（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.pdf

中文摘要 中文摘要 随着我国交通事业的发展，出现了许多在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。 本文为了更好的研究水平旋喷注浆超前加固的力学机理，在弹塑性力学范围 内考虑自重应力推导出了圆孔扩张理论的应力和位移分布公式，进一步说明了其 加固地层的本质。同时，本文结合地层结构模型，采用邓肯一张的非线性弹性本 构模型，考虑了浅埋暗挖2 种工法施工对隧道上部地表沉降的影响，利用a n s y s 有限元软件，针对地铁隧道开挖方式不同对地表的影响进行了数值分析，得出了 一定规律性和有益的结论。 本文在综合分析水平旋喷注浆加固机理的基础上，结合具体隧道工程，采用 理论分析、数值计算和现场实测等研究手段，得到了水平旋喷注浆超前加固对开 挖隧道的影响，重点分析了地表、拱顶和仰拱处的位移变化，同时也研究了水平 旋喷注浆超前加固对周围土的非线性变形的塑性区域和隧道结构内力的影响。 以上研究基本阐明了城市浅埋暗挖隧道工程中，采用水平旋喷注浆加固预支 护技术所面临的主要技术问题，对该技术进一步的研究和推广应用具有参考价值。 关键词：水平旋喷注浆；作用机理；力学模型；有限元分析；自重应力 a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to f t r a f f i ce n g i n e e r i n g , m o r ea n dm o r eh i 曲一w a ya n dr m l w a y t u n n e l s ，e s p e c i a l l y , u r b a nu n d e r g r o u n de n g i n e e r i n g ，a r eb u i l t c o m m o n l yu r b a nu n d e r g r o u n dp r o j e c t sa r eo fs h a l l o wd e p t ha n dt h es t r a t u mc o n d i t i o nl o c a t e di sv e r yb a d t h e a p p l i c a t i o no f t u n n e l i n gm e t h o dw i l lh a v e ag r e a ti n f l u e n c eo nt h es t r a t u m ，w h i c hw o u l d r e s u l ti ng r e a tg r o u n ds u b s i d e n c e f o rt u n n e l sb e i n gc l o s et oo ri n t e r s e c t i n gw i m i m p o r t a n tg r o u n ds t r u c t u r e s ，u n d e r g r o u n do b j e c t so ru n d e r g r o u n dp i p e s ，t h ea l l o w e d g r o u n ds u b s i d e n c ed u r i n gc o n s t r u c t i o ni sv e r yl i m i t e d t h i sc o n t r a d i c t i o np o s e sa d i f f i c u l ts u b j e c tt ot h ef i e l do f t h eu n d e r g r o u n de n g i n e e r i n ga ta l lt i m e s f o rh a v i n gab e r e rr e s e a r c ho 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 gp r e - r e i n f o r e e m e n t m e c h a n i c st h ea r t i c l eg i v e st h es t r e s sa n dd i s p l a c e m e n tf o r m u l ao f s o i li nt h em e c h a n i c s o fp 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 rc o n t a i n e ds e l f - w e i g h tf i e l d a tt h es a l n et i m e ，t h ed u n c a n - c h a n gn o n l i n e a re l a s t i e i t yc o n s t i t u t i v em o d e li sa d o p t e d a n dt h ei n f l u e n c eo fs e t t l e m e n to fg r o u n ds u r f a c ei nt h ep r o c e s so fu n d e r g r o u n dt u n n e l e x c a v a t i o nw i t ht w od i f f e r e n tm e t h o d si sc o n s i d e r e di nt h i sp a p e r , t h ei n f l u e n c eo f s e t t l e m e n to fg r o u n ds u r f a c ei nt h es a n ds o i la r e aw i t ht w od i f f e r e n tm e t h o d so f u n d e r g r o u n dt u n n e le x c a v a t i o ni sa n a l y z e db ya n s y s f i n i t ee l e m e n ts o f t w a r e s o m e u s e f u lc o n c l u s i o n sa r eg a i n e d 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 c e m e n tm e c h a n i c so f h o r i z o n m lw h i r l i n g j e t g 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 ym e a n so ft 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 n s i t ua n do t h e rw a y sw i t ht u n 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 e t h e d i s p l a c e m e n tc h a n g e so f s 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 ha n a l y z e db u ta l s o t h ep l a s t i cz