MJS工法在富水砂层隧道密贴下穿既有车站工程中的应用

张文博，张 康，陈卫军

（1.中铁上海设计院集团有限公司，上海 200070；2.济南轨道交通集团有限公司，山东济南 250101）

0 引言

城市轨道交通建设中，新建隧道近距离下穿既有车站的工程案例逐渐增多。近距离暗挖隧道下穿既有地铁车站，必然会引起既有地铁车站结构的附加变形和差异沉降，严重时可能会影响到结构受力与运营安全。因此，在设计与施工中，严格控制既有结构的沉降，采取安全可靠、技术可行的预加固措施是暗挖法施工成功的关键。

目前，对于近距离下穿既有车站的工程案例，国内外学者进行了不同地层条件下的研究。于军[1]对浅埋暗挖隧道近距离下穿既有结构的施工方案进行研究，指出全断面注浆能够显著提高穿越段的土体强度，有效降低既有地铁车站的沉降变形；王子甲等[2]以北京西四环暗涵穿越五棵松车站工程为依托，制定了穿越施工方法及预加固方法，通过数值模拟和监测数据的分析，研究了既有结构的沉降特点；陈克强等[3]介绍了全断面深孔注浆加固等有效控制既有结构变形的暗挖隧道下穿既有车站的施工技术；楼根达[4]介绍了冻结法在软土地层中新建地铁密贴下穿运营车站的工程应用。

如上所述，国内有关新建隧道近距离下穿既有车站的施工案例已有多起研究，但是密贴下穿既有车站的研究不多，尤其在富水砂层中密贴下穿既有车站的研究成果及施工案例鲜有报道。本文以某城市富水砂层中新建暗挖法隧道密贴下穿既有车站工程为背景，在充分研究国内外学者对暗挖法近距离下穿既有车站结构的预加固方案和施工方法的基础上，首次将水平 MJS 工法运用到本工程中，成攻解决了地层自稳性差、地层富水及暗挖施工对既有车站的影响等难题。

1 工程概况

某城市新建 6 号线车站暗挖段密贴下穿既有 2 号线车站，下穿段长度 19.7 m，断面形式为平顶直墙矩形断面，内净宽 6 m、高 6.1 m，左右线隧道平行布置，两隧道间水平净距 5.2 m。隧道初支与既有车站底板垫层底距离为密贴，隧道轴线与既有车站纵轴线交夹为 90°。

既有 2 号线车站为地下二层车站，围护结构为地连墙，地连墙与车站内衬墙形成复合结构。地连墙厚800 mm，内衬墙厚 600 mm，车站顶板厚 800 mm，中板厚 400 mm，底板厚 900 mm，先前车站设计时没有预留穿越条件。

6 号线设计时要求下穿段施工破除 2 号线地连墙，下穿段与车站底板密贴，2 号线工期要求采用暗挖法实施方案。6 号线下穿段与既有 2 号线车站的关系见图 1。

根据勘察资料，下穿段地层基本为砂质粉土。该土层含水量大、透水性强、中密中压缩性，开挖后土体自稳性差，并且所含地下水具有弱承压性，承压水头高度约达 6.1 m，水压力较大。

2 工程重难点分析

根据相对关系及地质条件，下穿既有 2 号线车站暗挖段为一级风险工程，工程实施存在以下难点。

（1）对车站影响控制要求高。穿越段结构密贴下穿已建成地铁 2 号线车站，目前车站主体覆土已完成，尚未运营，密贴下穿暗挖施工对车站结构受力及变位影响较大，控制标准要求高。

（2）地质条件差。由于穿越段范围内主要为砂质粉土，根据地勘报告，该土层孔隙比大、透水性强、含水丰富、中等压缩，在动水作用下易流砂涌砂，开挖后天然土体自稳性差。在该富水砂层地层内实施暗挖工法，必须确保土体的自稳能力及止水帷幕的效果。

（3）开挖断面大，支护体系复杂。下穿隧道结构开挖跨度达 7 m，开挖时，车站底板及下部地层的原有受力平衡状态被破坏，有承载及变位风险，需采用化整为零、分小块开挖措施；施工工序转换较复杂，稍有不慎即可对车站产生不许可的变形。

以上工程重难点分析表明，下穿段地层必须采用有效措施，对地层预加固处理，提高围岩自稳能力，隔断地下水，并且采取合理的开挖方案确保既有车站结构的安全。

3 地层预加固方案比选

富水砂层中地基加固可采用深孔注浆加固、冻结法加固、MJS 工法加固等多种地层预加固方法，每种方法各有利弊。

图1 下穿隧道与既有车站位置关系示意图（单位：mm）

（1）方案 1（全断面深孔注浆加固）。全断 面深孔注浆加固技术，即通过采用水泥水玻璃双液浆进行全断面注浆加固，已经被广泛地运用于地下工程中的土层加固施工。此工法虽然较为成熟，相对造价较低，但是在本工程采用深孔注浆工法风险较大，主要体现在：①注浆压力难以控制，注浆过程中对既有车站影响较大；②注浆止水效果难以保证，在富水砂层中注浆基本为渗透注浆，效果差，容易施工时跑浆漏浆，开挖时可能会涌水涌砂，导致掌子面失稳。

