三軸攪拌樁和MJS工法樁對運營地鐵隧道的保護研究

蔣 愷，張陸新，姚基偉

（1. 浙江交科交通科技有限公司，浙江 杭州 310005；2. 杭州交投建管項目管理有限公司，浙江 杭州 310008）

0 引 言

隨著杭州城市建設(shè)速度的加快和軌道交通的普及，緊鄰既有運營地鐵隧道施工的建設(shè)項目越來越多。為了控制施工過程中地鐵隧道變形和破壞，確保地鐵運營安全，往往需要先對交叉范圍的土體采取固化措施，從而減少后續(xù)其他施工產(chǎn)生的擾動[1]。攪拌樁土體加固是利用攪拌樁機將水泥漿噴入土體并充分攪拌，使水泥漿與土發(fā)生一系列物理化學反應(yīng)，使軟土硬結(jié)而提高土層強度。其中，傳統(tǒng)的三軸攪拌樁和近些年從日本引進的新型 MJS（Metro Jet System）工法樁[2-3]，是此類土體固化工程中運用較多的兩種施工工藝。

根據(jù)現(xiàn)有研究，在緊鄰既有運營地鐵隧道的土體固化施工中，兩種工藝單獨實施時均有成功的案例[4-6]，但在同一個工程項目中，兩種工藝的施工機理和施工效果的差異尚未見報道。京杭運河新開挖航道從運營的杭州地鐵1號線正上方垂直穿過，跨地鐵保護范圍先后采用了三軸攪拌樁和 MJS工法樁兩種土體固化施工工藝。通過詳細對比分析，得出兩種施工工藝在保護運營地鐵隧道安全方面的差異，為以后類似工程的設(shè)計、施工和監(jiān)管提供參考。

1 地鐵保護概況

京杭運河浙江段三級航道整治工程杭州段（新開挖航道段）從運營的杭州地鐵1號線正上方垂直穿過，新航道底面與地鐵隧道頂面的最小距離僅4.9 m，航道基坑開挖對地鐵隧道1 137～987號管片有很大的影響。為控制航道基坑開挖過程中的地鐵隧道變形和破壞，確保地鐵運營安全，需對交叉范圍采取專項保護措施。

新航道跨地跌 1號線保護工程設(shè)計樁號為K'36+490～K'36+643，全長 153 m。其中 K'36+538～K'36+582段從地鐵1號線正上方穿過，為核心保護區(qū)范圍，K'36+490～K'36+538段和 K'36+582～K'36+643段為非核心保護區(qū)范圍（見圖1）。核心保護區(qū)航道基坑平面尺度為44 m×70 m，基坑設(shè)計底標高-4.4 m，原地面標高平均約+6.2 m，基坑最大開挖深度約10.6 m。基坑東西側(cè)采用永臨結(jié)合的直立式水泥土擋墻聯(lián)合雙排灌注樁方案，南北兩側(cè)采用鉆孔灌注樁+止水帷幕方案，與東西閉合，基坑中部設(shè)置 3排立柱樁+格構(gòu)柱。核心保護區(qū)主要施工內(nèi)容包括了攪拌樁土體加固施工、鉆孔灌注樁施工（支擋樁、立柱樁、抗拔樁）、降排水施工和航道基坑開挖支護及底板施工等。

圖1 核心保護區(qū)基坑與杭州地鐵1號線平面位置關(guān)系Fig. 1 Plane position relationship between foundation pit of protection area and Hangzhou Metro line 1

2 攪拌樁加固概況

由于航道基坑影響深度范圍地層中大部分為粉砂土層，含水量高，強度及密實度離散性較大，且局部存在液化的可能，若前期土體加固不當，在后期基坑開挖過程中極易發(fā)生流土、管涌和坑底隧道隆起等現(xiàn)象，從而導致地鐵隧道變形和破壞，造成嚴重的后果。因此，前期攪拌樁土體加固是極其重要的一個施工環(huán)節(jié)。核心保護區(qū)攪拌樁土體加固范圍如表1所示。

表1 核心保護區(qū)攪拌樁土體加固范圍Table 1 Soil reinforcement scope of mixing pile in core protection area

其中，位于地鐵隧道正上方和兩側(cè)的攪拌樁樁體與隧道距離近（最小間隔不足1.5 m，見圖2），施工周期長，在施工過程中會不斷擾動土體，影響地鐵隧道安全。

圖2 地鐵隧道正上方和兩側(cè)的樁體與隧道距離剖面圖Fig. 2 Section of distance between pile and tunnel above and on both sides of metro tunnel

