摘　要:概述了國內(nèi)外水平旋噴注漿技術(shù)的發(fā)展概況、設(shè)備的發(fā)展趨勢。此項技術(shù)及相關(guān)配套設(shè)備的開發(fā)成功,為我國巖土工程加固又添一新手段。水平旋噴注漿加固技術(shù)在隧道預(yù)支護(hù)的成功應(yīng)用,為進(jìn)一步推廣此項技術(shù)提供了范例。]

關(guān)鍵詞:水平旋噴;加固;水平旋噴機(jī);高壓注漿泵

1 問題的提出
豎直旋噴注漿技術(shù)已成功地用于多種地層條件(如粘土、砂土、淤泥、砂夾卵石、冰磧土、黃土、腐植土、泥炭土等)下的加固及防滲止水,并顯示其優(yōu)越性。某些條件下,進(jìn)行豎直鉆孔不可能或不適宜,但又需要用高壓噴射注漿,人們自然想到用水平或傾斜鉆孔方式。日本和意大利是研究開發(fā)水平旋噴技術(shù)較早的國家,意大利RODIO公司于1983年首次將水平旋噴技術(shù)用于隧道預(yù)支護(hù)。美國80年代開始使用此項技術(shù),1987年此項技術(shù)首次在南美應(yīng)用。
水平鉆孔旋噴注漿的應(yīng)用和隧道施工技術(shù)的發(fā)展有密切聯(lián)系。在覆蓋較薄的松軟地層中修建地下結(jié)構(gòu)面臨著地層不穩(wěn)定,較易引起坍塌和地面沉陷等嚴(yán)重問題。高壓噴射注漿的開發(fā)成功,使工程技術(shù)界想到利用它來提高隧道圍巖的穩(wěn)定性。從地面豎直鉆孔在隧道周邊進(jìn)行旋噴存在鉆孔深度過大,鉆孔精度及各固結(jié)體之間搭接不易保證等缺點。另外,受固結(jié)體之間的粘結(jié)強(qiáng)度及抗剪強(qiáng)度控制,加固范圍比較大。
據(jù)此,人們自然想到用水平鉆孔實現(xiàn)旋噴問題。
2 日本的幾代旋噴工法
2.1 CCP-H工法
此工法是80年代初日本在單管旋噴的基礎(chǔ)上開發(fā)的專用于水平鉆孔的旋噴工法。它是在注漿管的后端位置設(shè)置一個擴(kuò)徑鉆頭,以加強(qiáng)對土體的破壞。擴(kuò)徑鉆頭在鉆進(jìn)時縮于鉆桿的凹槽內(nèi),后退開始旋噴時,靠阻力自動打開,在旋噴前先攪動土層以確保并擴(kuò)大水平旋噴柱體的直徑。為了加速漿液和土粒的固結(jié),在漿液中加適量的速凝劑和硬化劑。日本國鐵第一工程局用此法進(jìn)行過試驗和施工。
2.2 RJFP工法
隨著旋噴技術(shù)的不斷發(fā)展,日本又提出RJFP工法[1](圖1)。此法可在隧道拱部外緣旋噴成的固結(jié)體中插入鋼筋或鋼管,使形成的固結(jié)體拱棚除了有橫向抗壓能力外,還有縱向抗彎能力。他們已用此法成功地修建了幾十座隧道。該法一般只加固隧道的拱部,使旋噴柱體相互搭接成拱棚。其鉆孔長13m,旋噴11m,每段拱棚搭接1m。這些隧道所用的噴射壓力在40MPa左右,形成的固結(jié)體直徑60~70cm,旋噴固結(jié)體的單軸抗壓強(qiáng)度3.5~8.0MPa。



