MJS工法在中厚砂层超深止水帷幕施工中的应用

王中兵

上海广联环境岩土工程股份有限公司 上海 200444

1 工程概况

1.1 工程信息

某下沉式广场位于南京市江东中路与应天大街交汇处，围护结构最外侧与地铁2号线的最小水平距离为65 m。主体为地下1层，基坑挖深约6.85 m。局部为地下2层，基坑挖深约12.85 m。基坑采用厚700 mm的TRD等厚度水泥土搅拌墙结合φ2 400 mm的MJS工法（多重管高压喷射注浆法）半圆桩作为地下连续墙外侧的止水帷幕，总深度64 m。止水帷幕上部50 m采取TRD工法施工，下部15 m采取MJS工法施工。TRD水泥土搅拌墙与MJS工法半圆桩搭接1 m。

1.2 工程地质条件

本工程所处地层从上至下依次为：①杂填土、②2淤泥质粉质黏土、②3粉砂、②3a淤泥质粉质黏土-粉质黏土、③1细粉砂、③2细粉砂、④中粗砂混卵砾石、⑤1强风化泥质粉砂岩、⑤2中风化泥质粉砂岩。MJS工法半圆桩在③1～⑤1层间成桩。③1～⑤1层均为砂层且细密。导孔施工从地面至⑤1层间。

2 MJS工法示范工程应用可行性

2.1 MJS工法

MJS工法是近十年从日本引进的一种地基处理的重要方法，其主要原理就是利用钻机将带有喷嘴的注浆管钻进至土层预定深度后，高压设备以20～40 MPa的压力把浆液或水从喷嘴中喷射出来，形成喷射流冲击破坏土层，当能量大、速度快和脉动状的喷射流的动压超过土层的结构强度，土颗粒便从土层中剥落下来。一部分细小的土粒随浆液或水冒出地面，其余土粒在喷射流的冲击力、离心力和重力等的作用下，与浆液搅拌混合，并按一定的浆土比例和质量大小，有规律地重新排列。浆液凝固后，便在土层中形成一个水泥土固结体。MJS工法多为40 m以下的淤泥、淤泥质黏土、黏性土的改良施工。在较厚砂层且超深条件下施工，目前尚无较为成熟的案例[1-2]。

2.2 MJS工法应用存在的问题及解决方案

2.2.1 导孔孔壁不稳定，喷浆管易埋抱死

工程上层杂填土层厚约3 m，黏土层厚约5 m，粉砂、粉细砂、中粗砂层厚约46.8 m。解决导孔孔壁不稳定的最好方法是在导孔内设置护孔套管。针对软土地层设计有同步对开式钢套管，但是由于该地层上部砂层非常不稳定，在MJS施工时如果安放钢套管，会出现比MJS钻杆更加容易的将钢套管抱死的现象。因此使用原有的套管不太适宜。较为理想的是：在喷射注浆施工中，应用一种能保护导孔不颈缩、不坍塌，且无需拆除的护孔套管来解决套管容易抱死的问题。

为此，我们采用硬PVC管材作为套管，导孔内全深度设置。为确认硬PVC管材可不回收，我们进行了喷射切削试验。在硬PVC管内，安放水喷装置，在水压达到10 MPa时，硬PVC管已碎化成小颗粒或小片状（图1）。

2.2.2 泥浆含砂率高，喷浆管拆接间歇喷嘴堵塞

本工程主要以砂层为主，在喷浆过程中水泥浆液中的含砂量高且以细砂为主。拆接喷浆钻杆一般需要12～15 min间歇时间，而加固深度达到60 m以上孔内的泥浆压力较大，在拆接喷浆钻杆时，常规施工方法是将注浆管道内换成清水后再拆卸钻杆。但由于注浆管内水的相对密度小于导孔内的泥浆相对密度，引起的压力差使导孔内的水泥浆液通过喷嘴反压到注浆管内，且导孔内泥浆含砂量过大易沉淀，将注浆管路和喷嘴眼堵住。

为此，我们在不影响拆接钻杆的前提下，改变原有MJS操作方法，将注浆管路和需要拆卸部分的钻杆内的浆液换成清水，以保证注浆钻杆内的压力与导孔内的浆液压力处于基本平衡状态。操作上以控制注浆泵的压力降和置换时间为目标。

