水平MJS工法旁通道加固施工方法研究

余 圣 驥

(上海市基礎工程集團有限公司，上海 200433)

0 引言

二十世紀八九十年代，MJS工法(全方位高壓噴射注漿技術)由日本NIT技術研究所研發(fā)，作為一種大深度地下旋噴工法，可實現(xiàn)多角度施工作業(yè)，其中水平方向MJS工法的應用在日本市場中約占比66%[1]。

目前在上海地區(qū)水平聯(lián)絡通道及端頭井加固絕大多數(shù)采用冷凍法，但其存在著凍脹、融沉的弊端。水平MJS工法作為一種國內(nèi)應用較少的水平聯(lián)絡通道及端頭井加固技術具有施工設備體積小、機動靈活、效率高，在狹窄場地及隧道內(nèi)施工方便，施工加固效果好，施工技術風險低，對周邊環(huán)境影響小等特點，具有廣闊的發(fā)展前景。目前國內(nèi)應用上，垂直方向、水平方向施工長度已達60 m[2]。本文根據(jù)上海市17號線淀山湖大道地鐵站MJS工法水平試驗結果[1]，提出一套MJS工法旁通道加固施工方案，為今后同類工程提供參考。

1 水平MJS工法試驗概況

淀山湖大道地鐵站整體結構為地下2層島式站臺車站，在車站地下1層板上進行了MJS水平樁施工，樁體截面中心與地面垂直深度6 m～8 m，軸向深入某地塊外掛基坑內(nèi)，樁身所在土層為上海地區(qū)較為普遍的淤泥質(zhì)黏土。外掛基坑圍護結構一側利用車站地墻，另一側采用灌注樁結合攪拌樁。在此次試驗施工中，以樁長24 m(單樁截面形式分為兩段，前部16 m為180°向下半圓截面，后部8 m為360°全圓截面)的水平MJS工法樁為驗證對象，根據(jù)施工過程監(jiān)測數(shù)據(jù)及后期直接開挖觀察暴露樁體的情況來驗證相關施工數(shù)據(jù)的可靠程度。

根據(jù)施工過程中的監(jiān)測數(shù)據(jù)以及樁體開挖情況可以得出以下結論：

1)從施工過程監(jiān)測數(shù)據(jù)看，正常施工過程中土體最大地面沉降3.5 mm，在樁體側向2 m處最大側向位移為4.5 mm，驗證了水平MJS工法施工對周邊環(huán)境的影響具有較好的可控制及微擾動效果，側向位移的影響隨距離的增加驟減，由于試驗樁深度較淺，若施工深度增加，上覆土層厚度變大，土體垂直位移的影響也將趨于減小。

2)通過現(xiàn)場實際開挖，暴露出3個斷面及樁的上表面，可以直觀的看出樁體界面清晰，完整性良好，驗證了按照設計參數(shù)施工，達到了預期的成樁效果，成樁效果如圖1所示。

通過此次施工，可以看出水平MJS工法能夠在上海地區(qū)常見的淤泥質(zhì)黏土層中達到較好的加固效果，并且能夠大大減少對周邊環(huán)境的不良影響，為水平MJS工法在旁通道加固中的應用提供了先期條件，并且通過本次施工確定并驗證了一套適用于上海地區(qū)淤泥質(zhì)黏土層中的水平樁施工參數(shù)，見表1。

表1 水平MJS工法樁關鍵施工參數(shù)

2 水平MJS工法旁通道加固施工方案設計

2.1 加固體范圍及性能指標

旁通道加固位置以上海市地鐵盾構隧道為例，隧道管片外徑約6.6 m，管片內(nèi)徑約5.9 m，加固范圍為旁通道及其支護結構向四周方向，上部不小于1.5 m，下部不小于1.8 m，左右不小于2 m。

