地铁联络通道全方位超高压喷射注浆法水平扩展试验与应用研究

叶松明

1. 上海市基础工程集团有限公司 上海 200002；2. 上海城市非开挖建造工程技术研究中心 上海 200002

1 水平MJS试验背景工程概况

1.1 总体概况

上海市轨道交通17号线2标及两侧外挂项目，地址在青浦区淀山湖大道站内。轨交17号线工程2标段淀山湖大道站车站主体为地下2层岛式站台车站，平面尺寸为528.00 m×19.54 m，开挖深度约17 m，围护为厚800 mm地下连续墙，设置1道混凝土支撑结合2道钢支撑，分A1～A5共5个区，其南北两侧分别为万达和东渡外挂基坑。

北侧东渡外挂基坑和轨交17号线淀山湖大道站北侧地下连续墙共墙，平面尺寸为420.0 m×29.3 m，开挖深度约11 m，地下1层，外挂北侧和其北侧开发空间共墙，围护结构采用厚800 mm地下连续墙形式，设置1道混凝土支撑结合2道钢支撑，初步设计考虑将北侧外挂分为N1～N4共4个区。

南侧外挂基坑和轨交17号线淀山湖大道站南侧地下连续墙共墙，平面尺寸为397.0 m×28.7 m，开挖深度约10 m，地下1层，围护为φ800 mm钻孔排桩结合φ850 mm@600 mm三轴水泥土搅拌桩止水形式，设置1道混凝土支撑结合1道钢支撑，初步设计考虑将南侧外挂分为S1～S4共4个区（图1、图2）。

图2 淀山湖大道站结合外挂基坑剖面示意

超高压喷射注浆（MJS）水平试桩施工位于车站地下1层板上，垂直深度6～8 m，3号出入口位置，桩体水平深入万达地块外挂基坑内，有条件实现桩体暴露。万达外挂基坑待建，设计方案一侧利用车站地下连续墙，另一侧采用灌注桩结合搅拌桩施工，底板深度8.8 m，宽度约30 m。

1.2 试桩场地地质水文条件

1.2.1 地质条件

基坑开挖范围土层为①1、②1、③、⑥1-1、⑥1-2、⑥3、⑥3-1、⑥4、⑦1。本工程底板位于⑥2层中，围护结构地下墙墙趾插入⑦1层土，西端头井局部进入⑦2层。

MJS桩体位于外挂基坑开挖范围土层，以⑥1-1为主。此土层渗透系数为2.0×10-6cm/s，低渗透性。

1.2.2 水文条件

拟建场地浅部土层中的地下水类型为潜水。建议地下水高水位埋深可取0.5 m，低水位埋深可取1.5 m。工程场地揭示有⑥2、⑥3t、⑦（含⑦1、⑦2层）层承压含水层，埋深3.0～12.0 m。

2 狭小空间MJS水平试桩试验研究

2.1 试桩目的

1）通过试验，研究小型化MJS机械设备水平施工适用性及优化措施。

2）通过试验，掌握MJS工法水平施工技术。

3）通过监测地表沉降和土体侧向位移，研究MJS工法水平施工对周围环境的影响。

4）通过明挖暴露桩体，确定此施工条件下，不同参数成桩效果。对比拓展，为以后设计、施工提供依据。

2.2 试桩设计及控制参数

MJS工法试桩施工计划在地下1层底板上进行，桩体位于万达外挂基坑内。考虑到避免施工对地下连续墙造成影响，位置选择在出入口处，出入口宽度约为6 m。MJS采用自动化设备进行施工。

计划1套设备进行试验，MJS工法主机MJS-40VH-s，施工技术参数如表1所示。试桩角度分水平、仰角2种。水平桩桩长24 m（前段带气半圆16 m、后段不带气全圆8 m）；10°仰角桩桩长6 m（不带气全圆，仰角试桩根据现场条件决定是否试验）；小钻杆和大直径水平桩桩长15 m（前段带气半圆10 m、后段不带气全圆5 m）；试桩共做4根，如表2所示。

