隧道水平旋噴預支護施工工法

《隧道水平旋噴預支護施工工法》是中鐵二十局集團有限公司完成的建築類施工工法；主要完成人是楊米柱、張永鴻、仲維玲、程剛、周山虎；該工法適用於新建鐵路、公路隧道及其他地下工程鬆散軟弱不穩定地質；鬆散體隧道塌方處理；既有線鐵路路基病害處理；運營線提速時平交道改建立交橋用頂進法施工時，在頂進前方及兩側的路基加固，可提高限速；其他一些需加固、補強、防滲工程。

《隧道水平旋噴預支護施工工法》主要的特點是：採用TGD-50水平鑽孔旋噴機結構緊湊，操作簡單，工序單一，工藝先進，既可作水平旋噴，也可用作傾斜、豎直旋噴，改變鑽具還可作為錨桿機使用；採用水平旋噴預支護技術比傳統的小導管注漿能夠更加有效地控制加固範圍，比管棚法所需投入的設備更靈活，費用較低；監控量測表明水平旋噴預支護施工，地表沉降比常規支護方法小，可提高地層的穩定性，確保施工安全。

2011年9月30日，《隧道水平旋噴預支護施工工法》被中華人民共和國住房和城鄉建設部評定為國家二級工法。

基本介紹

• 中文名：隧道水平旋噴預支護施工工法
• 工法編號：YJGF11-2002
• 分類：工程建設類
• 完成單位：中鐵二十局集團有限公司
• 主要完成人：楊米柱、張永鴻、仲維玲、程剛、周山虎
• 審批單位：中華人民共和國住房和城鄉建設部
• 主要榮譽：國家二級工法（2009-2010年度）

形成原因

20世紀80年代初，水平旋噴預支護技術在日本、歐美開始套用於隧道施工，當時中國國內尚無先例。

1998年經鐵道部確定，在地處毛烏素沙漠的神延鐵路沙哈拉昴隧道採用“水平旋噴預支護加固技術”，中鐵二十局集團有限公司通過試驗確定雙漿液配比參數，對水平鑽孔旋噴精度控制、水平旋噴預支護效果、坑道內表面位移及收斂、淺埋地段地表下沉、初期支護受力、接觸應力及土壓力進行了大量的量測分析。水平旋噴預支護實踐證明隧道水平旋噴預支護技術能夠顯著改善較軟圍岩物理力學性能，確保進洞和洞內施工安全。中鐵二十局集團有限公司在神延鐵路沙哈拉昴隧道、宋家坪隧道施工中，套用隧道水平旋噴預支護技術後，經總結形成《隧道水平旋噴預支護施工工法》。

工法特點

《隧道水平旋噴預支護施工工法》的工法特點是：

1、TGD-50水平鑽孔旋噴機結構緊湊，操作簡單，工序單一，工藝先進，既可作水平旋噴，也可用作傾斜、豎直旋噴，改變鑽具還可作為錨桿機使用。

2、採用水平旋噴預支護技術比傳統的小導管注漿能夠更加有效地控制加固範圍，比管棚法所需投入的設備更靈活，費用較低。

3、監控量測表明水平旋噴預支護施工，地表沉降比常規支護方法小，可更為顯著地提高地層的穩定性，確保施工安全。

操作原理

適用範圍

《隧道水平旋噴預支護施工工法》適用於下列工程：

• 新建鐵路、公路隧道及其他地下工程鬆散軟弱不穩定地質。
• 鬆散體隧道塌方處理。
• 既有線鐵路路基病害處理。
• 運營線提速時平交道改建立交橋用頂進法施工時，在頂進前方及兩側的路基加固，可提高限速。
• 其他一些需加固、補強、防滲工程。

工藝原理

《隧道水平旋噴預支護施工工法》利用TGD-50型水平鑽孔旋噴機在鬆散軟弱地層水平（或傾斜）方向鑽設旋噴孔，從鑽頭後部側面細小的噴嘴中噴出20兆帕以上的高壓漿液。噴嘴從孔底部開始邊噴射，邊旋轉，邊後退。噴射出的高壓漿液與一定範圍內切割破壞下來的土石很快凝結形成柱狀固結體，其強度比原地層顯著提高，使周圍地層得到加固，從而減少地表的下沉，隧道坑道的收斂。

