长距离水平旋喷桩综合检验技术研究.pdf

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・隧道/地下工程・长距离水平旋喷桩综合检验技术研究王保庆(中铁十二局集团第四工程有限公司西安710021)摘要厦深铁路梁山隧道DK96+495一DK96+540段穿越地层为L7深风化富水陡倾软弱构造,采用长距离水平旋喷桩进行加固,但目前对于长距离水平旋喷桩的成桩质量及加固效果的检验还没有确定的标准,在此背景下开展长距离水平旋喷桩的综合检验技术研究。研究中提出取芯检测为主,孔内成像为辅,钻孔取芯起主导作用,能够直观揭示检验部位的物质组成及存在状态,孔内成像孔直观反映旋喷加固体的水泥土连续性,并对取芯孔反映情况进行补充验证,以减少因取芯工艺问题对加固效果判示的影响。从检测的结果看,孔内成像与取芯检测相互验证的综合检验技术基本可全面反映长距离水平旋喷桩的成桩质量及加固效果,在目前没有规范可循的情况下,不失为一种较为可靠的检测方法。关键词隧道工程长距离水平旋喷桩加固效果取芯检测孔内成像中图分类号U455。49文献标识码A———文章编号10094539(2014)03002105StudyontheTestingTechnologyofLongDistanceHorizontalRotaryJetGroutingPileWangBaoqing(ChinaRailway“12BureauGroup’Co.Ltd.,Xiall710021,China)AbstractDK96+495一DK96+540ofLiangshanTunnelofXiamen-ShenzhenrailwaysectiongoesthroughtheformationofL7—waterrich,deepweatheredandsteepsoftstructure.Itisreinforcedwiththelonghorizontalrotaryjetgroutingpile.Buttherealenocertainstandardsforthequalityinspectionandreinforcementeffecttestforlongdistancehorizontalrotaryjetgroutingpile.TheresearchproposesthesynthesistechnologyofCOredetectionbased,supplementedbyholeima百ngforthetestoflongdistancehorizontalrotaryjetgroutingpile.Thecoredrillingplaysadominantrole,whichCandirectlyrevealthecompositionandexistingstateinspectionandtheholedirecdyreflectthecontinuityofcementsoilcontinuousjetgroutingreinforcedandsupplementthecoreinspectiontoreducetheeffectofcoretechnologyonthetestofreinforcementeffect.Fromthetestresults,itCanbeseenthatcomprehensiveinspectionofholeimagingandcoredetectioncanreflectqualityandstrengtheningeffectofthelongdistancehorizontalrotaryjetgroutingpile.WhiletherealenorulestofoUow,themeth-odprovidesareliablewayfordetection.Keywordstunneling;longdistancehorizontalrotalyjetgroutingpile;reinforcementeffect;coredetection;holeimaging1工程概况梁山隧道是厦(门)深(圳)铁路福建段最长的隧道,进口里程DK94+000,出口里程DKl03+888,全长9888m,为厦深铁路福建段的控制工程之一。隧道最大埋深680m,主要穿越地层为燕山早期第四次侵入晶洞花岗岩及第二次侵入黑云母花岗岩,——收稿FI期:20131231基岩中分布多次侵入辉绿岩和闪长玢岩。隧道正线施工至里程DK96+505时揭示一处软弱构造,在2009年3月至2010年3月期间多次发生不同规模的突水、涌泥灾害,总计涌泥量约25500m3,施工一度受阻。