水平MJS工法旁通道加固施工方法研究

余 圣 驥

(上海市基礎(chǔ)工程集團有限公司，上海 200433)

0 引言

二十世紀八九十年代，MJS工法(全方位高壓噴射注漿技術(shù))由日本NIT技術(shù)研究所研發(fā)，作為一種大深度地下旋噴工法，可實現(xiàn)多角度施工作業(yè)，其中水平方向MJS工法的應(yīng)用在日本市場中約占比66%[1]。

目前在上海地區(qū)水平聯(lián)絡(luò)通道及端頭井加固絕大多數(shù)采用冷凍法，但其存在著凍脹、融沉的弊端。水平MJS工法作為一種國內(nèi)應(yīng)用較少的水平聯(lián)絡(luò)通道及端頭井加固技術(shù)具有施工設(shè)備體積小、機動靈活、效率高，在狹窄場地及隧道內(nèi)施工方便，施工加固效果好，施工技術(shù)風(fēng)險低，對周邊環(huán)境影響小等特點，具有廣闊的發(fā)展前景。目前國內(nèi)應(yīng)用上，垂直方向、水平方向施工長度已達60 m[2]。本文根據(jù)上海市17號線淀山湖大道地鐵站MJS工法水平試驗結(jié)果[1]，提出一套MJS工法旁通道加固施工方案，為今后同類工程提供參考。

1 水平MJS工法試驗概況

淀山湖大道地鐵站整體結(jié)構(gòu)為地下2層島式站臺車站，在車站地下1層板上進行了MJS水平樁施工，樁體截面中心與地面垂直深度6 m～8 m，軸向深入某地塊外掛基坑內(nèi)，樁身所在土層為上海地區(qū)較為普遍的淤泥質(zhì)黏土。外掛基坑圍護結(jié)構(gòu)一側(cè)利用車站地墻，另一側(cè)采用灌注樁結(jié)合攪拌樁。在此次試驗施工中，以樁長24 m(單樁截面形式分為兩段，前部16 m為180°向下半圓截面，后部8 m為360°全圓截面)的水平MJS工法樁為驗證對象，根據(jù)施工過程監(jiān)測數(shù)據(jù)及后期直接開挖觀察暴露樁體的情況來驗證相關(guān)施工數(shù)據(jù)的可靠程度。

根據(jù)施工過程中的監(jiān)測數(shù)據(jù)以及樁體開挖情況可以得出以下結(jié)論：

1)從施工過程監(jiān)測數(shù)據(jù)看，正常施工過程中土體最大地面沉降3.5 mm，在樁體側(cè)向2 m處最大側(cè)向位移為4.5 mm，驗證了水平MJS工法施工對周邊環(huán)境的影響具有較好的可控制及微擾動效果，側(cè)向位移的影響隨距離的增加驟減，由于試驗樁深度較淺，若施工深度增加，上覆土層厚度變大，土體垂直位移的影響也將趨于減小。

2)通過現(xiàn)場實際開挖，暴露出3個斷面及樁的上表面，可以直觀的看出樁體界面清晰，完整性良好，驗證了按照設(shè)計參數(shù)施工，達到了預(yù)期的成樁效果，成樁效果如圖1所示。

通過此次施工，可以看出水平MJS工法能夠在上海地區(qū)常見的淤泥質(zhì)黏土層中達到較好的加固效果，并且能夠大大減少對周邊環(huán)境的不良影響，為水平MJS工法在旁通道加固中的應(yīng)用提供了先期條件，并且通過本次施工確定并驗證了一套適用于上海地區(qū)淤泥質(zhì)黏土層中的水平樁施工參數(shù)，見表1。

表1 水平MJS工法樁關(guān)鍵施工參數(shù)

2 水平MJS工法旁通道加固施工方案設(shè)計

2.1 加固體范圍及性能指標

旁通道加固位置以上海市地鐵盾構(gòu)隧道為例，隧道管片外徑約6.6 m，管片內(nèi)徑約5.9 m，加固范圍為旁通道及其支護結(jié)構(gòu)向四周方向，上部不小于1.5 m，下部不小于1.8 m，左右不小于2 m。

