地鐵聯絡通道全方位超高壓噴射注漿法水平擴展試驗與應用研究

葉松明

1. 上海市基礎工程集團有限公司 上海 200002；2. 上海城市非開挖建造工程技術研究中心 上海 200002

1 水平MJS試驗背景工程概況

1.1 總體概況

上海市軌道交通17號線2標及兩側外掛項目，地址在青浦區淀山湖大道站內。軌交17號線工程2標段淀山湖大道站車站主體為地下2層島式站臺車站，平面尺寸為528.00 m×19.54 m，開挖深度約17 m，圍護為厚800 mm地下連續墻，設置1道混凝土支撐結合2道鋼支撐，分A1～A5共5個區，其南北兩側分別為萬達和東渡外掛基坑。

北側東渡外掛基坑和軌交17號線淀山湖大道站北側地下連續墻共墻，平面尺寸為420.0 m×29.3 m，開挖深度約11 m，地下1層，外掛北側和其北側開發空間共墻，圍護結構采用厚800 mm地下連續墻形式，設置1道混凝土支撐結合2道鋼支撐，初步設計考慮將北側外掛分為N1～N4共4個區。

南側外掛基坑和軌交17號線淀山湖大道站南側地下連續墻共墻，平面尺寸為397.0 m×28.7 m，開挖深度約10 m，地下1層，圍護為φ800 mm鉆孔排樁結合φ850 mm@600 mm三軸水泥土攪拌樁止水形式，設置1道混凝土支撐結合1道鋼支撐，初步設計考慮將南側外掛分為S1～S4共4個區（圖1、圖2）。

圖2 淀山湖大道站結合外掛基坑剖面示意

超高壓噴射注漿（MJS）水平試樁施工位于車站地下1層板上，垂直深度6～8 m，3號出入口位置，樁體水平深入萬達地塊外掛基坑內，有條件實現樁體暴露。萬達外掛基坑待建，設計方案一側利用車站地下連續墻，另一側采用灌注樁結合攪拌樁施工，底板深度8.8 m，寬度約30 m。

1.2 試樁場地地質水文條件

1.2.1 地質條件

基坑開挖范圍土層為①1、②1、③、⑥1-1、⑥1-2、⑥3、⑥3-1、⑥4、⑦1。本工程底板位于⑥2層中，圍護結構地下墻墻趾插入⑦1層土，西端頭井局部進入⑦2層。

MJS樁體位于外掛基坑開挖范圍土層，以⑥1-1為主。此土層滲透系數為2.0×10-6cm/s，低滲透性。

1.2.2 水文條件

擬建場地淺部土層中的地下水類型為潛水。建議地下水高水位埋深可取0.5 m，低水位埋深可取1.5 m。工程場地揭示有⑥2、⑥3t、⑦（含⑦1、⑦2層）層承壓含水層，埋深3.0～12.0 m。

2 狹小空間MJS水平試樁試驗研究

2.1 試樁目的

1）通過試驗，研究小型化MJS機械設備水平施工適用性及優化措施。

2）通過試驗，掌握MJS工法水平施工技術。

3）通過監測地表沉降和土體側向位移，研究MJS工法水平施工對周圍環境的影響。

4）通過明挖暴露樁體，確定此施工條件下，不同參數成樁效果。對比拓展，為以后設計、施工提供依據。

2.2 試樁設計及控制參數

MJS工法試樁施工計劃在地下1層底板上進行，樁體位于萬達外掛基坑內。考慮到避免施工對地下連續墻造成影響，位置選擇在出入口處，出入口寬度約為6 m。MJS采用自動化設備進行施工。

計劃1套設備進行試驗，MJS工法主機MJS-40VH-s，施工技術參數如表1所示。試樁角度分水平、仰角2種。水平樁樁長24 m（前段帶氣半圓16 m、后段不帶氣全圓8 m）；10°仰角樁樁長6 m（不帶氣全圓，仰角試樁根據現場條件決定是否試驗）；小鉆桿和大直徑水平樁樁長15 m（前段帶氣半圓10 m、后段不帶氣全圓5 m）；試樁共做4根，如表2所示。