经勘察与分析,梁山隧道DK96+495~Dl(96+535段穿越的地层为带状深风化富水陡倾软弱构造。该构造的形成原因为:沿花岗岩体张性构造带多次侵入的辉绿岩及闪长玢岩在地下水化学作用铁道建筑技术RAILWAYCONSTRUCTIONTECHNOLOGY2014f3J2l万方数据・隧道/地下工程・下,与其两侧的中酸性花岗岩体产生差异风化,形成带状深埋富水全风化的软弱带,该地质构造在国内外极为罕见。梁山隧道参建各方于2010年3月开展了深入的调查分析和方案研究,并经过多次专“家会议,最终确定采用全环水平旋喷超前加固圈+拱墙大管棚超前支护及补注浆+掌子面水平旋”喷改良预加固的方案对该处软弱带进行处理,具体如图1所示。簇oB乳导,黜隰鹰j鼢,60OVO0(“‘)6;:;。b6。d1dI弱韶隰=f000000下O丰断O面1049根0}燧b。。留嘏吝)OOOooJ—)L9_扪。可万石oooo小II射流均进行过切割与搅拌,其加固的连续性及加固效果主要取决于射流与岩体的胶结情况,因此检查…的重点是加固范围物质成分的分布与胶结状态。经过综合对比分析后,梁山隧道长距离水平旋喷桩质量检验确定采用取芯检测与孔内成像相结合的综合检验技术。2.1取芯技术2.1.1取芯机具钻具取芯使用的机具钻具包括回转钻机、钻机钻杆变径、钻杆、钻杆套筒变径、取芯套筒及取芯钻头,如图2所示。I-IABCDEF1—][333I—II叨[二]口II变径1钻杆变径2取芯套筒取芯钻头回转钻机图2取芯使用的机具钻具组成万方数据・隧道/地下工程・钻速;钻杆卡盘能够提供足够的咬合力;履带底盘牢靠稳固,能够提供足够的后坐反力,取芯基本不摇摆。但取芯钻头壁厚过大,内芯直径过小,在取芯钻孔过程中,后壁钻头偏心回转将直径较小的芯样碾磨成碎块及粉末,随后被钻机供水冲出取芯套筒,芯样物质基本流失。为此通过选择合适的取芯套筒、取芯钻头,配置合适的钻杆套筒变径;同时取芯操作时只进行回转钻进,禁止冲击钻进,克服了以上缺点,实现了快速钻芯取样的目的。现场最终选择了RPD.180CBR钻机进行取芯,如图3所示。2.2孔内成像技术采用孔内成像检测时使用的是管道检测系统的P330+flexiprobe孔内成像仪(见图4)。图3啪邶咖R钻机刚子景翟。拶吖曲e由于隧道岩体的水平钻孔与管道存在一定的差别,前期直接应用P330+flexiprobe孔内成像仪进行的孔内成像效果差,表现为图象不清晰、光线强度不足及镜头穿过孔内局部积水地段时,水中的悬浮颗粒对光线散射严重,散射光线屏蔽镜头,无法直观反映旋喷加固体的加固效果。为满足水平旋喷桩加固效果检验的需要,对孔内成像技术进行了改进。2.2.1加强灯光加强灯光方面前后进行了3次改进:一是在镜头周围增加4个LED光源,镜头周围光线得到明显加强;二是为加强镜头前方光线,在镜头前端增设3个光杯,提供3个点光源照明前方孔壁;三是为克服镜头前端3个光杯作为点光源照明的不足,将3个光杯更换为2个LED板光源,每板有LED42个,功率3w,镜头前端光线基本满足照明需求。改进前铁道建筑技术RAILWAYCONSTRUCTIONTECHNOLOGY后的灯光设备如图5所示。防【零睇1.邕堕型a.改进前的b.改进后的图5灯光设备2.2.2调整焦距’由于1330+tlexiprobe孔内成像仪的镜头为吲定焦距,且其焦距远小于检测孔的孔径,调整物距前后进行了2次改进:一是采用轻型槽钢作为推进滑槽,并将镜头固定在槽钢前端,槽钢推进过程中,镜头与孔壁的距离在镜头的工作焦距内,改善了成像清晰度;二是将固定镜头与孔壁的槽钢优化为更加轻便的钢管。2.2.3使用高压风与清水从孔底反复洗孔由于检测孔的长度达40m,孔壁线形不规则导致了局部积水。为克服孔内局部积水的影响,尝试了流水状态下的孔内成像,水中的悬浮颗粒对光线散射仍然存在,故采用高压风与清水从孔底反复洗孔后,用高压风将孔内积水吹出后立即进行孔内成像。3检验孔设置选择在梁山隧道1#斜井正洞L7软弱带水平旋喷桩加固区域进行检测。总计布置19个孔内成像孔,9个取芯孔以及4个加固圈外的探孔,见图6。万方数据隧道/地下工程・l检验成果及分析1.1取芯检测取芯检测主要作用是对抗压强度及旋喷体连续性羞行验证,并辅以钻孔记录进行水文特性分析、加固范固检验旧J,共计9个取芯检测孔。限于篇幅,这里只列±{XPQXl2取芯孔的记录,钻头直径为100mm,下插%,外插1%,具体如表1所示;芯样图片如图7所示。