施工安排：计划施工工期为20 d，先做小喷嘴试桩2根（142钻杆和90钻杆各1根），142钻杆桩长24 m，预计施工7 d；90钻杆桩长15 m，预计施工5 d。然后做大喷嘴试桩1根，142钻杆桩长15 m，预计施工5 d。仰角10°的MJS桩长6 m，预计施工3 d。

2.3 试桩施工技术要点

钻孔施工流程为：测量定位→钻孔及密封→钻机就位→正常钻进→测斜→纠偏→加杆钻进→终孔。

2.3.1 钻孔及密封

试桩位于地下水位以下，钻孔时，为防止孔内涌水涌沙，孔口必须安设防喷装置。先采用金刚石钻头钻进，钻至最外层钢筋位置，预留混凝土保护层，拔出钻头及芯体，凿毛至外层钢筋暴露，焊接预留好孔洞的钢板，然后将连接块满焊在钢板上，周围采用快凝水泥封闭，最后安装孔口防喷装置。

表1 MJS-40VH-s施工技术参数

表2 试桩统计

2.3.2 正常钻进

引孔阶段MJS工法机就位，调整位置、角度，保证钻杆与孔口密封器中心一致。进行设备各部分检查与调试，然后将注浆管放入密封装置管内一定深度，随后打开防喷阀门，让注浆管穿过阀门进入，破除混凝土保护层后进入土体[1-3]。

钻头进入土体后，静置一段时间，地内压力数值稳定后，读取压力数值，数值符合要求后方可进行后续施工。钻孔过程中启动水泵并回转钻杆，回流水土混合物通过孔口密封器上的阀门释放，收集泵送至泥浆处理系统。

2.3.3 过程控制

钻进过程中，需经常对倾斜度进行测量，本次试验测斜频率每3 m进行1次，并在初始时测量初值，当偏差与初值大于0.6°时必须进行纠偏。

引起钻孔偏斜的因素有很多，钻杆自重、地质条件、钻机性能、操作方法、已施工相邻桩体强度等都会引起钻孔偏斜。

2.3.4 偏斜的处理方法

1）纠偏法：加设纠偏钻头，根据测量偏差调整旋转方向进行纠偏。

2）灌浆法：当发现偏斜超过规定要求且纠偏无效果时，灌注水泥黏土浆，等具有一定强度后再扫孔，并进行孔斜测量，直到达到要求。

2.3.5 喷浆

1）喷浆前先设置工艺参数，包括摆动角度、引拔速度、回转数等，设定好之后，开始注浆施工。喷浆前用清水预扫，打开倒吸水和倒吸空气，打开排泥阀门，在确认排浆正常后，开启空压机和高压水泥泵。先用低压清水喷射50 cm，然后把水切换成水泥浆。正式喷射时，注浆管重新下放到设计位置，各种参数均达到设计值时，开始正常施工。

2）施工时密切关注各施工参数及地内压力，压力不正常时，必须及时调整排泥阀大小控制地内压力在安全范围以内。如果排泥门正常打开时吸浆效果很差，可采取关闭排泥管上大阀门的闷气措施来反冲排泥门上的障碍物，或利用清水切削，降低泥浆稠度，增加排泥效果及降低地内压力。

3）拆卸注浆管时，应关闭水泥浆泵、主空气、倒吸空气、倒吸水流及排泥阀门。装杆过程中，更换全部密封圈，并认真检查确定无遗漏。试联数据线看地内压力显示是否正常，发现问题应及时排除方可继续喷浆。拆卸钻杆后，需及时对钻杆进行冲洗及保养。分段施工搭接长度100 mm。中断时间较长时，恢复喷浆要搭接长度500 mm。

4）每根桩施工完毕后，关闭防喷阀门并通过阀门上的注浆孔进行补浆，本次试验采用水泥-水玻璃双液浆进行补浆。补浆完成12 h后，拆除孔口密封器，墙体磨平[4-6]。

2.3.6 废浆处理

MJS工法通过主动吸泥，对泥浆进行集中收集及处理。施工中产生大量废浆，废浆是水、土、水泥的混合物，成分比重不稳定，与地质条件、施工参数有很大联系。废浆自然固化时间长，与成分、天气、固化条件等密切相关。

