MJS工法在富水砂層隧道密貼下穿既有車站工程中的應用

張文博，張 康，陳衛(wèi)軍

（1.中鐵上海設計院集團有限公司，上海 200070；2.濟南軌道交通集團有限公司，山東濟南 250101）

0 引言

城市軌道交通建設中，新建隧道近距離下穿既有車站的工程案例逐漸增多。近距離暗挖隧道下穿既有地鐵車站，必然會引起既有地鐵車站結(jié)構(gòu)的附加變形和差異沉降，嚴重時可能會影響到結(jié)構(gòu)受力與運營安全。因此，在設計與施工中，嚴格控制既有結(jié)構(gòu)的沉降，采取安全可靠、技術(shù)可行的預加固措施是暗挖法施工成功的關(guān)鍵。

目前，對于近距離下穿既有車站的工程案例，國內(nèi)外學者進行了不同地層條件下的研究。于軍[1]對淺埋暗挖隧道近距離下穿既有結(jié)構(gòu)的施工方案進行研究，指出全斷面注漿能夠顯著提高穿越段的土體強度，有效降低既有地鐵車站的沉降變形；王子甲等[2]以北京西四環(huán)暗涵穿越五棵松車站工程為依托，制定了穿越施工方法及預加固方法，通過數(shù)值模擬和監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析，研究了既有結(jié)構(gòu)的沉降特點；陳克強等[3]介紹了全斷面深孔注漿加固等有效控制既有結(jié)構(gòu)變形的暗挖隧道下穿既有車站的施工技術(shù)；樓根達[4]介紹了凍結(jié)法在軟土地層中新建地鐵密貼下穿運營車站的工程應用。

如上所述，國內(nèi)有關(guān)新建隧道近距離下穿既有車站的施工案例已有多起研究，但是密貼下穿既有車站的研究不多，尤其在富水砂層中密貼下穿既有車站的研究成果及施工案例鮮有報道。本文以某城市富水砂層中新建暗挖法隧道密貼下穿既有車站工程為背景，在充分研究國內(nèi)外學者對暗挖法近距離下穿既有車站結(jié)構(gòu)的預加固方案和施工方法的基礎上，首次將水平 MJS 工法運用到本工程中，成攻解決了地層自穩(wěn)性差、地層富水及暗挖施工對既有車站的影響等難題。

1 工程概況

某城市新建 6 號線車站暗挖段密貼下穿既有 2 號線車站，下穿段長度 19.7 m，斷面形式為平頂直墻矩形斷面，內(nèi)凈寬 6 m、高 6.1 m，左右線隧道平行布置，兩隧道間水平凈距 5.2 m。隧道初支與既有車站底板墊層底距離為密貼，隧道軸線與既有車站縱軸線交夾為 90°。

既有 2 號線車站為地下二層車站，圍護結(jié)構(gòu)為地連墻，地連墻與車站內(nèi)襯墻形成復合結(jié)構(gòu)。地連墻厚800 mm，內(nèi)襯墻厚 600 mm，車站頂板厚 800 mm，中板厚 400 mm，底板厚 900 mm，先前車站設計時沒有預留穿越條件。

6 號線設計時要求下穿段施工破除 2 號線地連墻，下穿段與車站底板密貼，2 號線工期要求采用暗挖法實施方案。6 號線下穿段與既有 2 號線車站的關(guān)系見圖 1。

根據(jù)勘察資料，下穿段地層基本為砂質(zhì)粉土。該土層含水量大、透水性強、中密中壓縮性，開挖后土體自穩(wěn)性差，并且所含地下水具有弱承壓性，承壓水頭高度約達 6.1 m，水壓力較大。

2 工程重難點分析

根據(jù)相對關(guān)系及地質(zhì)條件，下穿既有 2 號線車站暗挖段為一級風險工程，工程實施存在以下難點。

（1）對車站影響控制要求高。穿越段結(jié)構(gòu)密貼下穿已建成地鐵 2 號線車站，目前車站主體覆土已完成，尚未運營，密貼下穿暗挖施工對車站結(jié)構(gòu)受力及變位影響較大，控制標準要求高。

