水平MJS高壓旋噴樁在高鐵路基中的土體加固應用

段正綱，肖金水，肖瑞傳，弓毅偉，呂明豪

（1、廣東華隧建設(shè)集團股份有限公司 廣州510228；2、廣東省建筑工程集團有限公司 廣州510010；3、廣州地鐵集團有限公司 廣州510330）

0 引言

城市發(fā)展地下空間建設(shè)，地面原有建筑和復雜多變的地質(zhì)條件對地下空間建設(shè)產(chǎn)生了極大的限制。各種施工案例說明，地下空間可以被成功開發(fā)利用，但如何在埋深較淺、地層復雜，不影響地面建構(gòu)筑物和設(shè)施安全的條件下，水平方向?qū)ν馏w進行加固，目前仍然是開發(fā)地下空間的一大難題［1-4］。

目前地基加固領(lǐng)域，在淺埋復雜地層中的水平加固施工案例非常少見，傳統(tǒng)的加固方法難以在砂層與巖溶交錯復雜的地質(zhì)環(huán)境中實現(xiàn)大深度的加固［3，5］，更難以滿足加固施工沉降要求高的工程。

MJS 工法（Metro Jet System）-微擾動全方位高壓旋噴樁是源自日本的施工技術(shù)，該技術(shù)是一種在噴射口附近配置有地內(nèi)壓感應器和數(shù)控的液壓排泥閥，從而實現(xiàn)對鉆孔臨近地下設(shè)施、地表微變形的旋噴加固工法。MJS 工法的全方位、超高壓、大直徑、大深度、高精度、集中排泥、微擾動等優(yōu)點，在復雜多變的地質(zhì)和建構(gòu)筑物環(huán)境等不利施工條件下有著優(yōu)秀的適應性。

1 工程實例

廣州地鐵9號線3標，盾構(gòu)于砂層、黏土層、微風化灰?guī)r等地層中淺埋（隧道埋深約10 m）下穿武廣高鐵、京廣鐵路，下穿長度約110 m，如圖1 所示。盾構(gòu)掌子面地層主要為黏土層和粗砂層，掌子面下部1～2 m 范圍內(nèi)有微風化灰?guī)r，屬于上軟下硬地層。下穿過程中地面高鐵和鐵路維持正常運營，武廣高鐵運行時速為350 km/h ，京廣鐵路運行時速為160 km/h，這導致盾構(gòu)施工時對地表沉降控制要求極高，遠超《城市軌道交通工程監(jiān)測技術(shù)規(guī)范：GB 50911-2013》要求。

圖1 盾構(gòu)下穿武廣高鐵、京廣鐵路線路Fig.1 Shield Tunneling through Wuhan-Guangzhou High-speed Railway and Beijing-Guangzhou Railway Route

1.1 加固方案比選

下穿武廣高鐵、京廣高鐵隧道埋深約10 m，沉降控制要求0～-15 mm（武廣高鐵）；0～-20 mm（京廣鐵路），軌道范圍內(nèi)嚴防地面隆起。綜合考慮地層及地表環(huán)境因素，需要進行地層預加固處理后方可進行盾構(gòu)下穿施工。而武廣高鐵和京廣鐵路位于國家鐵路主干道之一，均為Ⅰ級繁忙干線，不允許進入站場內(nèi)部進行地面施工，僅能采取場外水平加固方案。

1.1.1 水平旋噴樁

水平旋噴樁，即在地層中以水平角度鉆進成孔，注漿管以水平角度進入鉆孔，鉆孔完成后設(shè)置在注漿管前端的噴嘴從孔道中同時倒退、旋轉(zhuǎn)、噴漿，比較適用于沙土、軟土等地層［5］。但是在其施工期間，為使得土體達到充分注漿效果，大量水泥漿注入圖層，產(chǎn)生劈裂、擠壓效應，從而引起土體內(nèi)部應力平衡發(fā)生改變，產(chǎn)生土體膨脹。這種膨脹會使一定范圍內(nèi)的土體發(fā)生變形，在黏土地層單管旋噴樁施工中甚至可以產(chǎn)生47 mm 的向上隆起［5-6］。在沉降控制上難以滿足本工程施工要求。

1.1.2 WSS工法

WSS注漿工法是通過特制二重管的端頭空室，將兩種可調(diào)節(jié)凝結(jié)時間的漿液混合、噴出，并達到擠水排水、固結(jié)土層的效果［1，5］。對動水軟弱地層封水效果較好，但是固結(jié)體強度不高，水平注漿施工控制不好容易造成地面隆起開裂，且水平注漿成孔精度較差。

