（岩土工程专业论文）水平旋喷桩预支护作用机理及效果的研究.pdf

论文题目： 专 业： 硕士生： 指导教师： 水平旋喷桩预支护作用机理及效果的研究 岩土工程 雷小朋 ( 签名) 亥! 眉目 谷拴成 ( 签名) 笾 摘要 水平旋喷桩是在水平钻孔内以高压旋喷的方式压注水泥浆，在隧道开挖外轮廓形成 拱形预衬砌，以防护掌子面和地表下沉的超前支护施工方法。实践证明，水平旋喷桩是 目前国内外行之有效而又快速经济的隧道超前支护技术，具有广阔的运用前景。 本文在前人大量研究成果的基础上，从高压喷射注浆加固机理、分类构造、影响因 素、固结体基本物理力学性质入手，运用理论分析研究和数值模拟研究方法，对水平旋 喷技术的作用机理与影响因素进行了较为深入的研究，主要内容包括： 1 、对水平旋喷桩加固的适用范围和优缺点进行了说明，同时对水平旋喷桩的施工 方法的设计进行一定的分析，总结该工法的施工设备方案、工艺参数设计、流程步骤、 成桩检验方法、常见问题及处理措施，最后对几种超前加固方式做了一些比较分析。 2 、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 喷桩加固机理。 3 、对作用在水平旋喷桩预支护上的荷载进行了探讨，将水平旋喷注浆成拱简化成 一个开口圆柱壳体，建立水平旋喷桩预支护隧道开挖过程中的三维力学模型，并求出了 其弹性解析解。 4 、通过数值模拟软件f l a c 3 d ，对浅埋隧道在有水平旋喷预支护和无水平旋喷预支 护两种情况下进行模拟对比，以及模拟结果与理论计算结果对比，得出水平旋喷桩预支 护的作用效果和初步结论。 关键词：水平旋喷；作用机理；力学模型；数值模拟 研究类型：应用研究 s u b j e c t：s t u d yo np r e - s u p p o r ta c t i o nm e c h a n i s m a n de f f e c to f h o r i z o n t a lr o t a r yj e tg r o u t i n gp i l e s s p e c i a l t y ：g e o t e c h n i c a le n g i n e e r i n g n a m e：l e ix i a o p e n g i n s t r u c t o r ：g us h u a n c h e n g a b s t r a c t ( s i g n a t u r e ) ( s i g 的t u r e 滋血毛哆 h o r i z o n t a lr o t a r yj e tg r o u t i n gp i l e si sap r e - s u p p o r tc o n s t r u c t i o nm e t h o dt h a tb yw a yo f p r e s s i n gs l u r r yu s i n gh i g hp r e s s u r ej e ti nh o r i z o n t a lh o l e s ，t h i st e c h n o l o g yc o u l df o r ma a r c h i n gp r e - l i n i n ga tp r o f i l ei nt u n n e lc o n s t r u c t i o nt op r o t e c tt h ew o r k i n gf a c ea n dr e d u c e s u r f a c es u b s i d e n c e t h ep r a c t i c eh a sp r o v et h a tp r e s u p p o r tt e c h n o l o g yo fh o r i z o n t a lr o t a r yj e t g r o u t i n gp i l e si saw e l lf a s ta n de c o n o m i cp r e s u p p o r tt e c h n o l o g yi nt u n n e lc o n s t r u c t i o na t c h i n 如a n dt h i st e c h n o l o g yw o u l dh a v ew i d e s p r e a da p p l i c a t i o np r o s p e c t s t h ep a p e ri so nt h eb a s i so ft h el a r g en u m b e ro fp r e v i o u sr e s e a r c hr e s u l t s ，i n c l u d i n g m e c h a n i s mo ft h eh i g hp r e s s u r ej e tg r o u t i n g ，c l a s s i f i c a t i