下面以核心保護區(qū)攪拌樁施工為例，分別闡述三軸攪拌樁和MJS工法樁兩種土體加固施工工藝。通過對比兩者的施工工藝機理和實際施工效果，來分析比較兩種施工工藝在保護運營地鐵隧道安全方面的差異。

3 施工工藝對比

3.1 三軸攪拌樁

三軸攪拌樁是采用三軸型鉆掘攪拌機在現(xiàn)場向設(shè)計深度進行旋轉(zhuǎn)掘進，同時在灰漿系統(tǒng)及高壓風系統(tǒng)的配合作用下，在鉆頭處噴射出水泥漿液，鉆頭及螺旋鉆桿將水泥漿與原位土體反復混合攪拌，在各樁單元之間采取重疊搭接咬合方式施工，使土體的均勻性、自立性、密實度、抗壓強度等性能參數(shù)指標提高，從而滿足設(shè)計需求的一種施工工藝[7]。其土體改良的機理是：用水泥作為固化劑加固軟土，水泥和軟土將產(chǎn)生一系列物理和化學反應(yīng)，從而增加了顆粒之間的黏結(jié)力，增加了土體的強度和密實度，形成具有一定強度和穩(wěn)定性的水泥加固土。改良后的土體在抗壓強度指標上遠遠高于原天然軟土強度，土體壓實度及抗?jié)B性比天然軟土也大大提高。在加固軟土時，由于水泥的摻量較小，一般僅占被加固土重的5%～18%，水泥的水化反應(yīng)完全是在具有一定活性的土體顆粒的圍繞下進行，所以硬化速度較為緩慢。

3.2 MJS工法樁

MJS工法是從綜合角度出發(fā)，將硬化材料泥漿的配料直至加壓輸送、噴射、地層切削、混合、強制排泥、集中泥漿這一系列工序作為監(jiān)控對象。是一種能進行水平地基加固和360°全方位地基加固的施工工法，對于周邊環(huán)境及地基擾動影響極其微小，能實施大深度地基加固及水面下的施工，并且可以選擇排泥場所。

MJS工法樁加固土體分為兩個階段：

第一階段為引孔階段，預(yù)鉆孔施工過程中隨時監(jiān)測鉆孔垂直度及地層穩(wěn)定情況，并及時糾偏。成孔后及時測孔，垂直度控制在1/150。由于地層被擾動后自穩(wěn)定性能較差，預(yù)鉆孔成孔過程中采用膨潤土人工造漿護壁，泥漿黏度≥20 s。

第二階段為搖擺噴射階段，通過安裝在鉆頭底部側(cè)面的特殊噴嘴，置入土體深度后，用高壓泵等高壓發(fā)生裝置，以40 MPa左右的壓力將硬化材料及空氣從噴嘴噴射出去，并一邊將多孔管抽回。由于高壓噴射流具有強大的切削能力，因此，噴射的漿液一邊切削四邊土體，土體在噴射流的沖擊力、離心力和重力等作用下，與漿液攪拌混合，并按一定的漿土比例及質(zhì)量大小有規(guī)律地重新排列，漿液凝固后，便在土中形成各種形狀的加固體。

MJS工法樁搖擺噴射是采用步進噴射，即一步一步向上噴，一步作為一個步距，通常每一個步距為25 mm，每一個步距來回噴射一個單位時間，單位時間根據(jù)搖擺角度確定。

加固體的半徑和許多因素有關(guān)，其中包括噴射壓力P、提升速度S、現(xiàn)場土的剪切強度τ、噴嘴直徑D和漿液稠度B等。

加固范圍與噴射壓力P、噴嘴直徑D成正比，而與提升速度S、土的剪切強度τ和漿液稠度B成反比。

加固強度與單位加固體中的水泥含量、水泥漿稠度和土質(zhì)有關(guān)。單位加固體中的水泥漿含量愈高、噴射的漿液愈稠，則加固強度愈高。此外，在砂性土中的加固強度顯然比在軟弱黏性土中的加固強度高。

3.3 兩者工藝機理對比

三軸攪拌樁和MJS工法樁工藝機理對比如表2所示。

表2 三軸攪拌樁和MJS工法樁工藝機理對比Table 2 Comparison of mechanism between triaxial mixing pile and MJS method pile

3.4 兩者優(yōu)缺點對比

三軸攪拌樁和MJS工法樁優(yōu)缺點對比如表3所示。

表3 三軸攪拌樁和MJS工法樁優(yōu)缺點對比Table 3 Comparison of advantages and disadvantages between triaxial mixing pile and MJS method pile

