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水平旋喷隧道预支护施工技术水平旋喷隧道预支护技术简况

隧道水平旋喷”预支护”控制变形有关技术及变形有关量测研究
一、 在松散不稳定地层中, 预支护是控制隧道变形的重要技术措施, 而水平旋喷用作预支护, 其高压射流切割周边土体并混合胶凝成柱状固结体, 可在粘土、 淤泥、 松砂地层中成柱直径大, 强度高, 质量可靠, 旋喷柱体间可环向完全咬合、 纵向良好搭接的预支护拱棚, 在松散含水不稳定地层隧道施工中, 可有效止水、 防流砂、 防止坍塌、 控制地层变形, 提高地层稳定性, 保证施工和支护结构的安全。
所采用的TGD-50型水平旋喷机结构新颖, 可实现液压升降及水平, 倾斜和竖直旋喷作业; 液压系统简单, 操作维修方便, 各项性能参数合理, 造价低。这套设备和工艺在国内属首创。
该项成果已成功应用于风积粉细砂隧道、 黄土偏压隧道工程预支护。
成果已经过铁道部鉴定, 铁道部科教司发函( 科教基函[ ]140号) , 要求下属各设计、 施工单位, 结合有关工程, 推广该成果。因此, 即将开工建设的神朔铁路复线风积粉细砂隧道等工程将应用该项新技术。
二、 水平旋喷隧道预支护技术与国内外同类技术的比较
1．水平高压旋喷注浆技术的开发及应用与隧道施工技术的发展有密切关系。在覆盖层较薄的松软层, 如含砂地层及淤泥质地层, 邻近建筑物和地中埋设物对隧道暗挖施工引起地层扰动要求严格时, 修建地下建筑物面临着地层不稳定, 容易引起坍塌和地面过量沉陷等问题。
以前解决办法一般是在地面注浆加固地层后再进行开挖。而传统的水泥浆或化学浆液静态注浆都有注浆效果不易控制, 仅适用于中粗砂等颗粒较粗、 空隙度比较大的地层。静压注浆压力低, 达不到注浆效果, 压力过高会引起地面隆起, 损坏地面建筑物。
高压喷射注浆开发成功使各国工程技术界想到利用它来提高围岩的稳定性。开始是从地面竖直钻孔在隧道周边进行高压旋喷, 当地面有建筑物或地面交通繁忙时, 也有从侧上方进行倾斜钻孔旋喷。竖直和倾斜钻孔旋喷受到地面场地限制, 隧道埋深较大时, 旋喷桩体之间不易搭接完善, 受固结体之间粘结强度及抗剪强度控制, 加固范围比较大。据此, 人们自然想到用水平钻孔旋喷注浆来加固地层。
2、 在松软自稳能力差的地层中修建隧道时, 为保证开挖面的稳定性, 防止坍塌和引起严重地面沉降一般采用”预支护”技术。常见的预支护技术有: 注浆超前小导管、 大管棚、 水平旋喷和预切槽。
注浆超前小导管是在洞室开挖面前方, 沿隧道开挖轮廓打入直径φ40,长3m,间距30cm左右的小钢管,并进行管内注浆,然后再进行开挖的方法,其优点是无需大型设备、 施工方便, 其缺点是一次支护长度短, 支护刚度小, 注浆效果不易控制等, 难以满足地层压力大, 断面大时对隧道稳定性和地面沉降控制的要求。
大管棚是在洞内开挖面前方, 沿隧道开挖外轮廓利用专用管棚钻机或地质钻机打入直径大于φ80, 长度大于10m, 间距在30cm的大钢管, 然后再进行开挖的方法。其优点是一次支护长度大, 支护刚度大, 其缺点是造价高, 在含水砂层、 非常松散的细粒土及淤泥质地层中, 管棚缝隙之间会出现流水流砂现象。
预切槽是在洞内开挖面前方, 沿隧道开挖外轮廓利用专用预切槽机械切割出槽状空隙, 空隙填充砼形成预支护, 然后再进行开挖的方法。其优点是切割对地层扰动小, 其缺点是受切割机械的限制, 一次切割长度短( 小于2.5m) , 造价高, 槽内砼不易密实, 同时国内尚无此种施工机械和技术。
水平旋喷预支护是在洞内开挖面前方, 沿隧道开挖轮廓利用水平旋喷机按间距50cm, 长10m以上进行钻孔, 当钻至设计长度后, 高压泵开始输送高压浆液, 钻头一边旋转一边后退, 浆液从钻头处直径φ2.5左右的喷嘴中高速射出。射流切割下的土层与喷出的浆液在射流的搅拌作用下混合, 最后凝固成直径大于60cm旋喷柱体。在环向让相邻柱体之间相互咬合, 在开挖面前方形成整体性较好的旋喷拱, 具有较好的抗压和抗弯性能, 可有效防止流砂; 所形成的固结体强度比原状土极大程度地提高。由于高压射流对固结体周围土体的挤压和渗透作用, 固结体周围土层的物理力学性能也有显著改进; 由于预支护是在开挖前就已深入到开挖扰动范围以外, 旋喷预支护形成的刚性较大的拱棚能有效地减少开挖面前方拱棚以外地层的扰动和位移。开挖后, 预支护拱就会立即发挥作用, 抑制了围岩的大部分位移, 承受了大部分地层压力。这就保持了松软地层在隧道开挖后的稳定, 大大减少了隧道开挖引起的地表沉降。
