富水未成岩粉细砂地层渗透系数极低、无黏聚力，扰动后呈流塑状，易造成地表塌陷、掌子面失稳等施工灾害 ^[1,2]，在地下工程界中施工风险极高，特别在下穿高速公路等接近或穿越工程条件下，更加剧了风险的社会灾害性 ^[3,4,5,6]。昆玉铁路宝峰隧道就是典型的代表，下穿的昆玉高速为昆明到河口唯一高速国际通道，核心区下穿长度80m，日车流量80万辆。

　　 关于富水粉细砂地段隧道施工技术，张学文 ^[7]以兰渝铁路桃树坪隧道3号斜井正洞塌方处治为工程实例，就如何采用“真空降水+双层大管棚+小管棚+双侧壁法”有效处治富水粉细砂层隧道塌方进行了论述与总结;张征 ^[8]以桃树坪隧道穿越富水粉细砂层开挖后砂层无自稳能力、突水涌砂及溜塌现象频繁、影响施工进度的问题，通过引进国外配套设备及施工技术，对富水粉细砂层隧道采用高强度的水平旋喷超前预加固、掌子面的玻纤锚杆约束加固、中下台阶的锁脚旋喷桩锚固、多种降水措施，并在开挖过程中增加了锁脚旋喷桩工艺，达到了预期的效果;孙成刚 ^[9]以兰渝铁路胡麻岭隧道5号斜井正洞第三系富水粉细砂地层段落浅埋下穿水库施工隧道塌方、变形、突水涌泥风险高为背景，采用地表旋喷桩固结隧道洞身围岩，辅以综合降水、双液浆局部加固、CRD交叉中隔壁法开挖等措施，并配以内外监测技术，确保了隧道安全顺利通过此段落。

　　 从以上研究可知，在当前国内相似工程中，多采用短旋喷+新意法+CRD等分部法进行穿越段施工，由于采用此技术需要在高速公路下方多次扩挖工作室以及存在多个旋喷尾端盲区等诸多不利因素，另外由于该段处于黏土与粉细砂层的互层，存在不均匀接触带和透镜体结构，加上又处于富水带，在钻孔过程中极易发生裹钻和孔内突水等灾害，从而造成路面塌陷等社会性事件，宝峰隧道前期施工中也曾发生高速公路水沟边缘下陷的事件。

　　 因此，为克服传统的隧道穿越段施工多次扩挖增加工作量、多个旋喷尾端盲区影响加固质量等不利因素，以昆玉铁路宝峰隧道下穿昆玉高速公路为背景，对于下穿段地表采用深孔精准注浆，拱部采用50m双层双向超长水平旋喷咬合对接桩，开挖采用三台阶+临时仰拱施工方案，辅以智能监测定向系统、掌子面排补结合处置富水透镜体技术等，取得了良好的效果。

　　 宝峰隧道DK11+486—DK11+378段下穿昆玉高速公路，穿越核心区长度80m，最大埋深67m，围岩为饱和粉细砂，是现阶段国内隧道施工的一大难题，为铁总Ⅰ级高风险隧道，其平面如图1所示。

　　 该下穿段粉细砂围岩为全风化(W4)，灰白、灰黄、棕红等色，中厚层状，粉细粒结构;渗透系数1.16×10^-4～5.8×10^-4cm/s，地下水降深影响半径10～20 m。全风化粉细砂岩富水、致密、渗透系数极低、无黏聚力，扰动后呈流塑状，其物理指标如表1所示。高速公路两侧水沟为片石砌筑，多年风化、沉降，绿化带常年浇水，加上昆明地区雨水量较多极易形成地下水下渗通道。在该地层中开挖隧道极易发生涌水、涌砂等工程灾害，在前期施工钻孔过程中发生过多次孔内突水、涌砂，导致高速公路水沟下陷，同时可能诱发周边环境次生灾害。

　　 新意法 ^[10]核心理念就是对隧道前方不良地质围岩尤其是核心土进行超前预加固，通过水平旋喷等加固手段限制掌子面前方围岩变形和确保掌子面稳定，并通过周边咬合旋喷桩形成相对隔水环境，是一种软弱围岩或不良地质隧道实现大断面或全断面开挖的有效手段 ^[11]。

