高海拔高寒风积砂专项施工方案

周建

摘要：文章以新建拉萨至林芝铁路嘎拉山隧道工程施工为例，对其隧道进口粉砂段总体施工方案进行介绍，并对高海拔高寒风积砂专项施工流程进行分析，重点介绍高海拔高寒风积砂专项施工方案中的粉砂层开挖及边坡防护、钻孔灌注桩施工技术、旋喷桩施工工艺、水平旋喷桩施工技术等，为类似高海拔高寒风积砂治理工程提供借鉴作用。

关键词：高海拔；高寒；隧道进口风积砂；施工

1工程概况

新建拉萨至林芝铁路嘎拉山隧道位于青藏高原东南部雅鲁藏布江左侧，属于冈底斯山与念青唐古拉山、喜马拉雅山之间的藏南谷地。山高谷深，气候极端恶劣。山脉呈东西纵贯延展，谷岭相间，地势起伏跌宕，区间山势雄伟。隧道进口里程DK35+205，出口里程DK39+578，全长4373m，全部为单线隧道，隧道最大埋深约674m。线路纵坡为3‰/1798m、-5.2‰/2575m的人字坡，隧道进口端1475.726m位于R=1600m的左偏曲线上，其它2897.274m位于直线上。采用进、出口及斜井工区双向掘进，为本标段控制工期隧道；同时隧道存在危岩落石、地震、泥石流、风沙、冻害、放射性、高地应力等不良地质，是本项目重点控制工期的工程，为本标段的重、难点和控制性工程。

隧道进口DK35+205～DK35+472段位于进口粉砂段，其中DK35+205～DK35+300段明洞基底位于粉细砂中，采用旋喷桩进行基底加固，桩长5m，间距1.1m，等边三角形布置，地基处理后复合地基承载力明洞段不小于200KPa；DK35+300～DK35+402段，放坡开开挖和钻孔桩、旋喷桩等防护桩相结合的施工方法施工，基底位于粉细砂中，采用Φ500旋喷桩进行基底加固，复合地基承载力暗洞段不小于500KPa；DK35+402～DK35+472段，超前水平旋喷桩加固后暗挖施工。

2总体施工方案概述

DK35+300～DK35+472段隧道穿越粉砂地段，隧道埋深8～32m，为保证隧道施工安全及工期，DK35+300～DK35+402段首先将上面部分堆积层截掉，然后采用钢筋砼桩及旋喷桩加固隧道两侧后垂直明挖到基底的方式进行施工，隧道明洞施工完成后再对明洞进行回填；DK35+402～DK35+472段采用水平旋喷桩超前预支护后暗挖。

2.1明挖法-钢筋砼桩及旋喷桩加固后明挖

DK35+300～DK35+345段最大开挖深度为21.3m，DK35+345～DK35+402段最大开挖深度为29.95m，在边坡开挖至垂直基坑顶部平台时采用护桩支挡（钻孔桩），桩间采用Φ500旋喷桩进行止砂。钻孔桩顶部设置冠梁。明挖上半部分边坡坡度为1:2，边坡采用锚喷网防护。DK35+300分界断面处，端头桩采用钻孔灌注桩。当头桩前设4排Φ500旋喷桩。DK35+300～DK35+345段开挖至基坑以上2m处，施做基底旋喷桩。

2.2暗挖法-水平旋喷桩加固后暗挖

隧道采用明挖加暗挖形式施工，明挖深度超过29.95m地段即DK35+402-DK35+472采用水平旋喷桩作为超前支护加固后暗挖。拱墙采用Φ500水平旋喷桩超前支护，水平旋喷桩桩长15m，环向间距35cm，10m一环，外插角度为7-15°。隧道掌子面采用5根水平旋喷桩及纤维锚杆注浆加固，注浆次序为先注外圈，后注内圈，同一圈由下而上间隔施工。

3高海拔高寒风积砂专项施工流程

3.1旋挖灌注桩施工阶段部署及施工流程

根据总体施工安排，在明挖上半部分开挖支护完成后进行旋挖灌注桩施工，旋挖桩按照基坑布局分为2台钻机同时施工，2台钻机分别从小里程方向向大里程进行施工，间隔施工，待灌注桩砼达到一定强度后，再返回施工间隔的桩。旋挖灌注桩施工流程如图3.1所示。

3.2高压旋喷桩施工部署及施工流程

图3.2高压喷射注浆施工流程图

3.3土方开挖施工

施工时由于场地狭小，竖直方向每隔5～6m就增加一道支撑，施工只能从小里程侧向大里程侧开挖施工，且每开挖一层施工一层内支撑，土方开挖共分4层，第一层在旋喷桩及钻孔灌注桩施工前开挖并防护完成，其他2-4层均在旋喷桩及旋喷灌注桩施工完成后，根据自上而下顺序进行施工，且每层土方开挖完成后，施工完成内支撑后，才能进行下层土方开挖施工。

