隧道软弱围岩施工技术：隧道浅埋段软弱围岩高压旋喷桩地表加固机理及现场试验方案设计

娄健 徐华 韩富庆 郭国和 杨明兴 陈壮广东云茂高速公路有限公司 西南交通大学土木学院

摘 要：为防止隧道浅埋段软弱围岩开挖过程中发生大范围的坍塌和涌水突泥地质灾害，以广东省云茂高速公路新屋隧道浅埋段为依托工程，提出以地表高压旋喷桩进行预加固的方案，探讨隧道浅埋段高压旋喷桩地表加固机理，系统开展现场试验及加固效果检测方案设计。隧道浅埋段软弱围岩高压旋喷桩地表加固机理包括高压浆液喷射流对岩土体加固作用和对隧道浅埋软弱围岩的整体改善作用，其中高压浆液喷射流对岩土体的加固作用为切割置换、搅拌混合、挤压渗透、固结成桩；对隧道浅埋段软弱围岩的整体改善作用包括桩土复合体土拱效应、掌子面防塑性挤出作用以及帷幕阻水作用。为获得浅埋段的地层特性、合理设计参数、最优施工参数等，对于大型和重要工程需进行现场试验，主要内容包括：合理桩间距布置、施工工艺对比以及最优施工参数正交试验等。隧道浅埋段地表加固的主要目的是改善围岩整体性和强度、降低围岩渗透性，建议了加固效果的综合检测方法及标准。

关键词：隧道工程;浅埋段;高压旋喷桩法;加固机理;现场试验;

基金：交通运输部重点科技项目，项目编号2019-MS1-017;

高压旋喷桩技术作为一种成熟的技术被广泛应用于基坑支护、地基加固及隧道围岩加固中。近年来，随着隧道建设的发展，高压旋喷桩法在隧道浅埋段围岩加固以及城市地铁建设方面也得到了一定的发展。目前，关于隧道浅埋段预加固措施，地表高压旋喷桩法相对于其他洞内外加固方式，不仅有着良好的加固效果，还具有增强围岩整体性、改善土体强度、降低渗透性、节省工期等优点[1]。目前已有部分学者对高压旋喷桩法在隧道浅埋段地表加固中的应用进行了相关的研究，阙寿洪等[2,3,4]通过对山岭隧道浅埋段和地铁盾构隧道高压旋喷桩法加固的应用研究，总结了相关的施工方法和经验，提出了一些与施工设备和浆液相匹配的施工工艺优化方法，提高了施工质量和效率。孙铭心等[5,6,7]对高压旋喷桩施工工艺及其不同土层适用性进行了相关研究，提出了高压旋喷桩不同地层施工关键控制参数，但以上研究多集中于施工工艺及技术参数优化方面。

在进行隧道浅埋段软弱围岩高压旋喷桩地表加固设计和施工时，大都参考《建筑地基基础设计规范》[8],借鉴建筑地基处理经验，但建筑地基处理中主要发挥高压旋喷桩的桩体作用，通过桩和桩间土共同形成复合地基承担竖向荷载；而隧道浅埋段高压旋喷桩地表加固，主要是改善围岩整体性和强度、降低渗透性，桩体并不承受较大的外加荷载，这与地基处理的受力机制有着较大差别，若按照地基处理的强度要求进行隧道浅埋段地表高压旋喷桩的设计和施工，将会造成一定的浪费和损失。同时，由于采用高压旋喷桩从地表进行浅埋隧道软弱围岩加固起步较晚，相关研究也不系统深入，对其具体加固机理的认识尚不明晰，且尚无专门的设计规范和施工指南，对设计内容、施工参数选取和加固效果检测较为笼统模糊，给设计和施工带来巨大困难。因此，急需开展针对隧道浅埋段软弱围岩高压桩地表加固机理研究，制定完善的现场试验及加固效果检测方案来指导设计和施工。

以广东省云茂高速公路新屋隧道浅埋段高压旋喷桩法地表加固工程为依托工程，开展隧道浅埋段地表高压旋喷桩加固机理以及现场试验方案研究，重点研究高压浆液喷射流对岩土体加固作用和对隧道浅埋软弱围岩的整体改善作用，阐明其与地基处理应用的区别，制定系统的现场试验和加固效果检测方案。