3、 研制出的TGD-50型多功能旋喷机获得国家专利( 专利号ZL96-2-205-09﹒5) , 针对中国岩土及地下工程的实际需要与购买能力, 使研制的旋喷机既能满足旋喷工法的需要, 又能满足工艺相近的其它岩土工程施工; 既使旋喷机性能可靠, 又使其轻便、 操作简单, 便于维护, 且造价低; 主要用于水平旋喷, 也可用于倾斜或竖直旋喷, 还可用作锚杆钻机或其它一般用途的地质钻机。
该旋喷机升降爬杆、 后爬杆缸浮动位, 钻塔前端可左右摆动等技术先进, 使整套钻机动能全, 操作方便, 产品经过了企业标准及标准化审查, 经过了铁道部产品质量监督检验中心的检验, 钻机各项性能参数达到或超过设计要求。经过国家专利局审查, 当前国内尚无此种类型的旋喷机产品, 故获该项实用新型专利( 专利号ZL96-2-205-09.5) , 填补了国内此项设备的空白, 与国外同类产品比较具有功能基本齐全, 但售价大大降低的特点。
4、 水平旋喷加固地层技术能够在松散不稳定地层中有效防止坍塌, 控制变形, 提高地层稳定性, 保证施工安全。填补了中国水平及倾斜旋喷设备和技术空白, 为中国岩土工程加固技术及软弱地层隧道预支护技术提供了新的手段。
经过机理分析, 掌握了旋喷射沉切割、 置换搅拌土体的影响规律, 经过工艺试验和工程实际测试, 提出了合理的工艺参数和浆液配方, 找到了旋喷柱体成型规律, 为旋喷技术在工程中的推广应用和参数设计提供了重要依据。
实现旋喷柱体间环向良好的精度一次旋喷预支护段长度, 由国外一般11～13m, 最长16m, 发展到12.5～13.5m, 最长达 17.5m。
实现单管旋喷柱体直径, 在旋喷压力20～25Mpa, 砂土地层平均直径在60cm以上, 国外一般在40Mpa左右, 柱体直径达到60cm要求。
( 1) 喷射流的动压力作用
这是喷射流破坏土体的最主要作用, 从孔径很小的喷咀中射出的高压喷射流, 速度很大, 携带有很高的能量。当喷射流冲击土体时, 由于受冲击土体的区域较小, 因此在此区域上产生很大的冲击压力, 从而使此区域内及其周围一定范围内的始应力场改变, 当土体中的应力状态达到其破坏临界数值。土体原来的结构便遭到破坏。
喷射流介质密度和喷咀截面积一定时, 喷射流的破体力和速度的平方成正比, 面喷射压力越高流速越大。经过提高高压泵工作压力来增大喷射速度, 从而提高喷射流的破坏力是比较合理的途径。
( 2) 喷射流的脉动引起土体的疲劳作用
由于用于旋喷的高压泵一般都是往复式高压柱( 活) 塞泵, 排出压力和流量也是变化的, 因此喷射流的流速也是不均匀的, 存在着脉冲现象。当喷射流不停地以脉冲式冲击土体时, 土粒表面受到脉动负荷的影响, 逐渐产生疲劳, 同时残余变形也越来越大, 土体的抗剪强度也逐渐降低, 最后使土粒失去平衡导致破坏。
( 3) 气蚀( 空穴) 现象
所谓气蚀现象是指当某点压强降低至该处温度下的蒸汽压强时, 因气化生成的大量气泡因受压而溃灭, 在该点造成高达几百大气压以上的压强。
当喷射流还没有将土体射出孔洞时, 其冲击土体使以冲击面上的大气压力为基础, 产生压力变动, 在压力差大的部位产生孔洞, 呈现出类似空穴的现象, 如图4-1-1所示。在冲击面上的土体被蒸发气泡的溃灭所腐蚀, 也会把较软弱的土体掏空, 造成空穴扩大, 使更多的土颗粒遭受剥离, 使土体遭受破坏。
( 4) 水力楔形效应
所谓水楔效应, 是指射流的作用使垂直于喷射流轴线方向的土体向两侧挤压, 如同”楔子”贯入土中一样, 当喷射流充满土层时, 由于喷射流的反作用力, 产生水楔。喷射流在垂直于喷射流轴线的方向上, 楔入上体的裂缝或薄弱部分中, 这时喷射流的动压变为静压, 使土发生剥落加宽裂隙。
( 5) 各个液滴的冲击力
在喷射流沿程流动的过程中, 分散出很多大大小小的液滴, 这些液滴具有一定的速度同样对土体会产生冲击力, 从而加速土体的破坏。
( 6) 挤压力
作为喷射流能量衰减很大的终了区域不能直接冲击土体使土粒剥落, 但能够对处于射流有效射程的边界土, 产生挤压力, 对四周的挤密相作用, 并使部分浆液进入土粒之间的空隙里, 使固结体与其左右两侧及其下部土紧密相依, 不产生脱离现象。
