发表时间：2018-05-22T16:50:31.827Z 来源：《基层建设》2018年第6期作者：李永甲[导读] 摘要：本文以蒙西华中铁路万荣隧道施工为实例，介绍了意大利ST-60多功能地质摇臂钻机施做水平旋喷桩对粉细砂层进行超前预加固的技术，从工艺流程、操作要点、人材机的配置、安全质量保证措施、效果评定等方面进行了详细分析，并总结了该型钻机在使用过程中的优缺点，希望通过不断的总结，能够为今后类似地质条件下施工，采用类似的机械和施工方法积累经验。 中铁十二局集团第二工程有限公司山西 030032 摘要：本文以蒙西华中铁路万荣隧道施工为实例，介绍了意大利ST-60多功能地质摇臂钻机施做水平旋喷桩对粉细砂层进行超前预加固的技术，从工艺流程、操作要点、人材机的配置、安全质量保证措施、效果评定等方面进行了详细分析，并总结了该型钻机在使用过程中的优缺点，希望通过不断的总结，能够为今后类似地质条件下施工，采用类似的机械和施工方法积累经验。关键词：ST-60多功能地质摇臂钻机；水平旋喷桩；超前预加固 0.引言
当隧道穿越软弱围岩时，常常发生大变形地质灾害。瑞士辛普伦隧道、日本慧那山隧道、奥地利陶恩隧道、中国家竹箐和乌鞘岭隧道的修建过程中，都出现过不同程度的大变形灾害，给工程建设造成了极大的困难。万荣隧道是蒙西华中铁路关键控制性工程，隧道进口至2#斜井段地质条件差，施工安全风险和工期压力大，开工前，项目部结合兰渝铁路桃树坪隧道、大西高铁上百隧道等施工经验，制定了针对性
的施工方案，通过引进意大利土力公司生产的由ST-60摇臂钻机、SM-14多功能地质钻机、7T-505J高压泵和SGM14浆液自动搅拌站组成的水平旋喷桩施工设备，采用国外全新超前预加固技术，结合万荣隧道地质特性制定旋喷方案，并通过实践取得了有效成果。
1.工程概况
新建蒙华铁路MHSS-2标万荣隧道位于山西省运城市万荣县境内，起讫里程DK555+117～DK562+800，长度7683m；隧道地层主要为砂质或黏质新黄土、砂质或黏质老黄土、粉砂、细砂、粉砂地层，易发生涌砂、大变形和塌方等地质灾害。隧址地层地表水不发育，地下水位埋深较深，约300m左右。
2.ST-60钻机水平旋喷预加固工艺原理
万荣隧道水平旋喷施工技术是根据隧道掌子面超前地质预报、实际揭示的地质等情况分析、预判隧道掌子面前方的稳定性，根据预判结果设计相应的超前预加固方案，通过采用ST-60旋喷钻机及配套施工设备对隧道掌子面正面及周边进行超前预加固，达到稳定掌子面，确保后续开挖安全，且能实现机械化开挖的目的。
首先在掌子面正面施工超前水平旋喷桩并在桩体内内插φ42无缝钢管，稳定掌子面正面砂层，防止正
面砂层涌出形成大变形；其次在隧道开挖轮廓线外施作水平旋喷桩，并在旋喷桩内内插φ42无缝钢管增加桩体的抗剪抗拉强度使隧道轮廓线外形成固砂帷幕，从而在开挖轮廓线外形成一定的保护壳，既可以对轮廓线外砂层进行预防又可以对掌子面正面砂层进行保护，控制变形；最后在隧道初支拱脚施作锁脚旋喷桩，将桩体内的无缝钢管与初支拱架焊接形成整体，大大增加了拱架的受力特性，有效地控制了初支变形。超前水平旋喷桩为实现软弱围岩机械化开挖提供了有力的保证，提高了隧道施工进度，，有效的降低了安全风险。
3.ST-60钻机水平旋喷预加固方案