广东云茂高速公路新屋隧道为分离式隧道，左线全长2 501 m, 右线全长2 452 m。隧道浅埋段为左线隧道ZK84 579～ZK84 859段和右线隧道K84 606～K84 795段，最大段长280 m。隧道范围内分布多处浅埋段，浅埋段最小覆土厚度约为6.85 m, 浅埋段位于冲沟处，为构造剥蚀丘陵地貌，线路分布多处水塘和地表沟槽，区域汇水面积大，地下水系发育，其纵断面如图1所示。

图1 浅埋段纵断面 下载原图

新屋隧道隧址区地层岩性以粉质黏土、变质砂岩、花岗岩及其风化层为主，浅埋段地层自上而下主要为耕植土、粉质黏土、淤泥质粉质黏土、碎石土、全强风化变质砂岩、中风化变质砂岩。隧道浅埋段洞身大部分位于全强风化变质砂岩中，围岩级别为Ⅴ级。

由于浅埋段地层软弱、埋深浅(6.85～16.75 m)、段长大(280 m)、地表及地下水系发育，采用常规洞内加固措施难以避免塌方和涌水突泥灾害，而明挖法对地表环境破坏较大、难以处理弃渣以及台风暴雨季的隧道排水等问题。基于以上原因，拟采用地表加固方案对浅埋段进行预加固，然而浅埋段地层条件复杂，含有大量的耕植土、粉质黏土以及淤泥质粉质黏土，含水量大、渗透性低，地表注浆浆液很难扩散，水泥搅拌桩法较难搅拌均匀、成桩效果差，经综合比选后，推荐采用地表高压旋喷桩预加固方案，初步设计方案：旋喷桩体直径0.6 m, 三角型布桩，间距1.2 m, 注浆压力20～24 MPa, 喷嘴提升速度18 cm/min, 转速14～18 r/min, 采用双管旋喷，气流压力约为0.7 MPa, 水灰比为1∶1。横向加固范围为左右均超出隧道开挖轮廓线3 m, 加固宽度约为19 m, 加固深度为嵌入中风化变质砂岩层0.5 m, 横断面布置如图2所示。

图2 高压旋喷桩横断面布置 下载原图

高压浆液在理想状态下(空气中喷射)的结构构造：从整体形式上来看，随着离喷嘴距离的增加高压浆液在空气中逐渐变成水流、水滴、水汽；从速度上来看，随着离喷嘴距离的增加，喷射流断面上的平均速度大幅降低，最终消散。因此，高压喷射流构造可分为保持出口压力的初期区域、紊流发达的主要区域和喷射浆液变成不连续喷流的终期区域等3部分[9],如图3所示。

图3 高压喷射流构造 下载原图

浅埋段高压旋喷桩加固过程中，高压浆液对土体所产生的作用包括切割置换作用、搅拌混合作用、挤压渗透作用。

在高压浆液的初期区域，高压浆液以极高的速度对土体进行冲击，该区域土体产生剪切破坏并被充分切割，由于喷射流的压力作用，破坏后的岩土体颗粒被挤压至射流前方和侧方，随着喷嘴的提升，此区域的岩土体颗粒被挤压至射流构造的主要区域或随喷嘴提升被携至地表，桩体核心区域的岩土体完全被水泥浆液所替换，最终固结形成旋喷桩体。

在高压浆液的主要区域，喷射流在岩土体的阻滞作用下，射流速度降低，无法将作用面上的岩土体完全破坏，也无法将岩土体颗粒全部推离作用区域。因此，未被推离的部分岩土体将在射流作用下进行一个小范围的无序移动，在喷嘴的提升以及射流冲击的综合作用下，迫使该区域岩土体颗粒与浆液进行充分的搅拌与混合，形成桩土复合体。