上述这些作用, 只能定性地说明喷射流切削, 破坏土体的几种作用, 它们不一定同时发生, 也难以定量地确定其大小, 因为这些作用的发生及其影响大小与喷射的压力、 流量、 喷咀的形式及加工精度等均有复杂的关系。
2、 水平旋喷注浆的固结机理
由于水平旋喷与竖直旋喷的成柱条件有很大不同, 而高压喷射流对土体的破坏作用对二者是基本相同的, 因此水平旋喷和竖直旋喷的成柱作用机理是既有区别又有联系。
高压喷射流是高能高速集中且连续作用于土体上, 压应力和冲蚀等多种作用同时密集在压应力区域内发生的效应, 因此, 喷射流具有冲击切割破坏土体并使浆液与土粒搅拌混合的功能。
旋喷时, 高压喷射流在土体中把土体冲击切割破坏, 切割土体的浓度与喷咀的移动速度有关系。由于喷头的旋转与后退, 更高压喷射流有效射程内的土体得到连续不断地切割破碎, 被切割破碎的土体与喷射出的浆液在射流的搅拌作用下混合, 高压喷射流切割土体范围的容积小于浆液与土粒混合体的体积, 一部分浆液与土粒的混合液便顺着水平钻孔与旋喷管之间的空隙流出孔口( 即漏浆现象) 。小颗粒在中部居多, 大颗粒多在外侧或边缘部分, 但由于重力方向与固结体轴线垂直及大颗粒在重力作用下的下沉作用, 使土颗粒的排列重新调整, 小颗粒在中部及上部居多, 大颗粒多在底部及截面水平两侧, 若浆液的胶凝时间较短( 如试验中采用的水泥浆一硬化液) , 大颗粒在下沉前或下沉刚开始便已胶凝, 则固结体截面的中部小颗粒居多, 大颗粒在截面边缘居多。从而形成了浆液土体, 搅拌混合。压缩和渗透等部分, 经过一定时间便凝固成强度较高渗透系数小的固结体。随着土体的及浆液胶凝时间的不同, 固结体横断面的结构也有所不同。由于浆液胶凝时间较长, 则浆液土粒混合液便形成一个自由面, 凝固后, 固结体上方与土层脱离, 形成孔洞脱离区, 岩浆液的胶凝时间很短, 浆液上粒混合液在形成自由面之前便发生胶凝, 凝固后, 固结体上方与土层接触紧密, 不能形成空洞脱离区, 由于固结体不是等颗粒均匀排列的单体结构, 固结体的质量也不太均匀。
固结体的开头与喷咀移动方向和持续喷射时间有密切关系。当喷咀一边旋转一边后退, 便形成圆柱体或异型圆柱体。当喷咀一边喷射一边后退, 便形成板状固结体。
四、 影响高压喷射流对土体破坏效果的因素。
高压喷射流对土体的破坏效果, 随着土体物理力学性质的不同, 在数量方面有较大的差异, 影响高压喷射流对土体破坏效果的因素上要有以下几个方面:
1、 喷射压力
高压喷射流的喷射压力是影响土体破坏效果最重要的因素, 喷射压力越大, 喷射流的速度也就越大, 因而喷射流冲击土体的产生的动压越大, 对土体的破坏和搅拌作用就越显著。
2、 喷咀的形式及直径
喷咀形式对喷射流能量的发挥有重要影响, 理想的喷咀形式能够将高压浆液的压能最大限度地转化成喷射流的动能, 即喷射流的速度很大, 能够充分冲击破坏土体。在高压泵的压力及流量相同条件下, 增大喷咀直径, 会降低喷射流的速度, 从而削弱对土体的破坏效果。
3、 喷咀的移动速度
试验和实践证明, 土体破体的程度与喷咀的相对移动速度有关。从土的破坏过程能够看出: 土体受到射流的定向冲击后, 很快被切割穿透, 穿透的深度随持续喷射时间的增加而增大。当冲击力的能量等于切割消耗能及土的结构强度时, 切割停止, 穿透深度不再增加, 这时的深度为最大切割深度, 相应的定向射流喷射时间为最佳喷射时间。旋喷时, 由于喷咀的旋转与后退, 土体受射流冲击时间小于最佳喷射时间, 则切割深度小于可能达到最大切割深度。喷咀移动速度越快, 射流集中在同一区域土体的喷射时间越短, 切割深度越小。
4、 土体的物理力学性质
土体是旋喷的环境, 因而土体的物理力学性质直接影响着喷射流对土体的破坏效果。旋喷土体越密实, 破坏土体所消耗喷射流的能量越大。
5、 喷咀出口处的静水压力
高压喷射流在水中喷射时动压及速度比在空气中喷射时衰减较快, 当在地下水位以下的土层中旋喷时, 高压喷射流冲开水体后才破坏土体, 因而部分能量消耗在克服土体的阻力上, 削弱了喷射流对土体的破坏效果。
6、 喷咀与土体的距离
喷射流轴上的动压随离喷咀距离增大面减小, 因此喷咀与土体的距离越大, 作用在土体上的动压就越小, 对土体的破坏效果较差。
五、 影响旋喷固结体直径、 强度的因素分析
1、 影响旋喷固结体直径的主要因素
