水平旋噴樁在隧道施工中的應用

李喜鋒

（西成鐵路客運專線陜西有限責任公司，陜西 西安 710043）

1 工程概況

田塬隧道位于彬縣太峪鎮至彬縣涇河右岸之間。隧道為雙線，總長度4184.08m，隧道起止里程為DK131+137.03—DK135+321.11，最大埋深140m，最淺埋深約3m。西安端洞口位于太峪溝左岸黃土質斜坡上，隧道銀川端洞口位于彬縣磚瓦廠后側黃土坡面上。隧道設置一橫洞，與正線交叉里程DK134+300，長度335m，交角87。

隧道位于黃土梁峁溝壑區，洞身穿越第四系中更新統風積黏質黃土，硬塑，Ⅲ級硬土，σ＝180kPa；洞身穿越中更新統沖積中砂，密實，潮濕～飽和，Ⅰ級松土，σ＝250kPa。地下水為第四系孔隙潛水，主要受大氣降水補給，水質良好，對圬工無侵蝕性。

全隧Ⅳ級圍巖1070m，占25.6%，Ⅴ級圍巖2791.22m，占66.7%，Ⅵ圍 巖265m，占6.3%，洞 門57.86m，占1.4%；隧道橫洞全部為Ⅴ級圍巖。

2 施工背景

DK134+020—+185 段洞身穿越黏質黃土與中砂交界處，基底為中砂層，此段圍巖設計為Ⅵ級，施工方法為雙側壁導坑法。支護措施主要為：

拱部：180采用Φ159 管棚配合Φ42 小導管進行超前支護；

基底：Φ194mm×6mm 鋼管樁進行基底加固處理，樁間距100×100cm 梅花形布置；

初期支護：I25a 工字鋼間距0.5m，Φ22 砂漿錨桿、噴射C25 混凝土、全環Φ8 鋼筋網片封閉；

襯砌：初次襯砌30cm 厚C30 混凝土，內設Φ22 格柵鋼架，間距0.5m；二次襯砌為50cm 厚C35 鋼筋混凝土?，F場地質及施工過程照片見圖1。

圖1 現場地質及施工過程照片

考慮到雙側壁導坑法施工進度緩慢，施工完成后，拆除過程中安全風險極大，且隨著隧道施工機械化的發展，一方面，從事現場施工的人員越來越少，一般在通過不良地質時，主要通過加固地層，三臺階法通過；另一方面，能夠懂得并正確使用特殊工法施工的一線人員越來越少，根據現場地質情況，結合國內同類隧道工程相關施工經驗，在田塬隧道首先開展工藝性試驗，在試驗取得成功的基礎上，將雙側壁導坑法剩余段落施工全部優化為超前水平旋噴樁加固后，三臺階法開挖。

3 水平旋噴施工方案

根據砂層在洞身的實際分布情況，結合砂層分布特點，分為中、下臺階旋噴樁和鎖腳旋噴樁層兩種情況。

3.1 施工參數確定

為獲取現場施工參數，有效指導現場施工，確保旋噴樁施工效果，結合以前經驗及現場地質情況，在現場進行了多次工藝性試驗，以確定旋噴樁施工參數。 最終確定：旋噴樁樁徑Φ500mm；旋噴壓力30MPa；后退速度40cm/min；轉速45r/min；旋噴樁數量按照間距400mm（樁與樁之間咬合100mm）結合現場砂層高度確定。同步開挖揭示，旋噴樁樁徑在粉細砂層中最大可達Φ700mm；在砂礫層中樁徑Φ500mm左右。

根據工藝性試驗結果，現場在DK134+164—+157、DK134+157—+148 分別進行了旋噴樁施工試驗，第一試驗段長度10m、開挖7m（3m 搭接），第二試驗段長度12m、開挖9m（3m 搭接），經過試驗及開挖驗證，現場超前高壓水平旋噴樁預加固后，開挖過程中做到了砂層不溜、不坍，邊墻穩定，預加固效果明顯?，F場施工過程及開挖揭示砂層穩定情況見圖2～圖5。

圖2 旋噴樁試樁施工

圖3 試樁成樁效果

圖5 中臺階旋噴樁效果圖

3.2 旋噴樁施工

3.2.1 中、下臺階砂層施工方案

根據掌子面砂層位置，中、下臺階采用超前水平旋噴樁預加固。周邊旋噴樁樁徑Φ500mm，樁長12m，樁間距為400mm，外插角度暫定5～8（分孔計算每根樁的偏角和仰角，利用三維坐標，達到精確成孔定位）確保終孔位置咬合100mm，為提高水平旋噴樁抗剪強度，周邊水平旋噴樁內插Φ42 鋼管進行加強。旋噴樁周邊加固長度為12m，每循環開挖9m，預留3m 搭接長度。為提高旋噴效率，施工時采用2 臺鉆機施作，并列布設，2 臺鉆機各施工一側。