施工安排：計劃施工工期為20 d，先做小噴嘴試樁2根（142鉆桿和90鉆桿各1根），142鉆桿樁長24 m，預計施工7 d；90鉆桿樁長15 m，預計施工5 d。然后做大噴嘴試樁1根，142鉆桿樁長15 m，預計施工5 d。仰角10°的MJS樁長6 m，預計施工3 d。

2.3 試樁施工技術要點

鉆孔施工流程為：測量定位→鉆孔及密封→鉆機就位→正常鉆進→測斜→糾偏→加桿鉆進→終孔。

2.3.1 鉆孔及密封

試樁位于地下水位以下，鉆孔時，為防止孔內涌水涌沙，孔口必須安設防噴裝置。先采用金剛石鉆頭鉆進，鉆至最外層鋼筋位置，預留混凝土保護層，拔出鉆頭及芯體，鑿毛至外層鋼筋暴露，焊接預留好孔洞的鋼板，然后將連接塊滿焊在鋼板上，周圍采用快凝水泥封閉，最后安裝孔口防噴裝置。

表1 MJS-40VH-s施工技術參數

表2 試樁統計

2.3.2 正常鉆進

引孔階段MJS工法機就位，調整位置、角度，保證鉆桿與孔口密封器中心一致。進行設備各部分檢查與調試，然后將注漿管放入密封裝置管內一定深度，隨后打開防噴閥門，讓注漿管穿過閥門進入，破除混凝土保護層后進入土體[1-3]。

鉆頭進入土體后，靜置一段時間，地內壓力數值穩定后，讀取壓力數值，數值符合要求后方可進行后續施工。鉆孔過程中啟動水泵并回轉鉆桿，回流水土混合物通過孔口密封器上的閥門釋放，收集泵送至泥漿處理系統。

2.3.3 過程控制

鉆進過程中，需經常對傾斜度進行測量，本次試驗測斜頻率每3 m進行1次，并在初始時測量初值，當偏差與初值大于0.6°時必須進行糾偏。

引起鉆孔偏斜的因素有很多，鉆桿自重、地質條件、鉆機性能、操作方法、已施工相鄰樁體強度等都會引起鉆孔偏斜。

2.3.4 偏斜的處理方法

1）糾偏法：加設糾偏鉆頭，根據測量偏差調整旋轉方向進行糾偏。

2）灌漿法：當發現偏斜超過規定要求且糾偏無效果時，灌注水泥黏土漿，等具有一定強度后再掃孔，并進行孔斜測量，直到達到要求。

2.3.5 噴漿

1）噴漿前先設置工藝參數，包括擺動角度、引拔速度、回轉數等，設定好之后，開始注漿施工。噴漿前用清水預掃，打開倒吸水和倒吸空氣，打開排泥閥門，在確認排漿正常后，開啟空壓機和高壓水泥泵。先用低壓清水噴射50 cm，然后把水切換成水泥漿。正式噴射時，注漿管重新下放到設計位置，各種參數均達到設計值時，開始正常施工。

2）施工時密切關注各施工參數及地內壓力，壓力不正常時，必須及時調整排泥閥大小控制地內壓力在安全范圍以內。如果排泥門正常打開時吸漿效果很差，可采取關閉排泥管上大閥門的悶氣措施來反沖排泥門上的障礙物，或利用清水切削，降低泥漿稠度，增加排泥效果及降低地內壓力。

3）拆卸注漿管時，應關閉水泥漿泵、主空氣、倒吸空氣、倒吸水流及排泥閥門。裝桿過程中，更換全部密封圈，并認真檢查確定無遺漏。試聯數據線看地內壓力顯示是否正常，發現問題應及時排除方可繼續噴漿。拆卸鉆桿后，需及時對鉆桿進行沖洗及保養。分段施工搭接長度100 mm。中斷時間較長時，恢復噴漿要搭接長度500 mm。

4）每根樁施工完畢后，關閉防噴閥門并通過閥門上的注漿孔進行補漿，本次試驗采用水泥-水玻璃雙液漿進行補漿。補漿完成12 h后，拆除孔口密封器，墻體磨平[4-6]。

2.3.6 廢漿處理

MJS工法通過主動吸泥，對泥漿進行集中收集及處理。施工中產生大量廢漿，廢漿是水、土、水泥的混合物，成分比重不穩定，與地質條件、施工參數有很大聯系。廢漿自然固化時間長，與成分、天氣、固化條件等密切相關。

