王占生，汪 慶，張宗超，李聞韜

（1.蘇州市軌道交通建設(shè)有限公司，江蘇蘇州 215004；2.蘇州大學(xué)，江蘇蘇州 215031；3.江蘇省智慧城軌工程研究中心，江蘇蘇州 215031；4.中鐵十六局集團(tuán)北京軌道交通工程建設(shè)有限公司，北京 100018）

1 研究背景

隨著我國(guó)城市化進(jìn)程的迅速推進(jìn)，地鐵網(wǎng)絡(luò)變得越發(fā)復(fù)雜，新舊地鐵隧道在空間中交錯(cuò)是地鐵設(shè)計(jì)中必須解決的實(shí)際問題。全方位高壓噴射注漿工法(metro jet system，MJS)是傳統(tǒng)高壓旋噴工藝的進(jìn)一步升級(jí)。MJS 優(yōu)點(diǎn)在于利用多孔管增大了噴射壓力，增加了排泥裝置，可通過鉆頭部位設(shè)置的土壓力監(jiān)測(cè)裝置，使施工處于有效控制狀態(tài)。因此，MJS 樁體可有效提高土體自穩(wěn)能力，最大限度降低施工對(duì)地鐵站廳以及隧道穿越的影響[1-2]。近年來，MJS 工法被廣泛應(yīng)用于地下工程領(lǐng)域和地鐵建設(shè)，如下穿京沈高鐵水平MJS地基處理工程[3]、上海輕軌車站換乘通道加固工程[4]、長(zhǎng)沙軌道交通4 號(hào)線下穿既有2 號(hào)線運(yùn)營(yíng)區(qū)[5]等。

水平MJS 注漿壓力高達(dá)幾十兆帕，成樁期間對(duì)周邊地層會(huì)產(chǎn)生較大擾動(dòng)，包括引發(fā)較大的超靜孔隙水壓力和土壓力，導(dǎo)致周邊水位變化與地層變形，給周邊環(huán)境帶來較多不利影響。一些學(xué)者研究了高壓旋噴樁施工對(duì)周邊環(huán)境的影響[6-7]。王志豐等[8]采用現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的方法研究了水平旋噴成樁引起超靜孔隙水壓力的變化規(guī)律；COULTER 等[9]基于瑞士Aescher 隧道施工的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，借助有限元方法研究了采用水平旋噴樁超前支護(hù)工法對(duì)周邊地層變形的控制效果。現(xiàn)有研究主要集中于高壓傳統(tǒng)旋噴對(duì)周邊環(huán)境影響，對(duì)水平MJS 樁施工對(duì)周邊環(huán)境影響，及成樁引起超靜孔隙水壓力、土壓力、水位等變化規(guī)律研究相對(duì)較少。為有效控制地層擾動(dòng)，減少M(fèi)JS 樁施工對(duì)既有建筑的影響，有必要對(duì)水平MJS 噴漿對(duì)周邊環(huán)境的作用進(jìn)行深入研究。

本文依托蘇州軌道交通6 號(hào)線項(xiàng)目，該線路需盾構(gòu)穿越1 號(hào)線既有車站，因未預(yù)留穿越條件，擬采用水平MJS 對(duì)既有車站底部進(jìn)行加固。目前我國(guó)已有地下結(jié)構(gòu)工程建設(shè)較少采用水平MJS 加固，在蘇州地區(qū)尚無先例。為研究長(zhǎng)距離水平MJS 工法在蘇州典型粉砂地層中施工的可行性以及MJS 施工過程中對(duì)周圍環(huán)境的影響，本文選擇附近具有相似地層的蘇州軌道交通6 號(hào)線蘇錦站進(jìn)行水平MJS 試樁現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。研究結(jié)果可為蘇州軌道交通6號(hào)線穿越1號(hào)線車站的水平MJS工法正式施工提供支撐，亦可為水平MJS 在粉砂地層中的加固工程提供參考。

