MJS工法在礫石層中的應用及成樁差異性

張 雁，田增林，曹海東，黨亞堃，王 海，李和平，韓 強

MJS工法在礫石層中的應用及成樁差異性

張 雁1,2，田增林1,2，曹海東1,2，黨亞堃1,2，王 海1，李和平1，韓 強1

(1. 中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安 710077；2. 陜西省煤礦水害防治技術重點實驗室，陜西 西安 710077)

在我國某露天煤礦截水帷幕建造過程中，由于受架空高壓線、地埋光纜、地埋排水管等多處障礙物影響，局部區域直接成槽工藝無法施工，因此，選擇可以“全方位”施工的MJS工法完成此類區段建造。MJS試樁結果表明，該工法在東西兩側卵礫石層施工區成樁質量差異明顯，為查明成樁差異性原因，采用地質勘探、重力觸探試驗和抽水試驗等方法，從礫石層厚度、礫徑、含砂量、地層密實度和含水層滲透能力等方面進行分析。結果表明，在礫石層厚度大、含砂量小、地層密實、含水層滲透性強的施工東區無法成樁，而在條件相反的施工西區成樁質量符合要求。研究成果拓寬了MJS工法的應用范圍，對類似條件下MJS工法施工參數的選擇具有指導意義。

MJS工法；截水帷幕；抽水試驗；滲透系數；動力觸探試驗；密實度；露天煤礦

MJS工法[1-3](Metro Jet System，簡稱MJS)又稱全方位高壓噴射工法，是在傳統高壓噴射注漿工藝的基礎上，采用獨特的多孔管和前端裝置，實現孔內強制排漿和地內壓力主動監測，大幅減少對環境的影響且進一步保證了成樁直徑和強度，可適用于水平、傾斜和垂直的旋噴注漿加固施工中[4]。由于其獨特優勢，該工法除用于常規地基加固或基坑支護外[5]，還用于地下構筑物保護，避開既有管線的加固[6]，隧道頂部先期加固[7-8]，地下隔離墻、受損止水帷幕[9]的修復等特殊區段施工。

影響MJS工法成樁質量的關鍵因素是地層條件和水文地質條件。實踐證明，MJS工法在淤泥、淤泥質黏土、黏性土地層中應用較多，且具有較好的成樁質量[10]，但在砂層或卵礫石層中應用的成熟案例不多。本文以MJS工法在礫石層中的應用為例，通過對比分析，研究不同地質與水文地質條件下的成樁差異性。

1 工程背景

1.1 工程概況

我國某露天煤礦為減少礦坑疏排水量，沿礦坑外圍建造一截水帷幕[11-12]，主要施工工藝為地下防滲墻，但由于帷幕線局部需穿越架空高壓線、地埋光纜、地埋排水管路等多處障礙物，無法進行成槽施工，故將上述地段工藝變更為可以“全方位”施工的MJS工法。根據設計文件，帷幕線呈弧線形展布，高壓線、地埋光纜等障礙物橫穿帷幕線，因此，MJS工法的施工區域為東西兩側特殊區域，包括西區二工段和東區十工段(圖1)。

施工區地層結構自上而下依次為表土層(0.5 m)、細砂層(5~6 m)、卵礫石層(約15 m)和粉砂質泥巖層(大于20 m)，其中卵礫石層為主要含水層，富水性強，是截水帷幕的目標層位。

1.2 施工方案

MJS工法形成的樁排式截水帷幕結構如圖2所示，噴漿范圍為頂面固定標高+623 m至卵礫石層底板隔水地層1 m，主要噴漿地層為細砂層和卵礫石層。

設計引孔孔徑250 mm，噴射樁徑2.0 m，樁間距1.5 m，樁間搭接0.5 m，樁體為半圓形柱體。

圖1 MJS工法施工區域分布

2 試樁過程與結果

2.1 試樁參數

MJS工法在卵礫石層中應用較少，為保證成樁質量，確定具體施工參數，首先在西區二工段和東區十工段各進行一次試樁試驗，試樁位置見圖1中標注，試樁參數見表1，兩次試樁試驗施工參數相同，設計樁徑2.0 m。

東側試樁長度34.0 m，西側試樁長度22.6 m，均為全孔段噴漿。

2.2 試樁結果

試樁結束后第4 d開始對東西兩側試樁進行取心，驗證成樁樁徑和質量，分別在距離樁心0.95 m、0.55 m和0.25 m處取心，東側取心鉆孔編號QX1、QX2和QX3，如圖3所示；西側取心鉆孔編號QX1′、QX2′和QX3′，分布與東側相同。

