富水砂土地層中水平全方位高壓噴射(MJS)樁施工環(huán)境影響的數(shù)值分析*

趙寶華 譚 鑫 王光輝 黃明華 黎騰龍

(1.中鐵隧道勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，511458，廣州；2.廣東省隧道結(jié)構(gòu)智能監(jiān)控與維護(hù)企業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，511458，廣州；3.湖南大學(xué)土木工程學(xué)院，410082，長(zhǎng)沙∥第一作者，高級(jí)工程師)

在建筑密集區(qū)施工地下工程時(shí)，為保證鄰近建構(gòu)筑物的安全，往往需要采用有效的超前支護(hù)手段進(jìn)行預(yù)加固。其中水平旋噴樁預(yù)支護(hù)施工方法，可在隧道開(kāi)挖區(qū)域上方及周邊形成相互搭接且具有較高強(qiáng)度的水平固結(jié)體拱棚，從而保證開(kāi)挖面及地層的穩(wěn)定性[1-2]。但水平旋噴樁施工的注漿壓力及注漿量較大，易引起地層變形，在變形控制要求嚴(yán)格的工程中其應(yīng)用受到了限制。日本率先在旋噴樁施工方法的基礎(chǔ)上，發(fā)明了全方位高壓噴射(MJS)施工方法，改進(jìn)了傳統(tǒng)高壓噴射注漿的不足。MJS法通過(guò)獨(dú)特的多孔管工藝，增大了噴射壓力，增加了排泥裝置，并在鉆頭部位設(shè)置土壓力監(jiān)測(cè)裝置，通過(guò)調(diào)整排漿量來(lái)控制土壓力，使施工處于有效控制狀態(tài)，能有效減少對(duì)環(huán)境的影響[3]。國(guó)內(nèi)大多采用MJS法施作豎向加固體來(lái)加固基坑工程，并取得較多的研究成果[4-5]。但水平MJS樁應(yīng)用案例尚不多見(jiàn)，其施工過(guò)程并非對(duì)地層沒(méi)有影響，仍有可能引起上覆地層隆起或沉陷[6]。理論上可采用研究擠土效應(yīng)的圓柱形孔穴擴(kuò)張模型來(lái)描述MJS樁施工影響[7-8]。但MJS樁體截面并非圓形，加之地層也不是無(wú)限彈性空間，因此解析方法的適用性不強(qiáng)。部分學(xué)者也傾向于通過(guò)數(shù)值分析方法研究MJS樁施工誘發(fā)的環(huán)境效應(yīng)[5,9]。

長(zhǎng)沙地鐵2號(hào)線某區(qū)間下新建地鐵4號(hào)線區(qū)間隧道，2條區(qū)間線路呈60°相交。其中，已運(yùn)營(yíng)的2號(hào)線區(qū)間段埋深為9 m；新建4號(hào)線區(qū)間段埋深為18 m，其與上覆2號(hào)線最小豎向凈距僅為2.857 m。該新建地鐵隧道位于富水砂層，設(shè)計(jì)采用水平MJS樁支護(hù)。此施工方法在湖南地區(qū)應(yīng)用尚屬首次[10-11]。為確保工藝安全，特在施工前進(jìn)行了試驗(yàn)樁施工，監(jiān)測(cè)試驗(yàn)樁施工過(guò)程中的孔隙水壓力及地層變形。本文結(jié)合該試驗(yàn)樁結(jié)果，通過(guò)數(shù)值模擬方法研究富水砂土地層中水平MJS樁施工對(duì)環(huán)境的擾動(dòng)影響，研究成果可為類似工程提供借鑒。

1 MJS試驗(yàn)樁參數(shù)及地層概況

水平MJS樁施工成樁原理見(jiàn)圖1。其施工過(guò)程主要包括成孔、噴漿和成樁。噴漿階段，通過(guò)多孔管噴嘴以40 MPa左右的壓應(yīng)力噴射水泥漿液，泥土則從多孔管排泥口排出。土體在高壓射流切削作用下，和水泥漿液攪拌混合并凝結(jié)硬化成具有一定強(qiáng)度的固結(jié)體[12]。通過(guò)多孔管可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)噴射點(diǎn)附近地層壓力變化，反饋控制特有的排漿管閥門泄壓或保壓，以減小對(duì)地層的影響從而控制地面隆起或沉降。