在高压浆液终期区域，高压浆液在其作用的边缘已不能直接切割或搅拌土体，但脉冲式的旋转喷射浆液仍会对周围土体产生极大的挤压力，挤压力对于黏性土类、泥质土类会起到压实作用，从而降低其孔隙率；对于砂土和碎石土等渗透性较强地层，其挤压作用不明显，但由于该地层中存在较多的裂隙、孔隙，部分浆液会在压力作用下渗入桩周土体，产生类似静压注浆的效果[10]。

基于上述分析，高压浆液与土体的作用模式如图4所示。

图4 高压浆液与土体的作用模式 下载原图

隧道浅埋段软弱围岩高压旋喷桩地表加固过程中，岩土体在高压浆液的作用下，经过切割、搅拌以及挤压渗透作用，形成了完整的桩体，改善了桩周土体的整体性和强度，使得桩周土颗粒具有足够的黏结力与摩擦力，形成了桩和桩间土组成的复合地层，使得隧道轮廓线上方围岩形成一个整体。在隧道开挖后，隧道上部围岩的沉降及自重将会通过桩土界面的挤压和摩擦作用向隧道轴线两侧传递，呈现出中部沉降大，两侧沉降小的现象，并将自重转移到隧道轮廓线外侧桩体上，由外侧桩体传递至基岩层。在整个过程中，上部桩土复合体的受力以及变形形式满足“土拱效应”的基本条件[11],在浅埋隧道开挖过程中发挥“拱效应”,增强围岩自稳能力，防止浅埋围岩塌方灾害，如图5所示。

图5 竖向布桩时拱效应 下载原图

在高压旋喷桩地表加固中，若直接将高压旋喷桩施作至基岩层，不仅可提高上覆软弱土层的强度和抗渗性，桩体的存在还可以直接防止掌子面围岩的塑性挤出，主要体现在以下3个方面。

(1)旋喷桩施作至洞内上台阶，不仅改善了围岩的整体性和稳定性，也极大减小了拱顶围岩在自重作用下的塌落临界高度。

(2)桩体直接作用于基岩上，开挖后掌子面前方未开挖桩体可起到阻挡后方软弱围岩塑性挤出承担部分围岩应力。实际上，未开挖桩体对掌子面形成了近似封堵作用。

(3)在开挖后，横断面未开挖边桩(一般2～3排)的存在，可起到防止隧道围岩的侧向挤出，减小拱肩和边墙收敛的作用。

桩体防止掌子面上台阶开挖软弱围岩塑性挤出的受力模式，如图6所示。

图6 防止塑性挤出的受力模式 下载原图

山区沟谷地带的浅埋段往往地表水发育、地下水位较高，这不仅使得隧道支护结构承受较大的地下水压力，也极易引发隧道渗水、涌突水等灾害。高压喷射流对桩周土体具有切割搅拌以及挤压渗透作用，当岩土体经高压浆液作用后，围岩自身强度和抗渗性得到了很大的改善，整体性增强。当布桩间距较小，如相交或相切布置时，桩体与桩间土体均具有较强的抗渗能力，且隧道两侧均有多层嵌入岩层的边桩，可减少加固区两侧地下水渗入加固区围岩，发挥类似帷幕阻水作用(如图7)。此外，当布桩间距较大时，阻水帷幕效应作用不再明显，但高压浆液对地层的挤压和渗透充填作用使得该区域的整体透水率下降，可有效减少地表水下渗，对于降雨量较大区域具有极佳的抗渗作用，同时也减少了地下水的渗流通道，削减了渗流速度，从而降低了隧道发生涌水突泥的风险。

对于大型和重要工程需进行高压旋喷桩现场试验，根据现场试桩和试验结果可获得浅埋段的地层特点并反映高压旋喷桩的加固效果，以此来判断设计、施工工艺及控制性参数是否合理，并及时做出调整，为后续大范围的高压旋喷桩施工提供技术支撑。试验内容主要包括：合理桩间距、施工工艺对比以及施工控制性参数正交试验等。