3.1编制依据
⑴超前地质预报及开挖揭示地质情况
万荣隧道1#斜井正洞大里程方向超前地质预报及开挖揭示显示，该段主要以粉砂为主，局部夹薄层状砂质老黄土。粉砂，密实，稍湿，砂质较纯，开挖时易塌方，自稳性差；砂质老黄土，密实，稍湿。
⑵TY400T钻机高压水平旋喷经验
ST-60钻机到位前，现场采用TY400T钻机进行了多循环超前旋喷桩预加固施工，分三台阶分别对上、中、下台阶进行旋喷加固后，采用三台阶法开挖支护，效果良好，旋喷方案基本可行。（3）ST-60设
备工况要求
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根据ST-60设备参数，分析设备使用时的工况要求，该型设备使用工况要求较高。
①作业面基础要求高
机械重65t，最大爬坡角度15°。场地平整度横纵坡≤10％，平均地面压力≥0.12MPa。
②大断面、强封闭
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设备最大作业面积140㎡，工作覆盖角度240°，工作最大高度10.7m。夹具尺寸120cm×170cm×60cm（长×宽×高），动力头尺寸200cm×120cm×60cm（长×宽×高），桅杆高度500mm。受夹具及动力头尺寸影响，旋喷时如留台阶，拱脚部位旋喷较为困难，需要采用大断面进行旋喷，尽量减少设备对布孔的影响。为保证掌子面的稳定，需采取喷射混凝土进行封闭，防止钻进及旋喷过程中，由于机械扰动、振动，掌子面发生坍滑，危及施工安全。
3.2编制原则
①轨面以上砂层部位采用超前水平旋喷桩，拱部120°范围土层部位采用φ42超前密排小导管。
②主要旋喷参数：1）桩径：周边旋喷桩φ500mm，环向间距40cm，掌子面正面旋喷桩φ400mm，间距结合掌子面地质情况及台阶高度设置，锁脚旋喷桩φ600mm，纵向间距60cm；浆液配比0.6：1～1.2：1。
③每根超前旋喷桩内内插φ42无缝钢管增强旋喷桩抗剪抗拉强度。
3.3 超前旋喷加固方案
根据现场实际揭示地质结合施工采用的三台阶情况，超前旋喷加固分案分全断面旋喷加固、上台阶旋喷桩加固、中台阶旋喷桩加固、下台阶旋喷桩加固四种。
3.3.1全断面旋喷桩加固方案
掌子面为全断面砂层时，采用全断面旋喷桩加固。
周边旋喷桩桩径φ500mm，终孔桩间距为400mm，设计外插角度5～8°（分孔计算每根桩的偏角和仰角，利用三维坐标，达到精确成孔定位），确保终孔位置咬合100mm，为提高水平旋喷桩抗剪、抗拉强度，确保开挖安全，所有旋喷桩内插φ42钢管进行预加固。
掌子面正面为确保砂层稳定，采用φ400mm水平旋喷桩加固地层，桩长15m，采用梅花形布置，间距1.5m×1.5m。所有旋喷桩内插φ42钢管加强抗剪、抗拉强度。
循环加固长度：掌子面及周边加固长度为15m，开挖12m。
上、中台阶锁脚采用φ600旋喷桩先加固地层后插入2根φ42钢管（t=5mm），长4m。旋喷桩及φ42钢管角度斜向下45度，纵向间距60cm。
全断面旋喷示意图见：图1、图2
图1 全断面砂层旋喷布孔示意图
图2 全断面砂层旋喷纵断面示意图
3.3.2其它断面旋喷方案
由于实际地层揭示后砂层分布厚度与台阶的关系存在不确定性，所以旋喷施工中应结合砂层实际分布情况，参考全断面布孔图适当调整旋喷桩布孔范围。
