高压旋喷注浆施工技术应用于砂岩地质隧洞施工分析

高压旋喷注浆施工技术应用于砂岩地质隧洞施工分析

摘要：本文以某隧洞的工程为例,对砂岩隧洞中高压旋喷的质量保障措施、关键技术要求、估计喷射固体直径、确定旋喷参数、选择施工过程中的材料、工艺和施工原理进行了详细的介绍。

关键词：高压旋喷注浆；砂岩隧洞；施工分析

1.引言

该隧洞工程的总长为4.9 km,砂岩地质段长为2107m,在隧洞总长中占43%,在隧洞施工的历史上这种情况很罕见。在具体的施工过程中,根本无法根据设计单位给出的小导管注浆施工方法进行,因为砂岩地质(多为流沙)基本上已经贯穿了整个隧洞施工,所以施工方法只能使用密排管棚加钢板法,但这种方法存在着非常大的安全隐患，而且施工的进度非常缓慢。为此，在某段进行了高压旋喷注浆固结试验,取得了很大的突破,这就找到了一条重要的施工办法，促进了全线砂岩段施工的顺利进行。

2.地质概况

隧洞穿越的地质较为特殊，是未固结砂岩,胶结的程度比较差,呈现散体状态,具有掌子面受涌水影响不稳定，围岩变形大及刚性、强度低，掌子面自稳性差和围岩强度小等特点。因为存在地下水,所以隧洞开挖在施工中呈流沙状态。砂岩以透镜体和夹层为主,层位不连续,呈暗红色和桔红色,成岩作用差，胶结程度差, 泥质胶结,呈中厚层状。

3.砂岩隧洞中高压旋喷的施工原理

高压旋喷注浆是指，在地面造孔完毕后把注浆管（装有喷头）下放至预估的地层深度,以高压射流的形式把浆液或水通过高压泵注入土层。

喷头在喷射的过程中按照一定的速度进行提升,必要时还以一定的速度进行旋转,使土层受到高压射流的切割,从喷嘴中将水或浆液喷射出来，从而形成喷射流，使土层被破坏和冲击,当土层的结构强度小于呈现脉动状、速度和能量都很大的射流的动压时,土颗粒就会从土层里剥落出来。在射流的重力、离心力及冲击力等作用下,一部分土颗粒和浆液混合搅拌,同时有规律的按一定的质量大小和浆土比例重新排列,把土体和输送至地下的可凝固性浆液混合、置换及搅拌,进而形成高喷桩，该高喷桩具有一定的抗渗性能和强度，其余的细颗粒则随水或浆液冒出地面。

高喷桩在砂岩中分布可以使砂岩体的强度提高,释放隧道开挖的应力后,

砂岩体凭借高喷桩的承托摩擦效用具备较强的自稳性,进而给开挖提供了安全保障。施工中的高喷技术分为双高压、三列管、三重管、双管和单管等,该工程的施工中使用的是三重管施工技术。

4.高压旋喷注浆

4.1准备和选择材料。旋喷注浆是凭借高压液流的冲击力对土层造成破坏并和土体混合为新固体的,浆液按照喷射工艺的要求应该具有如下特性:结实率高、无臭；有良好的力学性能；可以对浆液的胶凝时间进行调节；浆液中的气体应该少；有足够的稳定性。一般水灰比采用的是1: 1-1.5: 1的水泥浆液。根据施工要求在喷浆之前将足够合格的水泥浆液准备好。

4.2 估计喷射固结的直径

如下因素决定了旋喷后的固结尺寸: 喷射技术、高压旋喷的注浆方法和土的密实程度和类别。按照国内采用的水泥浆液,喷嘴孔径2.0D =1/770(350+10N-N2)=1/770(350+10×8-82 )=0.475m

该砂岩地质中,54.3确定旋喷参数

（1）喷嘴直径。喷射流的速度受喷嘴直径大小的影响很大，在旋喷注浆中喷嘴是关键部分,安装在钻头的侧面。该工程结合布孔关系和地质特点,选用的喷嘴直径为2.0-3.2mm。