本次试验采用机械加速固化，泥浆分离器通过滤网对废浆进行挤压，实现水土分离，且将土体压缩成块，减少外运土体体积。

2.4 试桩监测及检测

2.4.1 试桩监测

MJS工法最大优势是减少对周边环境的影响，而怎么动态控制及评价施工对周边的影响，是一大难点。

本次试验监测点包括地面监测点和土体监测点，委托专业监测单位进行。监测点布设原则为：

1）仅针对常规MJS水平施工桩进行监测。

2）沉降观测监测点布置2排，为桩体正上方和距离桩体一侧3 m处，每排均匀布置3个监测点。

3）测斜管进行侧向位移监测，监测点距桩体中心分别为2 m和3 m，共设置5个监测点。

测点位按如下要求布置：

1）水平桩顶垂直位移监测：按设计及规范要求，根据施工监测方案和现场实际情况，水平桩顶垂直位移监测点共布设了6个，编号为DB1～DB6，为桩体正上方和距离桩体一侧3 m处，每排均匀布置3个监测点，采用1 m长钢筋，破除地面硬层后打入土体（图3）。

图3 监测布点平面示意

2）水平桩土体测斜：按设计及规范要求，根据施工监测方案和现场实际情况，布设了水平桩土体测斜孔5个，编号为CX1～CX5，测斜管埋深11 m，并预留15 d稳定期。

2.4.2 试桩检测成果评价

对试验成果的评价是技术研究的重要环节。本次试验，不仅要掌握水平施工工艺，也要确定施工参数，为后期施工作参考。

由于试桩仅针对目前条件进行，参数选择、土质条件、深度、数量等都有一定的限制性，成桩质量受众多因素影响，试桩仅能确切反映此条件下的成果。所以试验成果要结合现有技术标准、已有工程实例等，经过提炼形成成果报告。

成果收集的阶段因受开挖条件，桩体完整性可能受到桩体硬化程度、机械设备、开挖方法的影响。开挖阶段要引起重视，根据开挖进度，提前派人员进入协调开挖方法，保证桩体的完整程度，试验成果收集的完整性。

3 试桩总结

3.1 试桩设备总结

3.1.1 小型化主机

本次试桩采用进口小型化设备MJS-40VH-s，小型化设备可旋转角度115°，最小调节幅度10°，水平上下移动幅度30 cm。

经过试桩应用情况分析，MJS小型化主机，机械化程度高，操作顺畅，能保证正常钻孔及喷浆的需要。

优点：适用于角度0～110°的垂直、水平、倾斜施工；规避设备吊装，对特殊区域适应性更好。可进行改良部分：单向旋转，上下位移30 cm。

3.1.2 小型化钻具

小型化钻杆外径90 mm，排泥孔内径32 mm，标准杆250 mm，喷嘴有20°倾角。MJS小型化钻杆，能实现MJS工法各项功能，整体可行，施工可操作性强。优点为：250 mm标准杆、90 mm钻杆，空间适应性更强；20°倾斜喷嘴，利于近墙端喷浆盲区的处理。缺点为：排泥孔内径32 mm，标准参数下废浆回收不完全，测量手段受限；拆装保养要求高，需专用工具。

3.1.3 纠偏钻头

引孔过程中，MJS钻头上加装纠偏钻头进行引孔，在钻进过程中分段进行测斜工作，根据测斜数据来决定是否进行纠偏。

实施过程中，24 m长桩经过3次摸索及改进，第4次成孔质量才达到要求。改进方案包括：

1）钻头改进，去除台阶、加小翅膀、加中央刀板；台阶易引起土体堆积，影响纠偏及引孔效果；小翅膀利于引孔用水顺利回流；中央刀板将土体分割，利于排出。

2）预先纠偏，有倾斜倾向时，在未成孔区域纠偏引孔；在已成孔区域纠偏难度较大，在黏土层中当钻头角度偏斜在0.3°时，在未成孔区域以小角度0～45°旋转纠偏引孔。

3）预设一定仰角，克服因重力作用引起的向下倾斜；在就位引孔阶段预设一定上仰角度。

4）纠偏效果不佳时采取回灌水泥浆，在水泥浆硬化后重新引孔。

3.2 试桩方法总结

3.2.1 排泥控制

喷浆过程中关键点在于地内压力控制，需要时刻观察地内压力变化，通过微调主机各项参数来调控地内压力。在排泥不畅时需要暂停喷浆，采用改变空气大小、清水切削、闷气等措施进行处理，达标后再退回搭接位置恢复喷浆。