o ns t r u c t u r e ，i n f l u e n c i n gf a c t o r s ，b a s i c p h y s i c a la n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so ft h eh o r i z o n t a l s o l i d i f i c a t i o n ，a p p l y i n gt h e o r ya n a l y s i s ， f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sr e s e a r c h m e t h o d s ，m a k i n gai n - d e p t hr e s e a r c ho nm e c h a n i s mo ft h e h o r i z o n t a lr o t a r yj e tg r o u t i n gp i l e sa n dt e c h n i c a lf a c t o r s t h ep r i n c i p a lc o m e n t si np a p e ri s ： 1 、a p p l i c a t i o nr a n g eo fh o r i z o n t a lr o t a r yj e tg r o u t i n gp i l e sp r e c o n s o l i d a t i o na n di t s a d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e sa r ed e s c r i b e d m e a n w h i l e ，t h ed e s i g nf o rc o n s t r u c t i o nm e t h o d o fh o r i z o n t a lr o t a r yj e tg r o u t i n gp i l e sw a sa n a l y z e dt os o m ee x t e n t a n dt h i st e x tc o n c l u d e d s o m ea s p e c t so ft h i sc o n s t r u c t i o nm e t h o di n c l u d i n gc o n s t r u c t i o ne q u i p m e n t ，t h ed e s i g no f p r o c e s sp a r a m e t e r s ，p r o c e s ss t e p s ，p i l e - t e s tm e t h o d s ，f r e q u e n t l yp r o b l e m sa n dc o r r e s p o n d i n g t r e a t m e n t s f i n a l l y ，s o m ep r e - r e i n f o r c e dm e t h o d sw e r ec o m p a r e da n da n a l y z e d 谢t he a c h o t h e r 2 、t h i st e x ts t u d i e dd e e p l yo nt h es t r u c t u r ea n dc h a r a c t e r i s t i c so fh i g h - p r e s s u r es q u i r t f l o w , i t sd e s t r u c t i v ee f f e c to ns o i la n da c t i o nm e c h a n i s mo ff o r m i n gp i l eb yh o r i z o n t a lr o t a r y j e tg r o u t i n gp i l e s 3 、t h el o a d sa c t e do nh o r i z o n t a lr o t a r yj e tg r o u t i n gp i l e sp r e s u p p o r tw e r ed i s c u s s e d t h e g r o u t i n g - a r c h i n gb yh o r i z o n t a lr o t a r yj e tg r o u t i n gw a ss i m p l i f i e di n t oa no p e n i n gc y l i n d r i c a l s h e l l at h r e e d i m e n s i o n a lm e c h a n i c a lm o d e lo ft u n n e lc o n s t