MJS工法樁在濱海地區軟基加固工程中的應用

姚 志 雄,夏 華 燦,吳 波,鄭 國 文

(1.福建理工大學 地下工程福建省高校重點實驗室,福建 福州 350118; 2.福建省土木工程新技術與信息化重點實驗室,福建 福州 350118; 3.東華理工大學 土木與建筑工程學院,江西 南昌 330013; 4.中鐵二十四局集團福建鐵路建設有限公司,福建 福州 351111)

0 引 言

為滿足經濟社會發展需求,中國地下空間開發規模越來越大,地下工程也越來越密集化,新建地下工程與公路鐵路干線、地面河流和周邊建筑物的距離越來越小,各鄰近構筑物相互影響的工程問題也日益增多[1-3]。由于高鐵線路技術標準高,對線路的平順性要求高,為保障高鐵的運營安全,須嚴格控制鄰近工程施工對既有高鐵線路的影響。特別是在濱海深厚軟土地區,由于土性不良且地下水豐富,工程施工的環境效應及安全性更是不容輕視[4-5]。選擇合理的加固方法及工藝參數對軟土進行加固成為此類工程的重難點。

MJS(Metro Jet System)工法是從日本引進的一種全方位高壓噴射注漿地基處理技術,該工法是在傳統高壓旋噴技術的基礎上,通過增加多孔管主動排泥措施,并結合注漿附近的壓力傳感器監測值來調整水泥漿的排出量,從而有效控制樁施工對周邊環境及既有建筑物的影響[6]。關于MJS工法樁技術,上海、江蘇等地已有一定工程實踐應用,學者也開展了區域性技術探討并推動了該技術推廣。熊仲明等[7]通過數值模擬及現場監測相結合的方法研究了MJS工法樁工藝參數及環境效應,驗證了該工法成樁質量好、環境影響小,并在蘇北黃泛區富水砂層盾構始發中得到應用。葉琪等[8]以寧波軟土地區實際工程為例,通過ABAQUS分析了MJS工法樁施工對臨近建筑物的影響以及工后成樁質量。毛祖夏等[9]通過現場試樁試驗研究了MJS工法樁和高壓旋噴樁(雙重管)在軟土地區對周邊環境影響的擠土效應差異。翟志國等[10]以京沈高鐵望京隧道聯絡通道洞內加固地層為例,總結得出MJS水平旋噴樁有很好的成樁和止水效果,可有效提高土體自穩能力,隔斷地下承壓水,減小地面隆起和沉降控制值。梁利等[11]以上海某輕軌車站換乘通道建設為例,詳細介紹了MJS工法樁在復雜條件下的應用,探討了MJS工法樁的施工參數。鄧指軍等[12]通過現場試驗的方法,探討了MJS工法樁的噴漿加固效果、加固范圍以及周圍土體的變形量,拓展了MJS工法樁在盾構隧道內不均勻沉降段下臥土層的應用。趙香山等[13]通過有限元方法探討了MJS工法樁與傳統旋噴樁在施工過程中對樁周1 m環境的影響情況,研究表明MJS工法樁施工對周圍土體的擾動和位移影響均較小。張品等[14]以長沙地鐵4號線下穿2號線運營隧道加固工程為背景,對MJS水平樁施工期間周圍地層孔壓、2號線隧道附加應力、豎向位移進行監測分析,獲得MJS水平樁施工對周圍地層及運營隧道的影響規律。睢博棟等[15]基于上海某基坑工程,對附近存在抽水井時MJS樁垂直施工引起的土體位移進行監測,結果表明,抽水試驗使抽水井周圍土體細粒含量減少,MJS樁在附近施工時,高壓水泥漿更容易切割土體,成樁直徑更大,土體水平位移增加明顯。劉澄赤等[16]以上海瑞虹新城10號地塊發展項目為依托,結合MJS工法施工工藝原理,總結了該工法應用于超深土層時的施工特點與關鍵控制要素。張雁等[17]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分析礫石層中MJS工法樁質量,研究成果拓寬了MJS工法的應用范圍。