影响旋喷固结体直径的因素很多, 主要有采用的旋喷工艺, 预喷清水与旋转和后退速度, 土质特性、 旋喷压力和浆液的重度等。
旋喷压力是影响固结体直径的最重要的因素。在喷咀参数和浆液重度不变的情况下, 喷流轴上的压力与流速的平方成正比。压力愈大, 流速愈高, 对地层破坏作用也就越显著, 对地层的破坏范围也就越大, 从而固结体的直径越大。
旋喷固结体是直接在土体中进行旋喷的, 因此土体的性质如何, 对固结体直径有重大影响, 代表土的特性的参数是多种多样的。其中, 和固结体直径关系最密切的, 国内外当前都认为是标准贯入度值N。当前也有文献提出由标准贯入度值N计算固结体直径的经验公式, 但还很不成熟, 同样旋喷参数条件上, 土质越松散, 固结体直径越大, 在其它条件不变情况下, 浆液的粘性越大, 其可喷性也越差, 浆液在输送过程中, 能量损耗较大, 从而影响旋喷效果, 使固结体直径减小。另外在浆液土体压力不变情况下, 加大喷咀直径使喷流轴上动压增大, 也会使固结体直径增大, 但在设备功率不变条件下, 增大喷咀直径就会导致浆液工作压力降低, 反而会使固结体直径减小。单位长度旋喷柱使用浆量大, 旋喷柱体的直径也就越大。
影响周结柱体的直径的因素每多且影响机理极为复杂, 当前还只能定性地讨论固结体直径与其影响因素之间的关系数。
2、 影响固结体强度的因素
单浆液旋喷固结体无侧限抗压强度平均值4.8Map; 单浆液旋喷固结体单轴抗压强度平均值为12.0Mpa。
旋喷固结体主要是由硬化剂和土壤颗粒拌和而成, 浆液的材料特性, 对其强度大小也有显著影响。对单水泥浆固结体, 在水泥浆水灰比及土质相同情况下, 水泥标号高相应的固结体强度也较高。受浆液本身特性的影响, 相同土质情况下, 单浆液旋喷固结体强度大于双浆液旋喷固体强度。
一般硅酸盐水泥完全水化所需的理论水量, 根据其所包含的各种化合物的分量和水化式计算, 大致需水泥重量的35～37%, 而旋喷的浆液水分远远超过了水化的实际需要, 使水泥与土的混合液在初凝前有大量多余游离水存在, 引起混合液的沉淀离析, 还使固结体中的空隙率增加, 从而影响固结体强度。水灰比越大, 固结体的空隙率也越大, 固结强度越低。
除了以上所述的几种主要影响因素外, 还有其它一些影响因素, 如旋喷参数, 当后退速度过大, 导致高压喷射流切割土体不充分, 经沉淀固结后, 固结体断面下半部分会出现大的土粒核, 大大降低固结体的强度。
六、 解决关键技术难题的措施
1、 实现完整密实的固结柱体
水平旋喷技术中一个重大难题是孔口漏浆固结体顶部出现空隙, 不能形成完整的圆柱体。这在日本的文献报道中也表明它的存在。实践和分析表明, 如果浆液一点也不外泄, 也会增加喷射流的阻力, 减小固结体的直径。现在的问题是要防止浆液的大量外泄, 保持固结体填满孔洞。加速凝剂使浆液和切割下来的土粒尽快凝结成胶塑状流体, 填满空隙后慢慢流出孔口, 效果较好, 挖开土层后, 固结体顶部不再出现空隙。所加速凝剂经比较还是水玻璃比较好掌握, 可先设定比例后, 在旋喷过程中根据孔口出浆状态再行调整两种浆液的比例。
2、 地面隆起控制
引起地面隆起的原因是孔内浆液形成静压, 理论上旋喷孔不封 , 旋喷浆出喷咀后压力隆至大气压, 压能转变为动能, 以高速射流形式切割土体, 孔内无静压不引起地层隆起; 实际工程中, 当钻杆与孔壁局部被堵塞, 冒浆受阻而在孔内形成静压, 随着孔内静压的增大, 引起的地层隆起量增大; 孔内浆液静压不可能太高, 当堵塞压力增大将冲破废浆与被置换地层土体混合物的堵塞。防止引起过量地面隆起, 施工中当发现孔口无废浆外冒时, 快速进退钻杆一次即可。
3、 固结体方位精度
固结体方位精度是关系到能否形成封闭式紧密咬合拱棚的关键, 钻孔旋喷段愈长方位精度愈不能保证。经调研、 分析论证, 对于隧道预支护。旋喷段长度达到前方未扰动范围以外即可。国外一般取10-13M, 经多次试验证实, TGD-50型钻机在无测斜控制的条件下钻13-15M能实现固结体良好环向咬合。
钻孔精度不但与钻孔定位精度、 机架及总机系统的刚度有关, 还因地层性质不同, 钻头因地层阻力不均或自重引起的偏移。在提高钻机定位精度, 钻进过程中加大钻速, 减小推进力等措施下, 挖开地层后测出在均匀地层终端部水平偏移平均0.3%, 左右方向是随机的, 垂直下沉偏移幅度平均1.3% .