工藝流程

《隧道水平旋噴預支護施工工法》採用水泥漿和水玻璃雙漿液旋噴注漿施工，其工藝流程如下圖所示：

水平旋噴工藝流程示意圖

操作要點

《隧道水平旋噴預支護施工工法》的操作要點如下：

一、洞外試驗及參數確定

為了取得水平旋噴施工的技術參數，一般要在洞外同地層中進行現場試驗，以指導進洞施工。洞外試驗分2組，鑽孔向上傾斜6°，長度4米，旋噴長度3米。對比試驗採用兩種旋噴材料，一種為水灰比為1∶1的純水泥漿，另一種採用1∶1水泥漿和25°Be'的水玻璃雙漿液。對比試驗發現，同等條件下，雙漿液注漿滲入沙層密度高，固結範圍大，其固結直徑普遍在60厘米左右。決定採用雙漿液進行旋噴，有關參數詳見下表：

二、施工準備

施工準備包括平整場地、量測放樣，風、水、電、噴漿材料準備，設止漿牆。

1、設止漿牆：旋噴前要對掌子面進行加網噴混凝土封閉加固，以防掌子面在旋噴過程中受壓滑塌。採用Φ20錨桿，長50厘米，間距100×120厘米梅花形布置。掛Φ6毫米鋼筋網片，間距20×20厘米，噴混凝土厚度10厘米。

