水平MJS工法在超深擾動土體洞口加固中的應(yīng)用

馬敬豹

[上海公路橋梁（集團）有限公司，上海市 200135]

0 引言

隨著我國城市軌道交通建設(shè)大規(guī)模、有序化的推進，大城市地下一期、二期、三期工程相繼建成，地下空間的開發(fā)利用逐步向綜合化和深層化轉(zhuǎn)變。近年來，新建隧道穿越運營地鐵的復(fù)雜工況越來越多，在現(xiàn)狀運行車站下方出洞接收端加固時，如何確保水平加固質(zhì)量滿足盾構(gòu)機安全出洞至關(guān)重要。從日本引進的MJS工法[1-3]水平施工被應(yīng)用在盾構(gòu)端頭加固以來，因工況的差異性，使MJS工法水平施工在國內(nèi)的推廣應(yīng)用相比垂直施工緩慢[4-5]，因此亟待一線施工實例，以便總結(jié)施工經(jīng)驗，推進技術(shù)研究。

1 工程概況

杭州市新建地鐵7號線建耕風(fēng)井站-建設(shè)三路站區(qū)間下穿運營地鐵2號線，兩段區(qū)間隧道呈85°夾角交叉。新建隧道內(nèi)徑5 500 mm，外徑6 200 mm，隧道頂部與2號線建設(shè)三路站底板凈距4.26 m，其中建設(shè)三路站為區(qū)間盾構(gòu)接收端，基坑開挖深度為29.25 m。2號線建設(shè)三路站圍護結(jié)構(gòu)為厚800 mm鋼筋混凝土地下連續(xù)墻，底板寬18.5 m；新建地鐵7號線建設(shè)三路站圍護結(jié)構(gòu)為厚1 200 mm鋼筋混凝土地下連續(xù)墻，2道圍護結(jié)構(gòu)間距0.94 m。新建區(qū)間盾構(gòu)下穿地鐵2號線建設(shè)三路站縱斷面圖見圖1。

1.1 地質(zhì)水文條件

新建地鐵7號線盾構(gòu)接收井洞門底標(biāo)高-21.98 m，地面標(biāo)高+6.0 m，承壓水主要存在于粉細(xì)砂和圓礫層中，承壓水水頭實測標(biāo)高-2.52 m，承壓水隔水層頂標(biāo)高-32.98 m，隔水層厚11 m（隔水層地質(zhì)為淤泥質(zhì)黏土夾粉土和粉質(zhì)黏土夾粉砂）。接收端加固土體施工范圍為圖1中的⑥1淤泥質(zhì)黏土夾粉土層。

圖1 新建區(qū)間盾構(gòu)下穿地鐵2號線建設(shè)三路站縱斷面圖（單位:m）

1.2 施工環(huán)境

接收端盾構(gòu)需穿越管線包括：（1）DN600混凝土給水管，埋深1.4 m；（2）DN400混凝土污水管，埋深3.0 m；（3）DN1200混凝土雨水管，埋深1.5 m；（4）DN160PE燃?xì)夤?，埋?.7 m。

在隧道接收階段，地鐵2號線處于運營狀態(tài)，盾構(gòu)機需全斷面削切地鐵2號線2道800 mm地下連續(xù)墻，開挖直徑6 470 mm，穿越凈距4.26 m。

另外，新建地鐵7號線盾構(gòu)接收井在基坑開挖階段曾出現(xiàn)滲漏問題，搶險時接收端擬加固區(qū)域采取了應(yīng)急注漿等措施，導(dǎo)致洞口土體中存在應(yīng)急注漿遺留的水泥硬塊。

1.3 確定加固方式

本次盾構(gòu)接收端水平加固長度為21.44 m，包括地鐵2號線建設(shè)三路站底板寬度18.5 m，7號線地下連續(xù)墻厚1.2 m，2號線建設(shè)三路站地下連續(xù)墻厚0.8 m，2道地下連續(xù)墻之間夾層0.94 m。

