从高压发生装置中喷射出的液体射流，具有很高的速度和压力，其几何形 状如图2 一产7 ”1 所示。 y 翅始区埴一道熊匮垭 主体区 圈2 1 高压喷射流的构造 第1 4 页 ) n ：，- u p x 北京交通大学硕士学位论文第二章水平旌喷注浆成柱作用机理 高压喷射流的结构沿着喷射流中心轴，可以分为初始区域、主体区域和终 了区域。 高压喷射流在喷咀出口的速度( u 。) 是均匀的，轴向动压是常数，保持着 速度均匀的向下游延伸，速度逐渐减少，射流宽度逐渐增加，当达到某一位置 后断面上速度不再是均匀的了。在整个喷射流中，速度分布保持均匀的部分 成为喷射核，喷射核随着向下游延伸而缩小乃至消失。 高压喷射流具有喷射核的流段称为初始区域。由于喷射流的紊动作用，不 断和周围介质( 空气) 发生动量交换，周围空气进入喷射流中，使接近边界部 分的喷射流速度逐渐降低。初始区域的长度是喷射流的一个重要参数，据此可 以判断破坏和搅拌土体的效果。初始区域越长，喷射流破坏和搅拌土体越充分， 旋喷固结体的直径越大。 在初始区域末端有一个过渡段，喷射流的扩散宽度稍有增加，轴向动压有 所减少。由于过渡段很短，为了简化喷射流图形，可认为过渡段的长度为零， 成为一个截面称为转捩面。 离开初始区域末端一段距离后，喷射流变成似乎是从一点喷射出来的， 这段喷射流称为主体区域。在该区域内，轴向动压突然减弱，喷射速度进一步 降低。在土中旋喷时，喷射流与土体在本区域内搅拌混合。 终了区域内的喷射流，处于能量衰竭状态，喷射流的宽度很大。在空气 中喷射时，终了区域的喷射流雾化程度很高，水滴呈雾化状，与空气混合在一 起最后消散在大气中。 2 1 2 高压喷射流的压力衰减 在空气中和水中喷射得到的压力与距离的关系曲线，如图2 - - 2 所示。 喷射流在空气中喷射水时：纽= 生 第1 5 砸 北京交通人学硕士学位论文 第二章水平旋喷注浆成柱作用机理 喷射流在水中喷射水孵 p o = ( 詈 2 x 式中 t 一初期区域的长度( m ) z 一喷射流中心轴距喷嘴距离( m ) p 。喷嘴出口压力( k p a ) 耽一喷流中心轴上距喷嘴x 距离的压力( k p a ) 根据实验结果： 在空气中喷射时：t = ( 7 5 1 0 0 ) 哦 在水中喷射时： t = ( 6 6 5 ) 矗 式中 氏一喷嘴直径( m ) 当压力高达1 0 4 0 m p a 的喷射流在介质中喷射时，压力的衰减规律也可近似地 采用下列经验公式： 旷k x 司5 式中mn 一系数( 适用与z = ( 5 0 3 0 0 ) 玩 2 1 3 高压喷射流的基本特性 1 喷射流的卷吸和扩散现象 高压液体从喷咀中高速喷出后，由于高速运动，在喷射流与其周围静止介 质( 如士粒、空气或地下水等) 之间，产生较大的速度梯度，靠近喷射边界外 部的介质，因摩擦作用而运动起来，一部分静止介质被卷吸带走，以致喷射流 边界周围造成低压区，促使外部介质向边界流动，并不断被喷射流卷吸，另一 部分的介质比喷射流的速度低，产生垂直于喷射流方向的运动。随着流程的延 北京交通大学硕士学位论文 第一章水平旋喷沣浆成柱作用机理 伸喷射流卷吸周围静止介质的数量随之增加，因而喷射流的宽度逐渐变宽。 出于能量的转换和沿程损失，喷射流的动压和流速下降，密集的喷射流逐渐扩 散，最后能量也逐渐消散掉，见图2 2 。 流体 y 卷吸流体 + 二兰三 + + ，j 卜。 、 4 4 q 、卜、 闰2 2 喷射流的状态 试验发现，虽然喷射流在空气中和水中的构造极为相似，且可以认为致 但喷射流的扩散却大不相同。得到喷射流的扩散角公式5 ”； r = 戤” 在空气中喷射水，喷射流的扩散不明显，得到下列关系式： r ：k ； 式中r 一喷射流的扩散半径( m ) k 一系数 工一距喷咀的距离( m ) 在水中喷射水时，射流半径沿程线性增加，即 r = 觳 菊1 7 砸 北京交通大学硕士学位论文第二章水平旋喷注浆成柱作用机理 2 初始区域长度 初始区域长度( e ) 的大小直接反映了喷射能量的人小。它是喷劓流的一 个重要指标。只越大，则喷射流对土的破坏和搅拌效果就越显著。 在喷咀条件一定的情况下，喷射流的初期区域长度x ，随着喷射压力的变化 而不同，在低压力时t 变化较大，一般都随压力的增大，初始区域长度减少。 超高压时( 通常i o o m p a ) ，初始区域长度接近常数，如图2 3 所示。