表1XPQXl2取芯记录取芯芯样取芯芯样取芯进度/m取芯进度/m情况说明情况说明2.0~2.8水泥块20.6~21.7水泥块2.8~3.8水泥块21.7~22.8水泥块3.8~4.8水泥块22.8~23.9水泥块4.8~5.4水泥圆柱23.9~25.O弱风化花岗岩5.4~6.1水泥圆柱夹水泥圆柱6.1~6.9水泥圆柱—25.026.1弱风化花岗岩短柱6.9~7.6水泥圆柱26.1~26.7弱风化花岗岩短柱7.6~8.4水泥块—26.727.6弱风化花岗岩8.4~9.2水泥块夹水泥短柱9.2~lO.O水泥圆柱27.6~28.6弱风化花岗岩lO.0~11.0水泥圆柱夹水泥短柱11.0~12.1水泥圆柱28.6~29.7弱风化花岗岩短柱12.1~13.2水泥圆柱29.7~30.8弱风化花岗岩短柱13.2~14.4水泥块30.8~31.9弱风化花岗岩短柱14.4~15.1水泥块31.9~33.O弱风化花岗岩短柱15.1~16.O水泥圆柱33.0~34.1弱风化花岗岩短柱水泥短柱34.1~35.2弱风化花岗岩圆柱16.O~16.8夹碎石子35.2~35.8弱风化花岗岩圆柱—16.817.6水泥块夹石子35.8~36.8弱风化花岗岩圆柱17.6~18.1水泥块36.8~37.0花岗岩圆柱18.1~18.9水泥块37.O~38.1花岗岩圆柱18.9~19.6水泥块—38.139.2花岗岩圆柱19.6~加.6水泥块—39.240.0花岗岩圆柱a.取芯长度(U~18.9)mb.取芯长度(1S.扎40.O)m图7XPQXl2取芯孔芯样图片4.1.1抗压强度在9个取芯检测孔中对其中5个孔的芯样进行了强度检验,检验方式分别为强度试验及点荷载试验,试件尺寸为5017Lrll×50mmx50mm。试验检测结果如表2及表3所示。表2水平旋喷加固芯样试件抗压强度试件编号破坏荷载/kN抗压强度/MPa备注XPQX一11・-143.8117.5XPQX一11-259.0623.6—隧底19.822.1mXPQX-11-332.4813.0XPQX一11-449.4619.8XPQX一11-559.0823.6隧底16.6~17.7mxeQx一11-666.5326.6XpQX--12・-172.729.1XPQX一12-260.0224.OXPQX-12-355.2922.1—隧底1216.4mXPQX・12_460.3124.1XPQX一12-547.0618.8XPQX・12-645.0918.0拱部2#12.55.0拱墙18.0m表3水平旋喷加固芯样点荷载强度试样取样深度/m试样强度指数抗压组号个数/块Is(50)/MPa强度R/MPa隧底18.7~19.8ll0.2375.2XPQX-11隧底23.1~24.1120.2184.8隧底18.9~22.890.2565.6XPQX一12—隧底2526.7100.3247.1120.3958.7XPQX-13拱墙16.5~23.5140.4459.81l0.3778.3CX26拱墙20~22120.2375.24.1.2检测孔渗水情况根据9个取芯孔的观测记录,各取芯孔无明显出水情况,只有少量渗水,无连续股水流出。满足“设计要求检测孔及开挖后掌子面及侧壁不允许有”股流。4.1.3芯样采取率(芯样长度/钻进长度)对9个孔进行了取芯检测,整体取芯资料显示:—在023.5m范围各孔芯样采取率达到80%~85%;—在23.532.5m范围各孔芯样平均采取率为50%一60%;32.5in以后基本均进入岩质地段,采取率达到24铁道建筑技术RAILWAYCONSTRUCTIONTECHNOLOGY2014131万方数据・隧道/地下工程・“80%~90%,平均取芯率达到70%,基本满足设计旋”喷桩加固体的钻孔取芯率不小于70%的要求。4.2孔内成像孔内成像孔直观反映旋喷加固体的水泥土连续性,并对取芯孔反映情况进行补充验证,以减少因取芯工艺问题对加固效果判示的影响。现场共完成19个孔的孔内成像,限于篇幅,只列出正洞孔号KN右一3孔的钻孔记录,钻探长度38.0m,钻头直径89mm,上扬3。,外插4.5%,具体如表4所示;KN右一3蚜L孑L内成像截图见图8所示。