r u c t i o nb yh o r i z o n t a lr o t a r yj e t g r o u t i n gp i l e sp r e - s u p p o r tt e c h n o l o g yw a sb u i l ta n di t se l a s t i c a l l y - - a n a l y t i c a ls o l u t i o nw a s d e r i v e d 4 、b yw a yo fn u m e r i c a ls i m u l a t i o ns o f t w a r ef l a c 3 d ，t h i st e x tc o m p a r e dt h es i m u l a t e d r e s u l tw h i c hu s e dh o r i z o n t a lr o t a r yj e tg r o u t i n gp i l e sp r e - s u p p o r tw i t ht h es i m u l a t e dr e s u l t w h i c hn o t ，a sw e l la st h es i m u l a t i o nr e s u l t sc o m p a r e d 晰t ht h et h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o nr e s u l t s b a s e do nt h ec o m p a r em e n t i o n e db e f o r e ，f u n c t i o n a r ye f f e c ta n dp r e l i m i n a r yc o n c l u s i o nb y h o r i z o n t a lr o t a r yj e tg r o u t i n gp i l e sp r e - s u p p o r tt e c h n o l o g yw a sc o m eo u t k e yw o r d s ：h o r i z o n t a lr o t a r yj e tg r o u t i n g a c t i o nm e c h a n i s m m e c h a n i c s m o d e l n u m e r i c a ls i m u l a t i o n t h e s i s ：a p p l i c a t i o nr e s e a r c h 娄料技太学 学位论文独创性说明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 其取得研究成果。尽我所知，除了文中加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西安科技大学 或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所 做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：、留小j 猬日期：弘d 砗f 月矽历 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期间 论文工作的知识产权单位属于西安科技大学。学校有权保留并向国家有关部门或 机构送交论文的复印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以将本学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存和汇编本学位论文。同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课 题再撰写的文章一律注明作者单位为西安科技大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名：、雷小月月指导教师签名一乏才参- 弋 指导教师签名：1 “众 9 - * 口7 年t - 月矽日 1 绪论 1 绪论 1 1 水平旋喷注浆技术研究的意义 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 保证施工安全。隧道超f ； 加固问题处理不好，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，隧道超前加固己经成为活跃的土木工程领域的热点。2 l 世纪是土木工程大 发展的世纪，也是隧道建设、地下空间大发展的世纪，隧道超前加固技术也必将拥有更 为广阔的前景。 人们对隧道超前加固的新方法有一个逐渐认识和发展的过程。