3.4衬砌施工及钢支撑拆除顺序

由于钢支撑位于隧道衬砌范围内，在施工衬砌时需根据施工的相应位置进行拆除，衬砌施工从隧道小里程往大里程方向进行施工。施工顺序图如图3.3所示。

图3.3衬砌施工及钢支撑拆除施工顺序图

3.5水平旋喷桩施工工艺及施工顺序

3.5.1施工工艺

施工准备→定孔位、钻机就位→钻孔、制备浆液、插入注浆管→喷射注浆→拔管清洗→桩机移位。

3.5.2施工顺序

⑴封闭掌子面，参数为：喷C20混凝土，厚度20cm。Φ8钢筋网，间距25cm×25cm。

⑵施作拱墙Φ500水平旋喷桩。首先施作拱部旋喷，旋喷次序为：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，左右交替补喷所缺孔位。

⑶施作上台阶掌子面Φ500旋喷桩。

⑷开挖隧道上台阶，台阶长度宜控制在3m左右。

⑸施作上台阶初期支护，喷混凝土、挂网、架立型钢钢架。

⑹开挖隧道下台阶。

⑺施作下台阶初期支护，喷混凝土、挂网、架立型钢钢架。

⑻重复⑴～⑺步进入下一循环。

4高海拔高寒风积砂专项施工技术

4.1粉砂层开挖及边坡防护

4.1.1粉砂层开挖

风积砂开挖采用装载机配合挖掘机开挖、装车，自卸汽车运输。开挖前按设计做好路堑顶截水沟，再自上而下分层开挖，分段流水作业。施工中做好临时排水设施，保持排水畅通和边坡稳定。施工顺序：施工截水沟→清除表层非适用表土→分层开挖外运土方→路基临时排水沟、侧沟→基床以下换填、碾压→基床填筑→边坡整形、防护。

4.1.2边坡开挖

挖方地段沿线纵向相对地形较平缓，采用挖掘机配自卸汽车开挖。沿路线方向开便道，便道纵坡应保证自卸汽车空车在正常情况下能顺利爬到坡顶，在路线左幅开一条便道便于上下汽车行驶,从高至低一层一层往下开挖。每层开挖深度控制在2～4m为最佳。每层宽度8～10m。边坡设置，一、二级边坡边坡坡率为1:2，每8米高度设2米宽平台一处。如图4.1所示。

4.1.3边坡防护作业

边坡开挖到位后，为了确保边坡的稳定，对边坡进行锚喷支护。边仰坡修整完后，初喷一层C20混凝土。在初喷混凝土完成后，搭设钻孔平台，钻设锚杆孔，锚杆间距为100×100cm梅花形布置，锚杆长3.5m，采用φ25自进式锚杆，锚杆施工完成后及时进行注浆，砂浆配合比由试验室提供。

在锚杆安装完成后挂设φ8钢筋网片，钢格尺寸为20cm×20cm。钢筋网片焊接在锚杆上面，并紧贴坡面，网片之间搭接不小于一个网格，铺设前要先除锈，钢筋网在初喷混凝土后挂设，使其与混凝土形成一体，要随初喷混凝土面起伏铺设，与初喷面间隙一般不超过3cm，钢筋网应与锚杆焊接牢固，保证在喷射混凝土时钢筋网不晃动、不外露。由于砂层吸水，在混凝土喷射前需对坡面进行洒水湿润，同时对喷射混凝土覆盖保温养生。

图4.1边坡开挖顺序图

4.2钻孔灌注桩施工流程

4.2.1埋设护筒

护筒一般用5～10mm厚的钢板卷制而成，其内径应大于钻头直径200mm。护筒的顶部应开设溢浆口，并高出地面≥200mm。护筒用挖埋的方法埋置，挖埋时，护筒与坑壁之间用粘性土填实，护筒中心应与装位中心应重合，偏差不得大于50mm，护筒埋置深度在砂土中不宜小于1.50m。

4.2.2钻进

根据孔径、孔深，选用相应型号的旋挖钻机；钻孔时控制好钻杆垂直度；在不同的地质调整旋挖钻机钻杆的进尺速度、拔杆速度。控制钻进速度，风积砂区钻进18～20转/min，钻头经过卵（砾）层时要放慢速度，尽量减少对孔壁的扰动。拔杆时初期速度适当放慢，让下面及时回浆，减少钻头下负压。钻孔时根据孔内水头下降情况，及时补浆，保持孔内水头高度。