七、 用水平旋喷预支护治理隧道大变形的主要原理
旋喷形成的固结体, 其强度和弹模比原来的围岩有很大幅度的提高, 由于射流对周边围岩的挤压渗透作用, 固结体周边围岩的力学性能也有显著提高。这样就使围岩的压强比降低, 塑性区范围和相应的剪胀作用大大减少。经多次试验, 沙土类围岩固结体强度比围岩强度可提高3-4级, 粘土类围岩可提高2-3级。对周边地层的加固作用也很显著, 粘土类围岩抗压强度提高25%, 压缩模量提高164%, 粘聚力提高150%。
旋喷预支护形成的拱和墙柱大大限制了开挖前和开挖中的围岩变形, 经理论分析和量测发现, 坑道开挖之后, 初期支护尚未发挥作用之前, 周边位移即已发生。地层原始应力愈高, 围岩强度愈低, 早期位移数量愈大。这些早期变形促使围岩塑性区和松动区过早形成和发展, 恶化了开挖后围岩工作条件, 使变形继续增长, 旋喷预支护形成的刚性较大的拱棚和墙柱能有效地防止开挖时拱棚以外围岩的扰动和早期位移, 开挖后, 预支护拱和墙立即发挥作用, 承受了部分原始地应力, 抑制了大部分围岩的位移。
架设初期支护后, 旋喷拱及墙柱和它们形成组合结构共同发挥作用。由一个个圆形固结体搭接成的旋喷拱有较好的抗压抗弯性能。两相邻圆柱搭接面受压变形后, 搭接面积会有所增加, 等于增加了拱的厚度。受弯部位截面转动, 又使受压一边固结体增加接触。使受压区增大, 等于自行调整拱轴线以适应外力变形, 这样的拱其增阻性强于一般等厚拱。
有限无分析表明, 在铁路单线隧道, 采用旋喷预支护后 初期支护最大水平收敛降低了34%-65%, 拱顶下沉减少86%-90%; 双线隧道初期支护最大水平收敛减少21%-66%, 拱顶下沉可减少43%-45%, 初期支护内力也相应大幅度减少。
八、 水平旋喷作隧道预支护时设计参数的选定
水平旋喷作预支护是要在拱部开挖线外使固结体连结成具有一定长度的拱棚, 各段拱棚之间应有搭接段, 边墙外侧则用向外倾斜的固结体作成墙柱, 将拱棚受到的上部压力传到两侧地层。若底部地层也很松软, 则在边墙底部也设置竖直固结体以加强底部地层。据此, 要确定的设计参数有固结体直径, 钻孔的位置和间距, 钻孔的长度和旋喷长度, 钻孔的外扩角等。这些参数还互为影响, 确定时还需重复调整以相互适应。
1、 固结体设计直径
主要根据地层的软硬程度, 浆液压力及工程需要来确定。按当前条件, 对一般松软地层作预支护可取55-60cm, 对松散砂层, 高压泵压力稳定在22-24Mpa时, 可超过60cm, 达65cm, 但也不必超过过多, 对较硬地层, 浆液压力只能在20Mpa时, 可小于55cm, 但不应小于50cm, 直径过小将增加固结体数量, 不经济。
2、 钻孔位置和间距
旋喷固结体属于预支护, 不要求它代替初期支护。固结体还应有一定外扩角, 使两段互相搭接。在固结体开始处( 最后喷完处) 横断面内固结体不侵入初期支护( 型钢拱架或格棚拱架) 外边缘即可。据此可确定旋喷孔开孔处的位置。
旋喷孔间距即是固结体中心距, 取决于要求相邻固结体的最小搭接厚度( 也就是两相割圆的共同弦长) 。此厚度一般在开始处有30cm左右即可。但在固结体最前端( 开始旋喷的断面) 由于固结体向外辐射的结果, 间距必然加大。在此处还应使固结体相互搭接的厚度在10cm左右。不能发生固结体端部相互离开现象。一般可预定孔口间距为40-45cm, 再按固结体外扩角和长度核算最前端的搭接厚度, 若此处搭接厚度过小, 再缩小孔口间距。也可用不增加孔口间距, 而使端部直径加大的办法来满足搭接要求。
3、 钻孔和旋喷长度
一般旋喷长度小于1.0～1.5m, 也就是距离孔口1.0～1.5m范围不喷, 以免破坏旋喷工作面。旋喷长度愈长, 效益愈高。因旋喷愈长搭接段所占旋喷长度增加, 钻孔精度不易保证, 固结体端部不易搭接成拱。一般认为固结体能伸入到工作面前方来扰动段( 1.0～1.5d) 即可。日本的RJFP工法钻眼长度定为13m, 旋喷长度10m, 搭接长1.0m, 日本10多座隧道的施工记录。旋喷长度也都是10m, 个别的7m, 我们查到的国外旋喷最长记录为16m, 搭接2m, 根据中国当前情况, 我们认为钻孔深度13m, 喷11.5～12m还能达到端部搭接成拱。过深, 精度不易保证。
4、 外扩角