开始，人们采用静压 注浆对开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一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大的粘性土等软 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，如常用的工作面 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。隧道水平旋喷注浆超前支 护技术就是沿隧道拱部外缘用水平布置的水泥旋喷桩相互搭接形成拱棚，在它的保护下 开挖隧道，也称为水平旋喷工法。根据需要还可在旋喷体中插人钢管或芯材，即称为加 筋水平旋喷工法。水平旋喷技术的特点主要为加固体强度较高、加固直径可控、能形成 可靠的预加固衬砌、减少开挖对地面建构筑物的影响，对地层适应性强，对软弱土、松 西安科技大学硕士学位论文 散及富水地层也能取得良好的加固效果。 水平旋喷桩预支护技术是在常规旋喷桩注浆基础上发展起来的一种新技术。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、测试仪器及施工机 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。 实践证明：水平旋喷桩施工过程中能够通过钻孔、高压喷射注浆在拱部形成固结体拱棚， 并挤密压实固结体周边地层，从而提高洞室稳定性，使开挖和初期支护时不易坍塌，可 避免涌沙、涌泥，提高施工安全程度；而且水平旋喷桩比管棚法施工节省时间，提高工 效2 倍以上，造价仅是管棚法的2 3 ，与传统的小导管注浆法比较能有效地控制加固范 围。所以水平旋喷桩预支护技术是穿越松散不稳定地层隧道施工的理想支护方法，有一 定的推广价值。 不可否认，水平旋喷预加固技术的研究历经多年实践，有了大量而丰富的科研成果 和工程实践经验。但与其他预支护形式相比较而言，水平旋喷预加固技术的研究仍显得 十分薄弱。可以说，就目前对水平旋喷预加固是如何来保护围岩的天然承载力，又如何 来保证隧道的安全与稳定，以及如何控制地层变位与地表下沉等等问题，难有满意的理 论解释，而这些对设计、施工等都具有极重要的指导意义。 1 2 水平旋喷技术国内外研究现状和发展方向 1 2 1 水平旋喷技术国外运用与研究现状 日本和欧美等国是研究开发水平旋喷注浆加固技术较早的国家，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 ) 技术就是六十年代后期起源于日本的。日本最早发明了 c c p 工作法( 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 ，单管法) ，当时的旋喷直径仅为o 3 0 3 5 m 。 随后在2 0 世纪7 0 年代中期，日本在单管旋喷的基础上又相继开发出j s g 工作法( j u m b o s p e c i a lg r o u t i n g ，二重管法) ，其旋喷直径o 5 1 0 m ；c j g 工作法( - - 重管法) 。2 0 世纪 8 0 年代开始日本开始研究较大直径旋喷桩和能控制桩形的工作法，如s s s m a n 工作法、 i l i p 工作法、m j s 工作法；具有搅拌作用的工作法，如c c p - v 、c c p h 和j m m 工作法， 逐渐形成了纯喷射注浆和搅拌注浆两大体系1 6 j 。 ( 1 ) 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 m h o r i z o n t a l i t y ) 工法p 训 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。 ( 2 ) r j f p 工法 6 - 8 1 2 1 绪论 随着旋喷技术的不断发展，日本又提出i l i f p 工法。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。日本的工程技术人员运用此工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1 3 m ，旋喷l l m ，每段拱棚搭接l m 。 这些隧道所用的喷射压力在4 0 m p a 左右，形成的固结体直径6 0 - - 7 0 c m ，旋喷固结体的 单轴抗压强度3 5 8 0 m p a 。 ( 3 ) m j s 工法【9 】 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。在喷嘴后方安装的排泥浆吸入口， 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。 意大利的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【l o l 。