4.2.3清孔

成孔后静置30分钟，使大颗粒钻渣沉淀下来，用旋挖钻机掏渣清孔；最后使用导管采用泥浆循环清孔。

4.2.4钢筋笼制作与安装

钢筋笼宜在平整的地面钢筋圈制台上制作。制作质量必须符合设计和有关规范要求，钢筋净距必须大于混凝土粗骨料粒径3倍以上。加劲箍设在主筋外侧，钢筋笼的内径应比导管接头处外径大100mm以上，钢筋外径应比钻孔设计直径小140mm。分段制作钢筋笼，以保证钢筋笼在吊装时不变形为原则。两段钢筋笼搭接符合相关规范要求，其接头应互相错开，35倍钢筋直径区段范围内的接头数不得超过钢筋总数的一半。在钢筋笼主筋外侧设置定位钢筋环、砂浆垫块，其间距竖向为2m，横向圆周不得少于4处，并均匀布置。钢筋笼顶端应设置吊环。

钢筋笼可用吊车或钻机吊装，吊装时应防止钢筋笼变形，安装时要对准孔位，吊直扶稳，缓慢下沉，避免碰撞孔壁。钢筋笼下放到设计位置后立即固定，防止移动。

4.2.5混凝土灌注

用导管进行清孔合格后立即进行水下混凝土灌注。开灌时，导管底端应提离孔底30～50cm，以保证隔水塞能顺利排出。开灌前储料斗内必须有足够的混凝土量，其体积必须满足将导管底端一次性埋入混凝土中100cm以上的深度为宜。在混凝土灌注过程中，要经常测量混凝土面上升高度，保持导管在混凝土中的埋深在2～6m。严禁把导管底端提出混凝土面，灌注水下混凝土应连续进行，不得中途停止，并边灌注混凝土边按规定上下穿插导管（上提高度一般≤1㎝），以保证桩身混凝土密实，无断桩、缩径、夹泥和蜂窝结构。

提升导管时应避免碰到挂钢筋笼和钢筋笼上浮，当灌注的混凝土面距钢筋笼底端时，应严格控制导管的埋管深度不要过深。当混凝土面上升到钢筋笼内3－4m时，再提升导管，使导管底端高于钢筋笼底端2m以上时，即可恢复正常的灌注速度。为保证桩顶的混凝土质量，应控制最后一次混凝土的灌注量，一般灌注的混凝土顶面标高应高出设计的桩顶标高80～100cm。灌注桩身混凝土时，每根桩应制混凝土试块不得少于一组。试块养护28天后及时送检。

4.3旋喷桩施工工艺

高压旋喷桩系利用高压泵将水泥浆液通过钻杆端头的特制喷头，以高速水平喷入土体，借助液体的冲击力切削土层，同时钻杆一面以一定的速度旋转，一面低速徐徐提升(10cm～25cm/min)，使土体与水泥浆充分搅拌混合凝固，形成具有一定强度（0.5～8.0MPa）的圆柱固结体（即旋喷桩），从而使地基得到加固。高压旋喷桩的施工工艺流程如图4.2所示。

图4.2高压旋喷桩的施工工艺流程图

4.3.1钻机钻孔

钻机就位。钻机主钻杆对准孔位，用水平尺测量机体水平、立轴垂直，钻机要垫平稳牢固。钻孔口径应大于喷射管外径20～50mm，以保证喷射时正常返浆、冒浆。施工场地勘察资料不详时，每间隔20m布置一先导孔，查看终孔时地层变化。造孔每钻进5m用水平尺测量机身水平和立轴垂直1次，以保证钻孔垂直。钻进过程中随时注意地层变化，对孔深、塌孔、漏浆等情况，要详细记录。钻孔终孔深度应大于开喷深度0.5～1.0m，以满足少量岩粉沉淀和喷嘴前端距离。终孔后将孔内残留岩芯和岩粉捞取置换干净。孔深达到设计深度后，进行孔内测斜，孔深小于30m时，孔斜率不大于0.5%。测量孔深:钻孔终孔时测量钻杆钻具长度，孔深大于20m时，进行孔内测斜。

4.3.2下喷射管

钻孔经验收合格后，方可进行高压喷射注浆，下喷射管前检查以下事项。测量喷射管长度，测量喷嘴中心线是否与喷射管方向箭一致，喷射管应标识尺度。将喷头置于高压水泵附近，试压管路应小于20m，试喷调为设计喷射压力。施工时下喷射管前进行地面气、浆试喷，即设计喷射压力＋管路压力。设计喷射压力＋管路压力为施工用的标准喷射压力，更换喷嘴时重新调试。摆喷施工下喷射管前，应进行地面试喷并调准喷射方向和摆动角度。在下喷射管过程中，为防止泥砂堵塞喷嘴，可边射水、边插管，水压力一般不超过1MPa，若压力过高，则易将孔壁射塌。