根據(jù)水平MJS工法試驗樁參數(shù)確定設(shè)計樁徑為帶氣向下半圓樁樁徑取值1 800 mm，不帶氣全圓樁樁徑取值1 200 mm。

強度指標為28 d無側(cè)限抗壓強度不小于1.0 MPa，抗?jié)B指標為28 d芯樣的滲透系數(shù)不大于1×10-6cm/s[3]。

質(zhì)量檢驗方式為水平取芯以及在旁通道開挖范圍內(nèi)上下左右各打一個貫通的透水孔，觀察滲漏水情況[2]。

2.2 水平MJS工法樁布置原則

1)以隧道中點為圓心，沿徑向放射狀布置。2)樁位避開管片接縫、螺栓、主筋和鋼管片肋板。3)在地鐵隧道管片立面上，孔樁按照梅花型布置，確保樁間可靠搭接。4)旋噴樁在相鄰上下行隧道內(nèi)對稱布置。5)相鄰樁位之間夾角以保證旋噴樁在兩隧道間中點部位能有效搭接(樁間搭接長度不小于30 cm)為原則。

樁位布置圖如圖2，圖3所示。

2.3 注意事項

1)打穿管片前，需安裝孔口密封裝置[2]，避免涌水涌砂情況；孔口密封器在施工期間不宜拆除，等全部施工完畢后進行統(tǒng)一拆除并對管片結(jié)構(gòu)進行修復(fù)。

2)引孔采用工法機自主引孔，成孔軸線偏差不應(yīng)大于1/150，引孔階段應(yīng)采用主動排泥孔進行廢漿集中外排。

3)MJS工法施工完成后要進行微擾動補漿，補漿采用水泥漿，補漿時注意壓力變化，注漿泵壓力波動增加時，即可停止注漿。

3 水平MJS工法旁通道加固施工重難點研究

3.1 受限空間多角度施工困難

基于地鐵隧道形態(tài)，管片內(nèi)為直徑5.9 m的圓柱形空間，施工方向涉及水平、向上傾斜、向下傾斜等多角度施工，還要考慮設(shè)備尺寸及施工時鉆具的最小長度要求，以期實現(xiàn)全范圍加固需求是本工程最大的難點之一，本方案主要通過設(shè)備選用及設(shè)計符合施工工況的輔助設(shè)備來解決這一難題。

3.1.1 設(shè)備選用

現(xiàn)有小型化MJS-40VH-S鉆機前端動力頭可以與主體進行分離，常規(guī)情況下前端拆解后放在水平架上進行施工，拆解后最小尺寸為長1 758 mm，高732 mm，尺寸如圖4所示。

常用MJS工法鉆具長度規(guī)格有250 mm(90 mm鉆桿),500 mm,1 000 mm,1 500 mm等規(guī)格，根據(jù)施工需要，夾管末端還需有1節(jié)鉆桿長度+600 mm水龍頭長度，夾具到達最大行程后所需的最小長度分別為1 000 mm(90 mm鉆桿),1 250 mm,1 750 mm,2 250 mm。

3.1.2 設(shè)計符合施工工況的輔助設(shè)備

結(jié)合選用的MJS設(shè)備形態(tài)、尺寸以及隧道空間大小，設(shè)計專用施工架，以拓展隧道內(nèi)上下徑向施工的界限能力，施工架三視圖見圖5，專用施工架具有沿隧道軸向移動和沿施工面上下提升的功能，其沿施工面上下提升行程為1 200 mm～4 770 mm，最大施工角度向上仰24°，向下傾斜70°，施工極限如圖6所示。

3.1.3 操作可行性分析

基于選用設(shè)備及專用施工架設(shè)計，施工方案設(shè)計的所有樁型可分兩種情況進行施工，最下部3排樁使用設(shè)備前端固定在管片等構(gòu)造上，其余樁采用專用施工架進行。鉆機可采用250 mm，500 mm兩種尺寸，尺寸界線1 000 mm，1 250 mm。水平施工時，極限位置樁體為最下部、最上部水平樁，鉆具預(yù)留尺寸分別為1 600 mm，1 300 mm；傾斜施工時，鉆具預(yù)留普遍大于1 600 mm，能夠滿足水平施工的相關(guān)要求[2]。