4 三軸攪拌樁施工影響

4.1 施工區(qū)塊劃分

項目初始，根據(jù)設(shè)計要求，核心保護區(qū)土體加固采用Ф850三軸攪拌樁施工。根據(jù)三軸攪拌樁所處位置與地鐵1號線的關(guān)系，將施工區(qū)域分為6個大區(qū)塊。1區(qū)為地鐵正上方土體滿堂加固部分；2區(qū)為地鐵隧道邊緣止水帷幕；3區(qū)為地鐵側(cè)上方土體滿堂加固部分；4區(qū)為東西側(cè)地鐵正上方直立式水泥土擋墻；5區(qū)為東西側(cè)地鐵側(cè)上方直立式水泥土擋墻及南北側(cè)基坑止水帷幕；6區(qū)為地鐵隧道邊緣止水帷幕延伸至核心區(qū)基坑外部分。具體如圖 3所示。

圖3 三軸攪拌樁施工分區(qū)Fig. 3 Construction zone of triaxial mixing pile

4.2 施工實施

三軸攪拌樁施工分試樁和全面施工兩個階段：

（1）前期選定1號、2號、3號3個小區(qū)域進行三軸攪拌樁試樁施工，后期增加4號、5號兩個小區(qū)域。1號試樁區(qū)為地鐵隧道側(cè)邊，樁體距地鐵隧道最小距離1.495 m；2號試樁區(qū)為地鐵隧道正上方，樁體距地鐵隧道最小距離1.5 m；3號試樁區(qū)為上下行線地鐵隧道中間，距地鐵隧道最小距離1.552 m；4號試樁區(qū)為地鐵隧道側(cè)邊，樁體距地鐵隧道最小距離2.38 m；5號試樁區(qū)為上下行線地鐵隧道中間，樁體距地鐵隧道最小距離1.435 m。具體如圖4所示。

圖4 試樁區(qū)域及部分監(jiān)測點布置示意圖Fig. 4 Layout diagram of test pile area and monitoring points

（2）1號、3號試樁區(qū)攪拌樁采用順序咬合法搭接施工，搭接長度為250 mm，幅向與地鐵隧道呈平行關(guān)系。2號試樁區(qū)攪拌樁采用全斷面套打法施工。4號、5號試樁區(qū)采用順序咬合法搭接施工，幅向改為與地鐵隧道垂直關(guān)系。具體如圖5所示。

圖5 三軸攪拌樁試樁區(qū)搭接及幅向示意圖Fig. 5 Schematic diagram of overlapping and amplitude direction of triaxial mixing pile test area

（3）試樁結(jié)論：

a）2號試樁區(qū)在隧道正上方施工，施工影響較?。?號、3號試樁區(qū)采用平行于隧道的方式施工，1號試樁區(qū)地鐵隧道管片收斂值+1.6 mm（接近初定報警值±2 mm）；3號試樁區(qū)下行線地鐵隧道管片收斂值在試樁開始時不斷增加，區(qū)域施工結(jié)束數(shù)據(jù)維持在+2.5 mm（超過初定報警值±2 mm）。

b）鑒于1號、3號試樁區(qū)的情況，后增加4號、5號試樁區(qū)采用垂直于隧道方向跳三幅施打，施工影響得到有效改善，未再發(fā)生報警。

c）施工對地鐵隧道拱頂沉降和水平位移影響較小，對管片收斂有一定影響。

（4）施工技術(shù)參數(shù)

a）根據(jù)試樁情況，確定三軸攪拌樁全面施工階段技術(shù)參數(shù)[8-9]如表4所示。

表4 三軸攪拌樁全面施工階段技術(shù)參數(shù)Table 4 Technical parameters at full construction stage of triaxial mixing pile

b）總體按照“2→6→1→3→4→5”的先后順序進行分區(qū)施工（施工分區(qū)見圖3）；1、3、4、5區(qū)塊采用平行于隧道軸線方向跳一幅間隔施打；2、6區(qū)塊采用垂直與隧道軸線方向跳三幅間隔施打；區(qū)塊進一步分小區(qū)塊跳槽施工；1～3區(qū)采用順序咬合法搭接施工，橫向與縱向搭接長度都為 250 mm，4～6區(qū)采用全斷面套打法施工，每排攪拌樁搭接長度為250 mm（具體參照圖5）。

c）調(diào)整地鐵隧道監(jiān)測預(yù)警及控制指標：拱頂沉降報警值-4.0～+3.0，控制值±10 mm；管片收斂報警值-2.0～+3.5，控制值±5 mm；水平位移報警值±2.0，控制值±5 mm。（注：拱頂沉降以隆起為“+”，管片收斂以直徑增大為“+”，水平位移以向北側(cè)變形為“+”）。