表4kN右一3杼L钻孔记录钻孑L进度/m含砂量及地下水情况说明备注O.O~0.6碎石、少量地下水清水O.6~2.1碎石、少量地下水清水2.1~3.6碎石、少量地下水清水3.6~5.1碎石、少量地下水浑水5.1~6.5碎石、少量地下水浑水6.5~8.1碎石、少量地下水浑水8.1~9.6碎石、少量地下水浑水—9.611.2碎石、少量地下水浑水11.2~12.5碎石、少量泥沙、少量地下水泥水12.5~14.0泥沙、碎水泥颗粒浑水14.0~15.5泥沙、碎水泥颗粒浑水15.5~16.9泥沙、碎水泥颗粒浑水16.9~18.5泥沙、碎水泥颗粒浑水18.5~19.9泥沙、碎水泥颗粒浑水19.9~21.5泥沙、碎水泥块浑水—21.522.9泥沙、碎水泥块浑水22.9~24.4泥沙、碎水泥块浑水—24.425.9泥沙、碎水泥块浑水25.9~27.4泥沙、碎水泥块浑水—27.429.0泥沙、碎水泥块浑水—29.030.4泥沙、碎水泥颗粒浑水—30.432.O碎石、泥沙、碎水泥块浑水32.0~33.4泥沙、碎水泥颗粒浑水33.4~35.O泥沙、碎水泥颗粒浑水35.0~36.5碎石、少量地下水浑水—36.538.O碎石、少量地下水浑水根据获取19个孔的孔内成像可直观反映:图8kN右一3#子L子L内成像截(1)孔壁完整性—各孑L:fL壁90%呈光滑状态,在23.532.5m段两端各1~2m范围岩层交界面位置光滑度较差,呈蜂窝状。(2)水泥土连续性在推测软弱夹层范围内,揭示物质基本为水泥土,且胶结较均匀;局部位置有岩质或土质出露,所占总体比例较小。(3)与取芯孔对比验证—取芯孔芯样采取率为50%~60%的23.532.5in段范围内,孔内成像孔揭示该段没有塌孔现象,包裹体挤密效果明显,未发现股状出水,但该段两端接触面附近孔壁较其它段落光滑度有所降低,呈蜂窝状,水泥结石体较不连续,这与该接触面位置物质流失较多(在钻孔时送水冲刷)有关,这种结果与取芯检验结果基本相同口]。(下转第31页)铁道建筑技术RAILWAYCONSTRUCTIONTECHNOLOGY2014(3)25万方数据・隧道/地下工程・例充分验证了有限元模拟分析计算的槽壁加固区域的准确性。Y’Y2000一l200—400400I2002o图11超声波地下连续墙检测记录(上接第25页)(4)孔内渗漏水观测情况根据判示统计分析,各孔孔口未见明显出水,只有少量渗水;孔内局部地段渗水,只有1个孔有线状出水点(CX22孔9.93“m处),满足设计要求检”测孔及开挖后掌子面及侧壁不允许有股流。4.3检测结论(1)隧底与拱墙取得的旋喷体抗压强度均大于设计要求3MPa。(2)加固范围软弱带揭示物质基本为水泥土,且胶结较均匀,各孔孔壁90%呈光滑状态,在23.5—32.5in段两端各1~2nl范围岩层交界面位置光滑度较差,呈蜂窝状。各孔孔口未见明显出水,只有少量渗水;孔内有局部地段渗水,个别孔有线状出水点。检测孔及开挖后掌子面及侧壁未发现有股流。(3)根据取芯资料显示:在0~23.5m范围各孔芯样采取率达到80%~85%;在23.5~32.5m范围各孔芯样平均采取率为50%~60%;32.5m以钐}道建笳技术RAILWAYCONSTRUCTIONTECHNO£-DGY6经济效益分析借鉴上海与南京地区地下连续墙在类似不良地质条件下槽壁加固的处理经验,一般同类型高压旋喷桩槽壁加固区域为从导墙空1:3至地下25~30m,高压旋喷桩平均有效桩长为25m左右。在苏州火车站改造工程中,在地下连续墙施工的817延米范围内全部采用高压旋喷桩进行槽壁加固,通过有限元模拟分析计算,精确确定了地连墙槽壁加固区域为地下—1020m范围,实际施工高压旋喷桩有效桩长控制在14m。工程实践表明,加固区域土质稳固,加固质量较好,由于加固区的精确计算,加固工程量大大减少,节约了成本,加快了施工进度,避免了塌槽掩埋钢筋笼或成槽抓斗事件发生,造成重大经济损失。和同类加固相比,桩长减少近一半,成本明显降低,按照上海与南京地区地下连续墙槽壁加固的高压旋喷有效桩长25m比较,高压旋喷桩加固按320形m3估算,直接节约加固成本约217万元,取得了较好的整体效果,为地下连续墙槽壁在复杂地质条件下加固提供很好借鉴经验,为今后类似工程提供了参考依据。后基本均进入岩质地段,采取率达到80%~90%。(4)水平旋喷桩加固达到设计要求。5结束语应用孔内成像与取芯检测相互验证的综合检验技术在厦深铁路梁山隧道L7软弱带的水平旋喷桩加固效果检验中得到了应用。加固效果在后期施工中再次得到验证,孔内成像与取芯检测相互验证的综合检验技术是较为可靠的检测方法,基本可全面反映长距离水平旋喷桩的成桩质量及加固效果。参考文献[1]刘晓曦,韩跃.水平旋喷桩在软弱土质隧道施工中的—应用[J].世界隧道,2000(2):6365.[2]况成明,刘定初,翟金书.水平旋喷预支护技术在某隧道—施工中的应用[J].西部探矿工程.2001(2):7475.[3]刘勇,孙星亮,朱永全.水平旋喷预支护技术在铁路隧道中的应用[J].岩石力学与工程学报,2002,21(6):—905909.2014f3J31万方数据
陌南尘
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