東側3個鉆孔取心結果基本一致，具體如下：

0~9.3 m為砂層，柱狀水泥樁，有一定強度，成樁效果好；9.3~20.0 m為礫石層，孔口返漿物為砂礫與泥漿混合物，土黃色，未見水泥；20~ 27 m，孔口返漿物為砂礫土與泥漿混合物，棕紅色，未見水泥，巖心管內為含礫黏土，含大量礫石；27~34 m，孔口返漿物為砂礫土與泥漿混合物，灰褐色，未見水泥，巖心管內為泥巖，灰色，泥質結構。

西側3個鉆孔取心結果基本一致，具體如下：

圖2 地層結構與帷幕結構示意圖

表1 MJS工法半圓樁試樁參數

單位：m

0~10.0 m為砂層，柱狀水泥樁，有一定強度，成樁效果好；10.0~18.3 m為水泥樁，灰褐色，有一定強度，巖心為水泥、砂、礫石膠結物，礫石粒徑為1~3 cm，判定礫石層成樁效果好；18.3~22.6 m，黑灰色黏土，泥質結構，巖心呈柱狀，見水泥。

東西兩側部分巖心如圖4所示。

取心結果表明，東側在上部細砂層中全段為水泥樁，樁徑達2.0 m，滿足設計要求，但進入礫石層后不成樁且未見水泥，不滿足設計要求；西側則全孔成水泥樁，樁徑達2.0 m，滿足設計要求。

圖4 東西兩側部分巖心

3 成樁差異性分析

從地層結構特征、地層密實度、水文地質條件3方面分析成樁的差異性。

3.1 地層結構

通過地質勘探成果可知，東側試樁區礫石層厚度大(平均17.7 m)、礫徑大(3~5 cm)、含砂量小(約7%)；西區試樁區礫石層厚度小(平均8.3 m)、礫徑小(1~3 cm)、含砂量大(約20%)。兩側地層結構特征如圖5所示。

礫徑越大，造成噴漿越不均勻，但地層中的砂層與水泥漿混合更有利于形成樁體，因此，東西兩側地層結構差異是影響成樁質量的主要因素之一。

圖5 東西兩側試樁區地層結構特征

3.2 地層密實度

圓錐動力觸探試驗是用一定質量的重錘，以一定高度的自由落距，將標準規格的圓錐形探頭貫入土中，根據打入土中一定距離所需的錘擊數，從而判定其密實度。圓錐動力觸探試驗的類型可分為輕型、重型和超重型3種，其中重型動力觸探適用于砂土和卵礫石層[13]，與試驗區地層相符，故本次采用重型動力觸探。

西側動探起始標高為–17.9 m，東側動探起始標高為–14.5 m，動探測試數據見表2。

表2 東西兩側動探試驗測試數據

注：表中63.5 =·’63.5；為修正系數。

根據GB50021—2001《巖土工程勘察規范》中規定，重型動力觸探密實度63.5分類見表3。

根據表3可知，西側礫石層密實度為稍密，東側礫石層密實度為密實，兩者明顯不同。密實地層條件下，對MJS工法而言，加大了切割、破碎地層的難度，進而不利于漿液的噴射和擴散。

表3 重型動力觸探密實度分類

注：表中錘擊數為綜合修正后的平均值。

3.3 水文地質條件

采用潛水完整井抽水試驗，分別對西側和東側施工區進行抽水，計算含水層滲透系數，評價水文地質條件的差異性。

滲透系數計算公式為：

其中，影響半徑計算公式為：

式中：為滲透系數，m/d；為抽水量，m3/d；w為水位降深，m；w為抽水井半徑，m；0為含水層厚度，m；為影響半徑，m。

抽水試驗數據和通過迭代法求得的滲透系數計算結果見表4。

由抽水試驗結果可知，東側礫石層滲透系數為80.60 m/d，西側礫石層滲透系數為8.28 m/d，東側地下水滲透性遠大于西側；較好的滲透性造成漿液無法在孔內停留，快速隨地下水流失。

表4 抽水試驗數據與計算結果

3.4 不成樁施工區的工藝調整

綜合上述分析可知，由于東側礫石層厚度大、礫徑大、含砂量小、地層致密、地下水滲透性好等，造成MJS工法在礫石層中不成樁，達不到建造止水帷幕墻的技術要求。因此，為確保截水帷幕質量，對該區施工工藝變更為鉆孔咬合樁工藝。

咬合樁是樁與樁之間相間施工、相鄰樁之間部分圓周相嵌形成的具有良好防滲作用的整體連續圍護結構[14-15]。樁內澆筑材料可采用混凝土、水泥–粉煤灰等防滲材料。由于該工法施工效率低，近年來大規模應用的不多，但在地鐵、隧道、地道等施工場地小、圍護強度要求高的工程中仍有應用[16-17]。