泵出口压力P与浆液重度γ的关系如式（1）所示。

式中：H——浆液高度，m。

由式（1）不考虑胶管等沿程压力损失及喷浆钻杆垂直重度压降得部分浆液转换的压力差的近似值如式（2）所示。

式中：ΔP——换液后的压降，Pa；

P——正常喷浆压力，Pa；

γ1——浆液的重度，kN/m3；

γ2——水的重度，kN/m3；

h0——换液部分高度，m；

h——注浆钻杆喷嘴到水龙头长度，m。

高压注浆泵通过胶管连接到水龙头再流入注浆钻杆的注浆管内。高压流体在胶管及钻杆中的流量q、流速v的关系如式（3）所示。

式中：d——胶管或钻杆的内径。

由式（3）可推导出部分置换浆液所需的时间，如式（4）所示。

式中：t——部分置换浆液所需的时间，s；

q——注浆泵流量，L/min；

d1——胶管的内通径，m；

d2——钻杆浆管的内通径，m；

l1——胶管长度，m；

l2——注浆钻杆需要置换部分长度，m。

2.2.3 喷浆钻杆抱钻应急措施

较厚砂层地层最大特点是导孔孔壁极不稳定。导孔成孔时为泥浆护壁，一旦喷浆施工，护壁泥浆即在极短的时间内被置换，导孔内浆液的含砂量会急剧升高，一旦停止喷浆即循环停止，砂粒会迅速沉降，MJS钻杆极易被埋，甚至无法起拔。而钻杆喷嘴堵塞，只要不被埋，提钻后采用高压冲洗即可。有必要对MJS钻杆被埋抱死采取应急预案。为此，我们准备了套筒钻，一旦钻杆埋钻无法起拔，即用套筒钻钻进至钻杆底部，将钻杆与土体分离后打捞。

3 MJS工法示范工程应用

3.1 导孔护孔套管的放置

MJS钻杆直径为142 mm，根据导孔施工的垂直度，采用φ200 mm的硬PVC管作为护孔套管（图2）。硬PVC管直管间用管接头套接，套接采用胶粘固接。导孔成孔后，导孔内全深度设置。

图2 PVC护孔管设置

3.2 MJS工法操作参数的改进调整

正常喷浆压力为40 MPa时，依据式（2）初步计算出注浆泵部分置换高压水的压差为1.5～2.0 MPa（考虑钻杆4.5 m为一拆接组），置换控制压力在38～39 MPa间。实际操作中拆卸钻杆时先关空压机而后再关注浆泵，当注浆泵浆液切换成水且大泵压力下降到38 MPa后立即停泵，如未能及时在38 MPa时停泵，则不要拆卸钻杆，继续喷浆30 cm后确保在38 MPa时停泵，改变原工法中直接切换水至低压的操作。

同时根据式（4）计算连接浆管和拆卸钻杆长度内置换水所需的时间。实际操作中应降低注浆泵的转速、减小流量以提高时间控制能力。考虑停泵后的流量惯性，一般根据现场试验和经验可提前2 s左右停泵。

实际操作中应加强拆接钻杆的训练和配合，尽可能减少拆接钻杆的次数和时间。最好能把拆接钻杆的时间控制在10 min以内，可大大减少钻杆喷嘴堵塞的概率，具体优化内容如下：

1）将引孔直径由常规工法中的190～250 mm，增加到300 mm，以方便PVC护孔管的安放。

2）MJS施工深度为地面以下50～64 m，且地层主要以砂层为主，必须使用套管，因此选用φ200 mm的PVC管作为导孔护孔套管。

3）喷浆阶段，与常规施工方法不同，需要在每单元钻杆完成后，先关闭排泥阀门，再关闭倒吸水、倒吸空气和主空气阀门，然后将水泥浆切换成水，当注浆泵压力下降到38 MPa后立即关闭大泵；且钻杆以每4.5 m为一个拆接单元。

3.3 喷浆钻杆埋钻后的打捞

本工程地层情况复杂，土质松散，粉细砂厚度达46.5 m。工程初期喷浆过程中，孔口排出的浆液含砂率达到20%以上，在停止喷浆拆卸钻杆时，砂层沉淀迅速，再次启动时钻杆难以提升，孔内返浆量减小异常，钻杆扭矩达到10 kN·m仍无法转动，强制提升钻杆后，发现动力头下方钻杆连接螺栓崩断，造成60.8 m（20节3 m和1节0.8 m的钻头）钻具被埋。

我们迅速移出主机，采用回转钻机将φ315 mm的套管钻钻进至被埋钻杆底部，使钻杆与土体分离，顺利将被埋钻管成功打捞。

3.4 MJS工法应用效果

本较厚砂层地层的基坑止水帷幕工程，共完成桩长15 m、φ2 400 mm的半圆桩80根，桩长64 m、φ2 000 mm的全圆桩6根。经现场取芯等检验全部合格（图3）。

图3 现场取芯样品

4 结语

本较厚砂层超深止水帷幕工程，采用MJS工法施工，导孔采用硬PVC管材作为护孔套管，全深度设置，在喷射注浆施工中，能保护导孔不颈缩、不坍塌，且无需拆除，解决了较厚砂层导孔孔壁不稳定、容易埋钻的施工问题。同时改进了常规的MJS施工工艺，防止注浆喷嘴的堵塞，取得了重要的施工经验。本文对MJS工法在较厚砂层或超深区域止水帷幕施工中的推广应用有着重要意义。