宁波软土地区MJS工法桩施工对临近既有建筑物的影响分析

叶 琪， 王国权， 杨兰强， 金增选

(1. 宁波市市政工程前期办公室， 浙江 宁波 315000； 2. 宁波市城建设计研究院有限公司，浙江 宁波 315000； 3．浙江省工程勘察院， 浙江 宁波 315000)

宁波软土地区MJS工法桩施工对临近既有建筑物的影响分析

叶 琪1， 王国权2， 杨兰强3， *， 金增选1

(1. 宁波市市政工程前期办公室， 浙江 宁波 315000； 2. 宁波市城建设计研究院有限公司，浙江 宁波 315000； 3．浙江省工程勘察院， 浙江 宁波 315000)

为解决围护桩施工时的挤土效应对临近既有建筑物变形的影响，基于宁波地区首例MJS工法桩应用实例，详细介绍了MJS工法桩的施工原理，并提出了一套适合宁波软土地区的施工和设计参数。最后，采用建筑物沉降位移、建筑物倾斜、地表沉降和深层土体位移等动态跟踪监测手段得到了MJS工法桩施工期间临近既有建筑物的沉降和倾斜变化规律、周边地表的沉降变化规律以及深层土体的变形规律,并进行了MJS工法成桩质量情况分析。结果表明： 1)MJS工法桩施工期间对周围环境影响很小，基本上可以忽略不计； 2)MJS工法桩的水泥掺量大于50%时，其单轴抗压强度大于1.49 MPa； 3)在淤泥质土中MJS工法的成桩质量会随着加固深度的增大而降低。

MJS工法桩； 单轴抗压强度； 软土地区； 临近既有建筑物

0 引言

目前地下空间开发力度不断加大，在地下空间开发过程中经常面临复杂的周边环境影响问题。宁波软土地区以淤泥质土为主，土质较差，土体成流塑状，易受扰动。与基坑工程相邻的市政管线、古建筑以及危房等的保护是比较棘手的工程问题。

对建(构)筑物周围的土体进行加固或者施工1道隔离桩是目前较常见、可行的解决方式[1]。李新星等[2]针对盾构近距离穿越桩基的施工影响问题，采用在高架桩基两侧施工全方位高压喷射工法(metro jet system, MJS)隔离桩进行防护，取得了较好的效果；张登雨等[3]针对盾构侧穿临近古建筑的影响问题，通过布置1道MJS工法隔离桩，降低了盾构施工对古建筑变形的影响；吴昌将等[4]为了降低盾构施工对古建筑的影响，在盾构区间与古建筑之间施工了1道MJS工法隔离墙，并采用数值模拟与现场监测相结合的方法得出了MJS工法隔离墙的抗变形效果，但其未考虑MJS工法施工时的挤土效应问题；梁利等[5]在既有轻轨车站下部施工轻轨车站换乘通道的基坑支护设计中，为了降低基坑开挖对既有车站的变形影响，在既有车站周围进行了MJS工法桩地基加固，取得了良好的效果；张志勇等[6]采用MJS工法桩对上海地铁工程超深地基进行加固，取得了良好的效果。

大部分学者主要通过数值模拟和现场监测的方式讨论与研究MJS工法桩作为隔离桩在抗变形问题上的有效性，但MJS工法桩施工时会对周围土体产生扰动，尤其在淤泥质土中更为明显。周立波等[7]研究发现即使是非挤土的钻孔灌注桩在软土中施工也会引起临近电力顶管隧道变形，变形量达6.97 mm；李志高等[8]对水泥搅拌桩的挤土效应进行了专门的现场试验研究，结果表明: 对于透水性较差的土层，水泥搅拌桩施工产生的注浆压力使土中产生的超静孔隙水压力积聚快、消散慢，挤土效应较明显；王育兴等[9]针对打桩施工引起的挤土效应，依据孔穴扩张理论，建立了相应的解析方法；邓永锋[10]针对水泥搅拌桩施工扰动评价也提出了相应的定量解析方法。

目前，针对MJS工法桩施工期间的挤土效应问题仅有少量的文献做了报道，例如：邓指军等[11]在地铁隧道施工时专门开展了MJS工法桩施工的现场试验，采用跟踪监测手段初步总结了MJS工法桩的挤土特征；赵香山等[12]通过数值模拟手段讨论了软土中MJS工法桩施工时的环境效应。对于MJS工法在宁波软土地区的适用性以及MJS工法施工对周围环境的挤土效应和MJS工法挤土效应的定量描述等问题还需要进一步的研究与讨论。根据宁波地区首例MJS工法保护实例，在MJS工法桩施工过程中进行动态跟踪监测，并从成桩质量角度评估MJS工法在宁波地区的应用效果。