　　 高压水平旋喷桩是以高压泵为动力源，通过水平钻机、钻杆、钻头、喷嘴等装置把配制好的浆液喷射到土体内，以巨大的能量将一定范围内的土体切削、摧毁，强制土颗粒与浆液充分混合，形成柱状水泥土固结体即水平旋喷桩，旋喷桩相互咬合后，在隧道拱部或周边形成封闭的水平旋喷桩帷幕体，起到防渗透的拱壳保护作用，对粉细砂地层施工效果很好 ^[12]。缺点是成孔过程中易发生孔内突涌，成桩长度一般不超过24m，开挖长度一般为18m，需重新扩挖工作室，且桩为纯水泥桩，抗剪能力差，开挖时极易断桩，不能达到拱部有效刚性棚护的目标，且在黏土或不均匀土质中易裹钻，难以达到旋喷效果。普通高压水平旋喷桩对于本项目的应用主要存在以下几方面重大缺限。

　　 1)穿越高速公路段总长100m，其中核心区路面内80m，水沟及防护区20m，高速公路下方为富水粉细砂段，不具备扩挖工作室条件。

　　 2)由于围岩为黏土和粉细砂不均匀接触带，且存在透镜体构造，水文情况和水流通道复杂且随开挖或钻孔扰动极易发生变化，加之地表为高速公路，须一次形成刚性拱形梁体结构和闭水结构，普通旋喷技术无法满足此要求。

　　 3)下穿高速公路段为黏土和粉细砂互层，极易产生裹钻问题，旋喷桩难以达到60cm最小直径的要求，另外透镜体结构还存在着水囊突水突砂的风险。

　　 超前水平旋喷桩按照隧道断面拱墙范围设置，拱墙、掌子面和拱脚桩长50m，锁脚桩长6m。拱部180°范围内设双层旋喷桩，内外环间距30cm;边墙范围设单层旋喷桩，每根长度50m(搭接5m)，桩径600mm，环向间距300mm(咬合30cm)，设计外插角约3°19'，实际施工角度为1°8'，施工中结合全风化砂岩分布范围进行调整。为提高超前咬合桩抗剪强度，拱部180°范围内层超前咬合旋喷桩单桩完成封孔40min后旋入108mm钢花管，为防止因旋入钢管造成喷孔以及保证旋喷桩快速封孔，需注水玻璃水泥双液微膨胀浆填充，钢花管壁厚8mm，长度50m。施工顺序按照“先周边，后掌子面;先拱部，后拱墙;先外排，后内排;周边每次间隔1孔位从下到上或左右交替进行。为确保掌子面稳定，设置600mm超前旋喷桩加固地层，掌子面超前旋喷桩按水平方向打设，桩中心间距1.5m×1.5m梅花形布置。各台阶钢架脚位置处均增设2根水平咬合旋喷桩，每根长50m(搭接5m)，与拱墙旋喷桩同期施作，使钢架脚落在稳定的基础上，同时上、中台阶钢架脚每处各设1根600mm斜向锁脚旋喷桩，每根长6m，放置1根89mm锁脚锚管，长6m，并注水泥浆填充，具体如图2所示。

　　 试桩共4组，共计8根，两组咬合，两组单桩，具体编号位置如图3所示。

　　 成桩控制要点主要有以下几个方面:桩径、邻桩间咬合情况、桩体是否侵限，是否出现断桩的情况、强度是否满足要求等。选取8根桩作为试验桩，6根作为咬合试验，分别取24m和50m,2根作为单桩和锚固间距试验，优选出了适合本工程的最佳施工参数和施工工艺。

　　 综合8个钻孔情况，未发现有粉细砂流出，在黏土段局部桩质量较差，可在开挖过程中进行短桩或注浆加强。分别取150,133mm岩芯桩体进行抗压强度试验，强度均达到3MPa以上，满足设计要求。岩芯样如图4所示。

　　 拱部采用50m双层双向超长超前水平旋喷咬合桩内设置45m长108mm钢花管对接桩，为下穿高速路面段设置拱部及周边旋喷体粉砂置换与钢性棚护保护，引入新意法理论对掌子面旋喷和预注浆加固，改良了土体并限制了掌子面前方位移，减少了掌子面流砂，确保了掌子面的稳定，控制了公路路面沉降。旋喷循环加固如图5所示。

　　 24m短旋喷桩定向方法主要为长钻杆法，一般采用18m长钻杆，加6m导向管法进行定位。宝峰隧道为保证旋喷桩的精度和咬合准确度，采用导向孔和导向钻头双重精准导向施工方法。先期导向孔的施工非常关键，其原理是采用锲形钻头(导向板)，钻头内装有特制的定位传感器，传感器通过有线连接孔外的显示器。显示器显示钻头的倾角和工具角。如果角度合适，钻机匀速旋转钻进，钻头的钻进轨迹是平直的，如图6所示。