圖1 水平MJS樁成樁工作原理

該工程對(duì)一根試驗(yàn)樁的施工過(guò)程進(jìn)行了孔壓監(jiān)測(cè)，其MJS成樁為半圓形，直徑為2 m，樁長(zhǎng)為42 m，埋深為17 m，主要施工技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 水平MJS試驗(yàn)樁施工技術(shù)參數(shù)

試樁場(chǎng)地地層大致可分為3層：第1層為厚2m的雜填土，主要由砂、卵石及粉質(zhì)黏土組成；第2層為厚約2.8 m的圓礫，其粒徑以10～20 mm為主；水平MJS樁設(shè)在第3層的粗砂中，其粒徑為0.5～1.0 mm，局部含少許圓礫、卵石，成份主要為石英質(zhì)，黏粒含量約為15%，細(xì)砂充填約為15%。室內(nèi)試驗(yàn)測(cè)得中粗砂的不均勻系數(shù)為17.5，其級(jí)配良好。其中粒徑大于0.25 mm 的砂土顆粒占55%，大于0.50 mm的砂土顆粒占23%。測(cè)得的中粗砂滲透系數(shù)為1.56 m/d。通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)獲得了主要土層的物理力學(xué)參數(shù)，見(jiàn)表2。施工區(qū)域內(nèi)地下水位變化主要受氣候的控制：每年4～9月份為雨季，大氣降水豐沛，是地下水的補(bǔ)給期，其水位會(huì)明顯上升；而10月至次年3月為地下水的消耗期，地下水位也隨之下降；年變化幅度為2～4 m。試樁施工期間穩(wěn)定水位埋深為地表以下3 m左右。

表2 地層及MJS樁基本物理力學(xué)參數(shù)

2 數(shù)值模型及施工過(guò)程模擬

2.1 模型的建立

水平MJS樁施工期間，高壓流體通過(guò)不斷旋轉(zhuǎn)與回拔的噴頭噴入土層內(nèi)，增大了地內(nèi)壓力并引起土體膨脹，從而造成上覆地層隆起變形并產(chǎn)生超靜孔隙水壓力。當(dāng)MJS樁體完成之后，由于水泥土混合物需要一段凝固時(shí)間，又會(huì)使樁體產(chǎn)生回縮變形并伴隨著超靜孔隙水壓力消散。本文采用FLAC 3D軟件建立巖土體流固耦合數(shù)值模型進(jìn)行數(shù)值分析。FLAC 3D軟件基于有限差分方法和多孔介質(zhì)滲流理論，根據(jù)運(yùn)動(dòng)方程、平衡方程、本構(gòu)方程和相容方程建立孔隙壓力、流體滲流速度及土體應(yīng)力應(yīng)變之間的關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)地層應(yīng)力場(chǎng)與滲流場(chǎng)的耦合計(jì)算[13-14]。流固耦合數(shù)值模型應(yīng)服從下列假定：① 地下水流動(dòng)服從達(dá)西滲透定律；② 不考慮土體的非飽和流動(dòng)，地層滲透系數(shù)采用飽水狀態(tài)下的參數(shù)；③ 土體在自重作用及初始地下水位狀態(tài)下已完成固結(jié)[15]。參考長(zhǎng)沙地鐵4號(hào)線MJS試驗(yàn)樁及地層條件，將水平MJS樁簡(jiǎn)化成平面應(yīng)變問(wèn)題，且因?qū)ΨQ性取其一半建立數(shù)值模型，如圖2所示。

圖2 水平MJS樁數(shù)值模型示意圖

模型側(cè)邊及底部均為簡(jiǎn)支約束，地表為透水邊界，地下水位于地表以下3 m；模型底部為不透水基層，右側(cè)為固定孔壓邊界，左側(cè)為自由孔壓邊界。地層土體采用摩爾庫(kù)倫本構(gòu)模型，MJS樁體采用彈性模型，地下水滲流遵循達(dá)西滲透定律。模型基本力學(xué)參數(shù)按地勘試驗(yàn)結(jié)果選取(見(jiàn)表2)，其中MJS樁體彈性模量考慮到水泥硬化需要較長(zhǎng)時(shí)間，因此選用尚未達(dá)到其穩(wěn)定強(qiáng)度的較低彈性模量。在模型中設(shè)置圖2所示的測(cè)線，以便于在MJS施工模擬過(guò)程中對(duì)地層環(huán)境的擾動(dòng)效應(yīng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