盾構(gòu)隧道端頭常用的加固方式有水泥土高壓旋噴法、深層攪拌法、凍結(jié)法、注漿法等，當(dāng)受條件限制，無法從地面垂直加固時，洞門水平加固可采用凍結(jié)法和超前管棚注漿法。由于現(xiàn)場只能從接收井的單側(cè)水平施工，目前國內(nèi)人工水平凍結(jié)法和超前管棚注漿法無法滿足本次超長段水平加固的質(zhì)量要求，在加固體遠(yuǎn)端，2種工法的加固效果和可靠性大幅度減小，同時凍結(jié)法存在凍脹和融沉的風(fēng)險，管棚注漿法則存在因擠壓土體而造成的隆起風(fēng)險。若采用MJS工法，則可在滿足土體加固質(zhì)量的前提下，進行單側(cè)長距離水平加固，有效控制土體變形，確保盾構(gòu)安全接收。

本次接收端洞口水平加固MJS樁設(shè)計為直徑2 400 mm、橫向間距1 700 mm、豎向間距700 mm、水平180°向下半圓噴射。從下到上逐層跳樁施工，左線70根；右線65根。技術(shù)參數(shù)：（1）漿壓力不小于40 MPa；（2）空氣流量1～2 m3/min；（3）氣壓力0.7 MPa；（4）地內(nèi)壓力設(shè)置系數(shù)1.3～1.6（視地質(zhì)情況適當(dāng)進行調(diào)節(jié)和控制）；（5）成樁水平度誤差不大于1/100；（6）水泥用量1.65 t/m（半圓）；（7）回抽速度20 min/m（半圓）；（8）漿液流量85～100 L/min；（9）漿液配比中，水與水泥的質(zhì)量比為1∶1。

水平MJS樁位布置見圖2。

圖2 水平MJ S樁位布置圖（圖中a、b分別代表2臺MJ S設(shè)備，數(shù)字編號代表注漿順序）

2 施工難點及解決措施

2.1 洞門側(cè)面水平作業(yè)空間受限

因擬加固洞門鋼圈外側(cè)距側(cè)墻僅0.67 m，而本次采用MJS-65CVH設(shè)備寬度為2 m，無法滿足既有設(shè)備作業(yè)施工需求。

解決措施：本次施工對MJS機架設(shè)備進行改造，去除設(shè)備支腿，使樁心水平方向與連續(xù)墻最小距離縮至0.6 m，使加固范圍滿足“左線左側(cè)、右線右側(cè)受結(jié)構(gòu)界限影響部分盾構(gòu)開挖圓周外加固體最薄弱處應(yīng)至少達(dá)到1.2 m”的要求。

2.2 MJ S水平加固噴漿盲區(qū)處理

MJS切削鉆頭（前端裝置）的注漿噴射口與前端鉆頭存在一段距離，常規(guī)均是通過往前鉆進來抵消噴射盲區(qū)。本工程加固前端是運營狀態(tài)的地鐵2號線地下連續(xù)墻，無法往前超鉆，因此注漿噴嘴到鉆頭前段距離存在加固盲區(qū)。

解決措施：水平MJS噴漿時漿液噴射有前置2.5°的角度，因此在噴嘴距地下連續(xù)墻8 cm時，可將漿液噴至地下連續(xù)墻，形成加固體。本次施工時改造了MJS切削鉆頭，通過在鉆頭前端新增1處注漿噴射口，使MJS切削鉆頭具備雙注漿噴射口；同時在噴射樁頂時，延長噴射時間，通過漿液流動，帶走樁體上部泥土，達(dá)到置換效果，從而消除加固盲區(qū)。水平MJS前端切削鉆頭雙注漿噴射口改造示意圖見圖3。

圖3 水平MJ S前端切削鉆頭雙注漿噴射口改造示意圖

2.3 超深引孔防噴涌控制

本次水平MJS施工引孔最大埋深27 m。施工前，先使用直徑200 mm水平鉆機鉆進穿越2道地下連續(xù)墻和中間間隙；完成障礙區(qū)水平引孔后，回退更換MJS設(shè)備機架，采取自成孔鉆進。水平鉆機引孔及水平MJS自成孔鉆進過程中，存在外部水土涌入基坑的風(fēng)險。

解決措施：水平鉆機鉆孔不鉆穿2道地下連續(xù)墻，保留20 cm，然后在孔口將防噴涌裝置的法蘭部分與地下連續(xù)墻鋼筋焊接，安裝上防噴涌裝置的前段部分及閥門。在水平鉆機鉆穿地下連續(xù)墻后，此舉可保證鉆機被順利拔出，在外部水土涌入前及時關(guān)閉防噴涌裝置閥門。水平鉆機鉆孔完成后，再安裝上防噴涌裝置的管口器部分，其內(nèi)安裝有2道O型密封圈，后續(xù)MJS自引孔和噴漿施工時，鉆桿與密封圈可形成良好密封。水平MJS防噴涌裝置安裝示意圖見圖4。