綜上所述,當前學者已對MJS工法樁施工技術及環境影響展開了一定研究,也推動了MJS工法在地鐵隧道、車站基坑等加固工程的應用,但關于MJS工法在濱海深厚軟基加固工程的應用研究尚未見報道,特別是MJS工法樁在臨近高鐵高度敏感區內的應用技術尚無成熟經驗,環境擾動機理尚不明晰。本文結合福建濱海軟土地區首例MJS工法樁在涉鐵深厚軟基加固工程中的應用實例,總結濱海軟土地區MJS工法樁的施工工藝,并對土體深層水平位移、地層孔壓、既有鐵路橋梁變形等關鍵指標進行監測,研究MJS多樁施工對土層和鄰近結構的影響規律并評價其安全性,以期為類似工程提供借鑒。

1 依托工程

1.1 工程概況

福建濱海軟土地區下穿高速鐵路橋梁通道(河道)工程河道下穿福平高鐵石門特大橋第17～18孔(16號臺、17～18號墩),與福平鐵路線位交角90°,其對應孔布置了長度為(32.7+32.7)m的簡支梁。17號、18號墩均為圓端形橋墩。16號橋臺及17～18號橋墩的樁基均采用Φ100 cm鉆孔灌注樁。福平高鐵交叉處河道斷面規劃河寬40 m,設計范圍內河道全長69.18 m。河底采用U型槽下穿福平鐵路,交叉處既有河道寬9 m。福平高鐵為國家“十三五”規劃中北京至臺灣高速鐵路通道的先期工程,變形控制要求極高。下穿福平鐵路通道(河道)平面示意如圖1所示。

圖1 下穿福平鐵路通道(河道)工程平面示意(尺寸單位:m)

高速鐵路設計速度:福州至福州南段160 km/h,最大設計坡度20‰;福州南至平潭段200 km/h,最大坡度13‰。高速鐵路為雙線標準,無砟軌道、無縫線路,對變形及差異沉降控制標準極高。

該通道工程位于淤泥質地層區域,富水性強且土層承載能力弱。選擇合適方法對鐵路工程規定范圍內的深厚軟基進行預加固,在保證軟基自身承載力及變形滿足要求的前提下,保證高鐵運營安全是該涉鐵工程必須要解決的關鍵問題,也為后續河道基坑工程的施工創造有利條件。由于是涉鐵工程,變形控制要求高,且受到高鐵橋梁凈空限制,常規三軸攪拌樁無法施作,經過充分調研論證后決定采用φ1000@2400 mm的MJS工法樁對臨近高鐵橋深厚軟基進行加固。結合工程實際情況,綜合技術考量及安全專項論證,在高鐵橋下的加固場區先行設計8根試驗樁(見圖2)開展工藝及環境影響研究,以便為后續大面積施工提供借鑒。試驗成樁直徑1.0 m,樁長19.0 m。

1.2 工程地質與水文條件

2 MJS工法樁工藝參數確定

MJS工法樁是對傳統高壓旋噴工藝的改進,除了具備傳統高壓旋噴樁切割并加固土體的功能,該工法還采用先進的多通道鉆桿、前端多傳感裝置鉆頭,實現了強制排漿、孔內泥漿壓力實時監測并保持穩定,并有專門泥漿制備及排泥設備,大大減少了施工對周邊地層及環境造成的影響。多通道鉆桿截面如圖3(a)所示;多孔管由高壓水泥漿、后推空氣、油路開關、高壓切削水、返漿通道、噴射氣道等組成,鉆頭上設置有地壓、水壓、氣壓、漿壓等多個傳感器,如圖3(b)所示。

圖3 多通道鉆桿及鉆頭設備

結合實際的工程地質及水文地質條件、施工環境及成樁質量要求,總結提出MJS工法樁主要施工流程:引孔→安放主機→調整姿態→下鉆→噴漿→MJS工法提鉆注漿→成樁。具體工藝流程如下:

(1) 對場地固化處理以免設備產生沉陷、傾斜等風險,并做好裝樣定位。做好電源、數據線、鉆頭和地內壓力監測顯示器連接,確認鉆頭在無荷載情況下清零,管線連接確保密封。

