1）工程概况

通天河隧道为分离式隧道，位于青藏高原三江源地区，通天河、扎曲河及歇武河三河交汇于此，属剥蚀构造中高山及侵蚀堆积河谷地貌。隧道左洞ZK782＋059—ZK782＋078段、右洞YK782＋050—YK782＋068段穿越第4系上更新统冲洪积层粉砂，隧道埋深8～9 m。该段从地表到隧底全部为粉砂层。通天河隧道掘进过程中，边墙多次出现粉砂层垮塌现象，不仅存在安全隐患，而且回填坍腔既浪费材料，又影响施工进度。当左线施工至ZK782＋061时，开挖掌子面全部为粉砂，呈黄色、干状、中度密实。该处开挖上台阶时，发生大面积溜坍，坍腔高度约2 m，坍至掌子面前方约3.5 m处，约85 m，同时地表出现直径8 m、深5 m的倒漏斗形陷坑。

2）隧道穿越粉砂地段常规处理方案

对于粉砂质地段修筑隧道，根据以往施工经验，常采用以下几种方法处理：钢插板法、超前预注浆法、水平旋喷桩法、冻结法。

（1）钢插板法

在隧道拱部开挖轮廓线外设置钢插板（板厚1 cm，宽15 cm，环向间距30 cm，长1.2 m，外插角10°～15°），在拱顶120°范围内施工设置。该方法一般适用于洞顶以上为粉砂层、洞内围岩条件较好的隧道，施工速度快，操作简单，可有效控制拱顶坍塌，但不能解决掌子面的坍塌问题。由于施工现场已经施做了4 m的超前小导管支护，施做钢插板难度较大。

（2）超前预注浆法

超前围岩预注浆又称深孔注浆，或长孔注浆，是指在特殊困难地段采用深孔预注浆，在软弱岩层内形成较大范围的筒状加固区，产生“帷幕”。在软弱破碎围岩、卵石、砂层等有一定渗透性的地层采用“渗透注浆”；在颗粒更细的不透水、不透浆液黏土层，采用“劈裂注浆”。适用于覆盖层厚度较大的粉质黏性土、杂填土、一般易成孔的碎石黏性土、粉砂土。注浆得当可以保证掘进过程中的安全，防止坍塌；一般采用钻杆后退式式注浆，由于粉砂颗粒之间孔隙较小，需要采用价格昂贵的超细水泥（约1 500元/t）或化学浆液（6万元/t），由于注浆需要较大压力，必须在掌子面后方施做3 m混凝土止浆墙形成封闭系统。在本工法适用于覆盖层厚度较大的情况，施工速度较慢，成本较高，既无法满足工期要求，也不经济。在覆盖层厚度不大（15 m以内）的情况下，本工法也可在地表进行垂直钻孔，采用袖阀管注浆，但同样面临工期和成本问题。

（3）水平旋喷桩法

水平旋喷桩法是在水平钻孔内，利用工程钻机，将旋喷注浆管置于预计的地层加固深度，在钻杆旋转退出时，将配制好的浆液用一定的压力从喷嘴中喷出，冲入地层，把土和浆液搅拌成混合体，随后凝聚固结，形成一种新的有一定强度的水泥土，以达到加固地基和止水防渗目的。水平高压旋喷法是城市浅埋隧道施工中控制隧道变形和地表沉降的较好方法。对淤泥、淤泥质土、黏性土、粉土、黄土效果好。具有超前支护、止水加固作用，以及改善围岩效果好、加固体强度高、加固质量均匀、加固体形状可以控制的特点，已经成为国内外工程界普遍接受的、多用的、高效的地层加固方法。一般设计参数为：在隧道开挖轮廓线周边设双排φ500 mm的搅拌桩，间距35 cm，相互咬合15 cm，隧道洞内设φ800 mm搅拌桩，在开挖面均匀分布，间距100 cm。该方法既对隧道周边进行超前预支护，又对开挖面实施稳定，提高了粉砂的自稳能力，以有效防止隧道开挖过程中发生溜坍现象。本工法适用于覆盖层厚度较大的情况，但需要旋喷搅拌设备。经调查，该设备在沿海一带才有，设备到场周期长，无法满足工期需要，成本也较高。在覆盖层厚度不大（15 m以内）的情况下，本工法也可在地表进行垂直钻孔实施垂直旋喷搅拌，但也面临工期和成本问题。

（4）冻结法

在粉砂中打入冷冻管，用人工制冷的方法使沙层冻结，形成冻土，从而提高地层稳定性，适用于含水量较大的淤泥质土、饱和粉质黏土、流砂等。施工需要特种设备，工艺复杂，施工周期长，造价极高。

3）垂直旋喷桩地表加固粉砂层技术

为了能使隧道掘进尽快通过该粉砂层段，增加进洞长度，满足通天河隧道施工工期及冬季施工的要求，提出采用地表垂直旋喷桩加固拱顶围岩技术，即对地表至隧道下台阶交界处及隧道开挖轮廓线两侧一定范围内采用旋喷桩进行加固处理，如图7—61所示。

图7—61　垂直旋喷桩设置示意图

（1）垂直旋喷桩地表加固机理

①在洞顶及洞身边墙粉砂层范围内施做旋喷桩，旋喷桩之间相互咬合作用和水泥浆液的渗透作用使松散粉砂层形成结石体，可提高洞顶及洞身边墙围岩的整体稳定性。

②垂直旋喷桩施工对周围粉砂进行了注浆加固，同时高压水泥浆的喷射作用对粉砂层具有较强的挤密作用，加大了砂颗粒之间的摩擦系数，提高了洞顶粉砂层的自稳能力，可有效减少隧道开挖过程中的沉降。