2.3 MJS工法
MJS工法是“全方位高壓噴射技術(shù)”的簡稱。此法最大特點是具有排泥機(jī)構(gòu)。這是針對一般旋噴工法的剩余泥漿大量從孔口涌出,污染作業(yè)環(huán)境,隨著旋噴孔深度增加,排漿難度增大,噴射、攪拌效果降低等不足而開發(fā)的。在監(jiān)控器上設(shè)MJS裝置。該裝置是在噴嘴后方裝的排泥漿吸入口,由該吸入口吸入泥漿,還可調(diào)整排泥量及對地基的壓力,使噴射壓力充分運用。該裝置不僅用在豎直大深度旋噴,在水平、傾斜方向也能運用。由于鉆管內(nèi)還裝設(shè)有大小7根管線,所以又叫七管旋噴法。
該優(yōu)點是不污染現(xiàn)場,保持良好的施工環(huán)境,但設(shè)備過于復(fù)雜,占用空間較多,搬運不便。
3 歐美水平旋噴工法現(xiàn)狀
意大利是多山國家,其隧道及地下工程的施工技術(shù)比較發(fā)達(dá),水平旋噴技術(shù)的開發(fā)應(yīng)用在歐洲處于領(lǐng)先地位。在1992年Sloveia召開的隧道及地下建筑施工國際會議上,該國代表系統(tǒng)總結(jié)了該國及世界各國隧道圍巖的加固方法,把高壓噴射注漿法和靜態(tài)注漿、凍結(jié)法和機(jī)械預(yù)切槽等一并列為隧道圍巖加固的基本方法[2]。最典型作法是沿拱部外緣用水平鉆孔旋噴柱體相互搭接形成拱棚,在它的保護(hù)下開挖上部斷面。用臺階法施工時,為提高拱腳地層的強(qiáng)度,在坑道內(nèi)兩側(cè)傾斜打入鉆孔,將旋噴柱體連接成墻體。圖2為一雙車道公路隧道,斷面積為120m2,旋噴柱長13m,中心距50cm,旋噴柱體直徑60cm,相鄰旋噴段搭接3m。



從意大利的工程實踐得知,在砂粒土和中細(xì)砂地層,水平旋噴質(zhì)量良好,固結(jié)體平均抗壓強(qiáng)度達(dá)18~19MPa,接近C20等級混凝土。在水平旋噴柱體相搭接形成的旋噴拱棚的保護(hù)下,通過對開挖過程中設(shè)置的拱肋受力量測表明,其受力極小,說明旋噴拱棚的剛度很好,承受住了山體的壓力。
德國波恩地鐵一段區(qū)間隧道通過松散未固結(jié)、滲透率平均為8mm/s的萊茵河礫石及不均勻泥砂層,平均埋深為3.5m,頂部還有一條污水管通過。為控制地面深陷并確保污水管的安全,采用旋噴注漿結(jié)合新奧法施工(圖3),獲得良好效果[3]。本次旋噴柱長12m,柱體直徑60cm,中心距47cm,搭接3m,柱體向外傾斜10°。旋噴壓力大于40MPa時,曾引起地面隆起達(dá)91mm,采取降壓及鉆卸壓孔等措施后降低到8mm。旋噴引起地面隆起問題已引起工程界重視。



美國于80年代初期首次應(yīng)用旋噴技術(shù)并獲得成功,由于此項技術(shù)價廉及對各種土壤的普遍適用性而在美國得到廣泛應(yīng)用。華盛頓地鐵在海軍工廠以東區(qū)間隧道修建過程中采用大范圍水平旋噴注漿,使土壓平衡盾構(gòu)得以從百年前修建的直徑18ft(5486.4mm)的磚和素混凝土結(jié)構(gòu)的下水道下方通過。
在修建蘇黎世地鐵時,瑞士首次使用水平旋噴技術(shù)作預(yù)支護(hù)[4]。在St·Antoniuskirch車站到Stadehofen車站之間有一段松散破碎的冰磧石帶。雖然覆蓋層在整個工程中是最薄的,但因上部有鐵路線而不能明挖施工。區(qū)間隧道采用機(jī)械掘進(jìn),遇到松散破碎的冰磧石層時,出現(xiàn)了最嚴(yán)重的塌方事故。最后改為水平旋噴注漿對地層進(jìn)行預(yù)支護(hù),成功地通過了松散破碎帶。開挖前,隧道拱部設(shè)置了23根長16m、直徑70cm的水平旋噴柱體在隧道拱部形成一個支護(hù)拱。其鉆孔直徑10cm,旋噴壓力為40~80MPa。旋噴拱棚完成并待固結(jié)體充分固結(jié)后,用臺階法施工,上部臺階每進(jìn)尺1m,完成一個旋噴段的開挖要7天時間。相鄰兩旋噴段搭接2m。本次旋噴柱體長16m,這是迄今所查到資料的最長紀(jì)錄。