他们把高压喷射注浆法和静态注浆、冻结法和机械预切槽等并列为隧道 围岩加固的基本方法。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， 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【l 。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1 8 - - 1 9 m p a ，接近c 2 0 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。 由于水平旋喷技术的优良特点，欧美各国也积极的将其使用于工程建设当中，特别 是针对隧道围岩的加固工程。德国波恩地铁的一段区间隧道，在通过松散未固结、渗透 率平均为8 m m s 的砾石及不均匀泥砂层，平均埋深为3 5 m ，顶部还有一条污水管通过 1 2 1 3 】。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，获得良好 效果。但旋喷同时也引起了地面隆起问题。 美国于8 0 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i l 6 1 。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砖和素混凝土结 构的下水道下方通过。 挪威的隧道及地下工程的施工技术也比较发达，旋喷技术在挪威得到广泛的应用。 挪威国家土木技术研究所和挪威公路研究实验室联合，对处于冲积层中的蒙特奥利姆比 诺浅埋铁路隧道的地面沉陷和洞内收敛位移进行现场量测，用数值分析手段评价了水平 3 西安科技大学硕士学位论文 旋喷桩相互搭接形成的拱棚的变形特性，认为旋喷拱棚与喷混凝土、钢拱衬砌一起作为 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桩作为超前加固。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债石带。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 债石层时，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， 成功地通过了松敌破碎带【l 7 。 1 2 2 水平旋喷技术国内运用与研究现状 为了更好的应对我国工程建设中不断出现的复杂的岩土加固问题，我国也于2 0 世 纪8 0 年代中期开始了水平旋喷注浆加固技术的研究和应用。 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 ，柱径可达5 8 0 m m ，固结体强度为2 8 m p a ，拱棚 厚度在2 0 0 - 2 5 0 m m 之间。浆液在高压射流作用下注入部分软土和土缝中，土体得到一 定加固，取得了初步成果。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y u 钡t j 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 5 0 型水平钻孔旋喷机”，可作竖直至上的钻孔并旋喷，它不仅可用于隧道超前加固，而且 可用于路基、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1 0 月在神延线沙哈拉峁隧道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【6 】。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。 张建华等【1 8 枷】通过水平旋喷桩超前支护技术在广州地铁2 号线新( 港东) 磨( 碟 沙) 区间段运用，分析了水平旋喷桩的工艺原理和技术要求。通过工程实践，成功的将 水平旋喷技术运用于地铁隧道的超前支护当中，并取得了良好的施工效果。地铁施工过 程中遇到了饱和淤泥质土、粉砂地层，由于开挖扰动后围岩变为松散砂体，无自稳能力， 施工难度大。施工中采用了水平旋喷搅拌技术，喷射压力1 5 2 0 m p a ，桩长1 5 m ，成桩 直径5 0 0 m m ，桩距2 5 0 m m ，最后仅用5 0 天解决了超浅埋砂性地层暗挖施工的结构围护 难题，在国内地铁建设史上还是首次。他们总结出在地层松散、自稳能力差浅理的城市 地下工程，水平旋喷工法有着广阔的前景。水平旋喷桩形成固结体和对周边围岩的加固， 可以显著提高围岩的级别。软弱围岩浅理隧道地面沉陷的3 0 - - - 4 0 和地层整个沉降量 的3 0 , - - 7 0 是在一般支护开始发挥作用之前发生的，水平旋喷预支护形成刚性较大的 拱棚能有效地防止开挖面前方拱棚以外围岩的扰动和位移，能有效控制地而的沉降和防 4 1 绪论 止漏水涌砂。 