本次試驗采用機械加速固化，泥漿分離器通過濾網對廢漿進行擠壓，實現水土分離，且將土體壓縮成塊，減少外運土體體積。

2.4 試樁監測及檢測

2.4.1 試樁監測

MJS工法最大優勢是減少對周邊環境的影響，而怎么動態控制及評價施工對周邊的影響，是一大難點。

本次試驗監測點包括地面監測點和土體監測點，委托專業監測單位進行。監測點布設原則為：

1）僅針對常規MJS水平施工樁進行監測。

2）沉降觀測監測點布置2排，為樁體正上方和距離樁體一側3 m處，每排均勻布置3個監測點。

3）測斜管進行側向位移監測，監測點距樁體中心分別為2 m和3 m，共設置5個監測點。

測點位按如下要求布置：

1）水平樁頂垂直位移監測：按設計及規范要求，根據施工監測方案和現場實際情況，水平樁頂垂直位移監測點共布設了6個，編號為DB1～DB6，為樁體正上方和距離樁體一側3 m處，每排均勻布置3個監測點，采用1 m長鋼筋，破除地面硬層后打入土體（圖3）。

圖3 監測布點平面示意

2）水平樁土體測斜：按設計及規范要求，根據施工監測方案和現場實際情況，布設了水平樁土體測斜孔5個，編號為CX1～CX5，測斜管埋深11 m，并預留15 d穩定期。

2.4.2 試樁檢測成果評價

對試驗成果的評價是技術研究的重要環節。本次試驗，不僅要掌握水平施工工藝，也要確定施工參數，為后期施工作參考。

由于試樁僅針對目前條件進行，參數選擇、土質條件、深度、數量等都有一定的限制性，成樁質量受眾多因素影響，試樁僅能確切反映此條件下的成果。所以試驗成果要結合現有技術標準、已有工程實例等，經過提煉形成成果報告。

成果收集的階段因受開挖條件，樁體完整性可能受到樁體硬化程度、機械設備、開挖方法的影響。開挖階段要引起重視，根據開挖進度，提前派人員進入協調開挖方法，保證樁體的完整程度，試驗成果收集的完整性。

3 試樁總結

3.1 試樁設備總結

3.1.1 小型化主機

本次試樁采用進口小型化設備MJS-40VH-s，小型化設備可旋轉角度115°，最小調節幅度10°，水平上下移動幅度30 cm。

經過試樁應用情況分析，MJS小型化主機，機械化程度高，操作順暢，能保證正常鉆孔及噴漿的需要。

優點：適用于角度0～110°的垂直、水平、傾斜施工；規避設備吊裝，對特殊區域適應性更好。可進行改良部分：單向旋轉，上下位移30 cm。

3.1.2 小型化鉆具

小型化鉆桿外徑90 mm，排泥孔內徑32 mm，標準桿250 mm，噴嘴有20°傾角。MJS小型化鉆桿，能實現MJS工法各項功能，整體可行，施工可操作性強。優點為：250 mm標準桿、90 mm鉆桿，空間適應性更強；20°傾斜噴嘴，利于近墻端噴漿盲區的處理。缺點為：排泥孔內徑32 mm，標準參數下廢漿回收不完全，測量手段受限；拆裝保養要求高，需專用工具。

3.1.3 糾偏鉆頭

引孔過程中，MJS鉆頭上加裝糾偏鉆頭進行引孔，在鉆進過程中分段進行測斜工作，根據測斜數據來決定是否進行糾偏。

實施過程中，24 m長樁經過3次摸索及改進，第4次成孔質量才達到要求。改進方案包括：

1）鉆頭改進，去除臺階、加小翅膀、加中央刀板；臺階易引起土體堆積，影響糾偏及引孔效果；小翅膀利于引孔用水順利回流；中央刀板將土體分割，利于排出。

2）預先糾偏，有傾斜傾向時，在未成孔區域糾偏引孔；在已成孔區域糾偏難度較大，在黏土層中當鉆頭角度偏斜在0.3°時，在未成孔區域以小角度0～45°旋轉糾偏引孔。

3）預設一定仰角，克服因重力作用引起的向下傾斜；在就位引孔階段預設一定上仰角度。

4）糾偏效果不佳時采取回灌水泥漿，在水泥漿硬化后重新引孔。

3.2 試樁方法總結

3.2.1 排泥控制

噴漿過程中關鍵點在于地內壓力控制，需要時刻觀察地內壓力變化，通過微調主機各項參數來調控地內壓力。在排泥不暢時需要暫停噴漿，采用改變空氣大小、清水切削、悶氣等措施進行處理，達標后再退回搭接位置恢復噴漿。