(2) 檢查設備運行情況,確保主機、高壓泵、空壓機、泥漿攪拌系統等都正常工作,主機就位。修建排污及泥漿拌制系統,以便無污染作業。接著,開始引孔并下放鉆桿。

(3) MJS超高壓鉆機就位,下放鉆桿至設計深度。做好下放鉆桿節數記錄,并檢查密封圈情況。鉆頭到達預定深度后,設定搖擺角度、引拔速度、回轉數等工藝參數,使系統處于就緒狀態。

(4) 確定位置噴射,先開倒吸水流和倒吸空氣,在確認排漿正常時,打開排泥閥門,開啟高壓水泥泵和主空氣空壓機。首先用壓力為10 MPa的水向上噴射,然后把水切換成水泥漿,鉆桿重新下放到位后開始向上噴射改良。施工中密切監測地內壓力,實時調整排漿閥大小控制地內壓力在安全范圍,并實時監測周邊地層及鄰近橋梁變形情況。

(5) 由下向上逐步旋噴提升,同時將泥漿倒排吸出。為提高成樁質量,在樁底部1.0 m范圍適當延長旋噴時間。旋噴提升過程中,根據土質及地內壓力監測情況適當調整旋噴參數。

(6) 重復以上步驟直至成樁結束。最后及時對拆卸下來的鉆桿等設備進行清洗、養護。由于場地廣泛分布淤泥質黏土、中砂層,成孔中易出現塌孔、縮徑等問題,施工中應控制好泥漿質量并做好護壁等措施。圖4為MJS工法樁施工原理示意。

圖4 MJS工法樁施工原理示意

影響MIS工法樁施工質量的主要參數有8個(見表1),其中水泥漿壓力、主空氣壓力和主空氣流量3個參數主要用來實現土體的切割和形成樁體;地內壓力系數ξi主要根據地區地應力測試進行控制[8]。

表1 MJS試樁主要工藝參數

ξi=k0γi/γw

(1)

式中:γi為土體重度,kN/m3;k0為靜止土壓力系數,一般取1-sinφ,φ為土體內摩擦角;γw為水重度,kN/m3,一般取10 kN/m3。

土層側向壓力:

(2)

式中:hi為各土層厚度,m。

將式(1)代入式(2),則式(2)所描述的土層側向壓力可采用式(3)的形式表示:

(3)

3 試樁順序與監測方案制定

鑒于試樁過程與實際施工過程要基本相符,其次考慮到試樁過程中要盡可能減少機械搬運及挪動帶來的附加擾動,經過比選最終制定了兩個順時針方向的成樁順序方案:③→④→⑧→⑦→②→⑥→⑤→①。土體深層水平位移監測點(I1～I5、I6～I10)與MJS工法樁在同一軸線,其中I1、I6靠近樁側(見圖5(a)),I1～I5、I6～I10測斜管均采用0.5 m等間距布置,埋置深度與MJS工法樁樁長等同;孔隙水壓力監測孔(K1～K5、K6～K10)與土體深層水平位移測斜管在空間上處于同一平面,間距為0.5 m,監測點在深度方向按2,5,7,11,20 m間隔布置(見圖5(b))。樁體編號、土體深層水平位移及孔隙水壓力監測點布置與編號見圖5。K1-2表示孔隙水壓力監測孔K1在深度為2 m處的監測點,其余孔隙水壓力監測點符號意義同理。MJS工法樁試樁均從深度為19 m處開始噴漿,鉆桿逐步提升噴漿至地表代表一根試樁完成。

圖5 監測點布置(尺寸單位:m)

4 試樁施工環境影響分析

MJS工法試樁工況詳情見表2,圖6為試樁及監測實施現場。

表2 試樁工況詳情

4.1 深層土體累計側移

結果表明,各監測孔位累計側移(見圖7)總體上均呈現出“上大下小”的趨勢,附近土體的深層水平位移普遍在8～10 mm以內,最大位移值為38 mm,最大位移值所處深度為0.5～2.5 m。除I6、I10孔外,其余孔位最終均表現為土體逐步向施工區域回移現象(土體位移為正表示變形靠近施工區域,即靠近試樁方向,為負表示背離施工區域)。可見MJS工法樁施工過程中,由于樁位土體的卸載而引起土體的回移效應比漿液噴射引起的擠土效應更為顯著。試樁過程中,I1～I5、I6～I10處深層土體累計側向位移變化如圖7所示。另外,可觀察到此回移效應并不會持續很久,在鄰近樁位施工完成1～2 d之后就基本達到穩定。對于遠離樁側0.5 m以上的土層,回移的影響深度范圍基本在0～4 m內。因此,如附近有地下結構物時,應密切關注此深度范圍內因樁位施工產生的回移效應引起的剪切變形。