1 问题提出

1.1工程背景

拟建的过街地道位于宁波核心城区。拟建地道的位置及监测平面图如图1所示。场地东侧为新华联商厦，西侧为东方商厦，南侧为中山东路。中山东路路面以下为地铁1号线天一广场站。

拟建过街地道的挖深为10.06～15.6 m, 采用咬合桩+多道支撑的支护形式。场地内的土层主要以淤泥质土为主，土层的物理力学参数见表1。

DZCX、GX、FW和QX分别代表测斜监测点、地表沉降监测点、建筑物沉降监测点和建筑物倾斜监测点。

图1拟建地道的位置及监测平面图

Fig. 1 Plan of location and monitoring of underground passage to be built

表1 土层的物理力学参数Table 1 Physico-mechanical parameters of soils

1.2临近既有建筑物现状

拟建地道西侧紧邻东方商厦。东方商厦分3期建造完成，其中临近地道的是1985年建造的1期工程及1994年建造的1期扩建工程。东方商厦建造情况如图2所示。

图2 东方商厦建造情况

1985年建造的1期工程为地上9层框架结构+预应力空心板，基础为400 mm×400 mm的预制方桩，工程桩桩长27.4 m，桩底位于⑤1黏土层。1994年建造的1期扩建工程为地上9层框架结构+现浇板，基础采用钻孔灌注桩，桩径为800 mm，桩的长度为30 m，桩底位于⑤1黏土层，与1期工程之间设置了沉降缝。

受南侧地铁车站施工的影响，东方商厦1期工程以及1期扩建工程产生了明显的不均匀沉降。根据2011年12月至2014年4月的监测结果显示： 1)东方商厦的最大总沉降量为90.58 mm，位于建筑物的西南角； 2)建筑物整体发生了南北倾斜，北侧沉降量小、南侧沉降量大，南北向倾斜率为3.21‰～3.54‰，大于规范[13]要求的建筑地基变形允许倾斜率(3‰)； 3)西侧沉降大、东侧沉降小，东西向倾斜率为0.149‰～0.89‰。由于倾斜率是通过监测点的沉降差与水平距离的比值反算出来的，且所监测的建筑结构之间设有沉降缝，因此实际建筑的倾斜率比计算值小。

考虑到目前东方商厦的不均匀沉降较大，且后期地道的施工容易造成东方商厦进一步变形，在地道施工前对东方商厦进行了基础预加固处理，即在1期工程的西侧、南侧和东侧以及1期扩建工程东南角处的基础外侧进行了补桩(补桩采用21根φ800 mm的钻孔灌注桩，全套筒施工)，并对建筑物进行了纠偏处理，使得加固后的南北倾斜率为0.359‰～1.991‰，东西向倾斜率保持不变。

2 临近既有建筑物保护及监测方案

2.1影响临近既有建筑物安全性的因素

由于东方商厦已产生不均匀沉降，为了保证东方商厦在临近地道施工期间的安全性，需采取一系列有效的保护措施。影响东方商厦安全性的因素主要集中在地道施工期间。地道施工期间影响东方商厦安全性的因素主要体现在2个方面： 1)围护桩施工期间的挤土效应； 2)基坑开挖期间的变形影响。影响东方商厦安全性的因素如图3所示。

图3 影响东方商厦安全性的因素

本文主要讨论MJS工法桩施工对周围环境的影响问题，而后续基坑开挖变形问题可通过整个围护体系以及MJS工法桩的隔离作用共同控制，其属于另一个讨论问题，本文的讨论不涉及基坑开挖期间的变形影响。

2.2 MJS工法桩施工参数

为了最大可能地避免地道施工对西侧东方商厦的影响，在地道与东方商厦之间布置1道隔离桩保护墙是一种较为普遍、可行的方法[14-15]，其主要用于隔离打桩和挖土对西侧东方商厦的影响。

