黎湛荣1，弓毅伟1，吕明豪1，耿凌鹏2
广东华隧建设集团股份有限公司，广州510228；广东省建筑工程集团有限公司，广州510010
摘要：岩溶复合地层具有软硬不均、不整合岩面、岩面强度高、存在溶土洞等特性，在岩溶复合地层中施工微扰动全方位高压喷射桩难度极大，以广州地铁9号线3标盾构下穿武广高铁路基段施工为例，引入了微扰动全方位高压喷射工法桩加固地层，为适应路基段下方岩溶复合地层的自身条件，项目组研究出一种修正钻头，并成功应用。
1.工程概况
在广州市轨道交通九号线3标工程中，盾构隧道区间先后近距离下穿京广铁路和武广高速铁路路基段。武广高速铁路于2009年底开通运营，设计时速为350km/h，轨道采用CRTS-I型双块式无砟轨道；京广铁路设计时速为160km/h，为国家Ⅰ级干线，轨道采用碎石道床、普通砼轨枕。九号线为国内首条大面积穿越岩溶区的地铁线路。
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图1 武广高铁与广州地铁9号线隧道正线关系图
盾构隧道下穿铁路路基段的长度约为110m，其中武广高铁范围长约45m（路基段下方存在有旋喷桩群），京广铁路范围长约65m，区间平面线路为R=350m的急曲线段，下穿段地层为典型的上软（砂层）下硬（岩溶）地层。岩面上覆盖的砂层多为粗砂、砾砂，砂层深厚且富含水，路基下方基本为松散软弱地层；灰岩岩面起伏大、强度大，侵入隧道断面范围，且铁路路基段地面区域内，人员无法进入溶洞预处理施工。经过多次组织专家论证风险评估检算，在地层不加固的情况下，路基沉降不能满足武广高铁0~-5mm的沉降控制要求。
2.设计方案
盾构机在该条件下近距离下穿铁路路基段，掘进过程中所引起的地面塌陷往往是突发性的，这种突发性的塌陷对铁路安全性来说是致命的。综合考虑该段的地质条件、现场施工条件、目前可行的各种加固方法、对铁路运营的影响及工程造价等多种因素，在盾构机下穿铁路前，采用微扰动全方位高压喷射工法进行加固，使得盾构在下穿铁路施工过程中的沉降变得相对缓慢的、可控的和安全的。
在铁路两侧各施做一临时竖井，在竖井内对铁路下方进行微扰动全方位高压喷射加固。
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图2 铁路、隧道和竖井的平面及纵面位置关系图
加固区范围越大，对路基的扰动相应越大，但同时对盾构掘进阶段沉降控制却更为有利；通过对不同加固范围情况下加固施工对地层的扰动、后续盾构掘进引起路基沉降分析，并结合经济性，经综合考虑，推荐武广高铁采用3排微扰动全方位高压喷射水平旋喷加固，京广铁路推荐采用1排微扰动全方位高压喷射水平旋喷桩加固方案。
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3.施工方案
根据本项目的竖井开挖及盾构施工反馈的信息统计，岩溶复合地层的灰岩岩面高度相比勘察资料高2~4m不等。岩面高度超预期，岩体力学强度差异大，岩面不整合、地层软硬不均等问题存在。在这样的地层中垂直或者水平施工微扰动全方位高压喷射桩可能存在以下问题：
1、桩体在钻孔过程中，由于地层的软硬不均，会导致成钻孔精度不够，桩体发生偏斜。
2、钻孔精度不够，桩体发生偏斜最终导致桩体质量不满足设计及规范要求。
为解决上述问题，项目组研制了一种适用于微扰动全方位高压喷射工法桩上的修正钻头，实现当钻孔施工过程中发现钻孔精度测斜仪提示钻孔发生偏移的时候，可以利用该钻头可以进行修正。
一种适用于微扰动全方位高压喷射工法桩上的修正钻头，包括钻头主体和钻头上的合金颗粒。钻头呈三角形，钻头长度约285.56毫米，直径约146毫米，四边焊接50毫米×10毫米×12毫米、40毫米×16毫米×11毫米合金块、67毫米×8毫米×12毫米、80毫米×8毫米×12毫米，四种规格的硬质合金块。合金块的硬度85.5HRA，抗弯强度2800MPA，密度：14.22g/cm3，晶粒度≥2.4μm。
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钻头的迎土面不是一个平面的钻头，而是一个凸尖形的，可以根据地层的软硬情况、钻孔偏移情况，操作手可合理的调整钻杆摆幅有效的进行钻孔修正。 在复合地层中施工微扰动全方位高压喷射工法桩，常常会发生桩体精度不够，偏差较大的情况出现，原因是桩体钻孔过程中，钻头碰到软硬不均的地层，如部分岩层部分粘土，又或者部分岩层部分砂层等复合性地层。在这种复合性地层中钻头会容易发生跑偏，钻头会往较软地层偏移，导致钻孔精度不够，最终导致桩体质量不合格。修正钻头是针对微扰动全方位高压喷射工法桩在岩溶复合地层中容易发生桩体精度不够而发明的一种修正钻头。修正钻头施工方法具体如下：
当钻头碰到一软一硬地层，普通钻头由于受力面不均的原因导致钻头所受到的反作用力不均，钻头往往会往反作用力较小的偏移，最终导致钻孔精度不符合设计要求。在这种情况下，可以提前换上修正钻头，利用修正钻头针对地层较硬的部分调节钻机摆幅，对较硬地层部分进行扩挖，最终达到有针对性的消除因地层软硬不均而导致成桩进度不够的病害。
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图6修正钻头工作示意图
4. 结论与展望
铁路段微扰动全方位高压喷射工法桩利用修正钻头对铁路路基下方进行加固施工，最终微扰动全方位高压喷射水平桩施工期间单桩沉降控制：-1.59mm~0.28mm；京广铁路累计沉降：-9.38mm~0.17mm（轨道结构沉降监测控制值：-20mm~0mm）武广高铁累计沉降：-4.88mm~0.74mm（轨道结构沉降监测控制值：-5mm~0mm）。考虑到测量误差的存在，微扰动全方位高压喷射水平桩施工期间沉降满足沉降要求。
根据完成的微扰动全方位高压喷射工法桩统计，在正常的加固过程中，51%的地面沉降主要是由于水泥收缩本身所带来的，它所引起的地面沉降是毫米级别的，沉降相对是缓慢的，可控的。往往施工过程中也存在着不可控的地质因素和人为因素。例如：1、地内压设定不合理，导致超排沉降，引起地面沉降。2、现场操作人员排泥控制水平不好，导致超排，引起地面沉降。3、成桩过程中因地层软硬不均的因素，钻头和钻杆反复进退，姿态偏离，没有及时填补泥浆，导致地面沉降。4、防喷涌装置效果不佳或失效，水土流失导致地面沉降。修正钻头在岩溶复合地层中使用是有效保证了桩体成孔质量。避免遇到软硬不均地层中钻杆反复进退，姿态不可控等情况出现。确保了加固桩体的精度和质量，避免地面发生较大的沉降。