水平旋喷注浆技术的理论分析与应用

李占广

(中铁十八局集团有限公司第四工程有限公司，天津 300000)

水平旋喷注浆技术的理论分析与应用

李占广

(中铁十八局集团有限公司第四工程有限公司，天津 300000)

水平旋喷注浆技术起到了防流沙、抗滑移、防渗透的作用。论文在总结大量前人的研究成果前提下，分析了水平旋喷注浆技术作用机理，并通过工程实例，总结了水平旋喷施工工法的技术分析、设计及施工参数、工艺流程、检验方法和常见问题。

水平旋喷注浆；固结体；影响因素；施工工艺

1.引言

近年来，随着国内的经济水平飞速发展，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，而在土木建设过程中，岩土加固遇到的问题也越来越多，如施工场地狭窄、土质情况复杂多变等。因此，面对这些新的问题传统的岩土加固处理技术应不断的发展以适应工程建设的需要。

水平旋喷注浆预加固技术是旋喷注浆加固技术的一种，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、人工填土等地层。日本和意大利是研究开发水平旋喷注浆加固技术较早的国家，意大利RODIO公司于1983年首次将水平旋喷注浆技术用于隧道预支护，并逐渐把水平旋喷注浆列为加固和保护隧道围岩的基本方法之一。

国内外众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加固技术能够很好的加固地层，且具有施工时无公害、操作简单安全、材料价格低廉等特点。水平旋喷注浆加固技术同其它岩土工程领域的新技术一样，需要不断的进行实践，不断完善其理论。一项新技术的发展需要大量的工程试验、应用和系统的理论研究作指导，使之进一步的发展和推广应用。因此，本文试图对水平旋喷注浆加固的机理进行研究，并结合工程实例，进一步改进施工工艺，科学规范及水平旋喷工法的设计及施工，使它更好的为工程建设服务。

2.水平旋喷预支护技术的作用机理

水平旋喷超前支护是隧道超前支护的新方法，水平旋喷超前支护的使用，对于消除施工前期的土体变形起到了积极的控制作用。通过对注浆管棚的研究认为，管棚预支护结构在隧道纵轴方向上可视为梁，在横向上可视为拱，且梁、拱主要承受压力，水平旋喷超前支护的作用机理与此相同。由于这一结构的支撑作用，限制了围岩应力的释放，从而保证了隧道工作面的稳定。

(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

在传统教学课堂上，教师“灌输式”的教学方式，使得学生很难主动参与到知识的探究思考中去。新课程强调学习方式的变革，要求学生要在“实践活动”中探究出新知，必须具备“生活经验”。这里所说的经验包括学生已有的生活经验、学习方法、学习习惯等。

实际施工中，水平旋喷桩相互搭接，且固结体浆液向周围土体渗透。使得水平旋喷固结体与其周围的土体成为一个整体，从而极大地增强了土层的自稳能力。由于水平旋喷超前支护的以上作用，在隧道穿越施工中，如隧道穿越重要建筑物、重要管线等得到广泛应用。图1所示的是水平旋喷超前支护的示意图。

图1 水平旋喷超前支护示意图

3.水平旋喷注浆技术施工工法分析及应用

3.1 施工设备技术方案

国内以往的水平旋喷施工多采用传统的旋喷装置加以改造，这样的机械设备在施工质量、精度、效率上都难以保证质量，并且也不符合新形式下岩土工程建设的需要。日本及欧美一些国家水平旋喷注浆加固技术开发较早，设备比较先进已经形成一套完整水平旋喷施工机械设备体系。SJ-180型水平旋喷钻机采用全液压系统、电气控制系统，钻机配备双动力源，履带行走，结构紧凑，施工范围广。动力头工作行程长，施工速度快(工期短)，钻孔和旋喷一次完成，工效高。钻孔角度自动显示，定位精确，施工精度高，具有很好的运用前景。水平旋喷注浆技术的主要机械设备有水平旋喷机和高压注浆泵两大部分。

(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。

(2)高压注浆泵

高压注浆泵是隧道水平双液旋喷注浆成拱预支护的关键设备。泵的压力与流量直接影响旋喷桩成桩效果及其直径的大小和强度。

3.2 工法的设计

(1)设计原则

水平旋喷作为一直新兴的岩土加固技术，目前尚无统一的设计规范，根据《建筑地基处理技术设计规范JGJ79-2002》中有关高压喷射注浆法的设计要求，高压喷射注浆法的设计应根据半经验半理论的方法加以判断、确定，有条件的可以针对施工地层进行现场试验，以确定旋喷桩的桩径、强度与地层间的关系。因此，水平旋喷桩设计应遵循以下原则：