2 工程概況

蘇州軌道交通6 號(hào)線某地鐵車站采用地下3 層帶雙停車線島式設(shè)計(jì)，車站總長(zhǎng)516 m，標(biāo)準(zhǔn)段寬23.1 m，車站基坑采取分段施工，共劃分A、B、C、D 4 個(gè)施工段，基坑間用地下連續(xù)墻分隔，如圖1 所示。試樁區(qū)域位于基坑A 的東側(cè)，緊鄰基坑A、D 間隔墻，西側(cè)距車站西端頭約138 m。試樁監(jiān)測(cè)區(qū)域布置范圍為一個(gè)34.6 m×14 m 的矩形，其中第1 艙東側(cè)用于存放MJS 施工時(shí)的泥漿排放池。試樁場(chǎng)地地層主要分布(見圖2)有4-2 粉砂，土層物理力學(xué)參數(shù)如表1 所示。

表1 土體物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Physical and mechanical parameters of soil

圖1 工程平面布置Figure 1 Engineering layout plan

圖2 試樁場(chǎng)地地質(zhì)剖面Figure 2 Geological profile of test pile site

3 試樁方案

因本次試樁受條件限制，本文僅討論粉砂層中的P3 樁(現(xiàn)場(chǎng)施工見圖3)，《全方位高壓噴射注漿技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(DG/TJ08—2289—2019)[10]中規(guī)定的施工參數(shù)與水平MJS 試樁的施工參數(shù)如表2 和表3 所示。與規(guī)范中的參數(shù)相比，本次試樁采用通用性較好的長(zhǎng)距離變參數(shù)施工方法。試樁采用向下180°擺噴，其中P3 包含4段不同參數(shù)的樁段，具體成樁位置如圖4 和圖5 所示，MJS 試樁參數(shù)的變量項(xiàng)目為流量大小、是否有主氣、是否有上切削水或上切削膨潤(rùn)土漿液及回抽速度變量。

表2 《全方位高壓噴射注漿技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》MJS 水平樁施工參數(shù)Table 2 Technical specification for omnibearing highpressure jet grouting MJS horizontal pile construction parameters

表3 MJS 水平試樁施工參數(shù)Table 3 Construction parameters of MJS horizontal piles for testing piles

圖3 水平MJS 現(xiàn)場(chǎng)施工Figure 3 Horizontal MJS Site construction drawing

圖4 P3 樁監(jiān)測(cè)布置Figure 4 Monitoring layout of P3 pile

圖5 P3 噴漿時(shí)地內(nèi)壓力變化Figure 5 Changes in ground pressure during P3 spraying

本測(cè)試?yán)脠?chǎng)地原有疏干井和降壓井，放入自動(dòng)化水位計(jì)監(jiān)測(cè)水位。其中SW19、SW21、SW22 為疏干井，深度為30 m，承壓水降壓井，深度為45 m。采用振弦式孔隙水壓力計(jì)監(jiān)測(cè)土體中孔隙水壓力的變化；采用振弦式土壓力盒監(jiān)測(cè)土體中豎向土壓力的變化。采用固定式測(cè)斜儀監(jiān)測(cè)深層土體水平位移，旨在研究水平MJS 樁噴射時(shí)的影響范圍，并了解噴射后土體的反應(yīng)。

如圖4 所示，TPnB 每孔放置2 個(gè)孔隙水壓力計(jì)，深度分別為-17.5 m(粉質(zhì)黏土)和-21.5 m(黏土)，TPnA、TPnC 每孔放置 3 個(gè)孔隙水壓力計(jì)，深度分別為-15.5 m(粉砂層)和-19.5 m(粉質(zhì)黏土)、-23.5 m(粉質(zhì)黏土)。土壓力計(jì)埋設(shè)在P3 樁周圍，每孔埋設(shè)3 個(gè)深度分別為-11.3、-15.3、-17.3 m 的土壓力計(jì)。測(cè)斜管布置在樁兩側(cè)，南側(cè)的測(cè)斜管距P3 樁中心3 m，北側(cè)的測(cè)斜管距P3 樁中心4.5 m。為防止測(cè)斜管過深誘發(fā)管涌，測(cè)斜管深度設(shè)置為底板深度(-24 m)。

以粉砂層中P3 樁為例(見圖4)，P3 為本次測(cè)試的第3 根MJS 樁，施工時(shí)間為2021 年8 月22 日21:30—2021年8 月26 日15:00，歷時(shí)109.5 h，其深度為14.5 m，全部位于4-2 粉砂中。圖中I、III 和IV 分別表示施工P3-I、P3-III 和P3-IV 對(duì)應(yīng)的時(shí)間段。第1 段P3-I 僅施工5.5 m，第2 段P3-II 沒有噴漿，第3 段P3-III 施工4 m，第4 段P3-IV 在回退3 m 后施工4 m，原因是發(fā)生了抱鉆。

