姚 志 雄,夏 华 灿,吴 波,郑 国 文

(1.福建理工大学 地下工程福建省高校重点实验室,福建 福州 350118; 2.福建省土木工程新技术与信息化重点实验室,福建 福州 350118; 3.东华理工大学 土木与建筑工程学院,江西 南昌 330013; 4.中铁二十四局集团福建铁路建设有限公司,福建 福州 351111)

0 引 言

为满足经济社会发展需求,中国地下空间开发规模越来越大,地下工程也越来越密集化,新建地下工程与公路铁路干线、地面河流和周边建筑物的距离越来越小,各邻近构筑物相互影响的工程问题也日益增多[1-3]。由于高铁线路技术标准高,对线路的平顺性要求高,为保障高铁的运营安全,须严格控制邻近工程施工对既有高铁线路的影响。特别是在滨海深厚软土地区,由于土性不良且地下水丰富,工程施工的环境效应及安全性更是不容轻视[4-5]。选择合理的加固方法及工艺参数对软土进行加固成为此类工程的重难点。

MJS(Metro Jet System)工法是从日本引进的一种全方位高压喷射注浆地基处理技术,该工法是在传统高压旋喷技术的基础上,通过增加多孔管主动排泥措施,并结合注浆附近的压力传感器监测值来调整水泥浆的排出量,从而有效控制桩施工对周边环境及既有建筑物的影响[6]。关于MJS工法桩技术,上海、江苏等地已有一定工程实践应用,学者也开展了区域性技术探讨并推动了该技术推广。熊仲明等[7]通过数值模拟及现场监测相结合的方法研究了MJS工法桩工艺参数及环境效应,验证了该工法成桩质量好、环境影响小,并在苏北黄泛区富水砂层盾构始发中得到应用。叶琪等[8]以宁波软土地区实际工程为例,通过ABAQUS分析了MJS工法桩施工对临近建筑物的影响以及工后成桩质量。毛祖夏等[9]通过现场试桩试验研究了MJS工法桩和高压旋喷桩(双重管)在软土地区对周边环境影响的挤土效应差异。翟志国等[10]以京沈高铁望京隧道联络通道洞内加固地层为例,总结得出MJS水平旋喷桩有很好的成桩和止水效果,可有效提高土体自稳能力,隔断地下承压水,减小地面隆起和沉降控制值。梁利等[11]以上海某轻轨车站换乘通道建设为例,详细介绍了MJS工法桩在复杂条件下的应用,探讨了MJS工法桩的施工参数。邓指军等[12]通过现场试验的方法,探讨了MJS工法桩的喷浆加固效果、加固范围以及周围土体的变形量,拓展了MJS工法桩在盾构隧道内不均匀沉降段下卧土层的应用。赵香山等[13]通过有限元方法探讨了MJS工法桩与传统旋喷桩在施工过程中对桩周1 m环境的影响情况,研究表明MJS工法桩施工对周围土体的扰动和位移影响均较小。张品等[14]以长沙地铁4号线下穿2号线运营隧道加固工程为背景,对MJS水平桩施工期间周围地层孔压、2号线隧道附加应力、竖向位移进行监测分析,获得MJS水平桩施工对周围地层及运营隧道的影响规律。睢博栋等[15]基于上海某基坑工程,对附近存在抽水井时MJS桩垂直施工引起的土体位移进行监测,结果表明,抽水试验使抽水井周围土体细粒含量减少,MJS桩在附近施工时,高压水泥浆更容易切割土体,成桩直径更大,土体水平位移增加明显。刘澄赤等[16]以上海瑞虹新城10号地块发展项目为依托,结合MJS工法施工工艺原理,总结了该工法应用于超深土层时的施工特点与关键控制要素。张雁等[17]采用地质勘探、重力触探试验和抽水试验等方法,从砾石层厚度、砾径、含砂量、地层密实度和含水层渗透能力等方面分析砾石层中MJS工法桩质量,研究成果拓宽了MJS工法的应用范围。

综上所述,当前学者已对MJS工法桩施工技术及环境影响展开了一定研究,也推动了MJS工法在地铁隧道、车站基坑等加固工程的应用,但关于MJS工法在滨海深厚软基加固工程的应用研究尚未见报道,特别是MJS工法桩在临近高铁高度敏感区内的应用技术尚无成熟经验,环境扰动机理尚不明晰。本文结合福建滨海软土地区首例MJS工法桩在涉铁深厚软基加固工程中的应用实例,总结滨海软土地区MJS工法桩的施工工艺,并对土体深层水平位移、地层孔压、既有铁路桥梁变形等关键指标进行监测,研究MJS多桩施工对土层和邻近结构的影响规律并评价其安全性,以期为类似工程提供借鉴。