圖4 水平MJ S防噴涌裝置安裝示意圖（單位：mm）

3 特殊工況下試樁出現(xiàn)的主要問題

選用左線La1和右線Ra1樁作為試樁，2臺設(shè)備同時進行施工，地下連續(xù)墻引孔、防噴涌裝置安裝則提前完成，不占用成樁施工時間。多孔管鉆進引孔用時4.75 h，噴漿用時28.8 h，其中故障處理用時10.57 h，有效噴漿時間18.23 h。在超深擾動土體中，試樁過程中出現(xiàn)各類故障，反復(fù)進行拆桿、維修、重新鉆進等過程，極大地降低了施工工效。對試樁過程中出現(xiàn)的各類施工故障進行統(tǒng)計分析，發(fā)現(xiàn)故障主要包括：（1）回漿系統(tǒng)故障；（2）多孔管接駁故障；（3）泥漿排放系統(tǒng)故障；（4）動力頭基座移位。

水平MJS試樁施工故障統(tǒng)計圖見圖5。

圖5 水平MJ S試樁施工故障統(tǒng)計圖

4 解決主要問題的關(guān)鍵技術(shù)措施

4.1 在擾動土體中回漿系統(tǒng)故障頻繁

本次MJS加固土體為⑥1淤泥質(zhì)黏土夾粉土。由于在前期基坑搶險過程中采取了應(yīng)急注漿，同時地鐵2號線地下連續(xù)墻和底板施工也存在擾動，導(dǎo)致該加固土體區(qū)域存在大量水泥硬塊。在MJS噴漿過程中，水泥硬塊和泥漿一起從排泥口吸入，堵塞排泥口或者被吸入排泥管，造成回漿閥門、回漿管、回漿泵等回漿系統(tǒng)反復(fù)出現(xiàn)故障，導(dǎo)致回漿不暢。若強制噴漿不排漿，漿液來不及擴散，將會造成外部土體土壓上升，上方地鐵2號線結(jié)構(gòu)隆起報警。

關(guān)鍵技術(shù)措施：（1）操作鉆頭啟閉排漿閘門，控制排漿口大小；（2）在鉆頭排漿口內(nèi)側(cè)加裝過濾塞。以上措施可以有效阻止大顆粒硬塊進入排泥管，施工中如遇到水泥硬塊吸附在排漿口，可通過回拔和旋轉(zhuǎn)多孔管來解決。

4.2 長距離多孔管接駁失效

MJS鉆桿由多孔管（多節(jié)組成，每節(jié)長1.5 m）與前端專用工具管連接，采用螺栓連接方式。長度為21.44 m的水平鉆桿受自重影響，會產(chǎn)生一定撓度；同時噴漿回拔過程受土體摩阻力影響，鉆桿存在偏心受拉。因此，水平鉆桿薄弱節(jié)點為螺栓連接處，施工中經(jīng)常出現(xiàn)多孔管螺栓連接處駁接失效，具體表現(xiàn)為多孔管駁接處漿液和空氣噴出、數(shù)據(jù)傳感器接頭失效、多孔管各管路密封圈損壞等。

關(guān)鍵技術(shù)措施：（1）噴漿回拔拆管過程，可以采取2節(jié)或者多節(jié)多孔管整體拆卸，以減少駁接數(shù)量；（2）現(xiàn)場配備專門管架，用于擺放多孔管，避免因雜亂堆放而致使泥土、砂石等雜物再次進入清理完成的多孔管；（3）多臺MJS設(shè)備同時施工，保證各自設(shè)備使用固定的1套多孔管，避免因交叉使用使密封鍥合度不一樣而造成的駁接失效；（4）現(xiàn)場配備鉆桿試驗臺，鉆進前檢查鉆桿和液壓單向閥的完整性，避免在所有鉆桿安裝完成后，因噴漿時發(fā)現(xiàn)多孔管“串漿”而進行盲目排查。

