富水粉砂地層水平MJS 樁施工對周邊環境的影響及控制研究

王占生，汪 慶，張宗超，李聞韜

（1.蘇州市軌道交通建設有限公司，江蘇蘇州 215004；2.蘇州大學，江蘇蘇州 215031；3.江蘇省智慧城軌工程研究中心，江蘇蘇州 215031；4.中鐵十六局集團北京軌道交通工程建設有限公司，北京 100018）

1 研究背景

隨著我國城市化進程的迅速推進，地鐵網絡變得越發復雜，新舊地鐵隧道在空間中交錯是地鐵設計中必須解決的實際問題。全方位高壓噴射注漿工法(metro jet system，MJS)是傳統高壓旋噴工藝的進一步升級。MJS 優點在于利用多孔管增大了噴射壓力，增加了排泥裝置，可通過鉆頭部位設置的土壓力監測裝置，使施工處于有效控制狀態。因此，MJS 樁體可有效提高土體自穩能力，最大限度降低施工對地鐵站廳以及隧道穿越的影響[1-2]。近年來，MJS 工法被廣泛應用于地下工程領域和地鐵建設，如下穿京沈高鐵水平MJS地基處理工程[3]、上海輕軌車站換乘通道加固工程[4]、長沙軌道交通4 號線下穿既有2 號線運營區[5]等。

水平MJS 注漿壓力高達幾十兆帕，成樁期間對周邊地層會產生較大擾動，包括引發較大的超靜孔隙水壓力和土壓力，導致周邊水位變化與地層變形，給周邊環境帶來較多不利影響。一些學者研究了高壓旋噴樁施工對周邊環境的影響[6-7]。王志豐等[8]采用現場試驗的方法研究了水平旋噴成樁引起超靜孔隙水壓力的變化規律；COULTER 等[9]基于瑞士Aescher 隧道施工的現場實測數據，借助有限元方法研究了采用水平旋噴樁超前支護工法對周邊地層變形的控制效果。現有研究主要集中于高壓傳統旋噴對周邊環境影響，對水平MJS 樁施工對周邊環境影響，及成樁引起超靜孔隙水壓力、土壓力、水位等變化規律研究相對較少。為有效控制地層擾動，減少MJS 樁施工對既有建筑的影響，有必要對水平MJS 噴漿對周邊環境的作用進行深入研究。

本文依托蘇州軌道交通6 號線項目，該線路需盾構穿越1 號線既有車站，因未預留穿越條件，擬采用水平MJS 對既有車站底部進行加固。目前我國已有地下結構工程建設較少采用水平MJS 加固，在蘇州地區尚無先例。為研究長距離水平MJS 工法在蘇州典型粉砂地層中施工的可行性以及MJS 施工過程中對周圍環境的影響，本文選擇附近具有相似地層的蘇州軌道交通6 號線蘇錦站進行水平MJS 試樁現場試驗。研究結果可為蘇州軌道交通6號線穿越1號線車站的水平MJS工法正式施工提供支撐，亦可為水平MJS 在粉砂地層中的加固工程提供參考。

2 工程概況

蘇州軌道交通6 號線某地鐵車站采用地下3 層帶雙停車線島式設計，車站總長516 m，標準段寬23.1 m，車站基坑采取分段施工，共劃分A、B、C、D 4 個施工段，基坑間用地下連續墻分隔，如圖1 所示。試樁區域位于基坑A 的東側，緊鄰基坑A、D 間隔墻，西側距車站西端頭約138 m。試樁監測區域布置范圍為一個34.6 m×14 m 的矩形，其中第1 艙東側用于存放MJS 施工時的泥漿排放池。試樁場地地層主要分布(見圖2)有4-2 粉砂，土層物理力學參數如表1 所示。

表1 土體物理力學參數Table 1 Physical and mechanical parameters of soil

圖1 工程平面布置Figure 1 Engineering layout plan

圖2 試樁場地地質剖面Figure 2 Geological profile of test pile site

3 試樁方案

因本次試樁受條件限制，本文僅討論粉砂層中的P3 樁(現場施工見圖3)，《全方位高壓噴射注漿技術標準》(DG/TJ08—2289—2019)[10]中規定的施工參數與水平MJS 試樁的施工參數如表2 和表3 所示。與規范中的參數相比，本次試樁采用通用性較好的長距離變參數施工方法。試樁采用向下180°擺噴，其中P3 包含4段不同參數的樁段，具體成樁位置如圖4 和圖5 所示，MJS 試樁參數的變量項目為流量大小、是否有主氣、是否有上切削水或上切削膨潤土漿液及回抽速度變量。