2.2 施工過(guò)程模擬

因?yàn)閷⑺組JS樁簡(jiǎn)化為二維平面模型，所以根據(jù)施工回抽速度按照40 min/m的樁體施工時(shí)間進(jìn)行模擬。參考水平MJS樁的工作原理及技術(shù)參數(shù)，將整個(gè)施工過(guò)程簡(jiǎn)化為如下數(shù)值模擬步驟：① 生成初始地應(yīng)力及孔隙水壓力場(chǎng)；② 模擬擴(kuò)孔并噴漿，開(kāi)挖樁體并在樁內(nèi)側(cè)施加0.3 MPa地內(nèi)壓應(yīng)力；③ 模擬超靜孔壓消散過(guò)程，維持地內(nèi)壓力20 min并開(kāi)啟滲流計(jì)算；④ 模擬成樁，消除地內(nèi)壓應(yīng)力，生成樁體，開(kāi)啟滲流計(jì)算20 min。

3 數(shù)值模擬結(jié)果

3.1 MJS樁施工誘發(fā)孔隙水壓的變化

圖3給出了MJS樁不同施工階段沿特定測(cè)線監(jiān)測(cè)的孔隙水壓增加值分布。在噴漿作業(yè)瞬時(shí)，由于樁體處地內(nèi)壓應(yīng)力大于原有地層應(yīng)力，導(dǎo)致了MJS樁體附近孔隙水壓應(yīng)力產(chǎn)生突變。噴漿瞬時(shí)沿著模型對(duì)稱軸(見(jiàn)圖3 a)左邊界)孔隙水壓應(yīng)力增量在MJS樁孔附近突增到50 kPa以上，隨著距離迅速衰減；沿著MJS樁右側(cè)豎直測(cè)線2(圖3 b))在MJS樁孔附近區(qū)域由于受到擴(kuò)孔引起的拉伸效應(yīng)，孔隙水壓增量為負(fù)10 kPa以上，并隨著水平距離增大而迅速衰減而轉(zhuǎn)變?yōu)檎讐?；MJS上方水平測(cè)線1(圖3 c))也表現(xiàn)出類似孔壓增量分布。

a)沿對(duì)稱軸

3.2 MJS樁施工誘發(fā)地層變形分析

圖4給出了MJS樁不同施工階段沿特定測(cè)線監(jiān)測(cè)的位移值分布。在噴漿作業(yè)瞬時(shí)，由于樁體處地內(nèi)壓應(yīng)力大于原有地層應(yīng)力，擠壓土體產(chǎn)生了較大位移。位移表現(xiàn)為MJS樁孔上方土體隆起而下方土體沉降。因此，圖4 a)中豎向位移沿對(duì)稱軸分布出現(xiàn)了相反的位移，正負(fù)位移最大值出現(xiàn)在樁孔上下邊界，大約為4 mm左右。圖4 c)中豎向位移沿MJS樁上方水平測(cè)線均表現(xiàn)為隆起，最大位移2.7 mm出現(xiàn)在樁體正上方，并沿著遠(yuǎn)離樁體方向迅速減小，水平距離為5 m后降至0.5 mm以下。圖4 d)中地表豎向位移表現(xiàn)為整體輕微隆起，隆起量?jī)H為0.30～0.45 mm。由于MJS樁半圓形態(tài)的影響，噴漿階段地內(nèi)壓應(yīng)力引起的土層水平位移要小于豎向位移。圖4 b)中水平位移沿MJS樁右側(cè)豎直測(cè)線表現(xiàn)為向右側(cè)移動(dòng)，但最大位移值僅為0.4 mm?？讐合⒌倪^(guò)程使上覆地層隆起量增加10%左右，噴漿20 min后樁體上方土層整體繼續(xù)產(chǎn)生0.5 mm左右隆起，測(cè)線1監(jiān)測(cè)的水平位移則隨著孔壓消散產(chǎn)生回移，最大位移值僅為噴漿瞬時(shí)的一半。