外扩角除了保证两旋喷段能搭接外, 更重要是为下一个旋喷工作面提供足够的机械活动空间。我们研制的旋喷机的工作尺寸, 其顶部, 液压马达外缘高出钻杆中心15cm, 其侧面, 钻机底架在钻杆中心两侧78cm, 旋喷工作面的内轮廓( 包括已喷成的旋喷拱及其内部作完初期支护后) 应比旋喷机活动尺寸加一定的富裕空间。据此, 我们经过核算, 在旋喷工作面顶部应比最高一个旋喷孔口高出30cm, 以旋喷长13计, 顶部外扩角45º, 底部5º, 能满足要求。
5、 对固结体强度要求
水平旋喷主要用于粉细砂地层, 它们的极限抗压强度都很低。旋喷固结体只要能达到较软岩标准即可, 对沙土地层则达到5～7Mpa即可。
6、 与水平旋喷适应的施工方法
由于水平旋喷预支护主要用在极松散软弱的地层, 即便作了周边预支护, 工作面的稳定也将是大问题。加上现有的水平旋喷机最大钻孔高度一般控制在4.5m以内( 加上顶撑及其斜撑可达5.5m) , 也不可能把铁路隧道断面一次钻完。因而比较合适的施工方法是台阶法开挖。上台阶面可定在拱部三心圆的O2连接附近。在上台阶前方工作面上钻喷拱部水平孔, 在上台阶面后方钻喷边墙外侧倾斜孔。
九、 水平旋喷所需的配套设备
1、 水平旋喷机
石家庄铁道学院与铁道部徐州机械厂联合设计制造出”TGD-50”型水平钻孔旋喷机该机结构紧凑, 操作简单, 即可水平旋喷, 又能倾斜及竖直旋喷。与国外同类产品相比, 具有良好的性价比, 其主要参数如下:
钻孔深度: 水平孔18m, 竖直孔50cm;
转速范围: 负载低档0～56r /min 负载高档0～112r/min;
推进速度: 0～6.3r/min
后退速度0～4.7 r/min
最大推进力: 22.8KN
最大拉拔力: 31.2KN
输出扭距: 高档转速时476N·M, 低档转速时952N·M
钻塔升降高度范围: 750～3500mm, 加塔顶支撑顶住坑道顶板高度5300mm;
钻塔左右偏转范围: 左右各3.63°, 转动机身可达10°;
钻塔倾斜角度范围: 0°～105°;
钻柱直径: φ50mm;
钻孔直径: >75mm;
动力头程 >2m;
钻机重量: kg;
功 率: 14kw;
外形尺寸: 3000mm×1560mm×(750-5500)mm
2、 高压注浆泵
中国地质科学院廊坊勘探技术研究所研制的YZB-32型液压高压注浆泵, 其主要特点是: 机电液一体化, 技术先进, 性能良好, 可单液或双液输出, 工艺适应性强, 无级变量, 流量适应范围宽, 长行程, 低冲刺, 盘根寿命特别长; 换向无触点, 准确可靠, 压力波动小, 结构简洁, 维修方便。其主要技术参数如下;
柱塞数目: 4;
往复冲刺: 0～26次/min;
排出流量: 0～85L/min;
外形尺寸: 主泵长×宽×高=3300mm×1150mm×850mm
泵站长×宽×高=1850mm×1150mm×1520mm;
功 率: 60KW。
3、 浆液搅拌机、 储浆罐
浆液搅拌机主要用于拌制水泥浆液及搅拌速凝剂。用于搅拌水泥浆的搅拌机每次有效搅拌浆液体积0.7m3, 用于搅拌速凝剂的搅拌机每次有效搅拌体积0.3m3。二者功率分别为2.0kw和15kw, 用于搅搅拌好的水泥浆及速凝剂的储浆罐两个, 其容积分别为 1.8m3和1.0m3。用于储存清洗高压注浆泵, 输管及钻柱等清水的储水罐一个, 其容积为1.0m3。
其它附属设备包括高压输浆管, 浆液混合器等。
另外还需用于过滤水泥浆的滤网若干, 滤网孔眼的细度为32目左右。
4、 配套设备总功率
水平钻孔旋喷机功率为11KW, 高压注浆泵功率为60KW, 两个浆液搅拌功率为3.5KW ,全套设备总功率为74.5KW。
十、 隧道水平旋喷预支护施工细则
1、 旋喷准备工作
( 1) 上台阶面设在拱顶开挖线以下3.5～4.0m高 处, 上台阶长10m, 为旋喷机活动空间及开挖上部断面并喷砼活动空间。
( 2) 浆液搅拌设备、 高压泵、 砼喷射机及材料均放置在洞口, 多循环作业的放置在下洞口, 多循环作业时放置在下台阶已作好初期支护地段, 尽量靠近台阶以减少压力损失。
( 3) 旋喷工作面开挖尽量平整, 在能保持工作面稳定的条件下尽量作成直立面, 倾斜度不宜缓于10:1, 边挖边喷上10 cm砼以保护工作面。
( 4) 测量班在旋喷工作面及洞顶给出隧道中线( 顶部吊线两点以上) 和上台阶底面高程及拱顶开挖线最高点。