（2）方案 2（全断面冻结法加固）。冻结法在富水软弱地层的地下工程中应用案例较多，其原理是通过冻结法加固穿越段结构周围土层，使土体形成强度高、封闭性好的冻土帷幕，有效解决外部承压水问题。但冻结加固区域较大，冻结时间较长，造价较高。本工程在与2 号车站底板接触的边界位置，由于冷量损失较大，存在冻结薄弱区域，很可能导致冻结壁渗透水。密贴车站底板进行冻结加固，积极冻结期冻土体的冻胀、强制解冻过程中的冻土融沉，都会对既有车站结构安全产生影响。尽管可采用泄压孔泄压、分区冻结等措施减少冻胀、融沉对车站的影响，但是残余风险仍较大。

（3）方案 3（MJS 工法加固）。MJS 工法是全方位压力平衡高压旋喷注浆法，该工法适用于对紧邻周边敏感建（构）筑物，对加固体强度、渗透性、快速凝固等指标要求较高的工程。目前 MJS 工法发展较为成熟，具有良好的施工性，可以进行垂直、倾斜和水平施工。相对于常规旋喷注浆工艺，具有成桩质量好、桩径大、对周围环境影响小的特点。

经过经济技术及施工可行性等全方位比选及专家评审，本工程推荐采用方案 3（MJS 工法）进行地层加固。

4 MJS 工法加固方案设计

4.1 MJS 工法技术特点

MJS 工法在传统高压喷射注浆工艺的基础上，采用了独特的多孔管和前端造成装置，实现了孔内强制排浆和地内压力监测，并通过调整强制排浆量来控制地内压力，使深处排泥和地内压力得到合理控制，使地内压力稳定，降低了施工中出现地表变形的可能性，大幅度减少了对环境的影响，而地内压力的降低也进一步保证了成桩直径，其工作原理见图 2。MJS 工法在本工程运用中主要有以下特点。

图2 MJS 工法工作原理

（1）对周围环境影响小。MJS 喷嘴提升过程中，可以通过控制排泥阀门，控制地内压力，有效地控制既有 2 号线车站的隆起与下沉。通过排泥管集中排泥和控制地内压力，保证加固范围内水泥浆不扩散，避免对市政府附近地下水和土体的污染。

（2）可以进行水平、倾斜、垂直各方向、任意角度的施工。下穿范围位于 2 号线车站正下方，需要在 6号线盾构井围护结构内进行水平成桩加固施工。

（3）桩身质量好，成桩直径大，可达 2～2.8 m。在上海轨交 L9 二期 6 标徐家汇地下商场向下加层围护及加固工程[5]中，MJS 成桩实测桩径达到 2.6 m。在上海虹桥地下空间联络通道围护工程中采用 MJS 工法桩，28 天抗压强度达到 1.6 MPa 以上[6]。

（4）作业空间要求小。6 号线盾构井基坑内存在较多的角撑，对成桩机器尺寸要求高。MJS 工法桩专用钻机主机高度仅 4.5 m，机台体积小、占用面积小。

4.2 MJS 工法设计

4.2.1 加固范围

开挖轮廓线左右侧及下部外侧均为 3 m，纵向加固长度约 19.7 m。为便于开挖，掌子面开挖区域不进行加固。横剖面及纵剖面地层加固图见图 3。

4.2.2 MJS 工法主要参数

（1）设计桩径 2 400 mm，搭接厚度 800 mm。

（2）注浆压力小于等于 40 MPa，空气压力 0.7 MPa。

（3）注浆材料采用 P42.5 普通硅酸盐水泥泥浆，水灰比 1∶1，水泥掺量为 50%～55%。

（4）地内压力控制系数 1.3～1.6（视地质情况适当进行调整）。

（5）钻杆提升速度，360°喷射阶段 40 min/m，180°喷射阶段 20 min/m。

图3 MJS 工法剖面加固图（单位：mm）

（6）桩身定位误差不得大于 1%。

（7）浆液流量 85～100 L/min（浆液随注浆压力调整）。

4.2.3 注浆效果检测

加固体的无侧限抗压强度达到 2.5 MPa 以上，渗透系数不大于 10-7cm/s。

5 结束语

针对某城市新建隧道在承压富水砂土中密贴下穿既有地铁车站结构底板的暗挖施工工程，对比分析了深孔注浆、冻结法、MJS 工法加固 3 种地层加固技术在本工程中的适用性与特点，首次提出在富水砂层中密贴下穿既有车站暗挖法隧道采用 MJS 工法水平地层预加固技术。该技术在注浆加固过程中可以强制排浆，显著减少注浆对车站的影响。工程实践表明，加固后，岩土体自稳能力显著提高，隔断外部水，使既有车站的变形控制在许可范围内，保证了隧道暗挖的安全有效实施。