2、鋪設鑽機導軌，導軌可用型鋼或廢鋼軌鋪設，枕木用25×25厘米方木製作，要求軌道內沿離掌子面65厘米，與隧道中心垂直，頂面要保持水平。

3、鑽孔放樣，放樣方法同隧道周邊眼方法相同。鐵路單線隧道斷面一般鑽旋噴孔31個，具體布置參見下圖，其他斷面隧道根據斷面大小確定旋噴孔數量。

旋噴樁布置正面示意圖

三、鑽孔旋噴機就位

1、旋噴鑽孔機安裝在軌道上後，沿軌道左右兩次移動，將軌道壓實。壓實過程中用水平儀校正軌頂高程，及時處理基底，使左右軌道面保持水平。

2、按各孔位坐標要求，用錘球鋼尺測量，調整鑽塔高度、傾角及擺角，使鑽桿軸線方向符合外擴角的要求。角度偏差應控制在±1°以內。頂部0號孔需用經緯儀控制鑽桿的方向。

3、旋噴鑽孔機定位後，要將機座與軌道用卡軌器卡緊，立桿頂部與坑道頂部頂緊，其他撐桿及拉桿均要旋緊。

四、鑽孔

鑽孔施工時先鑽拱頂0號孔，然後每次間隔一個孔位從上到下左右交替鑽孔。

1、鑽進的速度和頂推力應依據地層的性質選擇，一般選用鑽進速度不低於180厘米/分鐘，頂推力控制在3千牛左右。

2、鑽進過程中可用低壓、低流量清水從噴嘴澆出，防止砂粒進入噴嘴，同時可冷卻鑽頭。

3、接鑽桿時要檢查接頭孔是否有雜物，並裝好接頭密封圈，旋轉鑽桿，使接口聯結緊密後再開始鑽進。

4、鑽進過程中測量鑽進深度，當達到設計深度時，即完成鑽孔。

五、製備雙漿液

施工單位嚴格按照試驗確定漿液配合比配製雙漿液，漿液拌合均勻後方可使用，在旋噴前不停地攪拌防止沉澱。兩種漿液用雙管與設於旋噴管尾部的三通相連線。

六、旋噴作業

1、當鑽進到設計深度時開始旋噴。為了保證端頭旋噴質量，先旋噴半分鐘後再開始後退，後退時旋轉速度調整到20轉/分鐘。

2、旋噴前5米時，後退速度保持在15~18厘米/分鐘，以後可升到20厘米/分鐘，回抽速度要經常測量校正。

3、需卸管時動作要快，並要先停止回抽，旋轉5圈停止送漿後再進行操作，卸管後要儘快將進管與前端連線，恢復給漿後先旋轉5圈後再回抽。

若採用加速凝劑雙漿液旋噴，換桿前，應噴純水泥漿液一定時間，將管內雙漿液排淨，防止堵管。

七、封堵孔口

每孔旋噴到距孔口1.5米時即停止旋噴，退出鑽頭後立即用木塞堵住孔口，以防止漿液外流。

八、沖洗鑽具管路

施工單位待旋噴完一孔後，用清水清洗高壓泵及輸漿管路，等噴嘴噴出清水後再停止。

九、旋噴樁效果的檢查

1、旋噴樁的外觀

一個旋噴循環完成後開挖拱部斷面時預留L2米長的旋噴樁和下一個旋噴循環搭接。通過拱部斷面開挖，可以看到旋噴樁的長度都在11.5米以上，且整齊地連線在一起，旋噴樁無空洞和斷樁，完全搭接，形成一個共同受力的拱圈，旋噴直徑最大70厘米，最小52厘米，大部分在60厘米左右。若個別旋噴樁因操作出現空洞現象、及時採取補強措施。

2、旋噴樁的強度

為了檢測旋噴樁的強度，取出旋噴樁一段進行強度試驗，採取圓柱體試件，直徑d=50毫米，跨徑比h/d=2.0，參照低強度等級混凝土試件強度試驗方法，其28天強度最小為14.0兆帕，最大為22.1兆帕，平均為15.9兆帕。固結體的重度為15.01千牛/立方米。固結體的強度比原土體提高了近百倍，加固效果顯著。

3、水平旋噴固結體周圍土體的物理力學性質在旋噴前後的變化

水平旋噴固結體周圍土體的物理力學性質在旋噴前後的變化見表5.2.9，由表5.2.9中數據分析，旋噴後固結體周圍砂土壓縮模量提高1.9%，相對密度增加35.9%，對固結體周圍的砂土有一定的加固效果。

旋噴前后土體的物理力學參數

物理力學指標	天然含水量%	天然密度（千牛/立方米）	乾密度（千牛/立方米）	天然空隙	相對密度	壓縮模量兆帕
旋噴前	3.4	13.7	13.2	1.023	0.34	7.87
旋噴後	10.0	14.9	13.5	0.979	0.36	8.02
提高值	6.6	1.2	0.3	-0.044	0.02	0.15

4、監控量測及穩定性分析

為了檢測旋噴樁預支護的效果，判別洞室穩定性狀態，及時修正變更設計或採取其他措施，開挖過程中，根據圍岩性質、隧道埋深和開挖方式等實際情況確定監控量測項目。隧道水平旋噴預支護監控量測的項目有洞室外觀察、淨空收斂量測、地表下沉量測、圍岩壓力量測、型鋼架受力量測等。

旋噴預支護段測量位置，根據實際情況確定。每個地表沉降量測斷面設定11個測點，總間距為23米，具體布置見下左圖。每一淨空收斂量測斷面布置5個測點、設定6條測線，即測點分別位於拱頂、兩側拱腰、兩側拱腳，見下右圖。

地表沉降監測平面布置圖（左）、噴層表面位移量測示意圖（右）

圍岩壓力量測測點布置如下左圖。旋噴預支護段格柵內力測點分別布置於型鋼架的拱頂、11.25°、45°、60°、拱腳、牆頂、牆中和牆腳斷面處的型鋼上、下內翼緣和腹板中部表面貼上電阻量測元件，具體布置如下右圖：

岩壓力量測測點布置（左）、型鋼架受力量測測點布置（右）

地表沉降量採用水準尺和精密水準儀測試；淨空收斂測量採用機械測力環式收斂計量測；圍岩壓力量測採用鋼弦式壓力盒和頻率接收儀；格柵內力量測採用電阻應變片量測，用7V-14（日本）靜態電阻應變儀和攜帶型計算機採集和處理量測數據。