③隧道两侧的旋喷桩形成桩体后，可阻挡隧道开挖宽度以外的粉砂和桩体之间易突出的粉砂。掌子面开挖后，粉砂就不易发生坍塌，可有效控制隧道的收敛变形。

（2）垂直旋喷桩设计参数及施工方法

旋喷桩横向施做范围为洞身最大跨度开挖轮廓线外120 cm，纵向从掌子面开始到开挖轮廓线处岩石为止。旋喷桩横、纵间距为50 cm×50 cm，呈梅花状布置，桩径60 cm，要求桩间相互咬合10 cm；开挖轮廓线外两排旋喷桩桩长为洞顶地表至洞内仰拱底以下1 m，其余桩长为洞顶地表至洞身上下台阶交界处。

地表塌陷处分层夯填，利用高架旋喷钻机钻至设计标高，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，同时以一定的速度（20 r/min）旋转，并低速（15～30 cm/min）徐徐提升，边旋喷边提钻至成桩，使土体与水泥浆充分搅拌混合凝固，形成具有一定强度（0.5～8.0 MPa）的旋喷桩，从而使围岩得到加固。

首先将洞外塌穴分层回填至高出地表10 cm，并封闭掌子面后，在洞顶施做旋喷桩，旋喷桩横向施做范围为洞身最大跨度开挖轮廓线外120 cm，纵向从掌子面开始到开挖轮廓线处为岩石为止。旋喷桩横、纵间距为60 cm×60 cm，呈梅花状布置，桩径为60 cm；最大跨度开挖轮廓线外两排旋喷桩桩长为洞顶地表至洞内仰拱底以下1 m，其余桩长为洞顶地表至洞身上台阶。(www.daowen.com)

通天河隧道工程根据覆盖土厚度选用XP—20系列低架旋喷钻机，并通过不同模块组合，采用双重旋喷施工工艺。采用的水灰比为1∶1水泥浆液（单液浆）。含水率较高的粉砂层亦可采用水泥—水玻璃双液快凝浆液，配合比的水灰比为1∶1，水泥浆∶水玻璃为1∶0.25，水玻璃浓度以16 Be为宜。水泥均可选用普通硅酸盐42.5R型水泥或超细型水泥。施工参数见表7—23。

（3）旋喷桩施工工艺

①工艺概述。高压旋喷桩是利用钻机，将预先配置好的浆液通过高压发生装置，使液流获得巨大能量后高速喷射出来，形成一股能量高度集中的液流，直接冲击破坏土体。喷射过程中，钻杆边旋转边徐徐提升，从而使浆液与土体充分搅拌混合，在土中形成一个有一定直径的柱状固结体，使地基得到加固。

表7—23　施工参数

②作业内容：成孔；水泥浆搅拌；喷射，钻杆提升；复喷；泥浆清理。

③施工机械。所需的机械设备由高压发生装置、钻机灌浆、特种钻杆和高压管路四部分组成，主要包括钻机、高压泵、泥浆泵、空气压缩机、灌浆管、喷嘴、流量计、输浆管、制浆机等。

④施工工艺及质量控制流程如图7—62所示。

图7—62　高压旋喷桩施工工艺及质量控制流程图

⑤施工步序说明。

A.机械就位。机械就位应平稳，立轴、转盘与孔位对正，高压设备与管路系统应符合施工图及安全要求，防止管路堵塞，密封良好。辅助设备安装应满足下列要求：制浆机应略高于贮浆罐上口；高压泥浆泵进浆口必须加设滤网，并稍低于贮浆罐出口；高压泥浆泵与旋喷管间必须用高压胶管连接。安装完毕后，必须再次检查高压设备、管路系统，确保规格符合设计要求，连接密封完好。

B.钻孔。施工前，应先进行成桩工艺性试验（不少于2根），确定旋喷管的转速、提升速度、注浆喷射压力、注浆量等参数，以查明喷射固结体的成桩直径和桩体强度。钻孔过程中应详细测量并记录实际孔位、孔深及地层变化情况。压力下降，接长钻杆，再继续钻进，直到钻至桩底高程。

旋喷桩间距为60 cm×60 cm，呈梅花状布置，桩径为60 cm。旋喷桩施工时，应根据布置图间隔施工，其间距可取3.6 m，或者等到已施工桩体初凝后，具有一定抗冲击力时，再施工相邻桩体。

C.浆液加压旋喷。制作浆液时，水灰比严格按照设计配置，水灰比为1∶1，不得随意改变。泥浆桶的浆液通过高压泵加压后，经高压管送至钻机用于旋喷，旋喷桩采用单管旋喷。在高压喷射灌浆过程中，当出现压力突增或突降、大量冒浆或完全不冒浆时，应查明原因，采取相应措施。

钻杆旋转和提升必须连续，拆卸接长钻杆以后继续旋喷时，要保持钻杆10～20 cm的搭接长度，以免出现断桩。

（4）处理效果

由于利用工程现场既有设备，且施工单位经验丰富，故该施工方案于2011年9月8日开始实施，至9月20日结束，仅用12 d掌子面即恢复开挖。开挖后洞身稳定，未出现垮塌现象。掌子面已正常掘进，可按预计时间顺利通过该不良地质段，为隧道冬季施工创造了有利条件。高压旋喷桩现场处置如图7—63所示。

（5）推广应用价值

通过理论分析和实践结果，采用粉喷桩处理浅埋粉砂层地段具有很大的推广应用价值，主要表现为处理成本低。经对比，较之超前预注浆、水平旋喷搅拌桩法或冷冻法，成本至少降低80万～200万元。该方案对埋深在20 m以内的浅埋隧道粉砂覆盖层处理具有明显的经济和工期优势。

图7—63　高压旋喷桩现场处置