根據(jù)水平MJS工法試驗樁參數(shù)確定設計樁徑為帶氣向下半圓樁樁徑取值1 800 mm，不帶氣全圓樁樁徑取值1 200 mm。

強度指標為28 d無側限抗壓強度不小于1.0 MPa，抗?jié)B指標為28 d芯樣的滲透系數(shù)不大于1×10-6cm/s[3]。

質(zhì)量檢驗方式為水平取芯以及在旁通道開挖范圍內(nèi)上下左右各打一個貫通的透水孔，觀察滲漏水情況[2]。

2.2 水平MJS工法樁布置原則

1)以隧道中點為圓心，沿徑向放射狀布置。2)樁位避開管片接縫、螺栓、主筋和鋼管片肋板。3)在地鐵隧道管片立面上，孔樁按照梅花型布置，確保樁間可靠搭接。4)旋噴樁在相鄰上下行隧道內(nèi)對稱布置。5)相鄰樁位之間夾角以保證旋噴樁在兩隧道間中點部位能有效搭接(樁間搭接長度不小于30 cm)為原則。

樁位布置圖如圖2，圖3所示。

2.3 注意事項

1)打穿管片前，需安裝孔口密封裝置[2]，避免涌水涌砂情況；孔口密封器在施工期間不宜拆除，等全部施工完畢后進行統(tǒng)一拆除并對管片結構進行修復。

2)引孔采用工法機自主引孔，成孔軸線偏差不應大于1/150，引孔階段應采用主動排泥孔進行廢漿集中外排。

3)MJS工法施工完成后要進行微擾動補漿，補漿采用水泥漿，補漿時注意壓力變化，注漿泵壓力波動增加時，即可停止注漿。

3 水平MJS工法旁通道加固施工重難點研究

3.1 受限空間多角度施工困難

基于地鐵隧道形態(tài)，管片內(nèi)為直徑5.9 m的圓柱形空間，施工方向涉及水平、向上傾斜、向下傾斜等多角度施工，還要考慮設備尺寸及施工時鉆具的最小長度要求，以期實現(xiàn)全范圍加固需求是本工程最大的難點之一，本方案主要通過設備選用及設計符合施工工況的輔助設備來解決這一難題。

3.1.1 設備選用

現(xiàn)有小型化MJS-40VH-S鉆機前端動力頭可以與主體進行分離，常規(guī)情況下前端拆解后放在水平架上進行施工，拆解后最小尺寸為長1 758 mm，高732 mm，尺寸如圖4所示。

常用MJS工法鉆具長度規(guī)格有250 mm(90 mm鉆桿),500 mm,1 000 mm,1 500 mm等規(guī)格，根據(jù)施工需要，夾管末端還需有1節(jié)鉆桿長度+600 mm水龍頭長度，夾具到達最大行程后所需的最小長度分別為1 000 mm(90 mm鉆桿),1 250 mm,1 750 mm,2 250 mm。

3.1.2 設計符合施工工況的輔助設備

結合選用的MJS設備形態(tài)、尺寸以及隧道空間大小，設計專用施工架，以拓展隧道內(nèi)上下徑向施工的界限能力，施工架三視圖見圖5，專用施工架具有沿隧道軸向移動和沿施工面上下提升的功能，其沿施工面上下提升行程為1 200 mm～4 770 mm，最大施工角度向上仰24°，向下傾斜70°，施工極限如圖6所示。

3.1.3 操作可行性分析

基于選用設備及專用施工架設計，施工方案設計的所有樁型可分兩種情況進行施工，最下部3排樁使用設備前端固定在管片等構造上，其余樁采用專用施工架進行。鉆機可采用250 mm，500 mm兩種尺寸，尺寸界線1 000 mm，1 250 mm。水平施工時，極限位置樁體為最下部、最上部水平樁，鉆具預留尺寸分別為1 600 mm，1 300 mm；傾斜施工時，鉆具預留普遍大于1 600 mm，能夠滿足水平施工的相關要求[2]。