4.3.3喷射作业

高压喷射注浆法为自下而上连续作业。喷头可分单嘴、双嘴和多嘴。当注浆管下至设计深度，喷嘴达到设计标高，即可喷射注浆。开喷送入符合设计要求的气和水泥浆，待浆液返出孔口正常后，开始提升。水泥浆液流量大于30L/min，气压不宜小于0.7MPa，旋喷提升速度10～25cm/min。高压喷射注浆喷射过程中出现压力突降或骤增，必须查明原因，及时处理。喷射过程中拆卸喷射管时，应进行下落搭接复喷，搭接长度不小于0.2m。喷射过程中因故中断后，恢复喷射时，应进行复喷，搭接长度不小于0.5m。喷射中断超过浆液初凝时间，应进行扫孔，恢复喷射时，复喷搭接长度不小于1m。喷射过程中孔内漏浆，停止提升，直至不漏浆为止，继续提升。喷射过程中孔内严重漏浆，停止喷射，提出喷射管，采取堵漏措施。

4.3.4充填回灌

每一孔的高压喷射注浆完成后，孔内的水泥浆很快会产生析水沉淀，应及时向孔内充填灌浆，直到饱满，孔口浆面不再下沉为止。终喷后，充填灌浆是一项非常重要的工作，回灌的好与差将直接影响工程的质量，必须做好充填回灌工作。将输浆管插入孔内浆面以下2m，输入注浆时用的浆液进行充填灌浆。充填灌浆需多次反复进行，回灌标准是:直到饱满，孔口浆面不再下沉为止。应记录回灌时间、次数、灌浆量、水泥用量和回灌质量。

4.3.5清洗结束

每一孔的高压喷射注浆完成后，应及时清洗灌浆泵和输浆管路，防止清洗不及时不彻底浆液在输浆管路中沉淀结块，堵塞输浆管路和喷嘴，影响下一孔的施工。

4.4水平旋喷桩施工

4.4.1钻孔

钻孔采用瑞典制造的多功能钻机TC-20型，开钻前通过外置角度仪，调整导向架角度，确保水平旋喷桩施工角度与设计角度保持一致。钻机就位后，钻杆应与掌子面成7o～15o外插角，钻孔深度不小于设计深度。在施工前进行不少于4根的工艺性试桩，从而确定出水泥浆液的水灰比、桩体旋喷速度及水泥浆注浆量等相关数据。

4.4.2插入注浆管

注浆管钻机钻头一起钻至预定的深度。在此过程中，为防止泥砂堵塞喷嘴，边射水、边钻进，水压力一般控制压力3～5MPa。如压力过高，则易将孔壁射塌。

4.4.3喷射注浆液

水泥浆液应在喷注前1小时内搅拌，当喷嘴达到设计深度，喷注开始时先送高压水清管，再送浆液和压缩空气。当喷液从喷嘴喷出并达到设计压力后开始旋喷，旋喷压力建议在35～40MPa之间，桩前端原地旋喷不少于30s。中途卸杆时，先停止后退，旋喷5圈然后通知停止送浆。卸杆完毕恢复给浆后，先旋转3～5圈在后退，防止出现断桩。

在浆液喷射过程中出现钻杆接头处有漏浆情况发生时，应停止后退和喷浆以防浆液喷射不足时影响桩径，同时立即对漏浆处进行故障排除。因漏浆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。停机超过浆液初凝时间时，应对泵体输浆管中进行清洗后方可继续施工。当旋喷至孔口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。进行封孔作业。

4.4.4拔管与冲洗

旋喷施工完毕，迅速拔出注浆管，并用清水把注浆管等机具设备冲洗干净，管内机内不得残存水泥浆。通常把浆液换成水，在地面上喷射，以便把注浆泵、注浆管和软管内的浆液全部排出。

5结语

在新建拉萨至林芝铁路嘎拉山隧道进口粉砂段施工中，为了实现高海拔高寒地区进行风积砂层隧道进洞施工，采用粉砂层开挖及边坡防护、钻孔灌注桩施工技术、旋喷桩施工工艺、水平旋喷桩施工技术等，取得了良好的效果，对于高海拔高寒隧道工程施工中对风积砂层进行固结以及抗弯抗压能力的提高，对围岩变形进行控制起到了重要的作用，是一种值得推荐的施工方案。

参考文献：

[1]曹翠莲.浅谈G219线西藏段沙害路段的整治方法[J].西藏科技,2009(7):63-64.

[2]黄俊文,仇玉良,史宝童,等.水平旋喷桩超前预支护在风积沙隧道中的应用[J].公路,2011(9):246-250.

[3]董长松,黄俊文,肖均.风积沙地区公路隧道施工方案研究[J].隧道建设,2011,31(2):202-207.

[4]史宝童,赵佳云,谢祥光,等.风积沙隧道围岩压力分布特征及衬砌结构强度验算分析[J].公路,2013(6):270-276.