1）主空气降低，回气少量：主空气在施工中，起到护浆和搅拌双重作用，不可或缺。但主空气过大，不利于地内压力的控制，可适当降低主空气流量。回气在水平施工中，相对于垂直施工，对于排泥的作用减小，可调小。通过降低空气输入量，有效降低排泥管内空气占比，废浆排出能力将有所提高。

2）闷气：闷气是利用关闭安装在排泥管的阀门，使回水、回气等冲刷排泥口，清除排泥口处的杂物，保证最大排泥量。

3）清水切削：清水切削是利用更换喷浆介质，用清水扫喷，既起到切削土体作用，还可以稀释废浆，有效降低地内压力。

3.2.2 引孔纠偏

3#桩第1次引孔至5.85 m时钻头向下偏差0.92°，开始纠偏，后退1.5～2.0 m，刀头朝上小角度往前纠偏，往返8次，无效果。

第2次引孔至5.85 m时向下偏0.37°，预先纠偏，后退1.5 m，刀头朝上左右各5°纠偏，测斜偏差0.26°，纠偏方法有效，继续引孔。引孔至8.85 m，钻头向下偏0.8°，后退4 m，纠偏后1.03°，无效；后退3.5 m纠偏，纠偏后测斜，偏0.8°。拔出钻头，回灌水泥浆。

第3次引孔在4.5 m后采取纠偏钻头朝上纠偏打孔，引孔至13.5 m钻头向下偏1.15°，拔出钻头，回灌水泥浆。

第4次引孔初始顶角90.28°，引孔至13 m，顶角89.09°，经两次纠偏顶角88.89°，钻头向下偏1.39°。拔出钻头发现纠偏钻头螺丝松动，更换后继续引孔。在未成孔区域纠偏钻头刀头朝上左右旋转10°方式，纠偏打孔，有效地把钻头纠偏回来。

根据试桩反映，除了纠偏钻头的合理设计之外，纠偏方法更为重要。

1）纠偏旋转角度控制：在引孔纠偏过程中，旋转角度对纠偏效果影响较大，角度越大纠偏效果越差。

2）未成孔区域纠偏引孔：已成孔区域，切削下来的土体无法为纠偏挡板提供反力，纠偏效果很差，在未成孔区域纠偏，效果更为明显。

3）偏差角度控制：偏差角度过大时，受钻杆刚性导向影响，纠偏效果降低，钻杆受力复杂，在发现偏差倾向时，就采取纠偏措施更为合理。

4）设定预仰角：水平施工主要倾斜因素为钻杆自重影响导致的向下倾斜，可在开始引孔时，允许设定一定的上仰倾向。

3.2.3 主机固定

在引孔过程中，主机会随着MJS钻杆受力发生偏移，主机依靠千斤顶支撑，侧向刚度小，受力易偏移，偏移不仅增加千斤顶破坏风险，也不利于成孔质量。

本次试验采用底部增设膨胀螺栓、型钢等措施，控制主机侧向位移，起到了良好的效果。

3.2.4 废浆处置

本次试验采用泥浆分离器进行泥浆固化，应用效果良好，解决了施工场地受限情况下废浆处置的难题。

本次试验出土总量210 m3，泥浆输入量253 m3，占比80%；根据陕西南路站北端头井施工统计，水泥用量1 658 t，土方量4 944 m3，占比225%；大木桥路工地土方占比统计，工程量740 m3，理论水泥用量532 t，土方量1 856 m3，占比260%；新闸路西斯文里水泥用量7 808 t，土方量17 488 m3，占比169%；陕西南路与大木桥路为冬季施工，场地条件受限，新闸路废浆处置条件较好。

