MJS封底及降水回灌對于保泉線的微擾動及保護技術研究

杜樂樂

（濟南軌道交通集團建設投資有限公司，山東 濟南 250014）

1 工程概況

梁王站位于規劃舜城大街與規劃檀公西路交叉口，沿規劃舜城大街東西向布置。梁王站為11m島式站臺地下兩層車站，明挖法施工，長度344m，標準段寬20.9m，結構底板埋深17.28～19.81m。基坑保護等級一級。

地質情況：梁王站頂板覆土約2.4～4.1m，該站地層自上而下依次揭露為：人工填土層、粉質黏土、卵石、含碎石粉質黏土、碎石層，以殘積土為主，局部揭露粉土、膠結礫巖。

水文情況：水位埋深6.60～8.10m，該車站區域沿線地下水類型為第四系松散層孔隙水及灰巖巖溶水。該區域第四系孔隙水含水層水量豐富，第四系含水層以碎石、卵石、含碎石粉質黏土等為主，裂隙發育的粉質黏土、粉土具有一定的滲透性，地下水主要受大氣降水補給和下部巖溶承壓水頂托補給，第四系孔隙水具承壓特性[1]。車站北側為濟青高鐵和石濟客運專線，車站距離濟南白泉僅2公里，圍繞如何保證基坑開挖過程中，坑外水位穩定減小周邊地表沉降，保證泉脈不受基坑開挖降水影響進行研究。

2 工程技術難點

項目采用的MJS工法（MetroJetSystem）又稱全方位高壓噴射工法，在濟南地鐵的建設史上尚屬首次。該工法在傳統高壓噴射注漿工法的基礎上，采用了鉆桿內部增設中央排泥孔及鉆頭部位集成的地內壓力監測，當高壓噴射過程中地內壓力增加時，可以通過鉆桿內的排泥孔實現強制排泥，從而降低了地內壓力的聚集，減少高壓噴射施工對周邊環境的影響。與傳統的高壓旋噴樁相比，MJS工法樁在成樁直徑、成樁深度以及環境友好性方面都有較大優勢。經調查，MJS工法有以下技術難點，施工過程中需研究克服。

第一，用電需求大。根據市場調查及相關標準可知，施工MJS一套設備用電總量約432kW。第二，MJS施工工效低。MJS主機從接桿、下桿、噴漿、提桿平均約8h，遇超深施工可能發生斷桿、埋桿問題。第三，MJS實樁長度短、空樁較長、質量控制難度大。該項目MJS工法樁為基坑底部全方位注漿加固封底，標準加固長度為3m，高低跨銜接處加固長度分別為6m、6.5m、10.5m，空樁長度31.4～41.885m，塌孔風險大，封底加固質量難以保證。第四，膠結礫巖自身強度高，施工效率及質量控制難度大。該項目基地大面積存在膠結礫巖、含碎石粉質黏土、碎石層等，根據現場地連墻施工數據采集實測，最大強度高達70MPa，MJS額定注漿壓力40MPa，難以穿透該地層。同時，MJS引孔機遇到該地質成孔效率低，單臺設備平均12h成孔1根，對鉆頭磨損程度較大。此外，該工法樁注漿過程中部分水泥漿會滲透至孔周邊地層、污染地下水源，在一定程度上降低降水施工效果，同時，返漿量控制難度大，消耗材料多，成本高[2]。第五，基坑水系發達。濟南境內泉水眾多，擁有趵突泉、黑虎泉、珍珠泉、五龍潭、百脈泉等“七十二名泉”，被稱為“泉城”，地下水四通八達互相連通，一旦某個點降水，必將影響泉脈。濟南也被稱為全球最難建設地鐵的城市之一。該車站涉及白泉泉域，根據以往研究成果，西邊界為東塢斷裂，斷裂以西為濟南泉域，屬于白泉泉域的排泄區。該處受新構造運動及高承壓水頭、長期的水位波動，以及長期由南向北的徑流環境作用下，場地各黏性土層中存在豎向導水裂隙，而黏性土層中含姜石，局部夾角礫，導致該區域黏性土具有一定透水性。該區域灰巖埋深一般在60～80m，石灰巖地層之上普遍分布較厚的碎石土含水層，該層溝通巖溶水，形成強承壓水頭，通過黏性土的孔隙和豎向裂隙向上補給第四系孔隙水。白泉泉群的形成條件就是高承壓巖溶水透過較厚的第四系土層出露地表。第六，臨近既有鐵路線。根據鐵路部門要求，鐵路沿線200m內不允許進行基坑降水作業，該車站北側緊鄰濟青高鐵和石濟客專橋梁，無法進行基坑降水作業。因此，采用坑內疏干井結合回灌施工確保基坑工程正常進行。