（5）全面施工階段

全面施工自2020年5月2日從2區(qū)開始實施，至5月8日完成21幅三軸攪拌樁（地鐵隧道下行線北側(cè)11幅，上下行線中間10幅）后，地鐵隧道變形值發(fā)生1.5～2.1 mm的突變。下行線1個地鐵管片累計拱頂沉降達到報警值-4.0 mm；下行線5個地鐵管片累計收斂超報警值，1個地鐵管片累計收斂超控制值（±5 mm），達到-5.1 mm，現(xiàn)場三軸攪拌樁被迫暫停施工。通過監(jiān)測數(shù)據(jù)跟蹤，變形仍有繼續(xù)增大趨勢。2020年5月1—11日，地鐵隧道部分監(jiān)測點（布置位置見圖4）拱頂沉降累計值、管片收斂累計值時程曲線如圖6～7所示。經(jīng)原因分析，可能為三軸攪拌樁施工擾動較大，無法很好的控制地內(nèi)壓力和地鐵隧道側(cè)方土體應(yīng)力損失。因此，對地鐵1號線節(jié)點保護工程土體加固工藝及相關(guān)施工要求進行調(diào)整，將2區(qū)、6區(qū)三軸攪拌樁工藝調(diào)整為MJS工藝。

圖6 拱頂沉降累計超報警值監(jiān)測點時程曲線圖Fig. 6 Time history curves of arch crown accumulative settlement of exceeding alarm value monitoring points

圖7 管片收斂累計超控制值監(jiān)測點時程曲線圖Fig. 7 Time history curves of cumulative segment convergences of exceeding control value monitoring points

5 MJS工法樁施工影響

5.1 設(shè)計變更方案概述

MJS工法樁具有施工擾動小和地內(nèi)壓力可控的優(yōu)點，但鑒于MJS工法樁的成本較高，設(shè)計變更主要針對成樁對地鐵隧道變形影響較大、位于地鐵隧道兩側(cè)及之間的2區(qū)及6區(qū)水泥攪拌樁，其余區(qū)域仍采用三軸水泥攪拌樁。具體方案如下：

（1）調(diào)整 2區(qū)土體加固范圍布置，弱加固區(qū)（標高-4.4 m以上）仍為三軸攪拌樁，強加固區(qū)（標高-30～-4.4 m）調(diào)整為 MJS工法樁，直徑3 000 mm的半圓，搭接長度800 mm，加固體寬度調(diào)整為 2.1 m，使樁體外沿與地鐵隧道外沿距離不小于1.72 m。

（2）調(diào)整6區(qū)土體加固范圍布置，對6區(qū)除西南側(cè)以外的加固土體由條形改為折形，將折形距隧道外緣6 m以內(nèi)的區(qū)域調(diào)整為MJS工法樁，直徑2 000 mm的半圓，搭接長度800 mm，加固體寬度調(diào)整為1 m。

（3）針對2、6區(qū)部分已完成水泥攪拌樁施工的區(qū)域，其MJS工法樁根據(jù)不同情況采用不同的布樁方案，如表5所示。

表5 水泥攪拌樁施工完成區(qū)域MJS工法樁布樁方案Table 5 MJS method layout schemes for cement mixing pile construction completion area

5.2 施工實施

MJS工法樁施工大致可分為試樁階段和全面施工1、2、3階段：

（1）MJS試樁從2020年8月8日開始至9月25日結(jié)束，共計完成28根，試樁區(qū)域為地鐵隧道側(cè)邊和上下行線地鐵隧道中間。從施工期間跟蹤監(jiān)測數(shù)據(jù)看，地鐵隧道變形值增量小，與之前三軸攪拌樁施工相比監(jiān)測數(shù)據(jù)更加良好，且相比三軸攪拌樁持續(xù)破壞原狀土強度導致收斂累計值一直增大，MJS試樁施工受前3根影響較大，后期由于MJS成樁強度上來，監(jiān)測數(shù)據(jù)趨于穩(wěn)定，地鐵隧道變形更加平緩。