在空气 中喷射水时，当压力为0 5 1 0m p a ( 低压) 时，喷咀附近的喷射流不会卷吸 空气，喷射核较长，初始区域长度较大；当握力升至1 0 3 0 m p a ( 中压) 时， 喷射流存在喷射核和过渡段，当压力升至7 0m p a 时，喷咀出口处出现涡流； 当压力大于1 0 0m p a ( 高压) 时，喷射流初始区域有一定的减少。 ( a ) 低压 袢一= 二二：二一一一 莎一= _ 2 0 m p a ，流量5 0 l m i n 。 5 、空气压缩机 第3 9 负 北京交通大学硕士学位论文 第四章水平旋喷注浆超前加i 占| 施工工艺 空气压缩机和流量计、输气管组成供气系统，主要提供水气或水浆复合喷 射流的气流。压力要求为0 7 m p a 以上，气量一般为3 6 d m i n ( 2 个喷嘴需3 m m i n ，4 个喷嘴需6 m ”m i n ) ，宜选用低噪音空压机。 6 、泥浆搅拌机 泥浆搅拌机和上料机、浆液贮存桶( 简称贮浆桶) 共同组成制浆系统，可 选用普通灌浆工程用的造浆系统。为使浆液高速搅拌，达到均匀混合的目的 也可选用m - 2 0 0 型外循环式高速搅拌机，其技术性能见表4 3 ： 表4 3 有效容积 2 0 0 i 制浆能力1 m 3 l 山浆口直径 巾5 0 r a m 进浆口直径m 3 2 m m 动力 电动机j 0 2 3 2 4 ，3 k w ，1 4 3 0 r m i n 7 、高压胶管 高压胶管应采用三层钢丝裹绕和橡胶管，通常内径为西1 9 r a m 。正常耐压强 度为4 0 m p a 。 8 、喷射注浆管 喷射注浆管包括单管、二重管、多重管、和多孔管等，目前国内只有前三 种注浆管。各种喷射注浆管均由导流器( 即送液器) 、注浆管( 钻杆) 和喷头 三部分组成。三者喷射的介质不同和射流的结构不同。以三重管旋喷桩直径最 大，单管法最小，二荤管法居中。 ( 1 ) 单管 单管是实现单管喷射工艺的主要设备之一，其内部只输送一种2 0 4 0 m p a 的高压浆液。 单管注浆管一般用驴4 2 5 0 m m 的地质钻杆代用，每根长1 0 3 5 m ，钻杆 的上下联接采用方扣螺纹，为保证螺纹处有良好的密封性( 不窜流浆液) ，在 第4 0 页 北京交通大学硕土学位论文第旧章水甲旋喷注浆超前加固施工工艺 螺纹接头处要加钢垫圈或缠麻。 单管的喷头装在钻杆的最下端，常用的两种喷头结构。平头型单管喷头底 部镶有硬质合会，可以钻进碎石土或较硬夹层，喷头上装有两个喷嘴，分别装 在喷头两侧，使高压射流横向射入地层破坏上体，喷嘴直径一般为2 3 m m 之 间，喷射水泥为主剂浆液的喷嘴，一般是以硬合金钢制成。圆锥形单管喷头底 部有硬质合金，适用于粘性土和砂类土。 ( 2 ) 二重管 二重管导流器的作用是将高压泥浆泵输送来的高压浆液和空气压缩机送 来的压缩空气从两个通道分别输送到钻杆内。外壳上装有两个销装可折式卡回 接头，通过橡胶管分别与高压泥浆泵和空气机连接，旋喷作业时，外壳不动， 芯管随钻秆转动。二重管的钻杆是两种介质的通道，它上接导流器，下接喷头， 使二重管组成一个整体。 二重管喷头是实现浆气同轴喷射和钻进的装置。存喷头的侧面设置了一个 或两个浆气同轴喷射的喷嘴，气的喷嘴成环状，套在高压浆液喷嘴外面，其环 状问隙为1 2 m 。这种喷头将从外管输送的高压浆液变换从内管送至喷嘴， 又将从内管输送来的压缩空气变换成从外管送至环状气喷嘴，实现浆气同轴复 合喷射流。 ( 3 ) 三重管 和前两种类似，三重管也是由导流器、钻杆和喷头三部分组成。 三重管在喷射的过程中，三种介质( 水泥浆、高压水、压缩空气) 不得 在三重管中串流和渗漏喷头在插入地层预定深度后射流破坏土体。 三重管的导流器由外壳和芯管组成。外壳上由三个卡口式活接头，通过软 管与高压水泵、空气压缩机和中( 或低) 压泥浆泵连接。旋喷作业时，芯管旋 转，外壳不动，芯管由内、中、外三重管重合在一起的组合加工件，介质从芯 管的三个端口进入芯管内，导流器芯管底部与三重钻杆连接并随之转动a 三重管的钻杆是将导流器输送来的介质注入到地层中预定深度的特别管 第4 l 砸 些壅銮望查兰堡主兰垡堕苎笙型兰垄! 鉴堕垄塑望堕塑型堕三三兰 道。三重管钻杆上接导流器，下接喷头，使三重旋喷管成为个整体。三重钻 抒是由内、中、外管组成，三根管按真径大小套在一起，轴线重合，内管输送 高压水，中管环隙输送压缩空气，外管环隙输送浆液。 三重管的喷头是实现水气同时喷射和浆液注入装置，上接三重钻杆，是三 重喷射管最