水平MJS高压旋喷桩在高铁路基中的土体加固应用

2021-06-05段正纲肖金水肖瑞传弓毅伟吕明豪

广东土木与建筑 2021年5期

段正纲，肖金水，肖瑞传，弓毅伟，吕明豪

（1、广东华隧建设集团股份有限公司广州510228；2、广东省建筑工程集团有限公司广州510010；3、广州地铁集团有限公司广州510330）

0 引言

城市发展地下空间建设，地面原有建筑和复杂多变的地质条件对地下空间建设产生了极大的限制。各种施工案例说明，地下空间可以被成功开发利用，但如何在埋深较浅、地层复杂，不影响地面建构筑物和设施安全的条件下，水平方向对土体进行加固，目前仍然是开发地下空间的一大难题［1-4］。

目前地基加固领域，在浅埋复杂地层中的水平加固施工案例非常少见，传统的加固方法难以在砂层与岩溶交错复杂的地质环境中实现大深度的加固［3，5］，更难以满足加固施工沉降要求高的工程。

MJS 工法（Metro Jet System）-微扰动全方位高压旋喷桩是源自日本的施工技术，该技术是一种在喷射口附近配置有地内压感应器和数控的液压排泥阀，从而实现对钻孔临近地下设施、地表微变形的旋喷加固工法。MJS 工法的全方位、超高压、大直径、大深度、高精度、集中排泥、微扰动等优点，在复杂多变的地质和建构筑物环境等不利施工条件下有着优秀的适应性。

1 工程实例

广州地铁9号线3标，盾构于砂层、黏土层、微风化灰岩等地层中浅埋（隧道埋深约10 m）下穿武广高铁、京广铁路，下穿长度约110 m，如图1 所示。盾构掌子面地层主要为黏土层和粗砂层，掌子面下部1～2 m 范围内有微风化灰岩，属于上软下硬地层。下穿过程中地面高铁和铁路维持正常运营，武广高铁运行时速为350 km/h ，京广铁路运行时速为160 km/h，这导致盾构施工时对地表沉降控制要求极高，远超《城市轨道交通工程监测技术规范：GB 50911-2013》要求。

图1 盾构下穿武广高铁、京广铁路线路Fig.1 Shield Tunneling through Wuhan-Guangzhou High-speed Railway and Beijing-Guangzhou Railway Route

1.1 加固方案比选

下穿武广高铁、京广高铁隧道埋深约10 m，沉降控制要求0～-15 mm（武广高铁）；0～-20 mm（京广铁路），轨道范围内严防地面隆起。综合考虑地层及地表环境因素，需要进行地层预加固处理后方可进行盾构下穿施工。而武广高铁和京广铁路位于国家铁路主干道之一，均为Ⅰ级繁忙干线，不允许进入站场内部进行地面施工，仅能采取场外水平加固方案。

1.1.1 水平旋喷桩

水平旋喷桩，即在地层中以水平角度钻进成孔，注浆管以水平角度进入钻孔，钻孔完成后设置在注浆管前端的喷嘴从孔道中同时倒退、旋转、喷浆，比较适用于沙土、软土等地层［5］。但是在其施工期间，为使得土体达到充分注浆效果，大量水泥浆注入图层，产生劈裂、挤压效应，从而引起土体内部应力平衡发生改变，产生土体膨胀。这种膨胀会使一定范围内的土体发生变形，在黏土地层单管旋喷桩施工中甚至可以产生47 mm 的向上隆起［5-6］。在沉降控制上难以满足本工程施工要求。

1.1.2 WSS工法

WSS注浆工法是通过特制二重管的端头空室，将两种可调节凝结时间的浆液混合、喷出，并达到挤水排水、固结土层的效果［1，5］。对动水软弱地层封水效果较好，但是固结体强度不高，水平注浆施工控制不好容易造成地面隆起开裂，且水平注浆成孔精度较差。

1.1.3 MJS工法

MJS 工法的工作原理主要分为2 个部分：①钻头向前钻进成孔；②钻头回抽滚动喷浆成桩。在钻头向前钻进过程中，MJS 通过在密闭空间内形成泥浆外循环维持钻头前方空间的水土压力平衡，这和泥水平衡盾构机的平衡原理相同。人们可以根据钻杆前方的地内压传感器悉知钻杆前方水土压力，通过调节泥浆浓度和流速建立钻头前方空间水土平衡。在钻头回抽喷浆成孔过程中，水泥浆通过全干前端设置的喷浆口喷入周围土体，根据钻进过程中的地内压力调整喷浆压力，并按照预设角度喷射水泥浆，使水泥浆与原状土充分混合搅拌形成新的加固体［5，7-8］。

MJS 工法施工流程包括场地平整、钻机定位、施工放样、引孔、高压旋喷成桩、钻杆拆卸及管路清洗、封孔，如图2所示。

1.2 地层加固工法分析

相比于其他工法，MJS 以其前置的地内压感应器和泥浆调节装置，可以实现调整钻头前方地内压，从而从地表沉降控制上明显优于其他几种水平加固工法。且因其加固过程采用的是高压旋喷水泥浆，形成的加固体强度也可以得到保证。而其他工法不能比拟的是，MJS 水平加固工法可以选择任意旋喷角度，从而达到控制加固体形状的目的。