通過2種方法結合使用，施工方案設計中多角度施工具有可操作性，多角度施工效果如圖7所示。

3.2 施工對已成隧道的影響控制

隧道管片結構抗變形能力較差，主要變形體現(xiàn)在不均勻沉降隆起、側向位移、收斂變形等。結合以往的施工經(jīng)驗，MJS工法垂直施工時，對周邊環(huán)境的影響主要體現(xiàn)在兩個方面：一是噴射流方向的土體側向位移，位移程度和距離、土質(zhì)條件相關，側向位移的幅度在6 mm以內(nèi)；二是地內(nèi)壓力控制不當，導致地面隆起或沉降。

水平施工時，40 MPa噴射流向下沖擊，隧道在噴射流側面，對隧道的影響主要是地內(nèi)壓力控制，地內(nèi)壓力偏大會導致隧道側向土壓力增大，使隧道向外側位移；偏小會導致側向土壓力降低，使隧道向內(nèi)側位移。施工控制時，地內(nèi)壓力平衡控制尤為關鍵，是施工效果評定的重要標準之一。

此外結合現(xiàn)代測量技術手段，采用如圖8所示的自動化監(jiān)測體系，實時收集施工對隧道沉降隆起、側向位移、收斂變形三個變形指標的影響數(shù)據(jù)，以提高水平MJS工法樁施工過程中對周邊環(huán)境影響的可控性。

3.3 加固體質(zhì)量管控

加固的目的是為了保證后期旁通道開挖，加固體的強度、抗?jié)B性、完整性是關鍵指標。施工過程中應加大重點施工參數(shù)的管控。

基于旋噴樁設計的理論，成樁的最關鍵的三個因素包括：噴射壓力、噴射流量、噴漿速度，噴射壓力和流量代表噴射流能量，能量越大切削土體的能力越大；噴漿速度(包括步進速度及旋轉速度)代表著作用時間，在合理旋轉速度下，單位距離內(nèi)噴漿時間越長，做功越多。

此外，地內(nèi)壓力大小決定著環(huán)境阻力，地內(nèi)壓力越大反映的環(huán)境介質(zhì)密度越大，環(huán)境阻力就越大，噴射流的能力損失越快，在上海地區(qū)的淤泥質(zhì)黏土層中保持合適的地內(nèi)壓力是保證樁徑及環(huán)境安全的關鍵因素。

噴射空間形成之后，原材料質(zhì)量即水泥漿在土層內(nèi)的固化指標，受地下水影響的程度也是保證樁體質(zhì)量的關鍵要素。

綜上所述：施工中應重點管控噴射流壓力和流量、噴漿速度、地內(nèi)壓力及原材料質(zhì)量。

4 結語

1)根據(jù)試樁結果，水平MJS工法加固成樁質(zhì)量好，對周邊環(huán)境影響小，可滿足地鐵旁通道加固需求，彌補現(xiàn)有旁通道加固工藝的不足，并以上海地區(qū)地鐵盾構隧道的旁通道施工為例，確定了一套水平MJS工法旁通道加固施工方法以供參考，包括加固體范圍、性能指標、旋噴樁布置原則及相關注意事項。

2)根據(jù)MJS設備形態(tài)及尺寸、隧道尺寸進行設計，利用專用施工架通過提升、移動、傾斜等方式，以及合理的設備選用及設計專用施工架可以實現(xiàn)受限空間內(nèi)的多角度施工操作。

3)水平施工中噴射流向下沖擊時地內(nèi)壓力變化會引起隧道外側土壓力變化，導致隧道側向位移，需對地內(nèi)壓力進行平衡控制。

4)為保證后期旁通道開挖時加固體的強度、抗?jié)B性、完整性等關鍵指標，需要對噴射流壓力和流量、噴漿速度、地內(nèi)壓力及原材料質(zhì)量進行重點管控。