( 5) 按旋喷机轨道布置图及上台阶面高程仔细挖出枕木坑, 枕木底部填实, 端头尽量顶在原状上。
( 6) 槽钢轨道内沿距旋喷工作面底部65～70cm, 轨道应与隧道中线垂直, 轨道顶面位于上部断面底部高程并保持水平, 用仪器校正。
2、 旋喷浆液制备
( 1) 旋喷浆液制备及输送设备放置在洞口, 多循环作业时放置在下部断面靠近台阶处, 从洞口向内依次设置水泥及速凝剂存放台、 浆液搅拦桶 储浆桶( 水泥浆、 速凝剂浆) 、 高压泵等。浆液由双管送上钻尾后的浆液混合器。
( 2) 制浆工人按配料单( 以每桶浆计) 严格如数向桶内注入水及水泥, 每桶浆搅拌时间不少于2min。倒水泥时应能经过筛网将纸袋杂物清除。制浆节奏应能保证旋喷需要, 并根据工程进展准备浆液, 避免浪费。
( 3) 浆液流入储浆桶前应过滤, 桶内吸浆管也应装滤网以防止堵塞管道。储浆桶庆应不停地人工搅拌以防止沉淀离析。
( 4) 输浆泵操作人员应注意观察出浆压力升降及左右泵动作协调情况, 按双浆液配比要求, 并注意按旋喷领班人员的手势或口令开停泵和变换输出浆种。
( 5) 为防止双浆液在钻管内固结, 每次换管前应停止输送速凝剂浆液半分钟( 只输出水泥浆液) 。
( 6) 每班旋喷完毕应用清水冲净泵体及管道内残浆固结。每天旋喷完毕应拆卸泵体出入口球阀、 活塞腔及浆液混合器清洗保养一次。
3、 拱部旋喷
( 1) 旋喷机搬运及安装
旋喷机放置导轨中央, 就位后应仔细连接油管避免漏油及接错。根据设计钻孔深度及工作面长度, 确定一次钻进深度和接长钻杆的根数以及相应的尾塔个数。若条件允许, 尽量采用一根接长钻杆, 一次钻到设计深度, 以减少接杆操作。钻杆及尾塔应拆工作面。
( 2) 轨道压实及装平
旋喷机安装好升高之前应沿轨道左右移动两次压实轨道 。移动过程中用水平仪校正轨顶高程, 及时处理基底使左右轨面保持水平。
( 3) 旋喷次序
先钻喷拱顶中央孔( 0号孔) , 然后每次间隔一个孔位从上到下, 左右交替( 左2、 右2、 左4、 右4……) 直到底部。再从上到下、 左右交替补喷所缺孔位( 左1、 右1、 左3、 右3……) , 使轨道左右均匀受压, 后喷孔固结体能填补两孔间空隙。
( 4) 旋喷机定位
a、 钻中央0号孔前, 将钻塔升高, 用经纬仪校正, 使钻杆方向与隧道中线重合, 用垂球及钢尺校正钻塔前端A、 塔后端B两控制点高程, 以实现所设计的上倾角。
b、 同时在上台阶底面A、 B两点投影处设桩, 桩顶高程应为上台阶面高程, 用水平经纬仪校正。AB连线即为隧道中线, 顶部亦设两点以便检查。
c、 钻其它孔时, 旋喷机沿轨道平移按各孔位控制点坐标表要求, 用垂钢尺量测, 调整钻塔的倾角及摆角, 使钻杆方向符合外扩角要求。
d、 旋喷操纵台应放在机架侧后部能看清钻杆动作及装卸杆人员手势地方。
e、 每次移动钻机前, 应将尾塔上钻杆与钻机分离。钻机定位后再移动并调整尾部高度及坡度, 使塔上钻杆与机上钻杆在同上一方向, 平顺连接。
( 5) 旋喷机固定
为保持钻喷过程中旋喷机位置不变及稳定性, 在机子定位后, 应将机座与轨道用卡轨卡紧。钻机立杆顶部与坑道顶部顶紧, 机上撑杆及横拉杆也应旋紧。
( 6) 钻孔
a、 每孔按一次通长钻杆或多次接长后钻杆钻进到设计深度, 其它各孔顶端与顶孔端保持同一立面。
b、 钻进速度视地层反力及油压表显示适当调正, 宜尽快钻进。
c、 遇有障碍物, 油压增加, 钻进困难进稍退杆后重复钻进。若压力超过16Mpa, 仍不能钻进或钻机状态异常时, 应退杆停机, 分析原因, 不能硬钻。
d、 钻进中为冷却钻头, 减少阻力, 防止砂粒进入喷咀, 可用低压、 低流量清水从喷咀中喷出。
e、 若条件不允许一次钻进到位, 需中途接杆时, 装杆前应检查接头孔是否有杂物, 并装好接头密封圈。旋转钻杆使接口压密才开始钻进, 备用钻杆应清洗干净放在架上并保护好接头。
( 7) 旋喷
a、 钻孔到底经检查确认后, 即可开始旋喷。通知给浆后, 先旋转半分钟再开始后退。
b、 旋喷时钻杆旋转速度调整到20r/min, 喷端头三根杆时后退速度为15～18cm/min,以后几根后退速度为20r/min.钻机司机用秒表经常检测转速和退速, 随时校正。
c、 需中途卸杆时, 拆卸前先停止后退, 旋喷5圈, 然后通知停止送浆。若喷加有速凝剂的双浆液换杆前, 应喷纯水泥浆半分钟, 使管内双浆液排净, 防止堵管。