4 監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

4.1 地內(nèi)壓力變化

地內(nèi)壓力變化見圖5，第1 段P3-I 噴漿時(shí)的地內(nèi)壓力總體呈增加趨勢(shì)，從0.07 MPa 增加到0.18 MPa左右。第3 段P3-III 中地內(nèi)壓力在0.2 MPa 左右，與第1 段基本持平，第3 段P3-III 在噴漿過程中發(fā)生抱鉆，在第4 段P3-IV 的地內(nèi)壓力仍較大，在0.2 MPa左右。抱鉆是因?yàn)閲姖{壓力大(40 MPa)，噴漿時(shí)易擾動(dòng)周邊土體，并且由于粉砂土黏聚力不足，砂性土質(zhì)自立性差，黏聚力低，擾動(dòng)后易流動(dòng)，產(chǎn)生塌孔和抱鉆等不良因素。砂層中抱鉆會(huì)導(dǎo)致成樁不均勻、斷樁等情況發(fā)生，影響成樁質(zhì)量。為了防止塌孔和抱鉆現(xiàn)象發(fā)生，后續(xù)試樁時(shí)在水泥漿液(水灰比1∶1)中加入3%摻量、黏度22 s 的膨潤(rùn)土，可潤(rùn)滑鉆桿增加土體黏聚力。

4.2 水位變化

噴漿時(shí)水位變化見圖6，第1 段噴漿時(shí)，因地內(nèi)壓力從0.07 MPa 增加到0.18 MPa 左右，水位總體呈上升趨勢(shì)。因?yàn)?-2 粉砂層滲透性高，噴漿噴出的水快速滲透到土層中，抬升了地下水位，第1 段噴漿引起的水位上升最大為3.6 m(SW22)，第1 段中最后一節(jié)鉆桿噴漿時(shí)發(fā)生抱鉆，鉆桿回退到第3 段處。第3 段噴漿時(shí)，測(cè)點(diǎn)處水位已從最高點(diǎn)下降了約1.5 m，第3段開始噴漿后，由于地內(nèi)壓力處于較高值(0.2 MPa)，水位以之前下降時(shí)相似的速率回升，最多上升1.2 m。第3 段的最后一根鉆桿噴施時(shí)再次發(fā)生抱鉆，在回退過程中于8 月26 日12 時(shí)左右短暫試噴，水位因此升高1.2 m，回退到第4 段時(shí)正式噴漿。因第4 段距水位監(jiān)測(cè)點(diǎn)較遠(yuǎn)，各測(cè)點(diǎn)的水位都呈下降趨勢(shì)。因此，噴漿導(dǎo)致地下水位上升，停止噴漿后地下水位下降。

圖6 P3 引孔及噴漿過程中水位變化Figure 6 Changes in water level in P3 pilot hole and shotcreting

4.3 孔隙水壓力變化

以粉砂層中P3樁噴漿時(shí)孔隙水壓變化為例(見圖7)，由于4-2 粉砂層的滲透性強(qiáng)，超孔隙水壓力擴(kuò)散范圍大，但局部影響幅度較小。第1 段噴漿時(shí)，地內(nèi)壓力處于較高值(0.18 MPa)，第1 艙淺層的孔壓TP1A-5(-15.5 m)、TP1B-4(-17.5 m)、TP1C-3(-15.5 m)表現(xiàn)一致，整體呈增加趨勢(shì)，與水位的變化相吻合(見圖6)，上述3 處孔壓在第1 段噴漿結(jié)束后達(dá)到峰值，平均增加了46.1 kPa。第3 段噴漿時(shí)，第3 艙中的孔壓TP3A-5(-15.5 m)、TP3B-4(-16 m)、TP3C-3(-15.5 m)的整體呈增加趨勢(shì)，由于地內(nèi)壓力最大可達(dá)0.2 MPa，導(dǎo)致TP3C-3(-15.5 m)附近發(fā)生冒漿，使其增加約40 kPa。第4 段噴漿時(shí)，由于沒有噴同軸空氣，噴漿的影響范圍較小(見圖7)，使TP4A-5(-15.5 m)、TP4B-4(-17.5 m)呈緩慢下降的趨勢(shì)，變化量在10 kPa 內(nèi)。因此，本次施工中大部分孔隙水壓力的變化趨勢(shì)與水位的變化趨勢(shì)相同，噴漿使孔壓上升，停止噴漿后孔壓下降。冒漿是因?yàn)橥馏w間存在大量空隙與空洞，漿液與同軸空氣的壓力不能被土體本身平衡，它們通過土體中既有的薄弱點(diǎn)涌上地表，根據(jù)既有監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)圖5 和圖6 與施工參數(shù)對(duì)比分析，噴漿過程中地內(nèi)壓力與孔隙水壓力突然增大會(huì)導(dǎo)致冒漿現(xiàn)象發(fā)生，因此在實(shí)際的粉砂層中施工出現(xiàn)冒漿冒氣現(xiàn)象時(shí)，應(yīng)關(guān)閉同軸空氣，控制地內(nèi)壓力，防止冒漿現(xiàn)象發(fā)生。