1.1.3 MJS工法

MJS 工法的工作原理主要分為2 個部分：①鉆頭向前鉆進成孔；②鉆頭回抽滾動噴漿成樁。在鉆頭向前鉆進過程中，MJS 通過在密閉空間內(nèi)形成泥漿外循環(huán)維持鉆頭前方空間的水土壓力平衡，這和泥水平衡盾構(gòu)機的平衡原理相同。人們可以根據(jù)鉆桿前方的地內(nèi)壓傳感器悉知鉆桿前方水土壓力，通過調(diào)節(jié)泥漿濃度和流速建立鉆頭前方空間水土平衡。在鉆頭回抽噴漿成孔過程中，水泥漿通過全干前端設(shè)置的噴漿口噴入周圍土體，根據(jù)鉆進過程中的地內(nèi)壓力調(diào)整噴漿壓力，并按照預設(shè)角度噴射水泥漿，使水泥漿與原狀土充分混合攪拌形成新的加固體［5，7-8］。

MJS 工法施工流程包括場地平整、鉆機定位、施工放樣、引孔、高壓旋噴成樁、鉆桿拆卸及管路清洗、封孔，如圖2所示。

1.2 地層加固工法分析

相比于其他工法，MJS 以其前置的地內(nèi)壓感應器和泥漿調(diào)節(jié)裝置，可以實現(xiàn)調(diào)整鉆頭前方地內(nèi)壓，從而從地表沉降控制上明顯優(yōu)于其他幾種水平加固工法。且因其加固過程采用的是高壓旋噴水泥漿，形成的加固體強度也可以得到保證。而其他工法不能比擬的是，MJS 水平加固工法可以選擇任意旋噴角度，從而達到控制加固體形狀的目的。

1.3 MJS加固施工

圖2 MJS工法施工流程Fig.2 MJS Construction Method Construction Process

MJS 水平加固工法是在盾構(gòu)下穿鐵路、高鐵下方，隧道上方和側(cè)方進行長度約110 m 的MJS 水平樁加固。考慮到高鐵車站內(nèi)不能進場施工，采取在車站外部施作2個豎井基坑內(nèi)施作水平MJS水平旋噴樁的方案（見圖3）。樁體角度包括120°、160°，樁長約60 m，共施作MJS 水平旋噴樁112 根。MJS 水平加固工程設(shè)計樁徑2 m，搭接300 mm，樁長58.5 m、59.5 m，主要施工參數(shù)為注漿壓力≤40 MPa，空氣壓力0.7 MPa，空氣流量0.8 N·m3/min，提升步距25 mm，步進時間28 s。2#豎井MJS 水平樁施工段地面上的建構(gòu)筑物，包括京廣鐵路股道及站臺雨棚等；1#豎井MJS 水平樁施工段地面上的建構(gòu)筑物，主要包括武廣高鐵股道及站臺雨棚等，武廣高鐵為設(shè)計時速350 km/h的高速鐵路。

盾構(gòu)隧道所穿越地層（見圖4）主要為砂層〈3-2〉、〈3-3〉，粘土層〈4N-1〉、〈4N-2〉，殘積土層〈5C-2〉，隧道底局部穿越灰?guī)r〈9C-2〉，隧道下方基巖是石炭系下統(tǒng)大塘階石磴子組灰?guī)r，灰?guī)r中溶洞發(fā)育，多處鉆孔揭露的溶（土）洞處于盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)底板以下2 m左右的范圍內(nèi)；且由于隧道埋深較淺，隧底局部存在承載力特征值小于80 kPa淤泥質(zhì)土層〈4-2B〉。

1.4 鉆進注意事項

⑴砂層中采用獨特的糾偏鉆頭，通過合適的糾偏方式進行成孔糾偏。當鉆頭往上偏斜時，將鉆頭尖角朝下，適量排出下部渣土并左右旋轉(zhuǎn)切削土體；當鉆頭往下偏斜時則將鉆頭尖角朝上并左右旋轉(zhuǎn)；通過調(diào)節(jié)旋轉(zhuǎn)角度、排渣量和削孔水壓力，實現(xiàn)大深度高精度一次成孔。

圖3 MJS水平樁加固橫剖面Fig.3 Cross-section View of MJS Horizontal Pile Reinforcement （mm）

圖4 加固位置地質(zhì)Fig.4 Geological of the Reinforced Area

⑵在成孔施工中，通過觀察地內(nèi)壓數(shù)值突然升高或排渣物來判斷遇到粘土層，并計算出位置。在粘土層區(qū)采用削孔清水來、回反復切割土體，直至地內(nèi)壓力值恢復到正常范圍。