o n ea n de n d o g e nf o r c ec h a n g e so f t u n n da r ea n a l y z e d a b o v ea l l ，t h i sr e s e a r c hh a sr e f e r e n c ev a l u et ot h eh 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 sf u r t h e ra p p l i c a t i o n s 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 ；m e c h a n i s mo f a p p l i c a t i o n ；l o a d i n g m o d e l ；f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ；s e l f - w e i g h ts t r e s s 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 荡知 j 签字日期：7 岬年，z 月如日 f 翩躲缈 签字日期：9 神障f 9 月矽日 独创性声明 独创- 性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。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作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名事衫 签字醐：砷年溯舢 ， 致谢 论文工作是在崔江余导师的悉心指导下完成的。崔江余老师严谨的治学态度 和高尚的敬业精神无时无刻不影响着我的学习和生活。非常感谢崔江余老师给我 提供了很多的工程实践机会和指导。两年半的硕士生涯，在崔汪余老师的指导和 教诲下，我不但在学术水平上有了很大提高，而且也积累了一定的工程实践经验。 感谢曾经指导和帮助过我的所有敬爱的老师们! 感谢我的同学张宇川、闫石、胡家忠等给予我的帮助。 感谢张彦斌师兄、纪小斌师弟给予的帮助。感谢实验室其他同学给予我的支 持和帮助。 特别的感谢给我的家人。二十多年来在父母的支持和无微不至的关怀下，自 己才得以顺利地完成学业。在此向他们表示深深的感谢! 最后我要感谢评阅论文和出席学位论文答辩的各位专家、教授，感谢你们在 百忙之中给予的指导! 1 绪论 1 1 引言 1 绪论 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件成 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。 j 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 ，n 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，并且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。 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 北京交通大学硕士学位论文 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 砂类土和合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旌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问滑落，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，用一定的压力，从喷嘴 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( 亦可作小角度的俯、仰和外斜) 钻进成孔， 注浆管呈水平状，喷嘴由里向外移动进行旋喷、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( 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。 1 绪论 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) 水平旋喷注浆拱棚较 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，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，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， 关于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，能够更好的指导开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 3 北京交通大学硕士学位论文 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。f 1 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。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，钻死精度及各固结 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孑l 实现旋喷问题。 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 年代后期起源于日 本日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 安装的特别喷嘴，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。 一、日本的水平旋喷工法的研究和发展现状 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 r n h 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、以加强对土的破坏。此 扩径钻头在钻进时缩于钻杆的凹槽内，钻杆后退开始旋喷时，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l l m ，每段拱棚搭接l 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。该加固方法还有专门的废浆液重利 4 1 绪论 用设备，可以对从孔内漏出的浆液重新利用。g j f p 工法作业顺序见图1 1 “。 1 、钻机定位 2 、按要求深度钻出旋喷孔 3 、自孔底喷射浆液、边喷、边转动、边后退，形成固结体 北京交通大学硕十学位论文 4 、喷毕、拔出喷头、将木栓塞入孔口，制止浆液外流 5 、视需要插入芯材( 如钢筋或者钢管) 以提高固结体的抗弯折能力 图l 一1r j f p 工法作业顺序 3 、u 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 i 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 碛，在水平、倾斜方向也能运用。