設計樁徑1.0 m，咬合0.3 m，樁間距0.7 m，如圖6所示，施工順序為A1→A2→B1→A3→B2→…。B1樁施工時切割相鄰的A1、A2樁相交部分實現咬合，如此往復。咬合樁形成樁排式截水帷幕，從而實現截水目的。

圖6 鉆孔咬合樁截水帷幕設計方案

工程實施后，采用取心法驗證了成樁質量(圖7)，礫石層中樁體密實、完整，達到設計要求。

圖7 鉆孔咬合樁質量取心驗證

4 結論

a. MJS工法在卵礫石層中的應用不多，實際試樁結果表明，在一定條件下，MJS工法在礫石層中可形成滿足樁徑要求的水泥樁體；無法成樁區可采用鉆孔咬合樁工法進行替代。

b.地層結構、礫石礫徑、地層密實度和礫石層透水性等是影響成樁質量的主要因素。礫徑大、地層密實、滲透性好的地層條件不利于MJS工法成樁。

c.研究成果拓寬了MJS工法的應用范圍，對類似條件下MJS工法施工參數的選擇具有指導意義。

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[1] 張子新，李佳宇. MJS法地基處理技術綜述與應用[J]. 土木建筑與環境工程，2017，39(6)：1–11. ZHANG Zixin，LI Jiayu. Review and applications of MJS techniques for ground improvement[J]. Journal of Civil and Environmental Engineering，2017，39(6)：1–11.

[2] 余暄平. 國內外高壓旋噴技術的發展現狀與趨勢[J]. 城市道橋與防洪，2006，7(4)：185–189． YU Xuanping. Development state and tendency of high-pressure spun-jet technology at home and abroad[J]. Urban Roads Bridges & Flood Control，2006，7(4)：185–189.

[3] 張帆. 二種先進的高壓噴射注漿工藝[J]. 巖土工程學報，2010，32(增刊2)：406–409. ZHANG Fan. Two advanced jet grout methods[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering，2010，32(S2)：406–409.

[4] 朱明誠. 立井工作面承壓水流沙層保漿旋噴注漿帷幕支護技術[J]. 煤田地質與勘探，2009，37(4)：47–49. ZHU Mingcheng. Jet grouting curtain supporting technology for shaft heading face through quicksand layers with confined water[J]. Coal Geology & Exploration，2009，37(4)：47–49.

[5] 劉源，張可能，劉創，等. 復雜巖溶地區CFG樁與高壓旋噴樁復合地基的應用[J]. 煤田地質與勘探，2015，43(4)：75–78.LIU Yuan，ZHANG Keneng，LIU Chuang，et al. Application of composite foundation treated with CFG pile and jet grouting pile in karst area[J]. Coal Geology & Exploration，2015，43(4)：75–78.

[6] 朱小龍，向克勤. MJS工法樁在虹橋地下空間聯絡通道建設中的應用[J]. 施工技術，2014，43(增刊1)：82–83. ZHU Xiaolong，XIANG Keqin. Application of MJS method in the construction of connecting passage of Hongqiao underground space[J]. Construction Technology，2014，43(S1)：82–83.

[7] 陳仁朋，張品，劉湛，等. MJS水平樁加固在盾構下穿既有隧道中應用研究[J]. 湖南大學學報(自然科學版)，2018，45(7)：103–110. CHEN Renpeng，ZHANG Pin，LIU Zhan, et al. Application study of MJS horizontal column reinforcement in shield tunneling[J]. Journal of Hunan University(Natural Science)，2018，45(7)：103–110.

[8] 梁利，李恩璞，王慶國，等. MJS工法在輕軌車站換乘通道中的工程實踐[J]. 地下空間與工程學報，2012，8(1)：135–139. LIANG Li，LI Enpu，WANG Qingguo，et al. Practice of MJS method in light railway inter change passage construction in Shanghai[J]. Chinese Journal of Underground Space and Engineering，2012，8(1)：135–139.

[9] 王中兵. MJS工法在中厚砂層超深止水帷幕施工中的應用[J]. 建筑施工，2018，40(3)：334–336. WANG Zhongbing. MJS construction method applied to super deep waterproof curtain construction in medium thick sand layer[J]. Building Construction，2018，40(3)：334–336.

[10] 余立新. MJS及RJP高壓旋噴樁加固機理及成樁質量研究[D]. 淮南：安徽理工大學，2016. YU Lixin. Strengthening mechanism of MJS and RJP high pressure rotary jet grouting pile and the quality of pile forming[D]. Huainan：Anhui University of Science & Technology，2016.

[11] 張雁. 露天煤礦截滲減排新技術[J]. 露天采礦技術，2017，32(6)：45–47. ZHANG Yan. New technology of cutting off seepage channel and reducing water drainage in open-pit coal mine[J]. Opencast Mining Technology，2017，32(6)：45–47.