4.4 土壓力變化

P3樁MJS 成樁過程中土壓力盒測(cè)得的土壓力如圖8 所示。位于第1 段與第2 段間，其中SP1-2 從113.8 kPa 增加到154.4 kPa，SP1-3 從96.7 kPa 增加到124.1 kPa。第3 段噴漿時(shí)(見圖8)，SP3-2(-14.2 m)、SP3-3(-11.3 m)的變化趨勢(shì)與TP3A-5(-15.5 m)、TP3B-4(-16 m)、TP3C-3(-15.5 m)一致，主要反映了水位的變化。由于此段開啟上切削水，且回抽速度為47 mm/min，均小于第1、4 段，導(dǎo)致地內(nèi)壓力偏大，使噴漿口上部的土壓力盒承受漿液的沖擊作用影響，土壓的變化幅度明顯大于同艙內(nèi)的孔壓，10 min 內(nèi)最大變化達(dá)40 kPa(SP3-2)。第4 段噴漿時(shí)，SP4-2(-14.2 m)、SP4-3 (-11.3 m)的變化趨勢(shì)與第4 艙淺部的孔壓一致，呈下降趨勢(shì)，因?yàn)闆]有噴同軸空氣，噴漿的影響范圍較小?？傮w而言，土壓力的變化趨勢(shì)與孔壓一致，土壓的變化主要反映了水位的變化，在粉砂層施工時(shí)，為了控制噴漿時(shí)的影響范圍，建議設(shè)置回抽速度為50 mm/min，并關(guān)閉同軸空氣。

4.5 土體深層水平位移

以P3 第1 倉為例，圖9 為引孔和噴漿時(shí)深層土體水平位移的累計(jì)變化，縱坐標(biāo)的0 刻度表示相對(duì)于原始地面-1 m 深度處。P3 的噴漿口位于-14.5 m 深度處，即圖中-13.5 m 深度處，在4-2 粉砂層中，其中本節(jié)標(biāo)高均對(duì)應(yīng)圖中標(biāo)高。內(nèi)傾指向基坑中心，外傾指向基坑外。對(duì)于CX1A 和CX1B，在引孔過程中，-3～-15 m 埋深測(cè)點(diǎn)發(fā)生最大1.2 mm 的內(nèi)傾，據(jù)施工記錄引孔時(shí)多次遇到阻力不同現(xiàn)象(鉆桿扭矩大于5 MPa)，推測(cè)此時(shí)可能發(fā)生塌孔，周圍土體向鉆桿移動(dòng)。噴漿時(shí)，-4～-13 m 埋深CX1B 測(cè)點(diǎn)處發(fā)生最大2.2 mm (深度-8 m)的內(nèi)傾，推測(cè)此時(shí)可能發(fā)生塌孔，導(dǎo)致周圍土體向鉆桿移動(dòng)。

圖9 P3 各段噴漿完成后第1 艙土體深層水平位移Figure 9 Deep horizontal displacement of soil in the first cabin after completion of each section of P3