（2）施工技術(shù)參數(shù)

a）根據(jù)試樁情況，確定MJS工法樁全面施工階段技術(shù)參數(shù)[10-11]如表6所示。

表6 MJS工法樁全面施工階段技術(shù)參數(shù)Table 6 Technical parameters of MJS method pile at full construction stage

b）采用跳樁施工，跳樁間隔按3倍有效樁徑，相鄰樁施工間隔時間不小于 72 h。隧道側(cè)壁的 2區(qū)設(shè)計為兩排MJS工法樁，在施工時，優(yōu)先施工離地鐵隧道管片較近的MJS工法樁，在強度形成后，再進行對側(cè)樁施工，可有效形成隔離墻發(fā)揮效果。

c）重新調(diào)整地鐵隧道監(jiān)測預(yù)警及控制指標：

拱頂沉降預(yù)警值±6 mm，報警值±8 mm，控制值±10 mm；管片收斂預(yù)警值±6 mm，報警值±8 mm，控制值±10 mm；水平位移預(yù)警值±3 mm，報警值±4.0，控制值±5 mm。

（3）全面施工階段

a）一階段（2020-09-27—2020-10-28）：下行線地鐵隧道2個管片累計拱頂沉降超預(yù)警值，1個管片累計收斂達到報警值。分析原因為MJS旋噴施工破壞原狀土強度，且孔內(nèi)地內(nèi)壓力無法保持，造成土體擾動，土體側(cè)向約束減少，導致拱頂下沉，管片收斂水平橫向擴張。項目部對施工技術(shù)進行了局部調(diào)整：先施工背離區(qū)間隧道的MJS樁位且跳樁間距大于10 m；調(diào)整水泥漿稠度及水泥漿硬化時間，采用 42.5R或 52.5水泥；優(yōu)化施工氣壓及氣量控制；減小引孔孔徑，避免孔口翻漿，確保地內(nèi)壓力可控。

b）二階段（2020-10-29—2020-11-27）：上行線地鐵隧道監(jiān)測數(shù)據(jù)可控；下行線地鐵隧道共計4個管片拱頂沉降超報警值，9個管片累計收斂超報警值，最大拱頂沉降-9.4 mm，最大管片收斂9.6 mm。經(jīng)過一階段的施工技術(shù)調(diào)整，在二階段地鐵隧道變形仍然沒有得到很好的控制，項目部對地鐵隧道進行整治后繼續(xù)施工。

c）三階段（2020-11-28—施工結(jié)束）：在此后的施工過程中，上下行線地鐵隧道拱頂沉降和管片收斂數(shù)據(jù)仍然在緩慢增大，并且超過了控制值，未能得到有效的控制。

5.3 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

（1）拱頂沉降：自MJS試樁開始至施工結(jié)束，上下行線地鐵隧道拱頂沉降呈下沉趨勢，在施工開始后約5個月超過控制值-10 mm，至施工結(jié)束最大達到-20.1 mm。上行線平均沉降-2.215 mm/月，下行線平均沉降-1.925 mm/月。累計拱頂沉降最值時程曲線如圖8所示。

圖8 上下行線地鐵隧道累計拱頂沉降最值時程曲線圖Fig. 8 Time history curves of maximum cumulative settlements of metro tunnels

（2）管片收斂：自MJS試樁開始至施工結(jié)束，上下行線地鐵隧道管片收斂呈擴張趨勢，在施工開始后約5個月超過控制值10 mm，至施工結(jié)束最大達到13.3 mm。上行線平均收斂1.275 mm/月，下行線平均收斂0.85 mm/月。累計管片收斂最值時程曲線如圖9所示。

圖9 上下行線地鐵隧道累計管片收斂最值時程曲線圖Fig. 9 Time history curves of cumulative maximum convergences of subway tunnel segments

（3）水平位移：自MJS試樁開始至施工結(jié)束，地鐵隧道累計水平位移：上行線從1.6 mm變化到4.7 mm，下行線從2.0 mm變化到4.5 mm，變化較小，總體良好，均在控制值范圍之內(nèi)。

6 結(jié) 論

通過對三軸攪拌樁和MJS工法樁施工工藝在保護運營地鐵隧道安全方面的對比，可以得出如下結(jié)論：

（1）從施工原理、成樁設(shè)備、成樁方式、成樁深度（樁徑）、排泥（漿）方式、地內(nèi)壓力控制等多方面來看，在不考慮工程造價的情況下，MJS工法樁要明顯優(yōu)于三軸攪拌樁。

（2）三軸攪拌樁和MJS工法樁對地鐵隧道水平位移的控制效果較好，對拱頂沉降和管片收斂的控制效果較差。

（3）MJS工法樁能使地鐵隧道的變形更加平緩，每月的變形值能夠控制在1～2 mm左右，不會出現(xiàn)三軸攪拌樁施工時某一天變形2 mm的突發(fā)情況。