1）主空氣降低，回氣少量：主空氣在施工中，起到護漿和攪拌雙重作用，不可或缺。但主空氣過大，不利于地內壓力的控制，可適當降低主空氣流量。回氣在水平施工中，相對于垂直施工，對于排泥的作用減小，可調小。通過降低空氣輸入量，有效降低排泥管內空氣占比，廢漿排出能力將有所提高。

2）悶氣：悶氣是利用關閉安裝在排泥管的閥門，使回水、回氣等沖刷排泥口，清除排泥口處的雜物，保證最大排泥量。

3）清水切削：清水切削是利用更換噴漿介質，用清水掃噴，既起到切削土體作用，還可以稀釋廢漿，有效降低地內壓力。

3.2.2 引孔糾偏

3#樁第1次引孔至5.85 m時鉆頭向下偏差0.92°，開始糾偏，后退1.5～2.0 m，刀頭朝上小角度往前糾偏，往返8次，無效果。

第2次引孔至5.85 m時向下偏0.37°，預先糾偏，后退1.5 m，刀頭朝上左右各5°糾偏，測斜偏差0.26°，糾偏方法有效，繼續引孔。引孔至8.85 m，鉆頭向下偏0.8°，后退4 m，糾偏后1.03°，無效；后退3.5 m糾偏，糾偏后測斜，偏0.8°。拔出鉆頭，回灌水泥漿。

第3次引孔在4.5 m后采取糾偏鉆頭朝上糾偏打孔，引孔至13.5 m鉆頭向下偏1.15°，拔出鉆頭，回灌水泥漿。

第4次引孔初始頂角90.28°，引孔至13 m，頂角89.09°，經兩次糾偏頂角88.89°，鉆頭向下偏1.39°。拔出鉆頭發現糾偏鉆頭螺絲松動，更換后繼續引孔。在未成孔區域糾偏鉆頭刀頭朝上左右旋轉10°方式，糾偏打孔，有效地把鉆頭糾偏回來。

根據試樁反映，除了糾偏鉆頭的合理設計之外，糾偏方法更為重要。

1）糾偏旋轉角度控制：在引孔糾偏過程中，旋轉角度對糾偏效果影響較大，角度越大糾偏效果越差。

2）未成孔區域糾偏引孔：已成孔區域，切削下來的土體無法為糾偏擋板提供反力，糾偏效果很差，在未成孔區域糾偏，效果更為明顯。

3）偏差角度控制：偏差角度過大時，受鉆桿剛性導向影響，糾偏效果降低，鉆桿受力復雜，在發現偏差傾向時，就采取糾偏措施更為合理。

4）設定預仰角：水平施工主要傾斜因素為鉆桿自重影響導致的向下傾斜，可在開始引孔時，允許設定一定的上仰傾向。

3.2.3 主機固定

在引孔過程中，主機會隨著MJS鉆桿受力發生偏移，主機依靠千斤頂支撐，側向剛度小，受力易偏移，偏移不僅增加千斤頂破壞風險，也不利于成孔質量。

本次試驗采用底部增設膨脹螺栓、型鋼等措施，控制主機側向位移，起到了良好的效果。

3.2.4 廢漿處置

本次試驗采用泥漿分離器進行泥漿固化，應用效果良好，解決了施工場地受限情況下廢漿處置的難題。

本次試驗出土總量210 m3，泥漿輸入量253 m3，占比80%；根據陜西南路站北端頭井施工統計，水泥用量1 658 t，土方量4 944 m3，占比225%；大木橋路工地土方占比統計，工程量740 m3，理論水泥用量532 t，土方量1 856 m3，占比260%；新閘路西斯文里水泥用量7 808 t，土方量17 488 m3，占比169%；陜西南路與大木橋路為冬季施工，場地條件受限，新閘路廢漿處置條件較好。