總體而言，塌孔是影響深層土體水平位移的首要因素，而塌孔主要由于粉砂層黏聚力小，地下水流動(dòng)性強(qiáng)，土體自身的支撐能力較差造成。粉砂層中引孔易出現(xiàn)塌孔，導(dǎo)致測(cè)斜發(fā)生內(nèi)傾。噴漿時(shí)CX1A 測(cè)斜點(diǎn)的變化不明顯，原因是4-2 粉砂層具有較高滲透性(滲透系數(shù)為4.0×10-3cm/s)，并且多次抱鉆使得噴漿中斷，導(dǎo)致噴漿不連續(xù)。為了防止塌孔和抱鉆現(xiàn)象發(fā)生，后續(xù)試樁時(shí)在水泥漿液(水灰比1∶1)中加入3%摻量、黏度22 s 的膨潤(rùn)土，可潤(rùn)滑鉆桿增加土體黏聚力。結(jié)合地內(nèi)壓力和動(dòng)力頭扭矩一起判斷鉆桿附近土體壓力情況，控制動(dòng)力頭扭矩不超過5 MPa，以防過度擾動(dòng)周邊土體，保障施工安全。

4.6 施工監(jiān)測(cè)沉降

通過對(duì)蘇州地鐵8 號(hào)線時(shí)代廣場(chǎng)站水平MJS 施工期間車站底板沉降數(shù)據(jù)分析(見圖10)，得出在2 月3—13 日之間，水平MJS 按照試樁方案采用合理的施工參數(shù)，在水泥漿液(水灰比1∶1)中加入3%摻量、黏度22 s 的膨潤(rùn)土。在粉砂層中不可使用上切削水，同時(shí)控制回抽速度為50 mm/min?？刂频刮畨毫?～6 MPa，合理控制地內(nèi)壓力，控制動(dòng)力頭扭矩不超過5 MPa。既有車站底板累計(jì)最大沉降0.5 mm，最大隆起0.2 mm，最大變形速率0.7 mm/d，既有車站底板累計(jì)最大水平位移0.8 mm，最大變形速率0.5 mm/d，滿足規(guī)范《城市軌道交通結(jié)構(gòu)安全保護(hù)技術(shù)規(guī)程》[11]中規(guī)定的車站結(jié)構(gòu)沉降小于10 mm、隆起小于5 mm，水平位移小于10 mm 的控制要求。

圖10 水平MJS 噴漿過程中車站底板結(jié)構(gòu)累計(jì)位移Figure 10 Cumulative displacement of station floor structure during horizontal MJS shotcreting

5 結(jié)論

本文依托蘇州軌道交通6 號(hào)線蘇錦站富水粉砂地層中MJS 試樁工程，基于現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究了水平MJS成樁對(duì)地下水位、超靜孔隙水壓力、土壓力和深層水平位移的影響。

1) 本次P3 試樁噴漿位于4-2 粉砂層，滲透性高，噴漿液體速滲透到土層中，導(dǎo)致地下水位迅速升高，最大幅度為3.6 m。地下水位的上升幅度與地內(nèi)壓力和噴漿時(shí)間呈正相關(guān)關(guān)系。同時(shí)，孔壓和土壓的變化與地下水位的變化規(guī)律較為一致，噴漿使孔壓上升，停止噴漿后孔壓下降。

2) 在粉砂層進(jìn)行MJS 施工易發(fā)生抱鉆塌孔。受抱鉆塌孔影響，引孔時(shí)最大內(nèi)傾1.2 mm，影響區(qū)位于鉆桿所在的4-2 粉砂層和其上方的3-3 砂質(zhì)粉土層，噴漿時(shí)出現(xiàn)最大2.2 mm 的內(nèi)傾。

3) MJS 施工過程中，建議實(shí)際粉砂層施工時(shí)在粉砂層中不可使用上切削水，同時(shí)控制回抽速度為50 mm/min 以防止冒漿現(xiàn)象發(fā)生。在水泥漿液中加入適量膨潤(rùn)土，同時(shí)控制倒吸水壓力為5～6 MPa，控制動(dòng)力頭扭矩不超過5 MPa，可有效減少擾動(dòng)并防止抱鉆。蘇州地鐵8 號(hào)線水平MJS 施工期間嚴(yán)格按照上述建議值施工，既有車站底板累計(jì)最大沉降0.5 mm，最大隆起0.2 mm，最大水平位移0.8 mm，滿足規(guī)范要求。