由于钻机内还装没有大小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 问较多，搬运不便。 二、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施工技术比较发达。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于领先地位。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 6 1 绪论 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，在它的保护下开挖上部断面。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 0m 2 ，旋喷柱长1 3 m ，中心距0 5 m ，柱 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 旋喷墙柱 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得知，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。 三、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o 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l - - 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1 0 。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 m m ，旋喷引起地面隆起问题引起工程界重视。 7 北京交通大学硕+ 学位论文 地面 。1 。1 。1 上污水管道 图1 - - 3 德国实例 旋喷技术在8 0 年代初期在美国首次应用并获得成功，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，使土压平衡盾构得以从百年前修建的直径 1 8 英尺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旋喷柱体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 e 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，成功地通过了松敌破碎带。开挖前，隧道拱 部设置了2 3 根长1 6 m 、直径7 0c l a 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 l n ，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。 在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土石，都是松 软岩层。开挖前用2 8 根长1 5 m ，直径为6 0 e r a 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开挖拱部、掘进速度为每月 1 2 5 m 。 8 1 绪论 1 3 3 我国水平旋喷注浆加固技术的研究和应用现状 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 ， 柱径可达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 0m 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叮g 口一5 0 型水平 钻孔旋喷机”，可作竖直至上仰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 h 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。 北京交通大学从2 0 0 3 年以来结合北京热力管线工程，针对高压水平旋喷桩超 前加固开展了一系列的研究工作，结合实际工程进行了实施，并针对施工中旋喷 浆液流失问题进行特殊处理。 1 3 4水平旋喷桩的数值模型 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剐性，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 9 北京交通大学硕十学位论文 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丌挖方法发展的影响”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 1 图1 - 4 先进的奥地利施： 方法的数值模型 三维的隧道数值模型( 图1 - - 4 ) 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。 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。 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 1 0 1 绪论 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、弹模、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 、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。同时在弹塑性力学范围内，考虑自重应力条件下，推导出 了圆孔扩张理论弹塑性解。 4 、通过有限元软件，数值模拟浅埋隧道两种不同开挖方式对地表变形的影响， 得出各自的地表沉降曲线，分析原因，得出初步结论。 5 、针对地下洞室开挖的平面应变问题，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。以北三环热力管线工程为实例，同时对管线工程在有水平旋 喷注浆超前预支护和没有任何超前支护的两种情况进行数值模拟计算，结合上一 章的基本理论分析，通过对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。 2 水平旋喷注浆成柱作用机理 2 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置获得巨大能量后，从一定形状和孔径 的喷嘴中，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 1 所示。 y s o s 转捩日少 鱼 、 式 = j o = 少 飞 1 u m p m “ 、 初始反域过渡区域丰体区域搀了区域 图2 1 高压喷射流的构造 高压喷射流的结构沿着喷射流中心轴，可以分为初始区域、过度区域、主体 区域和终了区域。 