⑶當成孔過程中遇到巖溶及較硬地層時，采用牙輪鉆進行成孔，通過加快旋轉(zhuǎn)速度，增大旋轉(zhuǎn)角度，手動調(diào)節(jié)其前進后退將設(shè)備油壓控制在10 MPa 以內(nèi)，對鉆頭前方巖層進行摩擦切削，最終破穿巖層區(qū)。在巖層區(qū)反復多次擴孔，矯正鉆頭姿態(tài)控制偏斜，防止破穿巖層后姿態(tài)發(fā)生突變，從而導致地面沉降。

⑷成孔施工中，通過觀察地內(nèi)壓力值突然降低或鉆進阻力突然下降來判斷遇到溶洞，并計算出位置。然后將削孔嘴位置留在溶土洞處持續(xù)注入填充物，直至地內(nèi)壓力值恢復到正常范圍。噴漿施工中，因為噴漿壓力高，影響范圍大，存在將周邊溶洞擊穿的可能，可以根據(jù)地內(nèi)壓力值突然降低判斷溶洞被擊穿，同時在原地進行噴漿填充，直至地內(nèi)壓力值恢復至合理范圍，以此避免溶洞塌陷造成沉降，影響地面建構(gòu)筑物及設(shè)施安全。

⑸成孔施工遇有木塊時，勤測斜觀察鉆頭偏斜情況，及時注入填充物使控制地內(nèi)壓恢復到正常范圍。噴漿施工中，回噴至有木塊區(qū)域時，調(diào)整漿液填充時間，合理控制地內(nèi)壓值。

⑹成孔施工中，鉆進遇障礙物進尺速度明顯降低且旋轉(zhuǎn)油壓突增，更換牙輪鉆進行成孔。通過加快旋轉(zhuǎn)速度，增大旋轉(zhuǎn)角度，手動調(diào)節(jié)其前進后退將設(shè)備油壓控制在10 MPa 以內(nèi)。對鉆頭前方障礙物進行摩擦切削，通過障礙物后來、回反復擴孔，防止姿態(tài)突變。

旋噴樁施工完成后的抽芯實驗表明，樁身完整性和固結(jié)體強度最小為3.5 MPa，均滿足設(shè)計要求［5，9］，根據(jù)單樁施工過程中沉降監(jiān)控來看（見圖5），MJS 施工過程中引起地表沉降的主要為3 個部分，第1 部分為鉆進成孔過程，該過程引起的地表沉降變化可達0.2～0.3 mm；第2部分為退鉆成樁部分，該過程較上一過程引起的沉降量稍大，可能是高壓漿液擾動土體而造成的，沉降量可達0.1～0.5 mm，而在完成噴漿后混凝土收縮凝固的過程中也會引起沉降，沉降量可達0.1～0.5 mm。綜上所述，根據(jù)現(xiàn)場采用的全自動監(jiān)測地表沉降監(jiān)測系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)，MJS 水平樁施工期間，單樁的沉降可以控制在-1.59～0.28 mm 范圍內(nèi)，京廣鐵路累計沉降為-9.38～0.17 mm，武廣高鐵累計沉降為-4.88～0.74 mm，均滿足現(xiàn)場鐵路正常運行要求。

圖5 典型單樁沉降統(tǒng)計Fig.5 Settlement Statistics of Typical Single Pile

2 結(jié)語

廣州軌道交通9 號線3 標工程下穿武廣高鐵和京廣鐵路部位，地質(zhì)條件復雜，地面環(huán)境對沉降要求嚴苛，對多種預加固方案進行比選后，MJS 工法最適合該中砂層或者軟土地層下高沉降要求的加固施工，實踐證明，MJS 工法加固高鐵下方軟土地層和砂層，可在有效加固地層的前提下，滿足地表沉降小于5 mm的施工要求。

MJS 工法在鉆進時遇到硬巖時，卡鉆和鉆桿磨損現(xiàn)象頻發(fā)，現(xiàn)場采取對鉆頭進行改良后可以有效提高MJS成孔過程中的速度和精度。

現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，MJS 施工過程中，對沉降影響較大的主要在施工鉆孔過程和噴漿過程，其他的在噴漿完成后，混凝土收縮也會引起部分沉降，在MJS施工過程總，對于漿液的調(diào)配、鉆進成孔過程的技術(shù)控制和退鉆成樁過程的參數(shù)設(shè)置，是影響地面沉降的3個主要因素。