（2）地質(zhì)條件差。由于穿越段范圍內(nèi)主要為砂質(zhì)粉土，根據(jù)地勘報告，該土層孔隙比大、透水性強、含水豐富、中等壓縮，在動水作用下易流砂涌砂，開挖后天然土體自穩(wěn)性差。在該富水砂層地層內(nèi)實施暗挖工法，必須確保土體的自穩(wěn)能力及止水帷幕的效果。

（3）開挖斷面大，支護體系復雜。下穿隧道結(jié)構(gòu)開挖跨度達 7 m，開挖時，車站底板及下部地層的原有受力平衡狀態(tài)被破壞，有承載及變位風險，需采用化整為零、分小塊開挖措施；施工工序轉(zhuǎn)換較復雜，稍有不慎即可對車站產(chǎn)生不許可的變形。

以上工程重難點分析表明，下穿段地層必須采用有效措施，對地層預加固處理，提高圍巖自穩(wěn)能力，隔斷地下水，并且采取合理的開挖方案確保既有車站結(jié)構(gòu)的安全。

3 地層預加固方案比選

富水砂層中地基加固可采用深孔注漿加固、凍結(jié)法加固、MJS 工法加固等多種地層預加固方法，每種方法各有利弊。

圖1 下穿隧道與既有車站位置關(guān)系示意圖（單位：mm）

（1）方案 1（全斷面深孔注漿加固）。全斷 面深孔注漿加固技術(shù)，即通過采用水泥水玻璃雙液漿進行全斷面注漿加固，已經(jīng)被廣泛地運用于地下工程中的土層加固施工。此工法雖然較為成熟，相對造價較低，但是在本工程采用深孔注漿工法風險較大，主要體現(xiàn)在：①注漿壓力難以控制，注漿過程中對既有車站影響較大；②注漿止水效果難以保證，在富水砂層中注漿基本為滲透注漿，效果差，容易施工時跑漿漏漿，開挖時可能會涌水涌砂，導致掌子面失穩(wěn)。

（2）方案 2（全斷面凍結(jié)法加固）。凍結(jié)法在富水軟弱地層的地下工程中應用案例較多，其原理是通過凍結(jié)法加固穿越段結(jié)構(gòu)周圍土層，使土體形成強度高、封閉性好的凍土帷幕，有效解決外部承壓水問題。但凍結(jié)加固區(qū)域較大，凍結(jié)時間較長，造價較高。本工程在與2 號車站底板接觸的邊界位置，由于冷量損失較大，存在凍結(jié)薄弱區(qū)域，很可能導致凍結(jié)壁滲透水。密貼車站底板進行凍結(jié)加固，積極凍結(jié)期凍土體的凍脹、強制解凍過程中的凍土融沉，都會對既有車站結(jié)構(gòu)安全產(chǎn)生影響。盡管可采用泄壓孔泄壓、分區(qū)凍結(jié)等措施減少凍脹、融沉對車站的影響，但是殘余風險仍較大。

（3）方案 3（MJS 工法加固）。MJS 工法是全方位壓力平衡高壓旋噴注漿法，該工法適用于對緊鄰周邊敏感建（構(gòu)）筑物，對加固體強度、滲透性、快速凝固等指標要求較高的工程。目前 MJS 工法發(fā)展較為成熟，具有良好的施工性，可以進行垂直、傾斜和水平施工。相對于常規(guī)旋噴注漿工藝，具有成樁質(zhì)量好、樁徑大、對周圍環(huán)境影響小的特點。