①水平旋喷桩的设计要考虑多方面因素，场区土层条件、水文地质条件、地面荷载条件，隧道埋深以及隧道结构断面各项参数、施工方法等等。综合考虑施工参数对加固区变形的影响，在确保地表结构安全使用的同时，保证施工的安全。在设计时综合考虑各种因素条件下，力求面面俱到。

②对于复杂环境条件下岩土加固的问题，对水平旋喷桩的长度、水平旋喷桩施工的精度等有很高的要求，这样，在设计水平旋喷桩时必须考虑工艺的可行性，以满足施工要求，保证工程进度。

(2)孔位布置设计

孔位布置方式根据工程性质确定，一般隧道预加固施工中，应现根据地层、因素，确定水平旋喷桩的直径大小，根据直径大小考虑孔位布置。一般桩间应充分考虑搭接效果。一般设计桩径相互搭接不宜小于300mm。喷射管分段提升的搭接长度不得小于200mm。尤其在截水工程中尚需要采取可靠方案或措施保证相邻桩的搭接，防止截水失败。在普通硅酸盐水泥浆中掺入2%～4%的水玻璃，可显著提高固结体的抗渗性。

(3)注浆量计算

根据计算所需的喷浆量和设计的水灰比，可确定水泥的使用数量。水泥浆液的水灰比视工程地质特点或实际工程要求确定，可取0.8～1.5，常用1.0。目前注浆量计算有体积法和喷量法两种，实际计算时取其计算结果的较大值作为设计喷射注浆量。

3.3 水平旋喷注浆技术应用实例

天津地铁2号线第十三合同段，设计里程AK18+441.359～AK20+093.102，包括沙柳路站(主体、出入口、风道)、沙柳路站～博山道站区间、博山道站(主体、出入口、风道)的基坑、结构、防水、回填等工程。

隧道主要通过③-1、③-2、④-1-a、④-1-b淤泥质粉质粘土-粉质粘土，各层物理力学指标见表1。

表1 各层地层物理力学指标

根据原设计，洞内起初仅采用长管棚支护体系，但效果甚差，安全、质量、进度无法保证，一度处于停工状态。后经10多位地下工程界的专家、学者综合论证，建议优先选用水平旋喷桩并辅以小导管注浆加固的施工方案。最终工程采用周边单层咬合水平旋喷桩加固为主、双层小导管注浆为辅，工作面采用间隔水平旋喷桩的超前预加固方案，最终工程达到了“安全、经济、快速、优质”的目标。

4.结论

本文通过对水平旋喷加固技术的射流性质、结构构造、作用机理、现场施工、影响因素、常见问题的处理等方面的研究和论述，得到了如下结论：

(1)水平旋喷就是水平方向的高压喷射注浆，其加固的效果与高压喷射流的性质密切相关；

(2)水平旋喷桩有良好的隧道预加固效果；

(3)水平旋喷技术在地层适应范围上与高压喷射注浆基本类似，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。

[1]孙星亮，刘勇，王朝建.国内外水平旋喷注浆加固技术的应用发展[J].探矿工程(岩土钻掘工程)，2001(3)：8-11.

[2]Yoshida，Kenji，Kataoka，Isao，Yoshida，Hiroshi，Yokoo，Mitsuru，Horii，Kiyoshi.Analyseshydrodynamic structure of water jet and its application to jet grouting.Proceedings of the 4th ASME/JSME Joint Fluids Engineering Conference：Volume 1，part B，Forums，2003，741-746.

[3]高成雷，朱永全.两种超前预支护技术控制地层沉降效果对比研究[J].铁道标准设计，2003(7)：59-61.

[4]周振强.连拱隧道浅埋暗挖法施工对地面下沉控制与试验研究[J].市政技术，2004(6)：267-271.

[5]吴波，高波，骆建军.地铁区间隧道水平旋喷预加固效果数值模拟[J].西南交通大学学报，2004(10)：605-608.

Theoretical Analysis and Application of Horizontal Rotary Jet Grouting Technology

LI Zhan-guang

(China Railway 18th Bureau (Group) the 4th Engineering Co., Ltd., Tianjin 300000, China)

Horizontal rotary jet grouting technology makes a difference on defending drifting sand, deterring slipping, and defending permeating. In the paper, on the basis of the large number of previous research results, analyzing the effect mechanism and through the examples summarizing the technical analysis, design and working parameter, technological process, inspection procedure, and so on, frequently problems of horizontal rotary jet grouting technologies.

horizontal rotary jet grouting; jet-grouted solid; effect factors; construction technology

2017-02-25

李占广(1982- )，男，大学，中铁十八局集团有限公司第四工程有限公司工程师，研究方向：土木工程施工。

TU472

A

1671-3974(2017)02-0074-03