根据前期施工情况，拱顶砂层厚度大于1m时建议施工拱部旋喷桩，其余位置砂层厚度大于1.5m时施工超前水平旋喷桩加固。如砂层分布在上、中导及中下导结合部位，且下部砂层较薄时，建议在上部台阶进行旋喷，并通过上部台阶采用斜向下旋喷桩对下部进行加固。 ST-60钻机对掌子面前方预加固后，进行开挖支护作业，待上导及中导开挖一定距离后，采用SM14钻机进行锁脚旋喷加固（一般12m 长循环分两次进行加固）。SM14钻机施工工艺流程类似于ST-60钻机。
4.水平旋喷桩操作要点
4.1施工准备于永利
根据现场实际情况，按ST-60钻机的工况要求进行准备，同时做好专用电力线、专用信息传输联络系统准备，确保现场满足施工要求。
4.2测量放样
考虑设备夹具、动力头等对开孔位置距初支轮廓距离的影响，根据设计图纸，由测量班在掌子面进行精确放样，并用自喷漆做好标识。
4.3钻机就位
钻机就位必须由专人负责，钻机前、后、左、右安排人员进行照看，并及时和钻机司机进行沟通，确保钻机行进和就位安全。
4.4施作回浆池
钻机就位后及时施作回浆通道及回浆池，回浆通道由掌子面挡浆墙和回浆串通组成，挡浆墙采用沙袋，回浆串通采用厚3mm钢板，1.2m/节，总长24m，回浆池尺寸3m×2m×1.5m（长×宽×高）。
4.5 钻孔定位
分孔计算每根桩的偏角和仰角并列成交底，现场技术人员和钻机司机在钻孔之前按钻孔方位角进行点位复测和角度定位调整，确保施工精度在误差范围内。
在钻机定位的同时，洞外拌合站的浆液拌制应同步进行。
4.6 开孔、钻孔
开孔采用冲击钻形式，开孔孔径110mm，开孔完成后根据设计依次进行钻孔，钻孔采用旋喷钻头，钻头大小110mm。钻孔之前认真检查钻机的各项参数指标是否在正常值范围内，有无其他异常情况，确保钻机正常运行；在动力头行程和滑壁行程范围内无障碍物，开始钻孔后不得随意调整钻机摆臂，钻进时采用膨润土浆液，避免塌孔、抱钻等情况出现。钻孔过程中钻机司机、工班长和技术人员应时刻关注钻孔返渣情况、注浆压力的变化、钻机旋转扭矩的变化情况、钻机摆臂的晃动情况，并将各项参数及指标认真填写到《现场水平旋喷注浆记录表》内，并将钻机各项情况交接至下一班组。
4.7 水平旋喷
旋喷前，洞内、外人员通过视频监控系统提前进行沟通，复核各项注浆参数，按照方案或设计参数设置好钻机旋喷的转速和提拔速度；开始旋喷后时刻关注孔口返浆情况，过大过小都要及时调整提拔速度并汇报给工班长，并做好记录工作，因故障停机或者浆液供应异常应及时提醒钻机司机停止旋喷提拔，浆液恢复泵送之后应将喷嘴前移30cm进行复喷作业，在距离旋喷孔口50cm时及时通知注浆人员停止泵浆作业，钻机司机停止提拔钻杆，待洞外注浆人员确认并通知钻机司机注浆压力为零时才可将带喷嘴的钻杆拔出孔口。
旋喷完成后应及时通知注浆人员清洗注浆泵和旋喷钻头，清洗旋喷嘴之前现场人员应远离喷嘴，喷嘴口应朝向边墙或者安全空旷的方向，防止高压喷射液体喷向施工人员。
4.8回浆倒运
旋喷回浆收集至泥浆池后，采用泥浆泵抽送至罐车，再运输至洞外渣场。
4.9插入无缝钢管
旋喷完成后应及时插入无缝钢管，防止旋喷桩凝结；每节钢管长度视现场具体情况而定，不宜过长过短，6～9m最佳，两节钢管之间采用内插φ22螺纹钢并焊接的方式进行对接。