4 我國水平旋噴工法現(xiàn)狀
4.1 鐵道科學(xué)研究院的研究工作
為推進(jìn)旋噴技術(shù)的發(fā)展,鐵道科學(xué)研究院于1987年在內(nèi)蒙古烏蘭浩特附近輕亞粘土地層進(jìn)行水平旋噴試驗。試驗結(jié)果表明,在20MPa壓力下柱徑可達(dá)58cm,固結(jié)體強(qiáng)度為2.8MPa,拱棚厚度20~25cm,無空洞和斷柱。漿液在高壓射流作用下注入部分軟土和土縫中,勢如樹根,土體得到一定加固,取得了初步成果。
4.2 石家莊鐵道學(xué)院的研究工作
石家莊鐵道學(xué)院從1994年起開始了水平旋噴機(jī)的研制和水平旋噴技術(shù)的研究工作。先后在厚砂質(zhì)粘土地層和松散細(xì)砂地層做過4次水平及傾斜旋噴工藝試驗及一系列測試,取得大量研究成果。還和徐州工程機(jī)械廠聯(lián)合設(shè)計制造出“TGD-50型水平鉆孔旋噴機(jī)”,如圖4。該機(jī)可作豎直~上仰15°的鉆孔并旋噴,不僅可用于隧道作預(yù)支護(hù),而且可用于路基、邊坡加固,基坑壁施作土錨桿等。并分別于1998年12月和1999年10月在神延線沙哈拉峁隧道洞口風(fēng)積沙地層及宋家坪隧道洞內(nèi)淺埋偏壓段作預(yù)支護(hù),一舉獲得成功。開挖后的變形及壓力量測結(jié)果表明。加固效果良好,初步顯示了該工法的優(yōu)越性。水平旋噴加固技術(shù)的應(yīng)用成功,填補(bǔ)了我國該項技術(shù)的空白。
5 水平旋噴注漿機(jī)械研究動態(tài)
水平旋噴注漿技術(shù)的主要機(jī)械有水平旋噴機(jī)和高壓注漿泵兩大部分。
5.1 水平旋噴機(jī)
國外的水平旋噴機(jī)一般都是將鉆噴機(jī)構(gòu)安裝在多功能鉆車上,既能鉆水平孔又能鉆豎直孔。這樣的多功能鉆車可以進(jìn)行多種作業(yè),較受用戶歡迎。當(dāng)代各種鉆車發(fā)展總趨勢具有以下特點。
5.1.1 注重一機(jī)多能
采用積木式組合設(shè)計,注重一機(jī)多能?？梢愿鶕?jù)不同工程不同作業(yè)的需要方便地調(diào)換部件,組成不同施工方法的機(jī)種。意大利SoilMec公司的SM-405、SM-400、SM-103鉆機(jī)都可用于水平旋噴,特別是SM-103微型液壓鉆機(jī)可在閉塞狹小的場所工作(圖5),用于旋噴最大施工深度可達(dá)9m。英格索蘭公司的GH、KG、KR、KS等系列都可安裝旋噴鉆機(jī),圖6為該公司KR803-02型巖土工程鉆機(jī)。意大利卡沙特蘭地公司的L6型、PG125型水平噴射注漿機(jī)主要在隧道中應(yīng)用。圖7為PG125型水平鉆機(jī)在隧道中進(jìn)行預(yù)支護(hù)作業(yè)。

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文章來源： 永年加固公司
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