1 依托工程

1.1 工程概况

福建滨海软土地区下穿高速铁路桥梁通道(河道)工程河道下穿福平高铁石门特大桥第17～18孔(16号台、17～18号墩),与福平铁路线位交角90°,其对应孔布置了长度为(32.7+32.7)m的简支梁。17号、18号墩均为圆端形桥墩。16号桥台及17～18号桥墩的桩基均采用Φ100 cm钻孔灌注桩。福平高铁交叉处河道断面规划河宽40 m,设计范围内河道全长69.18 m。河底采用U型槽下穿福平铁路,交叉处既有河道宽9 m。福平高铁为国家“十三五”规划中北京至台湾高速铁路通道的先期工程,变形控制要求极高。下穿福平铁路通道(河道)平面示意如图1所示。

图1 下穿福平铁路通道(河道)工程平面示意(尺寸单位:m)

高速铁路设计速度:福州至福州南段160 km/h,最大设计坡度20‰;福州南至平潭段200 km/h,最大坡度13‰。高速铁路为双线标准,无砟轨道、无缝线路,对变形及差异沉降控制标准极高。

该通道工程位于淤泥质地层区域,富水性强且土层承载能力弱。选择合适方法对铁路工程规定范围内的深厚软基进行预加固,在保证软基自身承载力及变形满足要求的前提下,保证高铁运营安全是该涉铁工程必须要解决的关键问题,也为后续河道基坑工程的施工创造有利条件。由于是涉铁工程,变形控制要求高,且受到高铁桥梁净空限制,常规三轴搅拌桩无法施作,经过充分调研论证后决定采用φ1000@2400 mm的MJS工法桩对临近高铁桥深厚软基进行加固。结合工程实际情况,综合技术考量及安全专项论证,在高铁桥下的加固场区先行设计8根试验桩(见图2)开展工艺及环境影响研究,以便为后续大面积施工提供借鉴。试验成桩直径1.0 m,桩长19.0 m。

1.2 工程地质与水文条件

2 MJS工法桩工艺参数确定

MJS工法桩是对传统高压旋喷工艺的改进,除了具备传统高压旋喷桩切割并加固土体的功能,该工法还采用先进的多通道钻杆、前端多传感装置钻头,实现了强制排浆、孔内泥浆压力实时监测并保持稳定,并有专门泥浆制备及排泥设备,大大减少了施工对周边地层及环境造成的影响。多通道钻杆截面如图3(a)所示;多孔管由高压水泥浆、后推空气、油路开关、高压切削水、返浆通道、喷射气道等组成,钻头上设置有地压、水压、气压、浆压等多个传感器,如图3(b)所示。

图3 多通道钻杆及钻头设备

结合实际的工程地质及水文地质条件、施工环境及成桩质量要求,总结提出MJS工法桩主要施工流程:引孔→安放主机→调整姿态→下钻→喷浆→MJS工法提钻注浆→成桩。具体工艺流程如下:

(1) 对场地固化处理以免设备产生沉陷、倾斜等风险,并做好装样定位。做好电源、数据线、钻头和地内压力监测显示器连接,确认钻头在无荷载情况下清零,管线连接确保密封。

(2) 检查设备运行情况,确保主机、高压泵、空压机、泥浆搅拌系统等都正常工作,主机就位。修建排污及泥浆拌制系统,以便无污染作业。接着,开始引孔并下放钻杆。

(3) MJS超高压钻机就位,下放钻杆至设计深度。做好下放钻杆节数记录,并检查密封圈情况。钻头到达预定深度后,设定摇摆角度、引拔速度、回转数等工艺参数,使系统处于就绪状态。

(4) 确定位置喷射,先开倒吸水流和倒吸空气,在确认排浆正常时,打开排泥阀门,开启高压水泥泵和主空气空压机。首先用压力为10 MPa的水向上喷射,然后把水切换成水泥浆,钻杆重新下放到位后开始向上喷射改良。施工中密切监测地内压力,实时调整排浆阀大小控制地内压力在安全范围,并实时监测周边地层及邻近桥梁变形情况。

(5) 由下向上逐步旋喷提升,同时将泥浆倒排吸出。为提高成桩质量,在桩底部1.0 m范围适当延长旋喷时间。旋喷提升过程中,根据土质及地内压力监测情况适当调整旋喷参数。