上述各項量測開始時間均在開挖支護12小時內進行的，其開始量測頻率為每天一次，直到變形穩定後停止量測。

根據監控量測報表（略），對地表沉降、淨空收斂、洞室變形近景攝影、圍岩壓力和型鋼架受力進行數據整理分析。查閱《鐵路隧道設計規範》單線隧道初期支護極限相對位移，埋深小於50米的Ⅴ級土質隧道，拱腳水平極限相對收斂值U₀為0.30~1.00%，拱頂極限相對下沉值U₀為0.06~0.12%。

實際收斂監控量測拱腳最大水平相對收斂值U為0.084%，拱頂最大相對下沉值U₀為0.089%。U<U₀可見隧道實測位移小於隧道極限位移，隧道穩定。

根據地表沉降規則觀測結果，地表沉降隨隧道開挖進尺的關係穩定，無明顯加速，最大沉降值為11毫米，沉降槽形狀基本為正態型。根據圍岩實測壓力顯示，該段淺埋鬆散地質條件下，圍岩壓力基本為覆蓋土體重量。在隧道上部開挖過程中，各部位圍岩壓力均較小，是由於旋噴預支護拱的有效承載作用，僅隨著下部開挖和時間的推移，圍岩壓力逐步增大，但此時初期支護已封閉，二次模築混凝土支護已起作用。型鋼架表面應力量測結果顯示，型鋼架應力開始時隨時間（開挖進尺）增大而增大，最大壓應力值為15兆帕，且型鋼架的應力、內力分布較均勻。隨著隧道中部挖槽和下部開挖時應力減小，二次模築混凝土後壓應力減小。可見，型鋼架受力合理，初期支護系統安全、穩定。

材料設備

1、工程材料

《隧道水平旋噴預支護施工工法》使用的主要工程材料有P.O42.5水泥、25°Be'水玻璃和水、速凝劑等。進洞前必須進行旋噴材料試驗，該工法在洞外採用兩種旋噴材料進行對比試驗，一種為水灰比為的純水泥漿，另一種採用1:1水泥漿和25°Be'的水玻璃雙漿液。試驗發現，在這種地層中用純水泥漿進行旋噴漏漿嚴重，而採用雙漿液基本可控制漏漿，因此在正洞施工過程中選用水泥、水玻璃雙漿液進行旋噴。確定的技術參數為：雙漿液灰水比W/C=1:1，水玻璃模數3.8，漿液壓力20兆帕。

2、機具設備

《隧道水平旋噴預支護施工工法》使用的主要機械設備為中國鐵道建築總公司徐州機械廠研製的TGD-50多功能旋噴機，配合廊坊勘探技術研究所生產的YZB-32型高壓注漿泵，再加上漿液攪拌機和儲漿桶形成配套設備。該工法所用主要機械設備見下表：

主要機械設備表

序號	機械名稱	規格型號	單位	數量	生產廠家
1	水平旋噴機	TGD-50/XL-50	台	1	中鐵建徐州機械廠
2	高壓泵	YZB-32	台	1	廊坊勘探技術研究所
3	空壓機	內燃 9立方米/分鐘	台	1	-
4	攪拌桶	2立方米	台	2
5	儲漿桶	2立方米	台	2
6	軌道	型鋼	台	8
7	軌枕	木枕	台	8
8	計算機	586型	套	1
9	數位照相機	-	套	1
10	經緯儀、水平儀等	-	套	1

《隧道水平旋噴預支護施工工法》使用的主要機械設備為TGD-50型多功能旋噴機（或XL-50型旋噴鑽機），其主要技術性能指標及旋噴體固結指標為：動力頭行程＞2米，給進速度：0~0.017米/秒，後退速度：0.017~0.005米/秒，鑽塔升降高度範圍：750~5300毫米，鑽塔左右偏轉範圍：左右各3.7°，轉動機身可達10°，鑽塔傾斜角度範圍：0~105°，最大起拔力30.6千牛，最大輸出扭矩；高檔轉速時476牛·米，低檔轉速時952牛·米，旋轉速度範圍：低檔0~56轉/分鐘，高檔0~112轉/分鐘，注漿管外孔：Φ42~75毫米，經受漿液壓力：＞20兆帕，旋噴深度：13.5米，固結體直經：60毫米，固結體抗壓強度：砂土4.0~7.0兆帕。