隔离桩加固的方法有三轴水泥土搅拌桩法、双轴水泥土搅拌桩法、高压旋喷桩法和压密注浆法等。拟建地道与东方商厦的最小距离仅为6.3 m，所以无法采用常规的三轴水泥土搅拌桩和双轴水泥土搅拌桩。水泥土搅拌桩、高压旋喷桩和压密注浆法的挤土效应非常严重，在已发生不均匀沉降的建筑旁施工可能会造成不利影响(例如图4所示的该项目附近工地高压旋喷桩施工导致围墙开裂的情况)，如果不考虑围护桩施工的挤土影响，很有可能对东方商厦造成严重的影响。

图4 高压旋喷桩施工导致围墙开裂

Fig. 4 Wall cracks induced by construction of high pressure jet grouting pile

MJS工法桩与传统高压旋喷桩施工原理对比示意图如图5所示。由图5可知，传统高压旋喷桩主要通过喷射高压(一般大于20 MPa)水泥浆并联合空气压力切割土体，使得水泥与土体充分混合形成具有一定强度的水泥土加强体。传统高压旋喷桩施工一般为孔口自然返浆，无法对排浆量及孔内压力进行控制。在深厚软土地基施工时，如果排浆不畅，会使得加固区域瞬间产生很大的超静孔隙水压力，并引起周边土体产生侧向变形和隆起变形。所以，在高压旋喷桩施工时，其周围20 m范围内常常会出现明显的土体隆起或如图4所示的建(构)筑物结构开裂。

(a) MJS工法桩

(b) 传统高压旋喷桩

Fig. 5 Sketch diagrams of comparison between MJS pile and high pressure jet grouting pile in terms of working principle

MJS工法桩是在传统高压旋喷桩施工工艺的基础上改进而成的，不仅具备传统高压旋喷桩切割土体和加固土体的功能，而且其采用独特的多孔管和前端装置(Monitor)实现了强制排浆，将多余的泥浆通过排泥孔排出，并通过前端地内压力监测装置对地内泥浆压力进行监测，保持泥浆压力的稳定，从而减少了对周围环境的影响。MJS工法桩具有良好的施工性能，不仅可以垂直施工，还可以倾斜施工和水平施工，具有可控角度摇摆喷浆的功能。该法与常规旋喷桩相比，还具有处理深度大、桩径大、强度高以及对周围环境影响小的特点。另外，MJS工法具有专门的废浆排放管路，对环境污染小。

高压喷射端口和地内压力感应器分别如图6和图7所示。由高压喷射端口和地内压力感应器组成的前端装置上分布有压力传感器、排泥口和喷浆口等。钻杆端部的多孔管剖面图如图8所示。多孔管由排泥管、水泥浆管、排泥用水管、排泥用空气管、喷射主气管、排泥闸门控制油路管、削孔水管、钻杆对接螺栓孔、数据线通道和预留孔等组成。

MJS工法的关键技术主要为： 1)提供足够的水泥浆压力和空气压力切割土体； 2)准确评估施工区域不同深度处的地应力值； 3)及时进行强制排浆，控制地应力，避免产生过大的超静孔隙水压力。

MJS工法的主要技术参数见表2。表2中的参数是通过现场试桩试验获取的，并与文献[3]和文献[7]中提供的MJS工法主要技术参数进行了对比。

图6 高压喷射端口

图7 地内压力感应器

图8 多孔管剖面图

表2 MJS工法的主要技术参数Table 2 Main technical parameters of MJS

由表2可知，影响MJS工法施工质量的主要参数有7个。浆压力、空气压力和空气流量3个参数主要用来实现土体的切割和形成桩体；地内压力系数主要根据地区地应力测试进行控制。

土层侧向压力

(1)

式中：hi为各土层厚度，m；γi为土体重度，kN/m3；K0为静止土压力系数，一般取1-sinφ。

如果定义一个地内压力系数ξi的概念，则地内压力系数

ξi=K0γi/γw。

(2)

式中γw为水的重度，kN/m3，一般取10 kN/m3。

则式(1)所描述的土层侧向压力可采用式(3)的形式表示:

(3)

施工现场20 m范围内的土层主要以淤泥质土为主，根据相关测试，地内压力系数ξi可取1.4～1.6。

MJS工法隔离桩设计桩长为21 m，桩型为180°半圆，桩径为1 800 mm，搭接长度为600 mm，采用P·O42.5普通硅酸盐水泥，水灰质量比为1∶1。

2.3监测方案的制定

为研究MJS工法桩在施工期间对周围环境的影响，尤其是对西侧东方商厦的变形影响，在东方商厦及其附近布置了一些监测点。

东方商厦与MJS工法桩之间共布置了4类监测点，如图1所示，即：

1)测斜监测点(DZCX01、DZCX02、DZCX03和DZCX04)，用于监测MJS工法桩施工期间深层土体的水平位移情况；

2)地表沉降监测点(GX01、GX02、GX03、GX04、GX05、GX06、GX07、GX08和GX09)，用于监测打桩期间临近东方商厦一侧的地表沉降情况，地表沉降监测点的水平间距为10 m；