孟凤朝、仝学让等【2 m 2 j 通过水平旋喷桩超前支护技术在深圳地铁一期工程大剧院 科学馆区间段的运用，分析了水平旋喷桩的加固原理及特点，通过试验对水平旋喷超前 预加固技术及施工方法进行了一定的研究和运用。该段地铁施工处于流塑状砂质粘性土 层，试验中分别采用了小导管和水平旋喷技术进行加固，结果表明水平旋喷桩桩间咬合 良好，单桩直径大于4 0 0 m m ，固结体强度高，开挖后洞室稳定，拱顶和掌子面渗水量 显著减少，起到了较好的超前支护作用。水平旋喷采用喷射压力2 0 , - 一2 5 m p a ，桩长 1 0 1 5 m ，成桩直径5 0 0 m m 。水平旋喷桩在施工过程中能够经过钻孔、高压喷射注浆在 拱顶形成固结体拱棚，并挤密压实固结体周边地层，从而提高洞室稳定性，使土体开挖 和初期支护时不易坍塌，可避免涌泥、涌砂，提高施工安全性，控制地表下沉，而且水 平旋喷桩的造价仅是大管棚的2 3 。因此，水平旋喷桩预支护施工工法是地铁暗挖隧道 穿越砂层和流塑状砂质粘性土层的理想方法，应该进一步推广应用。分析表明为了更好 地控制隧道拱项和地表沉降，建议在全断面通过不良地质地段的掌子面前方增加水平旋 喷桩，并增设临时仰拱。 王海彦【2 3 1 通过水平旋桩喷桩超前支护在北京长安街天安门东一大华区段地下热力 管线隧道中运用，说明水平旋喷桩超前支护技术有效减小隧道周围土体的位移，成功的 穿越了粉土、中粗砂、卵石层及粉土层等地层。该隧道开挖宽度为6 4 m ，高度为5 8 m ， 覆盖层厚度为7 m ，距周围重要楼房为7 m 左右。隧道掌子面支护拱部采用水平旋喷桩， 桩长15 m ，每段纵向搭接2 m ，直径3 0 0 m m ，桩中心距为2 5 0 m m ，水平桩互相咬合5 0 m m ， 形成水泥土拱棚。注浆压力为1 5 2 0m p a 。施工中通过对地表、拱顶及周边进行监测， 水平旋喷工法有效地控制了地面变形及沉降。地表累计沉降最大值为2 7 9 m m ，拱顶累 计下沉最大值为7 0 m m ，周边收敛累计最大值2 4 1 m m ，确保了周边重要的多层建筑的 安全。分析指出水平旋喷桩的浆液局限在土体破坏的范围内，浆液的注入部位和范围是 可以控制的，可通过调节注入参数可有效控制地层变形。 张亮标、唐玉1 2 4 】文运用水平旋喷桩( 加筋) 支护对北京地区草桥热力外线隧道暗挖 进行了处理，取得了很好的加固效果。分析指出运用水平旋喷桩( 加筋) 支护技术能安 全地通过浅埋暗挖隧道的含水砂层和软弱松散土质，能较有效地控制地面沉降，确保管 线、构筑物及道路交通安全i z 4 1 。杨箐轩、陆景慧、王银献、陈浩生等【2 5 2 6 】通过水平旋喷 桩超前支护技术在长安复线热力工程中的应用，有效控制了地表沉降，保证了地下管线 和相邻多层楼房的安全，取得了良好的经济效益和社会效益。分析指出该技术在北京地 区类似的浅埋暗挖工程中具有较大的推广应用前景。在隧道拱顶埋深浅、管线密集，尤 其是穿越软弱围岩，工程地质条件复杂，土层含水量大时，水平旋喷桩比常规的超前钢 管管棚注浆具有更强的适应能力，止水加固、控制沉降方面具有比较明显的优势。在类 似工程的设计施工中可以将水平旋喷桩超前支护和小导管注浆超前支护两种方法相结 5 西安科技大学硕士学位论丈 合，优势互补，用小导管弥补水平旋喷桩的不足和施工缺陷，可以达到更佳的超前支护 效果。 水平旋喷技术也运用于铁路隧道的超前加固工程中，刘晓曦、况成明、刘勇、赵崇 科等【2 7 3 0 】结合神延铁路沙哈拉峁隧道风积沙段的施工，通过水平旋喷预支护技术的试验 分析指出在松散地层洞口段开挖进洞前，用旋喷拱作预支护后再行开挖进洞，可以保证 地层稳定。水平旋喷预支护拱为沙哈拉峁隧道在洞口极其松散地质条件下顺利进洞提供 了有利的保证。水平旋喷桩比管棚法施工节省时间，提高工效2 倍以上，与传统的小导 管注浆法比较能有效地控制加固范围。 梁j 下银、曾庆义等【3 l 3 2 】对通过实际工程，对水平旋喷桩帷幕止水技术的应用作了相 关的研究，分析指出水平旋喷咬合桩帷幕堵水，可以显著改善地层松散性并止水，增强 地层的稳定性，降低地层的渗透系数，防止开挖过程中土体流泥流砂及坍塌，保证施工 和地面地中构筑物的安全。 高成雷、朱永全【3 a 对不同支护方法控制地层沉降效果作了对比研究，总结出采用水 平旋喷桩进行地层预加固，能在整个隧道周边形成了一个封闭的环状加固圈，其具有很 高的强度，变形模量较大，在相同的开挖释放荷载作用下引起的洞周收敛位移量相对较 小，从而由此引起的隧道上覆地层的沉降量也相对较小。周振强1 3 4 j 通过对室内模型试验、 理论计算分析和施工中的监控量测，分析了地面下沉的特点以及控制地面下沉方法。试 验结果表明水平旋喷固结体比原状土在强度和弹性模量方面提高几十倍，甚至上百倍； 采用水平旋喷桩的技术方案能够有效控制地表的下沉，试验中7 个半月的地表下沉量 3 2 m m ，比采用全线降水施工技术的总下沉量( 5 2 m m ) 减少近5 0 。 