TGD-50型旋噴機既可作水平旋噴，還可作傾斜及豎直旋噴和打土錨桿等工作，其性能價格比高於中國國外產品。該機採用爬桿機構轉動和升降鑽塔，能大範圍調整鑽塔高度及角度，能精確定位。該機主機部分有足夠的鑽進力和扭矩儲備，無級調速，可適應不同工程條件。

質量控制

施工單位採用《隧道水平旋噴預支護施工工法》在工程實踐中，現場必須建立以旋噴領導小組為核心，班組長、各工序操作人員責任明確的質量保證體系，確保水平旋噴套用成功。

1、施工前認真檢查TGD-50型水平鑽孔旋噴機及SZB-32型高壓泵等主要設備的性能，確保其良好運轉，並確保鑽機就位精確。

2、旋噴樁的關鍵是控制各種技術參數，特別是鑽進壓力、速度，旋噴壓力、速度，漿液水灰比和外加劑等，一定要完善檢測措施，以確保萬無一失。

3、配製好的雙漿液在旋噴前1小時攪拌均勻，並隨時攪動，防止離析，及時清出雜物，防止堵管；在施工過程中及時清除廢液，不讓廢液聚積工作面和拱腳；旋噴完後及時用清水清洗高壓泵及輸漿管路，直至噴嘴噴出清水。

4、嚴格按照旋噴次序施工，精確定位鑽孔角度，每孔旋噴到距孔口1.5米左右，停止旋噴，退出鑽頭後插入4米長鋼管立即用木塞堵住孔口，以免漿液外泄，確保旋噴拱固結，以便開挖安全。

安全措施

施工單位採用《隧道水平旋噴預支護施工工法》應採取如下安全措施：

1、進行全員安全教育，各崗位工作人員必須堅守工作崗位，集中精力，聽從指揮，遵守安全操作規程。

2、現場必須建立明確的崗位操作責任制，嚴格執行統一指揮原則，按照領班口令或手勢操作鑽機各種動作。

3、進入施工現場人員必須佩戴安全帽，穿工作鞋。

4、冬季施工必須確保油管、水管暢通，不發生凍結現象。

環保措施

施工單位採用《隧道水平旋噴預支護施工工法》應採取的環保措施包括：

1、建立完善的環境保護體系，制訂健全環境保護措施及制度。

2、成立與本工程對應的施工環境保護管理機構，在施工過程中嚴格遵守國家和地方政府下發的有關環境保護的法律、法規和規章；加強對施工機械燃料、工程材料、廢水、生活垃圾、廢棄漿液的控制和治理，設定專用排放渠道和集中處理場地。

3、杜絕廢漿液隨意外流，廢漿液必須經過沉澱處理。為了保護周邊環境不受廢漿液污染，旋噴時外流的廢漿液不能任意外流，必須在掌子面工作平台前端及中央開挖一排水溝，使漿液流到下台階，再流到沉澱池，沉澱後將廢碴外運，杜絕將未沉澱的廢漿液直接隨意排放，防止污染環境。

4、優先選用先進環保的水平旋噴機，降低施工噪聲和環境污染。

5、杜絕水平旋噴機的液壓油、機油等油液跑、冒、滴、漏，防止污染環境。

效益分析

2006年9月至2010年6月，中鐵二十局集團公司採用《隧道水平旋噴預支護施工工法》，先後套用於甘肅引沸6號洞（4890米）、甘肅引沸15號洞（4704.64米）、大四鐵路張雙溝隧道（3002米）等隧道工程。