表2 《全方位高壓噴射注漿技術標準》MJS 水平樁施工參數Table 2 Technical specification for omnibearing highpressure jet grouting MJS horizontal pile construction parameters

表3 MJS 水平試樁施工參數Table 3 Construction parameters of MJS horizontal piles for testing piles

圖3 水平MJS 現場施工Figure 3 Horizontal MJS Site construction drawing

圖4 P3 樁監測布置Figure 4 Monitoring layout of P3 pile

圖5 P3 噴漿時地內壓力變化Figure 5 Changes in ground pressure during P3 spraying

本測試利用場地原有疏干井和降壓井，放入自動化水位計監測水位。其中SW19、SW21、SW22 為疏干井，深度為30 m，承壓水降壓井，深度為45 m。采用振弦式孔隙水壓力計監測土體中孔隙水壓力的變化；采用振弦式土壓力盒監測土體中豎向土壓力的變化。采用固定式測斜儀監測深層土體水平位移，旨在研究水平MJS 樁噴射時的影響范圍，并了解噴射后土體的反應。

如圖4 所示，TPnB 每孔放置2 個孔隙水壓力計，深度分別為-17.5 m(粉質黏土)和-21.5 m(黏土)，TPnA、TPnC 每孔放置 3 個孔隙水壓力計，深度分別為-15.5 m(粉砂層)和-19.5 m(粉質黏土)、-23.5 m(粉質黏土)。土壓力計埋設在P3 樁周圍，每孔埋設3 個深度分別為-11.3、-15.3、-17.3 m 的土壓力計。測斜管布置在樁兩側，南側的測斜管距P3 樁中心3 m，北側的測斜管距P3 樁中心4.5 m。為防止測斜管過深誘發管涌，測斜管深度設置為底板深度(-24 m)。

以粉砂層中P3 樁為例(見圖4)，P3 為本次測試的第3 根MJS 樁，施工時間為2021 年8 月22 日21:30—2021年8 月26 日15:00，歷時109.5 h，其深度為14.5 m，全部位于4-2 粉砂中。圖中I、III 和IV 分別表示施工P3-I、P3-III 和P3-IV 對應的時間段。第1 段P3-I 僅施工5.5 m，第2 段P3-II 沒有噴漿，第3 段P3-III 施工4 m，第4 段P3-IV 在回退3 m 后施工4 m，原因是發生了抱鉆。

4 監測結果分析

4.1 地內壓力變化

地內壓力變化見圖5，第1 段P3-I 噴漿時的地內壓力總體呈增加趨勢，從0.07 MPa 增加到0.18 MPa左右。第3 段P3-III 中地內壓力在0.2 MPa 左右，與第1 段基本持平，第3 段P3-III 在噴漿過程中發生抱鉆，在第4 段P3-IV 的地內壓力仍較大，在0.2 MPa左右。抱鉆是因為噴漿壓力大(40 MPa)，噴漿時易擾動周邊土體，并且由于粉砂土黏聚力不足，砂性土質自立性差，黏聚力低，擾動后易流動，產生塌孔和抱鉆等不良因素。砂層中抱鉆會導致成樁不均勻、斷樁等情況發生，影響成樁質量。為了防止塌孔和抱鉆現象發生，后續試樁時在水泥漿液(水灰比1∶1)中加入3%摻量、黏度22 s 的膨潤土，可潤滑鉆桿增加土體黏聚力。