4.3 深基坑泥漿排放困難

水平MJS噴漿加固過程中，為控制和觀察回漿量，需反復(fù)啟閉回漿管閘門。當(dāng)回漿不暢時，要關(guān)閉回漿管閘門，用“憋氣”來增加對回漿的吸力。受該工序限制，現(xiàn)場配備敞口泥漿箱，排放到泥漿箱的泥漿再輸送到干化設(shè)備或者運出。垂直MJS地面加固排放泥漿能及時外輸，但在深基坑內(nèi)存在高差大、作業(yè)空間受限等制約，中轉(zhuǎn)泥漿箱容量受限，大揚程泥漿輸送效率低，導(dǎo)致排漿跟不上，泥漿外溢，被迫暫停加固工序。

關(guān)鍵技術(shù)措施：（1）在深基坑布置硬質(zhì)鋼管密閉式泥漿排放系統(tǒng)，中間可根據(jù)實際情況設(shè)置中繼泵，以有效解決軟管泥漿排放系統(tǒng)中的泥漿泵揚程不夠、軟管破裂泥漿外溢等問題；（2）基坑內(nèi)泥漿箱配備攪拌設(shè)備，并加入適量膨潤土或聚丙烯酰胺等高分子改良劑來增加泥漿的和易性，可有效解決因泥沙沉積而導(dǎo)致的排漿不暢難題。

4.4 改造設(shè)備動力頭基座固定困難及對中不精準(zhǔn)

本工程采用的MJS動力頭機架設(shè)備支腿被去除，現(xiàn)場采用鋼筋電焊方式固定動力頭加固設(shè)備，提供鉆桿鉆進和噴漿靜拔的反力。因施工現(xiàn)場潮濕及不均勻受力，鋼筋焊接固定動力頭的焊點被頻繁拉斷脫焊，動力頭移位，只能中斷加固施工，重新退出鉆桿、對中調(diào)平，極大地降低了施工工效。同時改造后的動力頭基座對中移位只能借助外部吊裝，其自身無法在水平和豎直方向上進行微調(diào)，而吊車通過吊帶移位笨重的動力頭基座來對中擬加固孔洞并不精準(zhǔn)，操作難度大。

關(guān)鍵技術(shù)措施：現(xiàn)場配備液壓提升臺[6]，液壓提升臺是通過剪叉式結(jié)構(gòu)承重，利用液壓油缸的伸縮來自動完成平臺升降、均勻負(fù)載等一系列工序和任務(wù)的。在液壓提升臺上設(shè)置牢靠限位，可有效解決動力頭基座移位問題，通過油壓均勻控制升降高度，微調(diào)操作后保證多孔管精確對中擬加固孔洞。

5 施工成效

解決了水平MJS工法在作業(yè)空間受限、加固土體被擾動等復(fù)雜情況下超深基坑中施工的主要問題后，同時現(xiàn)場配備充足卡瓦、油接頭、電磁閥、編碼器、標(biāo)尺、數(shù)據(jù)線等各類設(shè)備易損件，施工工效得以大大提高，確保1臺水平MJS設(shè)備每天能完成1根樁，最終如期順利完成本項目，確保盾構(gòu)安全接收。與此同時，通過施工過程中及后期的監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，上方地鐵2號線車站和周邊管線的水平位移量及沉降量均未超過報警值。

6 結(jié) 語

（1）在存在水泥硬塊的擾動土體中進行水平MJS工法土體加固，通過在鉆頭排漿口內(nèi)側(cè)加裝過濾塞、靈活調(diào)整排漿口大小，可有效解決雜物進入排漿通道而造成的堵塞問題。

（2）遇到加固遠(yuǎn)端存在地下結(jié)構(gòu)時，水平MJS切削鉆頭無法往前超鉆，可在鉆頭前端新增1處注漿噴射口，同時延長噴射時間，可達(dá)到消除加固盲區(qū)，實現(xiàn)與遠(yuǎn)端地下結(jié)構(gòu)搭接的效果。

（3）防噴涌裝置分閥門和管口器兩部分安裝，可有效實現(xiàn)加固近端的人工水平鉆機鉆孔與水平MJS自引孔安全銜接，同時管口器內(nèi)安裝的3排O型密封圈可使鉆桿與密封圈形成良好密封。

（4）借鑒盾構(gòu)、頂管封閉式泥漿排放管路系統(tǒng)成熟工藝，超深基坑中水平MJS工法的泥漿采取硬質(zhì)鋼管密閉式輸送，同時加入適量膨潤土或聚丙烯酰胺等高分子改良劑來增加泥漿的和易性，可有效解決超深基坑水平MJS工法泥漿排放的難題。