a)沿對(duì)稱軸

噴漿結(jié)束后MJS樁孔內(nèi)壓應(yīng)力消除，但樁體尚未完全凝固，因此產(chǎn)生了土體回移。此時(shí)MJS樁體上方土體繼隆起后表現(xiàn)為沉降，各測(cè)線上隆起量均迅速減小。MJS樁體上方地層隆起量降至1.0 mm，地表隆起則降至0.1 mm。測(cè)線1上的水平位移甚至出現(xiàn)了局部相反位移。不同施工階段土體豎向位移分布云圖見(jiàn)圖5。在噴漿施工階段，MJS樁孔擴(kuò)展引起上覆土層隆起；在噴漿結(jié)束成樁階段，MJS樁體受到地層壓力產(chǎn)生壓縮引起上覆土層沉降。

a)噴漿

由此可見(jiàn)，水平MJS樁體施工過(guò)程對(duì)富水地層孔壓及變形均有一定影響，且誘發(fā)的地層變形會(huì)隨著施工階段不同出現(xiàn)隆起或沉降。但由于MJS法的主動(dòng)排泥裝置可使地內(nèi)壓應(yīng)力不會(huì)過(guò)高，在本試驗(yàn)樁控制的地內(nèi)壓應(yīng)力范圍內(nèi)(0.1～0.3 MPa)誘發(fā)的環(huán)境影響較小，能滿足后續(xù)工程的要求。

4 數(shù)值模擬與實(shí)測(cè)的結(jié)果對(duì)比分析

試驗(yàn)樁施工期間通過(guò)在地層中埋設(shè)孔壓傳感器，記錄了施工過(guò)程中誘發(fā)的孔隙水壓增加值。本文研究采取平面模型計(jì)算40 min的施工過(guò)程，而實(shí)際施工試驗(yàn)樁有42 m長(zhǎng)，施工周期達(dá)到數(shù)天。為了便于對(duì)比，將施工階段孔壓計(jì)測(cè)的孔壓波動(dòng)幅值與施工位置到各傳感器的距離關(guān)系列入圖6，并將本文模型中各測(cè)線孔壓分布與樁心的距離關(guān)系同樣列入圖6中。

圖6 孔壓增量實(shí)測(cè)值與計(jì)算值對(duì)比圖

因?yàn)閷?shí)測(cè)數(shù)據(jù)為三維空間的孔壓增量最大值，故相較于本文模型單條測(cè)線孔壓分布值整體較高。但對(duì)實(shí)測(cè)孔壓進(jìn)行回歸分析獲得的趨勢(shì)線與本文數(shù)值結(jié)果變化趨勢(shì)線基本一致，這也驗(yàn)證了本文所建立的數(shù)值模型的合理性。實(shí)測(cè)地層中孔壓增加幅值與噴漿段距離之間呈線性關(guān)系，通過(guò)延長(zhǎng)趨勢(shì)線可知，實(shí)測(cè)地層最大孔壓增加值為40 kPa左右，而數(shù)值計(jì)算結(jié)果為50 kPa。實(shí)測(cè)和數(shù)值結(jié)果均顯示，在距離MJS樁噴漿段10 m外孔壓增量基本為0。

5 結(jié)語(yǔ)

本文基于富水砂土地層中水平MJS試驗(yàn)樁施工過(guò)程，通過(guò)流固耦合數(shù)值模擬研究并與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，得出如下結(jié)論：

1)MJS樁噴漿施工階段將引起樁周孔隙水壓上升，幅值達(dá)到50 kPa左右，影響范圍為樁體10 m范圍內(nèi)；由于試樁地層滲透性較好，孔壓增量將迅速消散，在樁體施工時(shí)間段內(nèi)即能基本消散。

2)水平MJS樁體施工過(guò)程對(duì)富水地層變形有一定影響，且地層會(huì)隨著施工階段不同表現(xiàn)出或隆起或沉降的不同趨勢(shì)。在噴漿施工階段，MJS樁孔擴(kuò)展引起上覆土層隆起；在噴漿結(jié)束成樁階段，MJS樁體受到地層壓力產(chǎn)生壓縮而引起上覆土層沉降。

3)通過(guò)MJS法的主動(dòng)排泥裝置將地內(nèi)壓應(yīng)力限制在可控范圍內(nèi)，對(duì)環(huán)境影響較?。换诒敬卧嚇兜氖┕?shù)，水平MJS樁誘發(fā)地層位移在mm級(jí)別，能夠滿足后續(xù)工程的要求。