1.3 MJS加固施工

图2 MJS工法施工流程Fig.2 MJS Construction Method Construction Process

MJS 水平加固工法是在盾构下穿铁路、高铁下方，隧道上方和侧方进行长度约110 m 的MJS 水平桩加固。考虑到高铁车站内不能进场施工，采取在车站外部施作2个竖井基坑内施作水平MJS水平旋喷桩的方案（见图3）。桩体角度包括120°、160°，桩长约60 m，共施作MJS 水平旋喷桩112 根。MJS 水平加固工程设计桩径2 m，搭接300 mm，桩长58.5 m、59.5 m，主要施工参数为注浆压力≤40 MPa，空气压力0.7 MPa，空气流量0.8 N·m³/min，提升步距25 mm，步进时间28 s。2#竖井MJS 水平桩施工段地面上的建构筑物，包括京广铁路股道及站台雨棚等；1#竖井MJS 水平桩施工段地面上的建构筑物，主要包括武广高铁股道及站台雨棚等，武广高铁为设计时速350 km/h的高速铁路。

盾构隧道所穿越地层（见图4）主要为砂层〈3-2〉、〈3-3〉，粘土层〈4N-1〉、〈4N-2〉，残积土层〈5C-2〉，隧道底局部穿越灰岩〈9C-2〉，隧道下方基岩是石炭系下统大塘阶石磴子组灰岩，灰岩中溶洞发育，多处钻孔揭露的溶（土）洞处于盾构隧道结构底板以下2 m左右的范围内；且由于隧道埋深较浅，隧底局部存在承载力特征值小于80 kPa淤泥质土层〈4-2B〉。

1.4 钻进注意事项

⑴砂层中采用独特的纠偏钻头，通过合适的纠偏方式进行成孔纠偏。当钻头往上偏斜时，将钻头尖角朝下，适量排出下部渣土并左右旋转切削土体；当钻头往下偏斜时则将钻头尖角朝上并左右旋转；通过调节旋转角度、排渣量和削孔水压力，实现大深度高精度一次成孔。

图3 MJS水平桩加固横剖面Fig.3 Cross-section View of MJS Horizontal Pile Reinforcement （mm）

图4 加固位置地质Fig.4 Geological of the Reinforced Area

⑵在成孔施工中，通过观察地内压数值突然升高或排渣物来判断遇到粘土层，并计算出位置。在粘土层区采用削孔清水来、回反复切割土体，直至地内压力值恢复到正常范围。

⑶当成孔过程中遇到岩溶及较硬地层时，采用牙轮钻进行成孔，通过加快旋转速度，增大旋转角度，手动调节其前进后退将设备油压控制在10 MPa 以内，对钻头前方岩层进行摩擦切削，最终破穿岩层区。在岩层区反复多次扩孔，矫正钻头姿态控制偏斜，防止破穿岩层后姿态发生突变，从而导致地面沉降。

⑷成孔施工中，通过观察地内压力值突然降低或钻进阻力突然下降来判断遇到溶洞，并计算出位置。然后将削孔嘴位置留在溶土洞处持续注入填充物，直至地内压力值恢复到正常范围。喷浆施工中，因为喷浆压力高，影响范围大，存在将周边溶洞击穿的可能，可以根据地内压力值突然降低判断溶洞被击穿，同时在原地进行喷浆填充，直至地内压力值恢复至合理范围，以此避免溶洞塌陷造成沉降，影响地面建构筑物及设施安全。

⑸成孔施工遇有木块时，勤测斜观察钻头偏斜情况，及时注入填充物使控制地内压恢复到正常范围。喷浆施工中，回喷至有木块区域时，调整浆液填充时间，合理控制地内压值。

⑹成孔施工中，钻进遇障碍物进尺速度明显降低且旋转油压突增，更换牙轮钻进行成孔。通过加快旋转速度，增大旋转角度，手动调节其前进后退将设备油压控制在10 MPa 以内。对钻头前方障碍物进行摩擦切削，通过障碍物后来、回反复扩孔，防止姿态突变。

旋喷桩施工完成后的抽芯实验表明，桩身完整性和固结体强度最小为3.5 MPa，均满足设计要求［5，9］，根据单桩施工过程中沉降监控来看（见图5），MJS 施工过程中引起地表沉降的主要为3 个部分，第1 部分为钻进成孔过程，该过程引起的地表沉降变化可达0.2～0.3 mm；第2部分为退钻成桩部分，该过程较上一过程引起的沉降量稍大，可能是高压浆液扰动土体而造成的，沉降量可达0.1～0.5 mm，而在完成喷浆后混凝土收缩凝固的过程中也会引起沉降，沉降量可达0.1～0.5 mm。综上所述，根据现场采用的全自动监测地表沉降监测系统采集的数据，MJS 水平桩施工期间，单桩的沉降可以控制在-1.59～0.28 mm 范围内，京广铁路累计沉降为-9.38～0.17 mm，武广高铁累计沉降为-4.88～0.74 mm，均满足现场铁路正常运行要求。