圖7 土體深層累計側移監測曲線

如排除個別孔位數據因各種不可控因素產生的異常波動外,在施工③-④-⑧-⑦號樁位過程中,施工區域3 m以外土體所受影響總體很小,整個深度范圍內累計側移量穩定在-4～8 mm。在施工⑥-⑤-①區域時,各個測孔深層土體累計側移均出現了不同程度的激增,其中最為明顯的為離施工區域最近的I1、I6孔位,I1測孔最大變化量出現在7月26日下午,深度0.5 m處土體側移為25.85 mm,深度范圍內土體累計側移量總體穩定在-25～35 mm,而7月26日當天為多樁施工(共施工完成5根)。可見,單樁施工對周邊土體的影響不顯著,屬于微擾動施工;而多樁施工對土體擾動產生的累積效應較為明顯,尤其在靠近樁側土體處。綜合監測結果,該工程劃分如下:離樁位1.5 m以內為主影響區,離樁位1.5～3.0 m為中影響區,離樁位3.0 m以外為微影響區。因此,在實際工程實踐中,要結合變形控制標準通過試樁試驗嚴密監控施工影響區內結構物變形,并合理控制施工進度。

4.2 孔隙水壓力變化

在埋深2,5,7,11,20 m處設置了孔隙水壓力測點,在為期3 d的試樁施工過程中各點位的孔壓變化情況如圖8所示,正值代表此次監測壓力值比上一次增大,否則為負。監測結果顯示:K6孔水壓力在試樁施工全過程中波動最頻繁且變化幅度最明顯,這是由于K1～K5測孔緊鄰污水管道改遷一側,原狀土層結構已受到較大擾動,土層透水性增強,孔壓消散較快,對噴漿壓力不敏感。而K6～K10測孔受管線遷改擾動影響相對較小,試樁過程中離樁側較近的K6測點孔壓出現了明顯波動,孔壓變化率沿著深度出現先增大后減小現象,可見深處結構性擾動較小的軟土層對于噴漿壓力較敏感。最大變化速率出現在7月24日下午K6孔11 m深度處(即K6-11處),為-13.6 kPa/d,此時的孔壓為133.1 kPa,變化率為10%。隨著試樁施工接近尾聲,孔壓變化率最大值有從土體深處向淺層轉移的趨勢,緊鄰K6測孔的5號樁位施工臨近結束時,孔壓最大變化率出現于7月26日上午K6孔的2 m深度處(即K6-2處),為14.6 kPa/d,此時孔壓為62.3 kPa,變化率為23%,這是由于此時噴頭回旋上提、噴漿壓力正逐漸往淺層土體轉移,而其引起的孔隙水壓力未及時消散所致,可見土體內孔隙水壓力變化情況和工法樁成樁過程密切相關。結果顯示,MJS工法樁對噴漿壓力的控制總體良好,整個施工過程中并未出現孔壓急劇增長的現象,隨著工法樁施工結束,孔壓也平穩消散。可見試樁施工工藝及主控參數的控制比較合理,表1的成套工藝參數是可行的,能較好適應工程現場土層,對周邊環境影響小。

4.3 既有橋臺橋墩位移變化

鄰近高鐵橋新建工程施工對橋墩影響一直是一個重要的研究問題[19],這關乎高鐵橋梁基礎穩定性及安全運營。在此進行試樁施工對既有墩臺影響的探討,可為施工優化及保護性措施的提出提供依據。圖9給出了MJS工法樁施工期間16號臺、17號墩監測點編號詳情。