图7 高压旋喷桩帷幕阻水作用示意 下载原图

高压旋喷桩常采用3种布桩形式[12],即相离、相切、相交布置。布桩形式及桩间距会极大影响加固效果，特别是对防渗效果而言，桩与桩相互搭接的防渗效果好于没有搭接，而桩间距过小又会产生大量浪费。为兼顾地表加固的经济性和有效性，获得适合新屋隧道浅埋段地表加固的高压旋喷桩桩间距，设计合理桩间距布置试验，本试验共设计3种不同布桩形式，并对比其在加固强度和防渗两方面的效果。

3种布桩形式分别为：(1)三角型相离布置，桩径0.6 m,桩间距1.2 m×1.2 m;(2)三角型相切布置，旋喷孔间距0.6 m×0.6 m,桩径0.6 m,桩与桩之间相切；(3)三角型相交布置，桩径0.6 m,桩与桩之间相互搭接，旋喷孔间距0.5 m×0.5 m,桩与桩之间相互搭接，搭接距离为0.1 m。三角型相切布置的中心位于左线浅埋段ZK84 685中线左侧10.5 m处，共3根桩；三角型搭接布置的中心位于左线浅埋段ZK84 680中线左侧8.5 m处，共3根桩；相离布置位于第二段左线ZK84 675中线左侧8.5 m。具体布置间距如图8所示。

由于受场地空间和造价影响，隧道浅埋段软弱围岩高压旋喷桩法施工主要采用单管法或双管法工艺，单管法施工工艺简单、成本较低，但对于复杂地层的适应性较差，且桩长达到10 m容易造成缩颈；双管法施工工艺相对复杂，通过增加气压来减小高压浆液的能量损失，保障了成桩效果，浆液扩散更远。不同施工工法对高压旋喷桩法地表加固效果会造成很大影响[13]。因此，需开展施工工艺对比，通过检测对比加固后岩土体的强度、渗透特性以及桩体整体性等指标，确定适合的施工工艺和方法。

图8 桩间距对比试验布置 下载原图

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新屋隧道浅埋段采用单管法与双管法施工工艺进行对比试验，每组试验分别设置6根桩。旋喷直径取0.6 m,水灰比取1.0,旋喷桩位三角型布置。单管法、双管法施工参数如表1所示。单管法和双管法中心桩位，分别位于左线浅埋段ZK84 670和ZK84 675中线左侧9.5 m处，共12根桩，间距1.2 m×1.2 m,桩位布置形式如图9。

表1 单管法、双管法施工参数 导出到EXCEL

图9 施工工艺对比试验桩位布置 下载原图

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为获得浅埋段的地层特点，保证地表加固效果和成桩质量，根据以往施工经验及高压旋喷桩相关研究[1],优选4个施工关键影响因素——浆液喷射压力、喷浆流量、旋转速度、提升速度作为控制变量，进行正交试验设计，结合加固后岩土体的强度、渗透性以及桩体完整性等指标检测分析，确定最优的施工参数。新屋隧道浅埋段以双管法为例，采用4因素3水平L9(34)正交试验[14],各因素试验设计值，如表2所示。试验段位于ZK87 710中线左侧9 m处，共施作9根桩，间距1.2 m×1.2 m,布置方式如图10所示。

表2 双管法施工参数正交试验设计 导出到EXCEL

图10 单(双)管法桩桩位布置 下载原图

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目前建筑地基处理的高压旋喷桩效果检测多以桩体完整性和复合地基承载力为主，但隧道浅埋段软弱围岩高压旋喷桩地表加固主要为改善围岩整体性和强度，降低围岩渗透性。因此，应着重检测对比分析加固前、后岩土体的整体性、强度以及抗渗效果。参考《水电水利工程高压喷射灌浆技术规范》[15]及高压旋喷桩地表加固相关研究[1]、加固效果的检测方法和标准应能综合反映围岩整体性、强度提高与渗透性降低等方面。检测方法包括：桩体取芯的无侧限抗压试验，加固前后岩土体的直剪试验、渗透试验、原位声波测试、原位压水试验等。其中无侧限抗压试验、直剪试验、渗透试验参照《公路土工试验规程》[16] 执行。