　　 1)施工时先设置导向孔及贯通孔，设置导向天线接收装置，导向孔间距2m并在掌子面设置两备用孔防止导向孔堵塞或水泥浆水化高热损伤传导线。由钻头探棒作为发射端发射钻头角度坡度信号，天线孔内接受装置接受信号，并通过传输线传至显示屏，进行方向控制，克服了钻孔导向易扭断连接传输线的缺点。导向孔采用PVC管护孔，避免注浆或旋喷时水泥浆侵入造成传感器或天线失效。

　　 导向管施作时采用2种方案:(1)注改性磷酸水玻璃固结挤水后在固结体内采用钻孔并套设PVC管跟进方式成孔;(2)旋喷后在旋喷桩内冲孔下管。由于成本和环保因素，一般采用第2种方案。

　　 2)采用无线和有线两种导向方式，有线导向钻头加设探头，利用内外管间隙设置传输线，单孔导向随时监控和调整钻进角度与坡度，需要注意的是单孔导向容易被钻杆扭断传导线。

　　 3)严格控制开钻角度，第1根钻杆采用12m钻杆，后钻杆采用6m长钻杆，保证钻杆线性。易突砂段落采用2m钻杆。

　　 4)采用数值模拟计算，根据计算结果及时修正旋喷位置和参数。

　　 旋喷桩单根桩长50m，且桩数较多，钻孔过程中极易出现过度失水失砂而形成管涌通道，因此钻孔过程中堵水控砂措施非常关键。

　　 拱部周边(旋喷桩加固圈)间隔50cm，进行保压注浆，单边长度50m，纵向坡度4.5%，掌子面中间间隔1m进行注浆，采用普通水泥浆和磷酸水玻璃配合使用，周边必要时采用硫铝酸盐水泥配合改性磷酸水玻璃使用。目的是通过系统注浆减少粉细砂的流动性，减少旋喷过程中孔内突涌。

　　 施工采用的钻头直径为89mm，钻杆直径为83mm，钻头直径和钻杆基本相同，最大限度控制涌水涌砂通道。采用双管钻具，外管路为钻孔用水供应通道，内管路为旋喷或注浆通道。在钻孔时出现涌水涌砂时立即停止钻进，先关闭孔口止水阀门，同时利用双管通道注入磷酸-水玻璃化学浆液先封堵的工艺，避免了钻孔到指定深度后退杆更换旋喷钻头过程中出现的塌孔涌水涌砂的风险，直接打开旋喷通道即可进行施工作业。如果旋喷过程中发生喷嘴堵塞，不能立即拔出钻具时，可以注入改性磷酸水玻璃等，对钻孔进行封堵，再拔钻更换维修，改性磷酸水玻璃具有凝固快、细度小、可注性和逐水性强的优点，同时凝固后强度低光滑摩擦系数低，易于拔钻和重新钻孔。

　　 旋喷时采用孔口保压装置控制水泥浆液的返浆量，并在孔口周边30cm设置了均匀分布的4根5m长短旋喷桩，用于保证长旋喷桩周边土体稳定性，同时将保压孔口管装置与钢管焊接，增加保压装置的抗拔力，防止反压将孔口管顶出。当旋喷过程中突水突砂情况较为严重时，迅速关闭止浆阀门对孔口进行封堵，可进行双液浆孔内封堵注浆，处理完成后在该部位反复旋喷，控制风险。

　　 对绿化带和高速公路水沟易沉降区域施作75～80m(隧道)深孔，深孔横向和纵向间距5m，孔口设在高速公路路面下15cm处，平常采用木板加高强砂浆覆盖，紧急情况使用时撬起即可，不影响高速通行。钻孔在夜间12:00至早晨6:00车辆通行稀少时进行，局部配合封道施工。深孔注浆和预留深孔注浆作业，“探、灌、预”结合。探是探清前期洞内突涌造成空洞，灌是对空洞或松散体注浆加固，预是洞内开挖或旋喷时发生管涌时地表补充注浆预留孔以及洞内施工完毕后高速公路局部坑洞处理使用，目的是快速控制高速公路路面下陷 ^[14]。布孔原则为地表瞬变电磁和高密度电法及前期探孔和洞内钻孔时地质预报情况进行布置。注浆管采用袖阀管和薄壁金属绑扎，1个薄壁金属管绑扎2个袖阀管，以探明隧道洞顶地质情况，尤其是粉细砂分布及水文分布情况，对隧道拱顶附近可能存在的空洞及松散体进行充填加固，并根据钻孔情况适时加密。预留孔为掌子面发生涌砂涌水时及时补浆和止水使用，浆液为水泥水玻璃双液浆，同时兼做洞内施工完毕后回填注浆使用，施工完毕后高速公路回填补浆采用单液浆即可，如图7所示。