對比結果顯示，使用泥漿分離器將至少降低50%出土量，也避免了廢漿處理對施工條件的限制，施工效益顯著。

3.3 試樁環境影響監測

3.3.1 垂直位移監測

自2016年7月21日進行第1次觀測，至8月3日最后一次觀測，情況分析如下：

在整個觀測過程中，水平樁頂垂直位移累計值在－0.8～7.0 mm之間。7月28日前垂直位移變化小，隨著水平樁的施工，樁頂垂直位移變化增大，最大值位于DB1，達到7.0 mm。7月31日結束施工，樁頂有略微沉降，后趨于穩定。整體水平樁頂垂直位移呈隆起狀，自北向南變化逐步增大（圖4）。

圖4 水平樁頂垂直位移監測點變化曲線

3.3.2 水平樁土體測斜

水平樁土體測斜自2016年7月21日開始，8月3日最后一次觀測，情況統計分析如下：

水平樁施工前土體略微向東側傾斜，隨著水平樁的施工，地下4～8 m，也就是水平樁施工位置，由于施工噴漿壓力致西側土體明顯向西傾斜，從變化曲線圖可以看出，整體變化自北向南逐步增大（圖5）。

圖5 CX3土體側向位移

4 結語

為充分掌握MJS工法樁施工工藝，拓展水平MJS工法工程應用，通過本次試樁試驗，結合開挖暴露直觀反映成樁情況，得出以下結論，可供后期工程設計及施工參考。

1）小型化設備。小型化MJS主機水平施工操作順暢，機械化程度高。相對常規主機，有適應于傾斜、水平施工的能力，且其尺寸更低，對環境的適應能力更強；但因其單面旋轉和上下位移小的特點，在部分區域的施工也將受限。建議增加上下位移能力及優化成雙面旋轉。MJS小型化鉆桿，能實現MJS工法各項功能，整體可行，施工可操作性強；但標準參數下廢漿回收不完全，測量手段受限。建議調整施工參數，匹配設備能力，或進行優化設計，增大排泥口徑，滿足排漿及常規測量需求。

2）與垂直施工相比，水平MJS施工關鍵技術在于孔口密封、成孔糾偏、地內壓力控制等。孔口密封技術：孔口密封是在地下水位以下施工防治突涌的措施，尤顯重要。通過預先破除結構鋼筋層，然后安裝孔口密封器，最后利用MJS鉆機自主引孔。此方法安全可靠，能達到預期目的。成孔糾偏技術：水平施工偏斜受鉆桿自重影響，更易向下偏斜，采用糾偏鉆頭結合高精度測斜設備，常測量、常糾偏，是保證成孔質量的必要手段。但根據目前的技術水平，左右測量無法實現，還有待進一步研究。地內壓力控制技術：MJS工法最大優勢為成樁同時對周邊影響小，地內壓力控制是實現手段，通過降低空氣量、清水切削、悶氣等方法，能實現水平MJS施工地內壓力控制的目的。

3）通過監測地表沉降和土體側向位移，根據數據成果反映，正上方土體最大地面沉降7 mm，出現在施工樁體前端，受埋深和施工前期控制影響，數據偏大，其余區域最大4 mm；側向3 m處最大側向位移4 mm，直觀反映了MJS工法對周邊環境影響的可控性。

4）通過不同樁徑、樁型MJS樁進行試樁試驗對比，得出成樁效果優選加固設計方案。在低滲透性土層⑥1-1土層中成樁直徑最優值：半圓2 100～2 200 mm，全圓1 000～1 400 mm；小鉆桿半圓1 500 mm，全圓900 mm。為MJS樁在地下工程加固設計與施工提供參考價值，對保證成樁質量與加固效果提供了寶貴的施工經驗。

5）通過MJS水平加固試驗研究，打破傳統聯絡通道加固僅局限于凍結加固方式，形成一套完成地下聯絡通道水平旋噴加固設備、理論試驗、實際應用施工技術，施工加固效果佳，樁身質量好，施工技術風險低，對周邊環境影響小，超深施工有保證，泥漿污染少，綠色環保，在工程加固中值得推廣應用。