4.2 水位變化

噴漿時水位變化見圖6，第1 段噴漿時，因地內壓力從0.07 MPa 增加到0.18 MPa 左右，水位總體呈上升趨勢。因為4-2 粉砂層滲透性高，噴漿噴出的水快速滲透到土層中，抬升了地下水位，第1 段噴漿引起的水位上升最大為3.6 m(SW22)，第1 段中最后一節鉆桿噴漿時發生抱鉆，鉆桿回退到第3 段處。第3 段噴漿時，測點處水位已從最高點下降了約1.5 m，第3段開始噴漿后，由于地內壓力處于較高值(0.2 MPa)，水位以之前下降時相似的速率回升，最多上升1.2 m。第3 段的最后一根鉆桿噴施時再次發生抱鉆，在回退過程中于8 月26 日12 時左右短暫試噴，水位因此升高1.2 m，回退到第4 段時正式噴漿。因第4 段距水位監測點較遠，各測點的水位都呈下降趨勢。因此，噴漿導致地下水位上升，停止噴漿后地下水位下降。

圖6 P3 引孔及噴漿過程中水位變化Figure 6 Changes in water level in P3 pilot hole and shotcreting

4.3 孔隙水壓力變化

以粉砂層中P3樁噴漿時孔隙水壓變化為例(見圖7)，由于4-2 粉砂層的滲透性強，超孔隙水壓力擴散范圍大，但局部影響幅度較小。第1 段噴漿時，地內壓力處于較高值(0.18 MPa)，第1 艙淺層的孔壓TP1A-5(-15.5 m)、TP1B-4(-17.5 m)、TP1C-3(-15.5 m)表現一致，整體呈增加趨勢，與水位的變化相吻合(見圖6)，上述3 處孔壓在第1 段噴漿結束后達到峰值，平均增加了46.1 kPa。第3 段噴漿時，第3 艙中的孔壓TP3A-5(-15.5 m)、TP3B-4(-16 m)、TP3C-3(-15.5 m)的整體呈增加趨勢，由于地內壓力最大可達0.2 MPa，導致TP3C-3(-15.5 m)附近發生冒漿，使其增加約40 kPa。第4 段噴漿時，由于沒有噴同軸空氣，噴漿的影響范圍較小(見圖7)，使TP4A-5(-15.5 m)、TP4B-4(-17.5 m)呈緩慢下降的趨勢，變化量在10 kPa 內。因此，本次施工中大部分孔隙水壓力的變化趨勢與水位的變化趨勢相同，噴漿使孔壓上升，停止噴漿后孔壓下降。冒漿是因為土體間存在大量空隙與空洞，漿液與同軸空氣的壓力不能被土體本身平衡，它們通過土體中既有的薄弱點涌上地表，根據既有監測數據圖5 和圖6 與施工參數對比分析，噴漿過程中地內壓力與孔隙水壓力突然增大會導致冒漿現象發生，因此在實際的粉砂層中施工出現冒漿冒氣現象時，應關閉同軸空氣，控制地內壓力，防止冒漿現象發生。

4.4 土壓力變化

P3樁MJS 成樁過程中土壓力盒測得的土壓力如圖8 所示。位于第1 段與第2 段間，其中SP1-2 從113.8 kPa 增加到154.4 kPa，SP1-3 從96.7 kPa 增加到124.1 kPa。第3 段噴漿時(見圖8)，SP3-2(-14.2 m)、SP3-3(-11.3 m)的變化趨勢與TP3A-5(-15.5 m)、TP3B-4(-16 m)、TP3C-3(-15.5 m)一致，主要反映了水位的變化。由于此段開啟上切削水，且回抽速度為47 mm/min，均小于第1、4 段，導致地內壓力偏大，使噴漿口上部的土壓力盒承受漿液的沖擊作用影響，土壓的變化幅度明顯大于同艙內的孔壓，10 min 內最大變化達40 kPa(SP3-2)。第4 段噴漿時，SP4-2(-14.2 m)、SP4-3 (-11.3 m)的變化趨勢與第4 艙淺部的孔壓一致，呈下降趨勢，因為沒有噴同軸空氣，噴漿的影響范圍較小。總體而言，土壓力的變化趨勢與孔壓一致，土壓的變化主要反映了水位的變化，在粉砂層施工時，為了控制噴漿時的影響范圍，建議設置回抽速度為50 mm/min，并關閉同軸空氣。