（2）确定提升参数。喷流半径和旋转提升的速度相互关联,同时有效的半径和喷嘴的喷射角度及几何尺寸相互关联,并对喷流的特性有着直接的影响。

该工程将旋转速度控制在了20~28 r/min，旋喷的提升速度控制在了6-10cm/min。在顶部的1m处分别控制在20 r/min ，20-23 cm/min旋转,选用的提升速度和旋转速度均比较慢。由于该隧洞的固结厚度仅需要5m就能够满足施工的要求,所以施工中的封孔选择在孔底5m处,控制旋喷转速为20-28r/min，控制旋喷的提升速度为6-10cm/min。

（3）确定压力参数。其流速和流量通常情况下是靠加大泵的压力来增加,进而使喷射力增大。该工程选择的压力是:小于4m时使用25Mpa，在0-4m时,使用36Mpa。三重管分别是浆液管、水管、气管,其初始的压力分别不小于1.0Mpa、36Mpa、0.8 Mpa。

4.4关键的质量保障措施和技术要求

（1）处理冒浆:通常会有数量一定的土粒在旋喷过程中沿着注浆管壁随一部分浆液从地面冒出。按照实验分析得知, 一般情况下有特别大的冒浆量出现的主要原因是，注浆量和有效的喷射范围相互不适应,注浆量远远超过了旋喷固结所需要的浆量；如果不冒浆是由地层中存在的空隙较大而引起的,则能够掺适量的速凝剂在浆液中,使固结时间缩短,在一定的土层范围内让浆液凝固，此外,还能够在空隙地段使注浆量增加,待空隙被填充后再正常进行旋喷施工。

（2）可使用降低提升、回转速度或提高泵量、喷射压力等措施，以避免固结体尺寸减小或加大固结体尺寸。

（3）完成喷射注浆的作业之后,因为浆液的析水作用,通常会产生程度不同的收缩,导致固结体的顶端产生凹穴,所以要防止其余钻孔排出的杂物活泥土进入，而且要及时用水泥浆（水灰比为0.61）进行补灌。

4.6高压旋喷注浆关键的施工工艺要求

（1）冲洗:完成喷射作业之后,要冲洗干净注浆管等机具,不得让机内和管内残留水泥浆,为了彻底排除软管、注浆管和泥浆泵内的浆液，一般会把浆液换为水,在地面上进行喷射。

（2）喷射作业:喷射作业待喷管插入硬岩中一定深度后自下而上进行,值班人员一定要对旋喷提升速度、压力、注浆流量、浆液出凝时间等参数满足设计要求与否时刻注意进行检查,而且随时要把记录做好,将作业过程的曲线绘制好,以便对施工参数及时进行调整。因为围岩的胶结程度很差,所以在施工中确定旋喷范围为:设计隧洞开挖断面的布桩形式为6孔桩布设，两侧的旋喷深度是7m,部分旋喷的深度是5m，以更好的对岩体进行固结。

（3）钻孔:使用四台22KW的回转式振动钻机作为钻孔机,钻孔的孔径是150 cm,以矩形布孔为基础,按照浆液扩散固结的直径,使用纵横排距1.0m的加密布孔形式布置孔间距。钻孔的分布呈现矩形网络状。为了保护孔壁，提携钻屑及冷却钻头，钻孔时使用泥浆护壁。从桩号K3+020到K2+987的钻孔一共33m,钻孔在施工中的布设共33排,各排钻孔有6孔,总计198孔。

5.结束语

通过多次试验,对旋喷参数进行不断的调整,终于在该隧道的施工中将高压旋喷施工技术方面的一大技术难题---旋喷深度大成功的解决了,创造了一种新的施工方法保障了砂岩隧洞的安全施工,在全线施工中起到了非常重要的作用，并且得到了广泛推广。

参考文献：

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