水平MJS工法旁通道加固施工方法研究

余 圣 骥

(上海市基础工程集团有限公司，上海 200433)

0 引言

二十世纪八九十年代，MJS工法(全方位高压喷射注浆技术)由日本NIT技术研究所研发，作为一种大深度地下旋喷工法，可实现多角度施工作业，其中水平方向MJS工法的应用在日本市场中约占比66%[1]。

目前在上海地区水平联络通道及端头井加固绝大多数采用冷冻法，但其存在着冻胀、融沉的弊端。水平MJS工法作为一种国内应用较少的水平联络通道及端头井加固技术具有施工设备体积小、机动灵活、效率高，在狭窄场地及隧道内施工方便，施工加固效果好，施工技术风险低，对周边环境影响小等特点，具有广阔的发展前景。目前国内应用上，垂直方向、水平方向施工长度已达60 m[2]。本文根据上海市17号线淀山湖大道地铁站MJS工法水平试验结果[1]，提出一套MJS工法旁通道加固施工方案，为今后同类工程提供参考。

1 水平MJS工法试验概况

淀山湖大道地铁站整体结构为地下2层岛式站台车站，在车站地下1层板上进行了MJS水平桩施工，桩体截面中心与地面垂直深度6 m～8 m，轴向深入某地块外挂基坑内，桩身所在土层为上海地区较为普遍的淤泥质黏土。外挂基坑围护结构一侧利用车站地墙，另一侧采用灌注桩结合搅拌桩。在此次试验施工中，以桩长24 m(单桩截面形式分为两段，前部16 m为180°向下半圆截面，后部8 m为360°全圆截面)的水平MJS工法桩为验证对象，根据施工过程监测数据及后期直接开挖观察暴露桩体的情况来验证相关施工数据的可靠程度。

根据施工过程中的监测数据以及桩体开挖情况可以得出以下结论：

1)从施工过程监测数据看，正常施工过程中土体最大地面沉降3.5 mm，在桩体侧向2 m处最大侧向位移为4.5 mm，验证了水平MJS工法施工对周边环境的影响具有较好的可控制及微扰动效果，侧向位移的影响随距离的增加骤减，由于试验桩深度较浅，若施工深度增加，上覆土层厚度变大，土体垂直位移的影响也将趋于减小。

2)通过现场实际开挖，暴露出3个断面及桩的上表面，可以直观的看出桩体界面清晰，完整性良好，验证了按照设计参数施工，达到了预期的成桩效果，成桩效果如图1所示。

通过此次施工，可以看出水平MJS工法能够在上海地区常见的淤泥质黏土层中达到较好的加固效果，并且能够大大减少对周边环境的不良影响，为水平MJS工法在旁通道加固中的应用提供了先期条件，并且通过本次施工确定并验证了一套适用于上海地区淤泥质黏土层中的水平桩施工参数，见表1。

表1 水平MJS工法桩关键施工参数

2 水平MJS工法旁通道加固施工方案设计

2.1 加固体范围及性能指标

旁通道加固位置以上海市地铁盾构隧道为例，隧道管片外径约6.6 m，管片内径约5.9 m，加固范围为旁通道及其支护结构向四周方向，上部不小于1.5 m，下部不小于1.8 m，左右不小于2 m。

根据水平MJS工法试验桩参数确定设计桩径为带气向下半圆桩桩径取值1 800 mm，不带气全圆桩桩径取值1 200 mm。

强度指标为28 d无侧限抗压强度不小于1.0 MPa，抗渗指标为28 d芯样的渗透系数不大于1×10-6cm/s[3]。

质量检验方式为水平取芯以及在旁通道开挖范围内上下左右各打一个贯通的透水孔，观察渗漏水情况[2]。

2.2 水平MJS工法桩布置原则

1)以隧道中点为圆心，沿径向放射状布置。2)桩位避开管片接缝、螺栓、主筋和钢管片肋板。3)在地铁隧道管片立面上，孔桩按照梅花型布置，确保桩间可靠搭接。4)旋喷桩在相邻上下行隧道内对称布置。5)相邻桩位之间夹角以保证旋喷桩在两隧道间中点部位能有效搭接(桩间搭接长度不小于30 cm)为原则。

桩位布置图如图2，图3所示。

2.3 注意事项

1)打穿管片前，需安装孔口密封装置[2]，避免涌水涌砂情况；孔口密封器在施工期间不宜拆除，等全部施工完毕后进行统一拆除并对管片结构进行修复。

2)引孔采用工法机自主引孔，成孔轴线偏差不应大于1/150，引孔阶段应采用主动排泥孔进行废浆集中外排。

3)MJS工法施工完成后要进行微扰动补浆，补浆采用水泥浆，补浆时注意压力变化，注浆泵压力波动增加时，即可停止注浆。

3 水平MJS工法旁通道加固施工重难点研究

3.1 受限空间多角度施工困难

基于地铁隧道形态，管片内为直径5.9 m的圆柱形空间，施工方向涉及水平、向上倾斜、向下倾斜等多角度施工，还要考虑设备尺寸及施工时钻具的最小长度要求，以期实现全范围加固需求是本工程最大的难点之一，本方案主要通过设备选用及设计符合施工工况的辅助设备来解决这一难题。