[12] 張雁. 露天煤礦防滲墻截滲減排機制及工程應用研究[D]. 北京：煤炭科學研究總院，2018. ZHANG Yan. Study on the mechanism and engineering application of seepage cutoff and drainage reduction of diaphragm wall in open-pit coal mine[D]. Beijing：China Coal Research Institute，2018.

[13] 佟清波，馬振. 重型動力觸探在樁基礎施工中的應用[J]. 黑龍江水專學報，2001，28(2)：47–48. TONG Qingbo, MA Zhen. Application of heavy dynamic probing in pile foundation construction[J]. Journal of Heilongjiang Hydraulic Engineering College，2001，28(2)：47–48.

[14] 隋忠慶，于占雙. 鉆孔咬合樁施工工藝的探討[J]. 鐵道工程學報，2005，22(6)：70–76. SUI Zhongqing，YU Zhanshuang. Exploration on the construction technology of drill biting pile[J]. Journal of Railway Engineering Society，2005，22(6)：70–76.

[15] 楊虹衛，楊新偉. 鉆孔咬合樁的配筋計算方法[J]. 地下空間與工程學報，2008，4(3)：402–405.YANG Hongwei，YANG Xinwei. Computational method of reinforcement of the borehole cast-in-place pile[J]. Chinese Journal of Underground Space and Engineering，2008，4(3)：402–405.

[16] 高新南，王占生，童立元，等. 咬合樁在蘇州地鐵南施街站中的應用[J]. 巖土工程學報，2010，32(增刊2)：463–466.GAO Xinnan，WANG Zhansheng，TONG Liyuan，et al. Application of secant piles in Nanshijie station of Suzhou subway[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering，2010，32(S2)：463–466.

[17] 陳斌，施斌，林梅. 南京地鐵軟土地層咬合樁圍護結構的技術研究[J]. 巖土工程學報，2005，27(3)：354–357. CHEN Bin，SHI Bin，LIN Mei. A study on the secant pile in soft soil for Nanjing metro project[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering，2005，27(3)：354–357.

Application of MJS construction method in gravel layer and pile forming difference

ZHANG Yan1,2, TIAN Zenglin1,2, CAO Haidong1,2, DANG Yakun1,2, WANG Hai1, LI Heping1, HAN Qiang1

(1. Xi’an Research Institute Co. Ltd., China Coal Technology and Engineering Group Corp., Xi’an 710077, China; 2. Shaanxi Key Laboratory of Prevention and Control Technology for Coal Mine Water Hazard, Xi’an 710077, China)

During the construction of water cutoff curtain in an open-pit coal mine in China, parts of the grouting groove couldnot be constructed due to many obstacles such as overhead high-voltage wire, buried optical cable and buried drainage pipe, and MJS construction method was chosen instead to build the cutoff curtain. The results of MJS pile tests show that the quality of piles formed by this method was obviously different in the construction area of gravel layer on the east and west sides. By the methods of geological exploration, gravity penetration test and pumping test, this paper makes a comparative analysis of gravel thickness, gravel diameter, sand content, formation compactness and permeability of aquifer. The results show that the pile can not be formed in the east construction area with thick gravel layer, small sand content, dense stratum and strong permeability, while the pile forming quality met the requirements in the west construction area where the conditions were opposite. The research results broaden the application scope of MJS construction method and have guiding significance for the selection of construction parameters under similar conditions.

MJS construction method; water cutoff curtain; pumping test; permeability coefficient; dynamic penetration test; compactness; open-pit coal mine

TD265.4

A

10.3969/j.issn.1001-1986.2020.02.023

1001-1986(2020)02-0147-05

2019-08-29；

2019-12-16

天地科技股份有限公司創新創業資金專項項目(2019-TD-MS014)；中煤科工集團西安研究院有限公司科技創新基金項目(2019-XAYMS11)

Special Project of Science and Technology Innovation and Entrepreneurship Fund of Tiandi Science and Technology Co. Ltd.(2019-TD-MS014)；Science and Technology Innovation Fund of Xi’an Research Institute of CCTEG(2019XAYMS11)

張雁，1983年生，男，河南鄭州人，博士，副研究員，從事礦井水害防治工作. E-mail：94384251@qq.com

張雁，田增林，曹海東，等. MJS工法在礫石層中的應用及成樁差異性[J]. 煤田地質與勘探，2020，48(2)：147–151.

ZHANG Yan，TIAN Zenglin，CAO Haidong，et al. Application of MJS construction method in gravel layer and pile forming difference[J]. Coal Geology & Exploration，2020，48(2)：147–151.

(責任編輯 周建軍)