3)建筑物沉降监测点(FW07、FW08、FW09和FW10)，用于监测打桩期间东方商厦(桩基础建筑物)的沉降情况；

4)建筑物倾斜监测点(QX04和QX05)，用于监测打桩期间东方商厦(桩基础建筑物)的倾斜情况。

3 MJS工法桩施工期间对周围环境的影响分析

MJS工法桩施工阶段为2016年4月18日至2016年6月3日，在施工前期及施工期间开展了同步跟踪监测。

3.1东方商厦沉降情况

MJS工法桩施工期间东方商厦的沉降位移时程曲线如图9所示。由图9可知，MJS工法桩施工期间，西侧东方商厦的沉降量普遍在2 mm以内，最大隆起量为2.65 mm，最大沉降量为2.5 mm，由此可见，采用MJS工法桩施工对西侧东方商厦的沉降影响较小，基本上可忽略不计。

图9 东方商厦的沉降位移时程曲线

3.2东方商厦倾斜情况

MJS工法桩施工期间东方商厦南北向倾斜率增量时程曲线如图10所示。东方商厦通过结构加固后的南北向初始倾斜率为0.359‰～1.991‰。由图10可知，MJS工法桩施工对东方商厦南北向倾斜的影响非常小，倾斜率最大增量仅为0.065‰。

MJS工法桩施工期间东方商厦东西向倾斜率增量时程曲线如图11所示。东方商厦通过结构加固后的东西向初始倾斜率为0.149‰～0.890‰。由图11可知，采用MJS工法桩施工对东方商厦东西向倾斜的影响非常小，倾斜率最大增量仅为0.128‰。

由图10和图11可知，采用MJS工法桩施工对东方商厦的倾斜几乎无影响。

初始倾斜率： 1)QX04： 0.359‰，向南倾斜； 2)QX05： 1.991‰，向南倾斜。

图10东方商厦南北向倾斜率增量时程曲线

Fig. 10 Time-history increment curves of inclination towards north and south of Dongfang Mansion

初始倾斜率： 1)QX04： 0.149‰，向东倾斜； 2)QX05： 0.890‰，向西倾斜。

图11东方商厦东西向倾斜率增量时程曲线

Fig. 11 Increment curve of inclination rate between east and west of Dongfang Mansion

3.3周围地表沉降情况

MJS工法桩施工期间东方商厦一侧的地表沉降时程曲线如图12所示。由图12可知，地表最大隆起量为11.58 mm，最大沉降量为11.09 mm。大部分地表的沉降量控制在5 mm以内，说明MJS工法桩施工对地表沉降的影响较小；局部地表沉降量出现大于10 mm的现象，经过分析认为是未控制好表层土的排泥量而导致的。MJS工法是通过强制排泥保证地层不出现过大的超静孔隙水压力，如果强制排泥速率控制不好，排泥量跟不上，会引起表层土出现较大的超静孔隙水压力，进而出现较大的地表隆起变形；如果排泥抽得太快，会产生超负孔隙水压力，出现地表土体被“吸下去”的情况，即出现过大的地表沉降现象。因此，在施工前一定要准确地测试施工区域的地应力情况，尤其是地表的地应力情况，并合理控制排泥速率。

图12 东方商厦一侧的地表沉降时程曲线

Fig. 12 Time-history ground surface settlement curves at side of Dongfang Mansion

3.4深层土体水平位移情况

MJS工法桩施工期间东方商厦一侧深层土体的水平位移曲线如图13所示。由图13可知，MJS工法桩施工期间，东方商厦附近的深层土体水平位移普遍在5 mm以内，最大水平位移仅为14 mm，且最大水平位移所处深度为1.5～2 m，随着土层深度增加水平位移逐渐降低。综合图12和图13的情况可知，MJS工法桩在深层位置加固土体时对周围环境的影响较小； 但当加固浅层土体在1.5～2 m时影响较大，应格外注意其施工影响，稍有不慎就可能造成周围土体产生过大的变形，进而威胁周围建(构)筑物的安全。