4.5 土體深層水平位移

以P3 第1 倉為例，圖9 為引孔和噴漿時深層土體水平位移的累計變化，縱坐標的0 刻度表示相對于原始地面-1 m 深度處。P3 的噴漿口位于-14.5 m 深度處，即圖中-13.5 m 深度處，在4-2 粉砂層中，其中本節標高均對應圖中標高。內傾指向基坑中心，外傾指向基坑外。對于CX1A 和CX1B，在引孔過程中，-3～-15 m 埋深測點發生最大1.2 mm 的內傾，據施工記錄引孔時多次遇到阻力不同現象(鉆桿扭矩大于5 MPa)，推測此時可能發生塌孔，周圍土體向鉆桿移動。噴漿時，-4～-13 m 埋深CX1B 測點處發生最大2.2 mm (深度-8 m)的內傾，推測此時可能發生塌孔，導致周圍土體向鉆桿移動。

圖9 P3 各段噴漿完成后第1 艙土體深層水平位移Figure 9 Deep horizontal displacement of soil in the first cabin after completion of each section of P3

總體而言，塌孔是影響深層土體水平位移的首要因素，而塌孔主要由于粉砂層黏聚力小，地下水流動性強，土體自身的支撐能力較差造成。粉砂層中引孔易出現塌孔，導致測斜發生內傾。噴漿時CX1A 測斜點的變化不明顯，原因是4-2 粉砂層具有較高滲透性(滲透系數為4.0×10-3cm/s)，并且多次抱鉆使得噴漿中斷，導致噴漿不連續。為了防止塌孔和抱鉆現象發生，后續試樁時在水泥漿液(水灰比1∶1)中加入3%摻量、黏度22 s 的膨潤土，可潤滑鉆桿增加土體黏聚力。結合地內壓力和動力頭扭矩一起判斷鉆桿附近土體壓力情況，控制動力頭扭矩不超過5 MPa，以防過度擾動周邊土體，保障施工安全。

4.6 施工監測沉降

通過對蘇州地鐵8 號線時代廣場站水平MJS 施工期間車站底板沉降數據分析(見圖10)，得出在2 月3—13 日之間，水平MJS 按照試樁方案采用合理的施工參數，在水泥漿液(水灰比1∶1)中加入3%摻量、黏度22 s 的膨潤土。在粉砂層中不可使用上切削水，同時控制回抽速度為50 mm/min。控制倒吸水壓力為5～6 MPa，合理控制地內壓力，控制動力頭扭矩不超過5 MPa。既有車站底板累計最大沉降0.5 mm，最大隆起0.2 mm，最大變形速率0.7 mm/d，既有車站底板累計最大水平位移0.8 mm，最大變形速率0.5 mm/d，滿足規范《城市軌道交通結構安全保護技術規程》[11]中規定的車站結構沉降小于10 mm、隆起小于5 mm，水平位移小于10 mm 的控制要求。

圖10 水平MJS 噴漿過程中車站底板結構累計位移Figure 10 Cumulative displacement of station floor structure during horizontal MJS shotcreting

5 結論

本文依托蘇州軌道交通6 號線蘇錦站富水粉砂地層中MJS 試樁工程，基于現場試驗研究了水平MJS成樁對地下水位、超靜孔隙水壓力、土壓力和深層水平位移的影響。

1) 本次P3 試樁噴漿位于4-2 粉砂層，滲透性高，噴漿液體速滲透到土層中，導致地下水位迅速升高，最大幅度為3.6 m。地下水位的上升幅度與地內壓力和噴漿時間呈正相關關系。同時，孔壓和土壓的變化與地下水位的變化規律較為一致，噴漿使孔壓上升，停止噴漿后孔壓下降。

2) 在粉砂層進行MJS 施工易發生抱鉆塌孔。受抱鉆塌孔影響，引孔時最大內傾1.2 mm，影響區位于鉆桿所在的4-2 粉砂層和其上方的3-3 砂質粉土層，噴漿時出現最大2.2 mm 的內傾。

3) MJS 施工過程中，建議實際粉砂層施工時在粉砂層中不可使用上切削水，同時控制回抽速度為50 mm/min 以防止冒漿現象發生。在水泥漿液中加入適量膨潤土，同時控制倒吸水壓力為5～6 MPa，控制動力頭扭矩不超過5 MPa，可有效減少擾動并防止抱鉆。蘇州地鐵8 號線水平MJS 施工期間嚴格按照上述建議值施工，既有車站底板累計最大沉降0.5 mm，最大隆起0.2 mm，最大水平位移0.8 mm，滿足規范要求。