对比结果显示，使用泥浆分离器将至少降低50%出土量，也避免了废浆处理对施工条件的限制，施工效益显著。

3.3 试桩环境影响监测

3.3.1 垂直位移监测

自2016年7月21日进行第1次观测，至8月3日最后一次观测，情况分析如下：

在整个观测过程中，水平桩顶垂直位移累计值在－0.8～7.0 mm之间。7月28日前垂直位移变化小，随着水平桩的施工，桩顶垂直位移变化增大，最大值位于DB1，达到7.0 mm。7月31日结束施工，桩顶有略微沉降，后趋于稳定。整体水平桩顶垂直位移呈隆起状，自北向南变化逐步增大（图4）。

图4 水平桩顶垂直位移监测点变化曲线

3.3.2 水平桩土体测斜

水平桩土体测斜自2016年7月21日开始，8月3日最后一次观测，情况统计分析如下：

水平桩施工前土体略微向东侧倾斜，随着水平桩的施工，地下4～8 m，也就是水平桩施工位置，由于施工喷浆压力致西侧土体明显向西倾斜，从变化曲线图可以看出，整体变化自北向南逐步增大（图5）。

图5 CX3土体侧向位移

4 结语

为充分掌握MJS工法桩施工工艺，拓展水平MJS工法工程应用，通过本次试桩试验，结合开挖暴露直观反映成桩情况，得出以下结论，可供后期工程设计及施工参考。

1）小型化设备。小型化MJS主机水平施工操作顺畅，机械化程度高。相对常规主机，有适应于倾斜、水平施工的能力，且其尺寸更低，对环境的适应能力更强；但因其单面旋转和上下位移小的特点，在部分区域的施工也将受限。建议增加上下位移能力及优化成双面旋转。MJS小型化钻杆，能实现MJS工法各项功能，整体可行，施工可操作性强；但标准参数下废浆回收不完全，测量手段受限。建议调整施工参数，匹配设备能力，或进行优化设计，增大排泥口径，满足排浆及常规测量需求。

2）与垂直施工相比，水平MJS施工关键技术在于孔口密封、成孔纠偏、地内压力控制等。孔口密封技术：孔口密封是在地下水位以下施工防治突涌的措施，尤显重要。通过预先破除结构钢筋层，然后安装孔口密封器，最后利用MJS钻机自主引孔。此方法安全可靠，能达到预期目的。成孔纠偏技术：水平施工偏斜受钻杆自重影响，更易向下偏斜，采用纠偏钻头结合高精度测斜设备，常测量、常纠偏，是保证成孔质量的必要手段。但根据目前的技术水平，左右测量无法实现，还有待进一步研究。地内压力控制技术：MJS工法最大优势为成桩同时对周边影响小，地内压力控制是实现手段，通过降低空气量、清水切削、闷气等方法，能实现水平MJS施工地内压力控制的目的。

3）通过监测地表沉降和土体侧向位移，根据数据成果反映，正上方土体最大地面沉降7 mm，出现在施工桩体前端，受埋深和施工前期控制影响，数据偏大，其余区域最大4 mm；侧向3 m处最大侧向位移4 mm，直观反映了MJS工法对周边环境影响的可控性。

4）通过不同桩径、桩型MJS桩进行试桩试验对比，得出成桩效果优选加固设计方案。在低渗透性土层⑥1-1土层中成桩直径最优值：半圆2 100～2 200 mm，全圆1 000～1 400 mm；小钻杆半圆1 500 mm，全圆900 mm。为MJS桩在地下工程加固设计与施工提供参考价值，对保证成桩质量与加固效果提供了宝贵的施工经验。

5）通过MJS水平加固试验研究，打破传统联络通道加固仅局限于冻结加固方式，形成一套完成地下联络通道水平旋喷加固设备、理论试验、实际应用施工技术，施工加固效果佳，桩身质量好，施工技术风险低，对周边环境影响小，超深施工有保证，泥浆污染少，绿色环保，在工程加固中值得推广应用。