引沸6號隧洞、引洗15號隧洞和張雙溝隧道圍岩基本以砂岩、砂礫岩、泥質粉砂岩和泥岩、粉砂、細砂風化軟弱砂岩為主，屬極不穩定的Ⅴ級以上圍岩，極易發生坍塌，成洞條件差，通過採用水平旋噴預支護施工工法，加固了軟弱圍岩，防止了坍塌，控制了變形，確保了隧道安全施工，取得了良好的效果。

引洗6號隧洞、引洗15號隧洞和張雙溝隧道三座隧道採用水平旋噴預支護技術取代了大管棚或小導管的鋼材投入，節約了人工費用，減少了其他安全措施費用，通過財務部門的核算，在三隧道工程套用中產生了顯著經濟效益，主要有以下幾點：工期縮短及節約人工費31.3萬元，節約大管棚或小導管的鋼材投入52.6萬元，減少安全措施費12.6萬元，累計減少成本96.5萬元。

註：施工費用以2009-2010年施工材料價格計算

套用實例

中鐵二十局集團有限公司採用《隧道水平旋噴預支護施工工法》的套用實例如下：

1、甘肅省引沸供水一期工程總乾渠6號隧洞

2006年9月至2006年10月，該工法套用於甘肅省引沸供水一期工程總乾渠6號隧洞部分軟弱圍岩處理。該隧洞主洞全長4890米，隧洞圍岩主要由白堊系及上第三系砂岩、砂礫岩、泥質粉砂岩和泥岩等組成，軟硬互層狀，礫岩、砂礫岩和砂岩透水性相對較好，泥岩類岩石透水性微弱，地下水分布不均。為確保隧道施工安全，採用了水平旋噴預支護施工工法。

在引沸6號洞施工過程中，套用水平鑽孔旋噴預支護施工工法，操作簡單，工序單一，工藝先進。套用水平旋噴預支護工法比傳統的小導管注漿能有效地控制加固範圍，與管棚法相比設備簡單，節省材料。水平旋噴預支護施工後，經監控量測表明，初期支護受力、變形甚小，地表沉降比常規支護方法降低。水平旋噴預支護工法能夠在鬆散軟弱不穩定地層中有效防止坍塌，控制變形，提高地層穩定性，保證施工安全。該工法的成功套用，不但縮短了施工工期，也降低了施工成本。該工法在本項目的成功套用取得了社會效益和經濟效益。

2、甘肅省引沸供水一期工程總乾渠15號隧洞

2009年9月至2009年10月，該工法套用於甘肅省引沸供水一期工程總乾渠15號隧洞部分軟弱圍岩處理。甘肅省引洗15號隧洞全長4704.64米，引水隧洞地層主要為第四系鬆散堆積物。其中黃土類土廣泛分布，具有中高壓縮性、中強濕陷性和弱透水性，隧道圍岩屬極不穩定的伏級圍岩，成洞條件差。因此確定採用水平旋噴預支護加固圍岩，確保了隧道施工中安全順利進行。該工法在引沸15號隧洞成功套用，不但在鬆散軟弱不穩定地層中有效防止坍塌，控制變形，提高地層穩定性，保證施工安全。縮短了施工工期，也降低了施工成本，同時取得了社會、經濟效益。

3、大四線張雙溝隧道

2010年5月至2010年6月，該工法套用於大四線張雙溝隧道部分軟弱圍岩處理。該隧道全長3002米，地處屬沙漠區，圍岩以粉砂、細砂風化軟弱砂岩為主，受地下水的影響大，易發生坍塌。隧道埋置淺，最深埋深56.6米，施工中存在冒頂的風險。為了確保沙漠地區淺埋隧道施工安全，採用了水平旋噴預支護施工工法。該工法在張雙溝隧道的成功套用，不但縮短了工期，也降低了施工成本，驗交後變形甚小，取得了社會效益和經濟效益。

榮譽表彰

2004年，《隧道水平旋噴預支護施工工法》獲陝西省科技進步三等獎。

2011年9月30日，中華人民共和國住房和城鄉建設部審定《2009-2010年度國家二級工法名單（升級版）》，以建質[2011]154號檔案公布，《隧道水平旋噴預支護施工工法》被評定為中國國家二級工法。