圖9 16號臺及17號墩監測點布置

4.3.1豎向位移

MJS工法樁施工過程中對應的16號臺、17號墩豎向位移變化曲線如圖10所示。位移為正表示抬升,為負表示下沉。結果表明:MJS試樁過程中16號臺、17號墩豎向位移基本呈無規律的振蕩狀態,變化范圍在-0.16～0.21 mm之間。試樁施工中,16號臺C1、C2點基本呈微小的上抬、下沉交替變化趨勢,這是試樁施工擾動所致,試樁結束后隨著軟土結構重組,離施工區域較近的C1點微小下沉,下沉值為-0.04 mm;離施工區域較遠的C2點微小上抬,上抬值為0.07 mm,差異沉降值為0.11 mm。試樁施工中,比較靠近施工區域的17號墩C3點總體呈振蕩的上抬現象,試樁結束后其上抬值為0.16 mm;相對遠離施工區域的C4點總體呈振蕩的下沉現象,試樁結束后其下沉值為-0.13 mm,差異沉降為0.29 mm。可見,鄰近橋墩受MJS試樁施工影響微小,變形值遠小于規定值,橋梁結構穩定,可確保高鐵的安全運營。

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4.3.2水平位移

圖11為MJS工法樁施工過程中16號臺、17號墩水平位移變化情況。水平位移為正表示位移向施工區域,即靠近試樁方向,為負表示位移遠離施工區域。結果表明,試樁施工中16號臺的3個測點(S1～S3)總體產生了向施工區域方向的水平位移,位移變化范圍為-0.10～0.41 mm。17號墩3個測點(S4～S6)位移呈無規律振蕩狀態,位移變化范圍為-0.30～0.30 mm。最終S1～S6各測點位移穩定在0.21,0.30,0.10,0.10,0,-0.20 mm。可見MJS工法樁施工對墩影響微小,變形值遠小于規定值,可確保高鐵安全運營。

圖11 水平位移變化曲線

綜合監測結果,墩臺豎向位移變化范圍在-0.16～0.21 mm,水平位移變化范圍在-0.30～0.41 mm,可見MJS工法樁施工擾動小,不會對高鐵橋梁穩定性造成影響。

5 結 論

結合福建省濱海地區首例MJS工法樁在涉鐵軟基加固工程中的應用實例,通過試樁試驗提出了一套適應濱海軟土敏感區的MJS工法樁工藝參數,并分析了試樁施工中樁側土體水平位移、土體孔隙水壓力及鄰近高鐵橋墩臺的變形規律,探討了MJS工法樁施工對鄰近結構影響情況并評價其安全性,得到以下主要結論。

(1) 周邊土體累計側移總體上呈“上大下小”趨勢,最大位移值所處深度約0.5～4.0 m。樁位土體卸載引起的土體回移效應比漿液噴射引起的擠土效應更為顯著,側移變形在鄰近樁位施工1～2 d后就基本達到穩定。單樁施工對周邊土體的影響不顯著,屬于微擾動施工,而多樁施工對土體擾動產生的累積效應較為明顯。結合該工程情況,界定離樁位1.5 m以內為主影響區,1.5～3.0 m為中影響區,3.0 m以外為微影響區。

(2) 試樁過程中離樁側較近土體孔壓出現明顯波動,表現出隨深度增加,孔壓變化率略微增大的現象,最大變化速率為-13.6 kPa/d。隨著試樁施工接近尾聲,孔壓變化率最大值有從土體深處向淺層轉移的趨勢,可見土體孔壓變化情況和成樁過程密切相關。整個施工過程中并未出現孔壓突變現象,孔壓平穩消散。表明MJS工法樁噴漿壓力控制總體良好,試樁工藝及主控參數合理。

(3) 試樁施工過程中臨近高鐵橋墩臺變形總體呈無規律的振蕩狀態,這是試樁施工擾動所致。試樁結束后,隨著軟土結構重組,墩臺豎向位移變化范圍為-0.16～0.21 mm,水平位移變化范圍為-0.30～0.41 mm,變形值遠小于規定值,可確保高鐵安全運營。下一步可開展工法樁施工順序及樁長、樁徑、間距等參數對環境的影響研究,進一步優化涉鐵深厚軟基MJS工法樁加固技術。