高压喷射流在喷嘴出口出的速度( 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 1 3 北京交通人学硕十学位论文 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。 在初始区域术端有一个过渡段，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咖：1 ：墨 ( 2 1 ) p o 工 、2 喷射流在水中喷射水时： 益：f 生1 ( 2 2 ) p o xj 式中工一初期区域的长度( m ) 工一喷射流中心轴距喷嘴距离( m ) 既一喷嘴出口压力( k p a ) p 。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 ) d o 在水中喷射时：t = ( 6 6 5 ) 呔 式中以一喷嘴直径( 唧) 当压力高达l o 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： 1 4 2 水平旋喷注浆成柱作用机理 = k 露5 协3 ) 式中 丘n - - 系数( 适用与x = ( 5 0 3 0 0 ) d o ) 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 高压液体从喷嘴中高速喷出后，由于高速运动，在喷射流与其周围静止介质 ( 如土粒、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。由于能量的转 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 皿 、1 l 。一一 5 一 4 r7 东 图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，且可以认为一致， 但喷射流的扩散却大不相同。得到喷射流的扩散角公式o ”： r = k x 4 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 z 一距喷嘴的距离( m ) ( 2 4 ) ( 2 - 5 ) 北京交通大学硕士学位论文 在水中喷射水时，射流半径沿程线性增加，即 月= k x( 2 - 6 ) 2 初始区域长度 初始区域长度( t ) 的大小直接反应了喷射能量的大小。它是喷射流的一个 重要指标。工越大，则喷射流对土的破坏和搅拌效果就越显著。 在喷嘴条件一定的情况下，喷射流的初期区域长度t 随着喷射压力的变化而 不同，在低压力时置变化较大，一般都随压力的增大，初始区域长度减少。超高 压时( 通常1 0 0 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，喷嘴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；当压力升至1 o 3 0m 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，喷嘴出口处出现涡流；当压力大于1 0 0 m p a ( 高压) 时，喷射流初始区域有一定的减少。 ( b ) 中压 ( c ) 高压超高压 图2 3 喷射出口压力不同时t 的变化 1 6 急蚪。 2 水平旋喷注浆成拄作用机理 一般初始区域长度t 可以用下面的经验公式表示“1 ： 低压时：睾= a - b l g 足 ( 2 7 ) 4 0 高压时：! = c o n s t ( 2 - 8 ) 九 式中t 一初期区域的长度( m ) 以一喷嘴出1 ：3 直径( 唧) r 一喷射流流动雷诺数 a 、b 一表示形成喷射流供液部分和喷嘴状态的特征系数 a = 8 5 1 1 2 ，b = 6 8 x1 0 1 大量的试验证明，在高压范围内，取t = ( 5 0 1 0 0 ) 矗时合适的，这个变动 范围是由喷嘴的几何条件及喷嘴的顺流条件决定的。在水中喷射水或在空气中喷 射气( 即为淹没射流) 时，一般取t = ( 5 6 ) 以。 2 1 4高压喷射流的流态 高压喷射流的流态与高压发生装置( 如高压泥浆泵) 、管路和喷嘴质量有关。 一股有均匀连续射流、连续脉冲喷射流和间歇性喷射流。 1 、均匀连续喷射流 均匀连续喷射流任一截面上压力和速度分布随时间变化，流量连续而均匀， 属于定常流动。均匀连续喷射流对于破坏目标物的作用为连续均匀的动荷载。 2 、连续脉冲喷射流 连续脉冲喷射流任一截面上的压力和速度分布随时间变化，具有一定的周期 性，是一种具有脉冲波动幅度的连续不均匀喷射流。连续脉冲喷射流对于破坏目 标物的作用是冲击性较少的动荷载。 3 、间歇性喷射流 间歇性喷射流是靠长时问内积累起来的能量突然释放，使低压水在极短时间 内变成高速液体从喷嘴中射出，是一种不连续的脉冲喷射流，也具有周期性，喷 射流速高，能量大。间歇性喷射流对于破坏目标物的作用是冲击性较大的动荷载。 目前国内外旋喷注浆使用的高压发生装置一般为双缸作用活( 柱) 塞往复式 高压泵和三缸单作用活( 柱) 塞往复式高压泵，由于活( 柱) 塞是变速运动，每 一瞬间的流量也随之变化，因此射流为连续脉冲运动的液流。 1 7 北京交通人学硕+ 学位论文 2 2 高压喷射注浆法加固地基基本原理 2 2 1加固地基的原理 1 、高压喷射流对土体的破坏作用 高压喷射破坏土体的效能，随着土的物理力学性质的不同，在数量方面有较 大的差异。喷射流破坏土的机理比较复杂，目前在理论上尚未充分探明，但可以 透过旋喷的现象分析破坏土的主要作用。 高压喷射流对土体的破坏作用，主要有以下几个方面的因素( 可以从下面的 模式图2 4 看出) ： 图2 - - 4 喷射流破坏的因素图 ( 1 ) 喷流动压高压喷射流冲击土体时，由于高度集中的能量冲击一个很小 的区域，因而在这个区域内及其周围的土和土结构的组织之闻，受到很大的压应 力作用，当这些外力超过土颗粒的破坏临界数值，土体便受到破坏。喷射流的流 速与破坏力的关系：高压喷射法对土体的切割主要是高速的喷射流，而喷射流的 破坏力f 可用下式表示。1 ： f = p ( k ( 2 9 ) 式中f 一破坏力( n ) p 一密度( 堙m 3 ) 卜流量( s ) 一喷射混凝土的平均速度( m s ) 可见，其破坏力对于某一种密度的液体而言，是与该射流的流量q 与流速v 的 乘积成j 下比，而流量q 又为喷射嘴断面a 与流速k 的乘积。 即： q = v = a ( 2 1 0 ) 1 8 2 水平旋喷注浆成柱作用机理 将式2 一l o 带入2 9 得到： f = p 配( 2 - 1 1 ) 可见，当p 和a 为定值时，破坏力和流速的平方成正比。如果要获得大的破坏 力，则需要通过高的压力产生大的流速， 以上压力的原因。压力越高，流速越大， 也增加。 这也就是高压喷射法通常要求保持2 0 m p a 则破坏力越大，切割，搅拌土体的范围 ( 2 ) 喷射流的脉动负荷当喷射流不停地脉动式冲击土体时，土粒表面受到 脉动负荷的影响，残余变形逐渐积累，使土粒失掉平衡，从而促使土的破坏。 ( 3 ) 水块的冲击力由于喷射流连续地锤击土体，产生冲击力，促使破坏的 进一步发展。 ( 4 ) 空穴现象当土体没有被射出孔洞时，喷射流冲击土体及冲击面上的大 气压力为基础，产生压力变动，在压力差大的部位产生孔洞，呈现出类似空穴的 现象，如图2 - 5 在冲击面上的土体被蒸汽泡的破坏压所腐蚀，使冲击面破坏。 此外，在空穴