3 MJS工藝優勢

MJS工法與傳統高壓噴射注漿工藝比較優勢明顯。

第一，采用了獨特的多孔管和前端造成裝置，實現了孔內強制排漿和地內壓力監測，設置了排泥管及排泥口，實現了強制排漿，通過調整強制排漿量來控制地內壓力，使深處排泥和地內壓力得到合理控制，保證地內壓力穩定。第二，降低了在施工中出現地表變形的可能性，大幅度減少了對周邊環境的影響。第三，地內壓力的平衡穩定進一步保證了成樁直徑和對噴漿量的控制。第四，較傳統高壓旋噴樁工藝，實現了水平、斜向、垂直方向的地基加固施工，特別是水平方向的加固能力是其他工法無法比擬的。

4 MJS工藝流程

MJS工法主要包含2個單元4個分工序，其一，地質鉆機引孔作業；其二，MJS主機全自動旋噴作業。

4.1 引孔

采用地質鉆機進行先導成孔作業，成孔直徑約200mm，一般引孔應超過成樁深度1m，采用泥漿護壁避免塌孔。

4.2 主機就位

現場主機型號為MJS-65CVH，最大施工深度在50～60m，理論最大成孔直徑4200mm（實際施工中能達到直徑3000mm），噴射角度5～360°，主機上主要包含2個儀表盤：一是可調參數設定，包括角度、提升步距及速度、水泥漿壓力、倒吸水壓力、空氣壓力。二是地內壓力監控設備，用于監控地下壓力。

4.3 前端造成裝置及噴漿

正式噴漿前先清水掃噴，確保噴嘴達到指定深度，噴漿壓力為額定40MPa，水流壓力為5～20MPa，空氣壓力0.5～0.8MPa，提升速度25mm/min（1m/40min）。

4.4 后臺設備及漿液制備

噴漿采用純水泥漿，配合比由現場試驗確定，由后臺攪拌后通過灌漿泵輸送至主機進行噴漿作業。

5 施工組織要點

第一，MJS施工需要一定場地，設置后配套設施，后臺輻射半徑最大100m。第二，單套設備正常工效為3根/d，需24小時連續作業。第三，設備耗電量較大，單套設備需300～400kW。第四，施工班組盡量選用熟悉工程所在地地質情況的鉆機班組。第五，場地需設置循環漿池及廢漿池，電纜及輸漿管線較多，對文明施工要求較高，需配置專職文明施工人員，場地硬化后更利于組織施工，提高工效。第六，水泥需求量較大，需確保供貨充足方便。

6 MJS現場質量控制要點

6.1 漿液制備

第一，噴射注漿不得使用過期和受潮結塊的水泥制備漿液。第二，水灰比1∶1，期間檢查泥漿比重。第三，在日平均溫度低于5℃或最低溫度低于-3℃的條件下施工時，噴射注漿應采取防凍措施。

6.2 成孔施工

第一，噴射注漿垂直成孔時，宜采用鉆機進行預成孔，孔徑宜為160～350mm，孔位偏差1/150。第二，在易塌孔的土層成孔時，應采用外套管或泥漿護壁措施（設備功率應滿足地質要求，滿足噴漿效率）。

6.3 噴射施工

第一，下放鉆桿完成后，應檢查下桿深度，并應按專項施工方案設定噴射角度、步進間隔時間、步進距離等參數，步進距離宜為25mm。第二，噴射注漿前，應校核旋轉夾管和噴嘴方向，依次開啟回流氣、回流水，打開排漿閥門測試排漿壓力，并開啟同軸壓縮空氣和高壓噴射流。第三，噴射注漿完成后應在原孔位回灌漿液。第四，噴射注漿宜間隔施工，間隔距離宜為水泥土增強體有效直徑的2～3倍。第五，相鄰水泥土增強體的噴射注漿施工間隔時間不宜小于24h。

6.4 地內壓力控制

地內壓力控制系數為1.1～1.6，噴射注漿時，應對地內壓力進行實時監測，并滿足地內壓力控制值的要求。當施工中發現地面隆起等異常情況時，應降低地內壓力控制系數。

7 現場應用效果驗證

封底范圍土層為16-1粉質黏土，C＝29，按《MJS高壓噴射注漿施工技術規范》（征求意見稿），有效成樁直徑暫按2200mm、鉆孔間距按照1800mm×1650mm布置，搭接寬度為400mm。

7.1 現場實施情況及后續驗證方法。

為檢測封底效果，先進行MJS試驗段的施工，試驗段共布置326根，試樁通過取芯驗證咬合和成樁效果，對該范圍進行MJS加固后，通過施工降水井驗證封底效果。試驗段共設置8口降水井，間距為10m，井與井之間設置觀測井（共計10口）。