圖4 水平旋噴樁施工

3.2.2 鎖腳旋噴樁

鎖腳旋噴樁直徑Φ400mm，縱向間距500mm（根據型鋼鋼架間距確定），內插2 根Φ42 鋼管，鎖腳旋噴樁角度為斜向下40。旋噴樁布孔示意見圖6。

圖6 旋噴樁布置示意圖

4 現場施工安全及圍巖量測情況

田塬隧道砂層地段，在采用超前水平旋噴樁加固后，通過圍巖量測數據顯示，拱頂下沉、周邊收斂受控，未發生圍巖量測預警現象，同時在開挖過程中，施工安全得到了保證，做到了砂層不溜、不坍，邊墻穩定，預加固效果明顯。另外，避免了原雙側壁導坑工法存在的多次拆除側壁拱架的安全風險。

5 施工工效分析及經濟對比

5.1 施工工效

5.1.1 采用旋噴樁施工工效

開挖進度為1.5m/d（3 個循環，每循環0.5m），中、下臺階+鎖腳旋噴樁施工2 臺鉆機同時施工，用時在3.5d，基底鋼管樁處理1d，大管棚施工1.5d，按照每次旋噴12m，開挖9m 計算。

每循環用時：9÷1.5＋3.5＋1＋1.5＝12d；

月進度為：9÷12×30＝22.5m。

5.1.2 采用雙側壁導坑施工功效

雙側壁導坑法施工在2017年11月開始施工，截至2018年3月底，合計施工25m，施工效率極低，月進度不足10m。

通過進度指標對比可以發現，采用超前水平旋噴樁施工后，施工工效明顯提高。作為國鐵集團工管中心重點關注的隧道，在調整工法后，田塬隧道于2019年9月提前半年貫通，受到各方的一致好評。

5.2 經濟對比

施工合同中各支護參數及合同單價，如表1 所示。

表1 投標合同中各級圍巖延米單價

序號支護方式、措施 單價/（萬元/延米）備注123456 7 8 9Ⅴ級圍巖Ⅴe雙側壁導坑法中隔壁施工費用Φ89超前大管棚Φ159超前大管棚單層水泥旋噴樁Ⅴ級圍巖Ⅴe+單層水泥旋噴樁Ⅴ級圍巖Ⅴe+Φ89管棚+水泥旋噴樁單層+Φ89管棚-中隔壁-Φ159管棚8.60 16.62 3.52 1.25 2.33 6.2 14.8與雙側壁比較/（增+、減-）（萬元/延米）-8.02 0/ / /包括管棚包括鎖腳-1.82 16.05-0.57+1.6單層試驗段承擔費用

隧道按照Ⅴ圍巖支護參數，旋噴樁環向每循環施工長度12m、開挖9m，環向30 根；鎖腳旋噴樁中臺階每榀鋼架1 根、長度4.0m 計算，旋噴樁延米單價為：

環向旋噴樁延米單價：

施工長度30×12＝360m，旋噴樁單價1150 元/m，合計：1150×360＝414000 元（41.4 萬元），延米單價為：41.4÷9＝4.6 萬元/m；

鎖腳旋噴樁延米單價：

按照中臺階布設，合計長度：9×2×2×4＝144m，旋噴樁1000 元/m，合計費用為：1000×144＝144000 元（14.4 萬元），延米單價為：14.4÷9＝1.6 萬元/m；

Φ89 大管棚延米單價：

每循環長度：47×9÷6＝70.5m，單價：177.14元/m；

循環單價為：177.14×70.5＝12488.37 元/m＝1.25 萬元/m；

綜合延米單價：

Ⅴ級圍巖Ⅴ＋中、下臺階水平旋噴＋鎖腳旋噴＋Φ89 超前大管棚=8.60 ＋4.6 ＋1.6 ＋1.25＝16.05 萬元/m；

原設計雙側壁導坑法16.62 萬元/m；

采用水平旋噴樁加鎖腳旋噴樁加固后，三臺階法開挖，每延米可以節省費用為：0.57 萬元/m（16.62 萬元/m-16.05 萬元/m＝0.57 萬元/m）。

采用超前水平旋噴樁預加固、三臺階法開挖后，田塬隧道合計節省費用近100 萬元（節省工期帶來的管理費減少等未計入）。

6 結語

相較復雜的施工工法，在隧道施工中應用水平旋噴樁，一是提高了機械化作業水平，降低了工人勞動強度，也降低了人身傷害的風險概率；二是優化了隧道開挖工法，在保證施工安全的前提下提高了工效，節省了工期和費用，效益明顯。今后在隧道施工中應用水平旋噴樁，應朝著適應各種軟弱復雜地層與開挖工法更好地結合、優化的方向去改進研究。