　　 根据钻探结果，该段上台阶中部及中下台阶结合处存在囊状富水粉砂透镜体，开挖时极易涌水失砂造成掌子面失稳 ^[15]，因此在掌子面设置排泄孔和补浆孔进行限量排放，排补结合，释能降压，补浆填充置换，释压量采用释放量、监测数据(地表、洞内、掌子面)和排泄体含砂率三重控制，根据试验经验，单孔日排泄在不超过含砂率20%，排放量可达40～60m³，地表和洞内沉降均在5mm/d内，掌子面位移为0～2mm，超过上述值即进行补浆作业，其他隧道如采用此方法时应进行现场试验确定排补临界值。

　　 排补结合段采用5m钻杆加深风枪眼进行浅孔探灌补充加固，以防止局部坍塌，布眼原则为拱部环向间距1m，上仰角不超过2°。为防止破坏旋喷桩，其注浆压力不宜超过0.5MPa，注浆管为薄壁镀锌管，开挖时若影响拱架则采用刀具割断，严禁挖机拖拽，排补孔布置如图8所示。

　　 1)设置原则先导孔一般设置3个，分别为1个通讯孔、2个排水孔。

　　 2)位置和用途排水孔设置在距离拱脚上方50cm处，采用108mm胶管或150mm胶管，在掌子面附近设置积水井和水泵，将水抽向蓄水(砂)池，保证掌子面不积水、泥泞。通讯孔采用108mm钢管，设置在掌子面中心，距台阶高度1.6m，可通过钢管通话，目的是保障两掌子面通讯畅通，防止作业双向扰动，确保掌子面人员安全。

　　 开挖工法采用三台阶临时仰拱并采用GTS4.0进行模拟，具体根据实际施工情况灵活变通。平台采用临时仰拱及钢筋混凝土，拱脚处设置引流渠，引导至拱墙边，采用600mm软管引至沉淀池(采用水泥堆码)。开挖贯彻拱部及拱脚采用人工开挖，随挖随喷原则，开挖后铺设细铁丝网喷混凝土封闭喷浆，每2m采用薄壁5m长钢花管在拱部以下50cm范围内进行双液注浆和超前钻探。并采用了GTS.4.0进行开挖三维模拟分析，开挖过程中分别设置专人采用电子水准仪进行地表巡查监测和洞内监测，地表累计最大沉降0.9cm，保证了高速公路路面的行车安全。掌子面引排水布置如图9所示。

　　 通过钻孔取芯验证，高压水平旋喷桩成桩质量较好、成桩均匀、连续性好，根据地质雷达测试结果，其成桩质量差的均在45～50m范围。开挖方法采用三台阶加临时仰拱，钢架采用I25a支护，每循环0.5m，拱架上下双层12钢筋网片，开挖前准备充足的应急物资和施工人员，每一循环半幅开挖，防止出现大面积的涌水突砂现象，开挖过程中及时跟进临时仰拱。

　　 由于加固效果良好，确保了掌子面机械化大断面化开挖，整个掌子面贯通仅用25d，比预计40d提前了15d，比九部法开挖提前55d。

　　 1)该施工方法体系贯彻了新意法理念限制超前变形理念，其中长距离旋喷钢管双向对接导向定向技术和地表预留深孔注浆技术永临结合，实现了高速公路不改道快速抢险，值得进一步推广应用，尤其是在各类下穿工程中推广应用，在类似地层普通山岭隧道一般仅需采用普通旋喷加管棚方案即可。

　　 2)掌子面排补结合处置富水透镜体和三台阶加临时仰拱的方案实现了富水粉砂段及黏土不均匀结合带地层条件下大断面快速机械化施工。

　　 3)由于50m超长钻孔在施工过程中多次出现钻杆脱丝和断钻现象，需对钻杆丝扣、刚度等进一步研究改造。

　　 4)该工法在旋喷效率及自动化、信息化和材料节约性(比如改性磷酸水玻璃造价过高)等仍存在很大的提升空间，可进一步研究信息化和成本相对低廉的特种注浆材料。