吴波等【3 5 】对水平旋喷桩预加固隧道围岩的力学效果进行了研究，针对深圳地铁某一 区间段隧道水平旋喷预加固工程程实例，将旋喷桩简化为厚0 5 m 的预支护结构，借助 三维有限元程序，对有无水平旋喷桩加固时隧适开挖引起的变形进行了对比分析。分析 结果表明，隧道施工过程中，有旋喷桩时，拱顶和地表最大沉降减小5 0 左右，洞周塑 性区范围大大缩小。 在水平旋喷固结体物理力学性能方面，孙星亮、王海珍p 7 j 对在通常旋喷参数条件 下形成的水平旋喷固结体进行了多种试验，包括无侧限抗压试验、劈裂抗拉试验、点荷 载试验等，得到无侧限抗压强度、抗拉强度、抗压强度软化系数、变形模量、粘聚力和 内摩擦角等水平旋喷固结体的物理力学指标，并讨论了变形模量、抗拉强度和无侧限抗 压强度之间的关系。总结出：旋喷固结体的强度是原状土强度的几十倍。在相同旋 喷工艺参数条件下，砂土水平旋喷固结体抗压、抗拉强度均显著高于粘土固结体，相应 的其他力学指标( 如变形模量历d 、粘聚力c 和内摩擦角咖等) 也比粘土固结体的高； 旋喷固结体的抗拉强度尼远小于其无侧限抗压强度尼。粘土旋喷固结体的抗拉强度 尉是其无侧限抗压强疋的1 1 0 1 1 7 。砂土旋喷固结体届是如的1 9 1 1 4 。且有如下近 6 1 绪论 似关系式：r c = 1 2 3 2 3 r t o 一4 2 9 ；固结体的变形模量历d 与心之间存在近似的线性关系。 对粘土固结体有：e s o = 7 0 4 r h 对砂土固结体有：e s o = 1 3 1 2 r t ；粘土固结体的容重比 原状土小1 0 7 ，而砂土固结体比原状土大1 9 3 。周振强通过对室内模型试验、理论 计算分析和施工中的监控量测总结出粘性土旋喷固结体抗压强度是原状土的6 6 倍；容 重增加1 0 5 ，弹性模量提高几十倍，甚至上百倍。 北京交通大学通过与实际工程相结合，运用室内模型试验、现场实验、理论研究、 数值模拟计算等方法，较好的完成了北京长安街热力隧道复线预支护工程、北京北三环 热力隧道下穿光熙门车站预支护工程等实际工程的技术攻关，进一步推动了水平旋喷超 前支护的应用和发展1 3 引。 唐亮等【5 5 j 提出水平旋喷注浆做超前加固，主要是改变了地层的力学性质，使加固范 围内土层的弹性模量和泊松比发生变化，在隧洞外围形成了一圈与地层力学性质不同的 加固体，对此在弹性半空间体中，建立了圆形隧道水平旋喷注浆超前加固力学等效模型。 孔恒等 3 9 1 给全面分析了影响工作面超前预加固参数的因素：揭示了拱部超前预加固 参数与地层参数、隧道开挖与支护参数等的内在联系；论证了地层预加固参数的最佳值 概念；给出了确定超前预加固结构作用荷载的半拱法、全拱法和全土柱法理论计算公式； 建立了隧道工作面上覆地层稳定性判别的准则；提出了工作面地层预加固参数设计与选 择的5 个指导原则；最后给出了一整套确定浅埋暗挖法隧道工作面地层预加固参数的动 态设计方法。 李永东等 4 0 l 通过水平旋喷工法的现场试验，对影响水平旋喷固结体直径、强度和桩 体之间咬合效果的影响因素进行了的分析，对水平旋喷施工工法进行了详细论述。 王珊珊等【4 l 】利用静三轴u u 试验，模拟水泥土在工程中的应力状态，测得水泥土在 不同水泥掺入比和龄期下的粘聚力、内摩擦角、抗剪强度。对水泥土的抗剪强度进行系 统的研究和探讨，结果表明，水泥土的抗剪强度随水泥掺入比增长而增大；而当掺入比 达到3 3 后，水泥土抗剪强度增长趋于缓慢。此外，水泥土的后期强度较大，龄期为 9 0d 的水泥土抗剪强度比2 8 d 时增长2 6 - - 一3 8 。 孙宇雁等1 4 2 j 通过水泥土的抗剪强度室内试验，研究了水泥掺入比，土的种类，养护 龄期对水泥土抗剪强度的影响，提出了具有工程实际意义的一些建议。 1 2 3 水平旋喷桩的数值模拟 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 7 西安科技大学硕士学位论文 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开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，文中用三维数值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”【4 3 1 。 三维的隧道数值模型( 图1 1 ) 分析表明，开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土相连接。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。 