试验区加固前后分别采用ϕ90地质钻机对各地层(耕植土、粉质黏土、碎石卵石层、全风化变质砂岩层)进行取样，其中无侧限抗压试验、直剪试验、渗透试验每个土层加固前后分别取4组平行试样。

隧道上部围岩整体和强度的提高程度可采用超声波进行检测，波速越大，岩体整体性越好，强度越高。岩体的弹性模量越低，则超声波速度越低；岩石越致密，则超声波速越高。因此，对新屋隧道浅埋段加固前后分别进行声波测试，本次试验采用RSM-SY5声波仪进行数据采集，测试方法采用双孔对穿测试，在无套管有水耦合的钻孔中进行，孔深每隔10 cm进行一次数据采集，声波测试分别在加固区ZK84 660和ZK84 685中线附近各打6个10 m深钻孔，进行声波对穿试验，原位超声波检测具体要求按照《工程岩体试验方法标准》[17]规定执行，声波测试示意如图11所示。

图11 对穿声波测试示意 下载原图

为判定隧道浅埋段高压旋喷桩法地表加固前、后的抗渗效果，需对比加固前、后岩土体透水性变化情况，采用原位压水试验检测岩土体加固前后抗渗能力的变化。原位压水试验采用前述原位声波检测孔位，试验按照0.2 MPa、0.4 MPa、0.8 MPa等3级压力进行5点压水，具体试验流程要求参考《水利水电工程钻孔压水试验规程》[18],压水试验管路连接，如图12所示。

图12 压水试验管路连接示意 下载原图

目前对于隧道浅埋段软弱围岩高压旋喷桩地表加固效果的检测标准尚无统一的规定，多以单一指标，如桩体取芯率或无侧限抗压强度进行评价，不能全面评价高压旋喷桩法对围岩整体性、强度提高与渗透性降低的作用。因此，参考水利水电灌浆法、建筑地基处理等检测指标及高压旋喷桩地表加固相关研究[1],建议隧道浅埋段软弱围岩高压旋喷桩地表加固后，围岩完整性应得到较大改善，达到一定的自稳能力；隧道掌子面不出现股状涌水，允许部分滴水，岩土体渗透性较小；桩体垂直、完整性好、强度大，桩身均匀不存在缩颈现象。具体加固效果检测标准如下。

(1)围岩完整性较好，加固后桩体单孔声波波速应大于2.5km/s, 桩间土声波波速提高率应大于15%。

(2)围岩强度较大，桩体芯样强度应大于6.0MPa。

(3)围岩渗透较低，透水率q≤5Lu, 接近相对不透水标准。

以广东省云茂高速公路新屋隧道浅埋段软弱围压地表高压旋喷桩加固为依托，分析了隧道浅埋段高压旋喷桩地表加固机理，系统地开展了现场试验及加固效果检测方案设计。

(1)高压喷射流对岩土体的加固作用可分为：高压浆液初期区域对岩土体的切割置换作用；高压浆液紊流发达区域(主要区域)对已切割破坏岩土体的搅拌混合作用；高压浆液终期区域浆液对岩土体的挤压扩张、充填渗透作用。

(2)隧道浅埋段地表高压旋喷桩法对软弱围岩的整体改善作用包括桩土复合体土拱效应、掌子面防塑性挤出作用以及帷幕阻水作用。这与建筑地基处理中通过高压旋喷桩和桩间土共同作用形成复合地基以承担建筑荷载是不同的。

(3)对于大型和重要工程需进行现场试验，根据现场试桩和试验结果可以获得浅埋段的地层特点以及高压旋喷桩实际加固效果，以此来判断设计、施工工艺及控制性参数是否合理，并及时做出调整。主要内容包括合理桩间距布置、施工工艺对比以及最优施工参数正交试验等。

(4)隧道浅埋段地表高压旋喷桩法加固效果的检测方法和标准应能综合反映围岩整体性、强度提高与渗透性降低等3个方面。检测方法包括：桩体取芯的无侧限抗压试验，加固前后岩土体的直剪试验、渗透试验，原位声波测试、原位压水试验等。参考相关规范和研究成果，建议了定性和定量的检测标准。

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