7.2 取芯驗證情況

通過取芯驗證成樁效果，集中取芯方法包括以下三種：第一種，通過取距離樁中心不同距離驗證成樁直徑及咬合效果。第二種，取單樁距離樁中心相同距離驗證單樁成樁效果。第三種，取不同時期施工的樁，驗證樁間咬合情況，相鄰樁間隔時間48h以上。

7.3 降水試驗對比

同時進行第一倉及第三倉降水試驗。第一倉基坑采用MJS封底加固后，第三倉未采用加固措施，兩倉基坑面積、地質情況、降水時間相同，通過對比降水試驗數據進行分析，MJS工法封底加固后明顯出水量變小。

7.3.1 出水量情況

第一倉及第三倉在基坑面積相同、地質情況相同的情況下，第一倉基坑內出水量遠小于第三倉基坑內出水量，說明第三倉明顯受到坑外水量補給；第一倉的MJS封底加固隔水效果明顯；第三倉水位無法降至基坑底部。

7.3.2 坑內觀測井水位降深情況

第一倉及第三倉在降水試驗時間相同的情況下，按目前的降水試驗方案，第一倉能有效將水位降至基坑底部1m，第三倉降水效果不理想，無法將基坑水位降至基坑底部。

7.3.3坑內觀測井水位恢復情況

水位恢復階段，第一倉及第三倉在水位恢復試驗時間相同的情況下，第一倉水位恢復的速率及恢復率遠小于第三倉，說明第一倉水位恢復慢，恢復至原水位需要時間長；第三倉水位恢復快，恢復至原水位需要時間短，能很快恢復至原水位。群井試驗中第三倉48小時恢復至原始水位。

7.3.4 坑外觀測井水位變化情況

降水試驗期間，第一倉坑內試驗對坑外水位變化無明顯關系，第三倉坑內試驗對坑外水位變化有直接影響，坑內外存在明顯水力聯系。

8 取得成果

8.1 施工進度方面

MJS施工工藝較傳統高壓旋噴加固大大提高了施工效率、縮短了施工工期（約46天），采用分倉劃分區域施工有效地保證了施工工期。施工設備占地較小，主要依靠后配套設備，能同時多臺設備進行施工，高峰期梁王站有10臺設備同時施工。

8.2 施工質量方面

MJS工法在梁王站順利施工完成，驗證了MJS工法首次在濟南地區的粉質黏土層中是可行的。從取芯情況來看，該工法在粉質黏土層中加固效果較好，能形成完整加固體，并能很好地咬合形成整體的封底加固層，施工過程中也總結出了適用于濟南地區粉質黏土層MJS工法的施工參數。

8.3 創新成果

通過研究MJS工法樁深成垂直加固工藝，確保了地下垂直43.5m深基坑底部單樁直徑2.2m的加固質量，成功突破了8158m2深基坑大面積全覆蓋基底封底隔水的技術，實現了減小深基坑降水對保泉線的微擾動的技術瓶頸，填補了深基坑大面積MJS與地連墻的結合封底保泉的技術空白，實現了深基坑降水回灌對泉水的保護，確保了深基坑地鐵建設的安全可靠。在封底隔水帷幕的安全保證下，減少基坑內降水井數量、同時減少回灌，極大地促進了泉城“保泉”重大任務的落實，減少水資源浪費，并取得了良好的質量效果和安全保障，達到了預期的“三個零”目標，實現了深基坑降水對保泉線的“0”擾動，實現了封底加固“0”污染，實現了臨近運營高鐵線橋梁深基坑開挖“0”擾動。

8.4 社會效益

泉城大面積深基坑MJS封底隔水的成功實施，為臨近鐵路運營線、周邊復雜環境的深基坑結構開挖降水施工提供了前提與保障。針對不同地質、不同深度、不同水力情況、不同環境的情況，逐一研究攻克各項技術難題。同時，為了積極響應濟南市政府“保泉節水”的號召，通過該工法的研究與創新，一方面保證了濟南白泉泉域生態結構的穩定，減少了水資源的流失，另一方面通過回灌系統的凈化與沉淀，確保了回灌至地下的水源滿足濟南市地下水質的各項技術指標要求。

9 結語

MJS封底及降水回灌對于保泉線的微擾動及保護技術在濟南地鐵6號線梁王站的成功應用，證明了濟南地區在泉域富水區域、臨近鐵路線的深基坑開挖及降水施工中深基坑大面積運用MJS封底隔水是可行的，既能保證基坑開挖安全，又能達到“保泉節水”的目的，還不影響臨近高鐵營業線的行車安全，在類似工況的地鐵施工中，尤其是在“保泉優先”的濟南泉域地鐵施工中，有較高的推廣價值。