經(jīng)過經(jīng)濟技術(shù)及施工可行性等全方位比選及專家評審，本工程推薦采用方案 3（MJS 工法）進行地層加固。

4 MJS 工法加固方案設計

4.1 MJS 工法技術(shù)特點

MJS 工法在傳統(tǒng)高壓噴射注漿工藝的基礎上，采用了獨特的多孔管和前端造成裝置，實現(xiàn)了孔內(nèi)強制排漿和地內(nèi)壓力監(jiān)測，并通過調(diào)整強制排漿量來控制地內(nèi)壓力，使深處排泥和地內(nèi)壓力得到合理控制，使地內(nèi)壓力穩(wěn)定，降低了施工中出現(xiàn)地表變形的可能性，大幅度減少了對環(huán)境的影響，而地內(nèi)壓力的降低也進一步保證了成樁直徑，其工作原理見圖 2。MJS 工法在本工程運用中主要有以下特點。

圖2 MJS 工法工作原理

（1）對周圍環(huán)境影響小。MJS 噴嘴提升過程中，可以通過控制排泥閥門，控制地內(nèi)壓力，有效地控制既有 2 號線車站的隆起與下沉。通過排泥管集中排泥和控制地內(nèi)壓力，保證加固范圍內(nèi)水泥漿不擴散，避免對市政府附近地下水和土體的污染。

（2）可以進行水平、傾斜、垂直各方向、任意角度的施工。下穿范圍位于 2 號線車站正下方，需要在 6號線盾構(gòu)井圍護結(jié)構(gòu)內(nèi)進行水平成樁加固施工。

（3）樁身質(zhì)量好，成樁直徑大，可達 2～2.8 m。在上海軌交 L9 二期 6 標徐家匯地下商場向下加層圍護及加固工程[5]中，MJS 成樁實測樁徑達到 2.6 m。在上海虹橋地下空間聯(lián)絡通道圍護工程中采用 MJS 工法樁，28 天抗壓強度達到 1.6 MPa 以上[6]。

（4）作業(yè)空間要求小。6 號線盾構(gòu)井基坑內(nèi)存在較多的角撐，對成樁機器尺寸要求高。MJS 工法樁專用鉆機主機高度僅 4.5 m，機臺體積小、占用面積小。

4.2 MJS 工法設計

4.2.1 加固范圍

開挖輪廓線左右側(cè)及下部外側(cè)均為 3 m，縱向加固長度約 19.7 m。為便于開挖，掌子面開挖區(qū)域不進行加固。橫剖面及縱剖面地層加固圖見圖 3。

4.2.2 MJS 工法主要參數(shù)

（1）設計樁徑 2 400 mm，搭接厚度 800 mm。

（2）注漿壓力小于等于 40 MPa，空氣壓力 0.7 MPa。

（3）注漿材料采用 P42.5 普通硅酸鹽水泥泥漿，水灰比 1∶1，水泥摻量為 50%～55%。

（4）地內(nèi)壓力控制系數(shù) 1.3～1.6（視地質(zhì)情況適當進行調(diào)整）。

（5）鉆桿提升速度，360°噴射階段 40 min/m，180°噴射階段 20 min/m。

圖3 MJS 工法剖面加固圖（單位：mm）

（6）樁身定位誤差不得大于 1%。

（7）漿液流量 85～100 L/min（漿液隨注漿壓力調(diào)整）。

4.2.3 注漿效果檢測

加固體的無側(cè)限抗壓強度達到 2.5 MPa 以上，滲透系數(shù)不大于 10-7cm/s。

5 結(jié)束語

針對某城市新建隧道在承壓富水砂土中密貼下穿既有地鐵車站結(jié)構(gòu)底板的暗挖施工工程，對比分析了深孔注漿、凍結(jié)法、MJS 工法加固 3 種地層加固技術(shù)在本工程中的適用性與特點，首次提出在富水砂層中密貼下穿既有車站暗挖法隧道采用 MJS 工法水平地層預加固技術(shù)。該技術(shù)在注漿加固過程中可以強制排漿，顯著減少注漿對車站的影響。工程實踐表明，加固后，巖土體自穩(wěn)能力顯著提高，隔斷外部水，使既有車站的變形控制在許可范圍內(nèi)，保證了隧道暗挖的安全有效實施。