d、 卸杆动作要快, 卸杆手与钻机司机密切配合, 前夹制器位置要恰当, 能尽快夹住前杆, 动力头夹住后杆, 使其旋转脱开, 卸杆后, 动力头继续夹住后杆使与输浆管连接器脱开。将连接器移到前边与前杆端尽快连接。恢复给浆后, 先旋转3～5圈再后退。
e、 钻杆卸下后, 应立即用清水冲净管内浆液残渣, 清除接头污垢, 然后整齐堆放在脚手架上, 供下一孔使用。
f、 旋喷过程中发现浆液压力快速增长, 高压泵电机声异常, 应立即停止旋喷, 迅速退出钻杆, 检查喷咀是否堵塞。为不耽误工程, 应迅速换上备用头体, 继续旋喷。
g、 每孔旋喷到距孔口1.5m左右时即停止旋喷,退出钻头后,立即用木塞包水泥袋堵住孔口,以防止浆液大量外泄。
( 8) 废浆处理
在工作面底部, 旋喷机前方距工作面1m以外挖一断面为20×20cm排浆沟, 使废浆液穿过枕木下方, 纵向排除流到洞外工作面。
若废浆液凝结过快, 应设专人清除, 以免影响钻机移动。
4、 拱部开挖
( 1) 拱部各孔全部旋喷完毕, 将旋喷机移到工作面后部, 拆除轨道即可进行拱部开挖。
( 2) 先沿顶部及两侧周边挖进, 中间留核心土作工作平台并保护工作面。周边开挖到露出固结体内表面, 并将两固结体之间的凹槽内的土也挖出。
( 3) 每挖进一榀钢架间距的长度, 钢拱应顶住固结体内表面。
( 4) 挂网后立即喷混凝土, 喷层必须符合设计厚度并将钢架全部盖住。喷层与旋喷固结体之间不得留有空洞。拱脚外侧浮土一定要清理干净, 并用喷混凝土填实。喷混凝土应按有关操作规程进行。
5、 边墙外旋喷
( 1) 作向下倾斜旋喷加固时, 可利用拱部开挖时间进行。先按设计的钻机位置沿隧道纵向铺好钻机轨道, 将钻机就位, 使钻孔方向与隧道纵轴线垂直。
( 2) 边墙外倾斜旋喷, 在上台阶面上从外向里左右交替进行。在横断面内按设计的倾角及钻喷长度, 将各倾斜孔自上而下地钻喷而成。各孔的固结体之间应有一段连接, 最上一个倾斜孔的固结体应与拱部最下一根固结体连接, 将拱部荷载传到边墙外侧地层并扩大支承面。
( 3) 因受净空限制只能逐杆钻进并连接。输浆管连接器和机上钻杆始终装在动力头内, 按旋喷机操作说明按装钻杆。钻进参数的掌握与拱部钻孔相同。
( 4) 边墙外倾斜孔只需用水泥浆液旋喷, 按转速20r /min, 倾斜提升20cm/min左右掌握即可。拆卸钻杆前先停止后退, 旋喷3~5圈再停止送浆, 拆卸钻杆。
( 5) 倾斜旋喷溢出的浆液应引到台阶中部排浆沟排出, 勿使浆液聚集或沿拱脚、 边墙流淌。
6、 开挖下部断面
( 1) 边墙外旋喷完成5天后再开挖下部断面。
( 2) 每次先沿两侧边墙部位挖进一榀钢架间距的长度后, 即架设钢架使其与拱部连接并垫实。架好钢架, 挂网后即喷混凝土到设计厚度。
( 3) 下半部进尺2米厚清底, 并及时架底部钢架并与边墙连接,随即喷混凝土使初期支护封闭成环。
( 4) 架设底部钢架及喷底部混凝土之前应将底部浮土清理干净, 积水排出, 以确保基底质量。
( 5) 开挖下部断面时, 严禁使用开挖中槽等引起拱脚地层松动的方法。
7．原始资料记录整理
各工序开始、 完成时间、 工程量、 里程、 浆液配比及本班消耗量。旋喷开、 停、 完时间、 每孔时间、 本班完成情况。
开挖及喷混凝土、 工效、 进展。
本班故障记录、 原因、 排除效果。
资料核对、 整理。
8、 施工组织指挥
( 1) 实施旋喷的隧道应有主管工程师一名, 其职责是:
a、 统一组织调配旋喷段施工人员及机具设备, 落实并完成设计文件制定的旋喷预支护工程任务。
b、 监督施工细则的执行。
c、 根据现场监控量测及地质情况变化, 及时采取果断措施解决工程中的问题。
d、 检查、 监督施工中安全、 质量问题。
e、 对重大变更设计事项, 向设计单位提出建议。
( 2) 每班设领班一人, 负责本班各工序的组织及技术工作, 共职责是:
a、 按施工细则规定及进度计划, 组织指挥浆液制备、 输送、 钻喷等各工序相互配合, 共同完成本班旋喷任务。
b、 指挥钻机定位, 检查控制点坐标, 检查浆液压力及浆液配比情况。
c、 根据钻喷进展情况及出现问题, 适时采取处理措施, 指挥各工程序贯彻执行。
d、 本工班的安全、 质量检查。
e、 出现重大问题及时向主管工程师报告。
( 3) 每班人员组成及其职责
领班1人: 组织指挥全班人员完成