通過2種方法結(jié)合使用，施工方案設(shè)計中多角度施工具有可操作性，多角度施工效果如圖7所示。

3.2 施工對已成隧道的影響控制

隧道管片結(jié)構(gòu)抗變形能力較差，主要變形體現(xiàn)在不均勻沉降隆起、側(cè)向位移、收斂變形等。結(jié)合以往的施工經(jīng)驗，MJS工法垂直施工時，對周邊環(huán)境的影響主要體現(xiàn)在兩個方面：一是噴射流方向的土體側(cè)向位移，位移程度和距離、土質(zhì)條件相關(guān)，側(cè)向位移的幅度在6 mm以內(nèi)；二是地內(nèi)壓力控制不當(dāng)，導(dǎo)致地面隆起或沉降。

水平施工時，40 MPa噴射流向下沖擊，隧道在噴射流側(cè)面，對隧道的影響主要是地內(nèi)壓力控制，地內(nèi)壓力偏大會導(dǎo)致隧道側(cè)向土壓力增大，使隧道向外側(cè)位移；偏小會導(dǎo)致側(cè)向土壓力降低，使隧道向內(nèi)側(cè)位移。施工控制時，地內(nèi)壓力平衡控制尤為關(guān)鍵，是施工效果評定的重要標準之一。

此外結(jié)合現(xiàn)代測量技術(shù)手段，采用如圖8所示的自動化監(jiān)測體系，實時收集施工對隧道沉降隆起、側(cè)向位移、收斂變形三個變形指標的影響數(shù)據(jù)，以提高水平MJS工法樁施工過程中對周邊環(huán)境影響的可控性。

3.3 加固體質(zhì)量管控

加固的目的是為了保證后期旁通道開挖，加固體的強度、抗?jié)B性、完整性是關(guān)鍵指標。施工過程中應(yīng)加大重點施工參數(shù)的管控。

基于旋噴樁設(shè)計的理論，成樁的最關(guān)鍵的三個因素包括：噴射壓力、噴射流量、噴漿速度，噴射壓力和流量代表噴射流能量，能量越大切削土體的能力越大；噴漿速度(包括步進速度及旋轉(zhuǎn)速度)代表著作用時間，在合理旋轉(zhuǎn)速度下，單位距離內(nèi)噴漿時間越長，做功越多。

此外，地內(nèi)壓力大小決定著環(huán)境阻力，地內(nèi)壓力越大反映的環(huán)境介質(zhì)密度越大，環(huán)境阻力就越大，噴射流的能力損失越快，在上海地區(qū)的淤泥質(zhì)黏土層中保持合適的地內(nèi)壓力是保證樁徑及環(huán)境安全的關(guān)鍵因素。

噴射空間形成之后，原材料質(zhì)量即水泥漿在土層內(nèi)的固化指標，受地下水影響的程度也是保證樁體質(zhì)量的關(guān)鍵要素。

綜上所述：施工中應(yīng)重點管控噴射流壓力和流量、噴漿速度、地內(nèi)壓力及原材料質(zhì)量。

4 結(jié)語

1)根據(jù)試樁結(jié)果，水平MJS工法加固成樁質(zhì)量好，對周邊環(huán)境影響小，可滿足地鐵旁通道加固需求，彌補現(xiàn)有旁通道加固工藝的不足，并以上海地區(qū)地鐵盾構(gòu)隧道的旁通道施工為例，確定了一套水平MJS工法旁通道加固施工方法以供參考，包括加固體范圍、性能指標、旋噴樁布置原則及相關(guān)注意事項。

2)根據(jù)MJS設(shè)備形態(tài)及尺寸、隧道尺寸進行設(shè)計，利用專用施工架通過提升、移動、傾斜等方式，以及合理的設(shè)備選用及設(shè)計專用施工架可以實現(xiàn)受限空間內(nèi)的多角度施工操作。

3)水平施工中噴射流向下沖擊時地內(nèi)壓力變化會引起隧道外側(cè)土壓力變化，導(dǎo)致隧道側(cè)向位移，需對地內(nèi)壓力進行平衡控制。

4)為保證后期旁通道開挖時加固體的強度、抗?jié)B性、完整性等關(guān)鍵指標，需要對噴射流壓力和流量、噴漿速度、地內(nèi)壓力及原材料質(zhì)量進行重點管控。