图13 东方商厦一侧深层土体的水平位移曲线

Fig. 13 Horizontal displacement curves of deep soil at side of Dongfang Mansion

4 MJS工法成桩质量分析

MJS工法桩施工完毕并经过28 d养护后，随机选取9个点进行通长钻孔取芯。图14示出MJS工法施工后的成桩情况。根据测量可知，深度3 m范围内的桩头半径为1.9 m，大于设计桩径1.8 m，满足要求。

通过钻孔取芯取出的MJS工法施工芯样如图15所示。MJS工法施工芯样呈柱状，较完整、坚硬，说明搅拌较均匀、固结较好。在阳光下晾晒后可以看到“白花花”的色泽，说明水泥掺量合理。

图14 MJS工法施工后的成桩情况

图15 MJS工法施工芯样

图16示出MJS工法施工试样的单轴抗压强度随地层深度的变化曲线。由图16可知，不同深度处MJS工法施工试样的单轴抗压强度均大于1.49 MPa，大于设计值1.2 MPa。而宁波地区传统高压旋喷桩的单轴抗压强度为0.8～1.0 MPa。另外，试样的单轴抗压强度随深度增加呈逐渐递减的趋势，在4～5 m深度处单轴抗压强度最大，在19～20 m深度处单轴抗压强度最小。根据地勘资料可知，该场地20 m范围内以淤泥质土为主(见表1)，在淤泥质土中MJS工法的成桩质量会随着加固深度的增大而降低。

图16 MJS工法施工试样的单轴抗压强度随地层深度的变化曲线

Fig. 16 Variation curve of relationship between uniaxial compressive strength of core sample constructed by MJS and soil depth

5 结论与讨论

目前，MJS工法桩仅在上海地区应用较多，宁波软土地区的应用尚属空白。本文依托宁波地区首例MJS工法保护实例，在MJS工法桩施工期间进行动态跟踪监测，并从成桩质量角度进行分析，得到如下结论。

1)从MJS工法桩施工期间的建筑物沉降、倾斜、周边地表沉降以及深层土体水平位移变化情况来看，MJS工法桩施工期间对周围环境影响很小，基本上可以忽略不计。

2)MJS工法桩水泥掺量为50%时，单轴抗压强度大于1.49 MPa。另外，在淤泥质土中MJS工法的成桩质量会随着加固深度的加大而逐渐降低。当加固深度达30 m以上时，由于土层力学性质变化较大，且考虑到MJS自身的机械功率，MJS工法桩的单轴抗压强度是否满足要求还需要进一步进行研究。

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AnalysisofInfluenceofMJS(MetroJetSystem)PileConstructiononAdjacentExistingBuildingsinSoftSoilAreainNingbo

YE Qi1, WANG Guoquan2, YANG Lanqiang3, *, JIN Zengxuan1

(1.NingboMunicipalEngineeringProphaseOffice,Ningbo315000,Zhejiang,China; 2.NingboUrbanConstructionDesign&ResearchInstituteCo.,Ltd.,Ningbo315000,Zhejiang,China; 3.ZhejiangEngineeringInvestigationInstitute,Ningbo315000,Zhejiang,China)

The principle of MJS (metro jet system) is introduced in detail and a set of parameters of construction and design for MJS pile used in soft soil area in Ningbo is proposed so as to learn influence of squeezing effect of construction of retaining piles on deformation of adjacent existing buildings. The variation laws of settlement and inclination of adjacent buildings, settlement of surrounding ground surface and deformation of deep soil during MJS pile construction are obtained by dynamic tracking monitoring method; and analysis is made on quality of MJS pile. The results show that: 1) The construction of MJS pile affects the environment little. 2) The uniaxial compressive strength of MJS pile is larger than 1.49 MPa when the cement content of MJS pile is larger than 50%. 3)The quality of the MJS pile decreases with the depth of clay increase.

MJS (metro jet system) pile; uniaxial compressive strength; soft soil area; adjacent existing buildings

2017-06-20;

2017-08-24

叶琪(1975—)，男，浙江宁波人，1997年毕业于华中科技大学，交通土建专业，本科，高级工程师，主要从事隧道工程的设计与管理工作。E-mail： 549098973@qq.com。*通信作者： 杨兰强， E-mail: 444899040@qq.com。

10.3973/j.issn.2096-4498.2017.11.004

U 455

A

2096-4498(2017)11-1379-08