4.10 施工监测
为了保证在施工过程中隧道结构的安全，防止因旋喷或注浆压力过大而引起围岩、初支局部发生变形等，施工期间需对工作面后方进行监测，监测范围掌子面后方30m，监测频率12小时/次，现场如有特殊情况，及时加密。
4.11其他技术要求
⑴施工误差控制在±3‰范围内；
⑵为确保相邻旋喷桩的相互咬合，在钻孔钻进过程中对钻孔方位角进行检查，应控制各桩的方位角，方位角误差控制在±2‰范围内。
⑶必须做好钻孔施工详细记录，以指导后期施工参数。
⑷高压喷射注浆应自前往后、匀速后退，喷射过程中应达到：压力和注浆量均符合施工设计要求，并确保管路系统的畅通和密封。
⑸中间发生故障时，应停止后退和喷射以防桩体中断，同时立即进行检查排除故障，如发生浆液喷射不足，影响桩体的设计直径时，应进行复喷。
⑹水泥浆液应进行严格的过滤，防止喷射作业时堵塞。
⑺经常用比重计来测试水泥浆液密度，当施工中浆液密度超出此指标时，应立即停止喷注，并调整至设计范围后，方可继续喷射。
⑻因故停喷后重新恢复施工前，应将喷头前移30cm，采取重迭搭接喷射处理后，方可继续后退及喷射注浆，并应记录中断深度和时间。停机超过2h时，应对泵体输浆管中进行清洗后方可继续施工。
⑼在旋喷过程中，往往有一定量的沙粒随着浆液沿着注浆管管壁冒出，通过对冒浆的观察可以及时了解地层的状况，判断旋喷大致效果和旋喷参数的合理性，根据经验，冒浆量小于注浆量20％～30％为正常范围，当冒浆量超过浆量30%时，应立即检查高压泵的压力、浆液流量、钻机转速、后退速度及耗浆量等，查明原因并及时处理；当不冒浆时，应通过减缓后退速度或加大浆量进行处理。
盖世ace
⑽水泥浆液配置严格按要求配置，一般为0.6：1～1.2：1，制浆时先加水，后加水泥，每次灰浆搅拌时间不得小于2min，水泥浆应在使用前1小时制备。
⑾喷射作业完成后，应连续将管棚推入孔内并注浆填满为止。
5.效果评定
旋喷效果评定是决策支护、结构参数，确保施工安全的先决条件。根据前期施工经验，采用超前钻孔检查旋喷效果较为直观真实。检查孔应根据现场单孔旋喷耗浆量情况，选取耗浆异常部位，取两旋喷桩间部位重新成孔，对检查孔进行观察，其成孔效果好，无坍孔现象，钻孔过程中内无流沙现象。
6.ST-60钻机水平旋喷预加固优点
⑴旋喷过程不需经常拆卸钻杆，可一次成桩，成桩效果较好，不易出现断桩等现象。
⑵采用全自动化设备制浆、泵送，可以节省人工，减少污染。
⑶专业的管理维修保养人才和操作技师，是机械设备能否正常运转的保证，只有专业人员才能有效快速的解决机械存在的问题，才能保证施工快速进行
⑷认真做好机械设备的日常保养和维修，杜绝带病作业，是提高机械安全合理使用率的前提条件。
⑸采用全自动化设备制浆、泵送，可以节省人工，减少污染。
参考文献：
船舶机械
[1]肖广智，游旭.高压水平旋喷桩超前支护技术在铁路隧道工程中的应用.现代隧道技术.2014.4
[2]雷小朋.水平旋喷桩与支护作用机理及效果的研究.西安科技大学.2009.4
[3]汪珂，田冲冲等.水平旋喷桩软弱土层隧道预加固效果分析.公路.2015.5
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