喷射混 图1 1 先进的奥地利施工方法的数值模型 1 3 本文主要研究内容与研究方法 作为种新工艺、新技术，水平旋喷桩在我国隧道工程中研究和应用较晚，目前大 多数施工工艺还处于试验、摸索阶段，对水平旋喷超前加固技术的相关研究还是比较初 8 1 绪论 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，理论研究远落后于实际工程的需求，主要表现在设计理论仍建立在 工程类比( 以经验为主) 基础之上，设计参数优化缺乏理论依据；对于水平旋喷桩在开挖 过程中的作用机理研究不够深入，缺乏定量描述。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。 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 、对水平旋喷注浆加固的适用范围和优缺点进行了说明，同时对水平旋喷桩的施 工方法的设计进行一定的分析，总结该工法的施工设备方案、工艺参数设计、流程步骤、 成桩检验方法、常见问题及处理措施，最后对几种超前加固方式做了一些比较分析。 2 、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 喷加固机理。 3 、对作用在水平旋喷桩预支护上的荷载进行了探讨，将水平旋喷注浆成拱简化成 一个开口圆柱壳体，建立水平旋喷桩预支护隧道开挖过程中的三维力学分析模型，并求 出了其弹性解析解。 4 、通过数值模拟软件f l a c 3 d ，对浅埋隧道在有水平旋喷预支护和无水平旋喷预支 护两种情况下进行模拟对比，以及模拟结果与理论计算结果对比，得出水平旋喷桩预支 护的作用效果和初步结论。 9 西安科技大学硕士学位论文 2 水平旋喷桩的设计与施工工艺探讨 水平旋喷桩在隧道开挖过程中对地层位移和地表沉降有很好的抑制效果，但在实际 工程中，水平旋喷桩的设计往往根据经验和工程类比法进行确定。采用经验法设计可能 会造成参数选取不合理，若旋喷厚度太大，会造成不必要的浪费，若旋喷厚度太小，又 达不到抑制地层位移和控制地表沉降的效果。因此，对水平旋喷施工技术这种新型的施 工工艺，进行系统及规范的研究分析，建立一整套合理、经济的施工工艺标准就显得尤 为必要，本章结合国内外同类工法的研究情况，对水平旋喷施工工法的技术、工艺参数、 流程控制、经济效益做一定的分析研究，总结水平旋喷施工工法的操作规程及现场控制 因素。 2 1 水平旋喷桩超前支护的设计 2 1 1 水平旋喷桩超前支护的作用 在施工控制效果上，水平旋喷超前支护的作用主要表现为以下几个方面： ( 1 ) 防塌方 由于水平旋喷固结体的作用，减小了工作面上覆的土压力，稳定了围岩，从而避免 了土体塌方，即便有一定程度沉降的产生，也不会发生灾难性事故； ( 2 ) 阻断沉降作用 由水平旋喷固结体的超前预支护作用，可有效抑制地面和拱顶沉降； ( 3 ) 均匀沉降曲线 由于水平旋喷固结体的承托作用，使得沉降槽沉降集中的程度大幅度减小，沉降总 量在减小的同时有向两端均匀分布的趋势； ( 4 ) 提高土层物理参数，增大地层自稳能力。 2 1 2 水平旋喷桩的适用范围 ( 1 ) 适用地层 水平旋喷技术由高压喷射注浆技术发展而来，因此，在地层适应范围上，与高压喷 射注浆基本类似，不仅如此，水平旋喷技术适应范围还受水平旋喷所采用的喷射方式( 单 管、双管、多重管等) 影响。可适用于处理淤泥、淤泥质土、流塑、软塑或可塑粘性土、 粉土、砂土、黄土、素填土和碎石土等地层。对于含大粒径块石、大量植物有机质、以 及地下水流速过大和已涌水的场地，应根据现场适应结果确定其适用性。根据现场试验 情况及以往的施工经验，水平旋喷工法的应用范围可见表2 1 。 1 0 2 水平旋喷桩的设计与施工工艺探讨 ( 2 ) 适用工程类型 水平旋喷的成柱机理和固结体性能与竖直旋喷基本相同，可以在旋喷后插入钢筋以 增强固结体的抗弯、抗剪强度，固结体周围地层也因挤压渗透作用得到一定程度的加固。 因此，凡是需要应用高压旋喷的工程，由于条件限制，不能或不适合进行竖直钻孔高压 旋喷时，都可考虑采用水平或倾斜钻孔旋喷。水平旋喷作为一种先进的高压灌浆加固技 术，可以适应于既有建筑物和新建建筑物地基加固，深基坑、地铁等工程的土层加固或 防水，其主要的适用范围包括以下几个方面【5 】： 软土地层隧道预支护 水平旋喷工法在施工时旋喷的压力较大，可以填补土体内存在的空洞，旋喷桩的桩 与桩之问能相互咬合，刚度较大，能有效减小隧道周围土体的位移。在土体中形成很厚 的重力式半刚半柔性的主动支护挡土、止水结构体系。该结构体系属于主动制约的稳定 机制，可起到超前支护抗滑移、抗隆起、抗压、抗剪等作用。通过土体中多层补强、加 固效应，从而达到土体稳定的目的。 旋喷拱棚、钢管棚和预切槽都被列为先进的“预支护 技术。它们各有优缺点，钢 管棚强度高，但耗钢量大，在富水地层还会从管间缝隙漏水。预切槽拱厚均匀，但长度 西安科技大学硕士学位论文 有限，在极软含水地层中槽孔不易保持。旋喷拱既有一定强度又能防止渗漏，在极软地 层中可以有效控制上方土体变形。日本已在铁路、公路、水工隧道及地铁施工中推广 r j f p 工法，取得良好效果。欧美等国在隧道施工中也把水平旋喷作为基本技术方案加 以应用。在我国，管棚应用