3.1.1 设备选用

现有小型化MJS-40VH-S钻机前端动力头可以与主体进行分离，常规情况下前端拆解后放在水平架上进行施工，拆解后最小尺寸为长1 758 mm，高732 mm，尺寸如图4所示。

常用MJS工法钻具长度规格有250 mm(90 mm钻杆),500 mm,1 000 mm,1 500 mm等规格，根据施工需要，夹管末端还需有1节钻杆长度+600 mm水龙头长度，夹具到达最大行程后所需的最小长度分别为1 000 mm(90 mm钻杆),1 250 mm,1 750 mm,2 250 mm。

3.1.2 设计符合施工工况的辅助设备

结合选用的MJS设备形态、尺寸以及隧道空间大小，设计专用施工架，以拓展隧道内上下径向施工的界限能力，施工架三视图见图5，专用施工架具有沿隧道轴向移动和沿施工面上下提升的功能，其沿施工面上下提升行程为1 200 mm～4 770 mm，最大施工角度向上仰24°，向下倾斜70°，施工极限如图6所示。

3.1.3 操作可行性分析

基于选用设备及专用施工架设计，施工方案设计的所有桩型可分两种情况进行施工，最下部3排桩使用设备前端固定在管片等构造上，其余桩采用专用施工架进行。钻机可采用250 mm，500 mm两种尺寸，尺寸界线1 000 mm，1 250 mm。水平施工时，极限位置桩体为最下部、最上部水平桩，钻具预留尺寸分别为1 600 mm，1 300 mm；倾斜施工时，钻具预留普遍大于1 600 mm，能够满足水平施工的相关要求[2]。

通过2种方法结合使用，施工方案设计中多角度施工具有可操作性，多角度施工效果如图7所示。

3.2 施工对已成隧道的影响控制

隧道管片结构抗变形能力较差，主要变形体现在不均匀沉降隆起、侧向位移、收敛变形等。结合以往的施工经验，MJS工法垂直施工时，对周边环境的影响主要体现在两个方面：一是喷射流方向的土体侧向位移，位移程度和距离、土质条件相关，侧向位移的幅度在6 mm以内；二是地内压力控制不当，导致地面隆起或沉降。

水平施工时，40 MPa喷射流向下冲击，隧道在喷射流侧面，对隧道的影响主要是地内压力控制，地内压力偏大会导致隧道侧向土压力增大，使隧道向外侧位移；偏小会导致侧向土压力降低，使隧道向内侧位移。施工控制时，地内压力平衡控制尤为关键，是施工效果评定的重要标准之一。

此外结合现代测量技术手段，采用如图8所示的自动化监测体系，实时收集施工对隧道沉降隆起、侧向位移、收敛变形三个变形指标的影响数据，以提高水平MJS工法桩施工过程中对周边环境影响的可控性。

3.3 加固体质量管控

加固的目的是为了保证后期旁通道开挖，加固体的强度、抗渗性、完整性是关键指标。施工过程中应加大重点施工参数的管控。

基于旋喷桩设计的理论，成桩的最关键的三个因素包括：喷射压力、喷射流量、喷浆速度，喷射压力和流量代表喷射流能量，能量越大切削土体的能力越大；喷浆速度(包括步进速度及旋转速度)代表着作用时间，在合理旋转速度下，单位距离内喷浆时间越长，做功越多。

此外，地内压力大小决定着环境阻力，地内压力越大反映的环境介质密度越大，环境阻力就越大，喷射流的能力损失越快，在上海地区的淤泥质黏土层中保持合适的地内压力是保证桩径及环境安全的关键因素。

喷射空间形成之后，原材料质量即水泥浆在土层内的固化指标，受地下水影响的程度也是保证桩体质量的关键要素。

综上所述：施工中应重点管控喷射流压力和流量、喷浆速度、地内压力及原材料质量。

4 结语

1)根据试桩结果，水平MJS工法加固成桩质量好，对周边环境影响小，可满足地铁旁通道加固需求，弥补现有旁通道加固工艺的不足，并以上海地区地铁盾构隧道的旁通道施工为例，确定了一套水平MJS工法旁通道加固施工方法以供参考，包括加固体范围、性能指标、旋喷桩布置原则及相关注意事项。

2)根据MJS设备形态及尺寸、隧道尺寸进行设计，利用专用施工架通过提升、移动、倾斜等方式，以及合理的设备选用及设计专用施工架可以实现受限空间内的多角度施工操作。

3)水平施工中喷射流向下冲击时地内压力变化会引起隧道外侧土压力变化，导致隧道侧向位移，需对地内压力进行平衡控制。

4)为保证后期旁通道开挖时加固体的强度、抗渗性、完整性等关键指标，需要对喷射流压力和流量、喷浆速度、地内压力及原材料质量进行重点管控。