(6) 重复以上步骤直至成桩结束。最后及时对拆卸下来的钻杆等设备进行清洗、养护。由于场地广泛分布淤泥质黏土、中砂层,成孔中易出现塌孔、缩径等问题,施工中应控制好泥浆质量并做好护壁等措施。图4为MJS工法桩施工原理示意。

图4 MJS工法桩施工原理示意

影响MIS工法桩施工质量的主要参数有8个(见表1),其中水泥浆压力、主空气压力和主空气流量3个参数主要用来实现土体的切割和形成桩体;地内压力系数ξi主要根据地区地应力测试进行控制[8]。

表1 MJS试桩主要工艺参数

ξi=k0γi/γw

(1)

式中:γi为土体重度,kN/m3;k0为静止土压力系数,一般取1-sinφ,φ为土体内摩擦角;γw为水重度,kN/m3,一般取10 kN/m3。

土层侧向压力:

(2)

式中:hi为各土层厚度,m。

将式(1)代入式(2),则式(2)所描述的土层侧向压力可采用式(3)的形式表示:

(3)

3 试桩顺序与监测方案制定

鉴于试桩过程与实际施工过程要基本相符,其次考虑到试桩过程中要尽可能减少机械搬运及挪动带来的附加扰动,经过比选最终制定了两个顺时针方向的成桩顺序方案:③→④→⑧→⑦→②→⑥→⑤→①。土体深层水平位移监测点(I1～I5、I6～I10)与MJS工法桩在同一轴线,其中I1、I6靠近桩侧(见图5(a)),I1～I5、I6～I10测斜管均采用0.5 m等间距布置,埋置深度与MJS工法桩桩长等同;孔隙水压力监测孔(K1～K5、K6～K10)与土体深层水平位移测斜管在空间上处于同一平面,间距为0.5 m,监测点在深度方向按2,5,7,11,20 m间隔布置(见图5(b))。桩体编号、土体深层水平位移及孔隙水压力监测点布置与编号见图5。K1-2表示孔隙水压力监测孔K1在深度为2 m处的监测点,其余孔隙水压力监测点符号意义同理。MJS工法桩试桩均从深度为19 m处开始喷浆,钻杆逐步提升喷浆至地表代表一根试桩完成。

图5 监测点布置(尺寸单位:m)

4 试桩施工环境影响分析

MJS工法试桩工况详情见表2,图6为试桩及监测实施现场。

表2 试桩工况详情

4.1 深层土体累计侧移

结果表明,各监测孔位累计侧移(见图7)总体上均呈现出“上大下小”的趋势,附近土体的深层水平位移普遍在8～10 mm以内,最大位移值为38 mm,最大位移值所处深度为0.5～2.5 m。除I6、I10孔外,其余孔位最终均表现为土体逐步向施工区域回移现象(土体位移为正表示变形靠近施工区域,即靠近试桩方向,为负表示背离施工区域)。可见MJS工法桩施工过程中,由于桩位土体的卸载而引起土体的回移效应比浆液喷射引起的挤土效应更为显著。试桩过程中,I1～I5、I6～I10处深层土体累计侧向位移变化如图7所示。另外,可观察到此回移效应并不会持续很久,在邻近桩位施工完成1～2 d之后就基本达到稳定。对于远离桩侧0.5 m以上的土层,回移的影响深度范围基本在0～4 m内。因此,如附近有地下结构物时,应密切关注此深度范围内因桩位施工产生的回移效应引起的剪切变形。

图7 土体深层累计侧移监测曲线

如排除个别孔位数据因各种不可控因素产生的异常波动外,在施工③-④-⑧-⑦号桩位过程中,施工区域3 m以外土体所受影响总体很小,整个深度范围内累计侧移量稳定在-4～8 mm。在施工⑥-⑤-①区域时,各个测孔深层土体累计侧移均出现了不同程度的激增,其中最为明显的为离施工区域最近的I1、I6孔位,I1测孔最大变化量出现在7月26日下午,深度0.5 m处土体侧移为25.85 mm,深度范围内土体累计侧移量总体稳定在-25～35 mm,而7月26日当天为多桩施工(共施工完成5根)。可见,单桩施工对周边土体的影响不显著,属于微扰动施工;而多桩施工对土体扰动产生的累积效应较为明显,尤其在靠近桩侧土体处。综合监测结果,该工程划分如下:离桩位1.5 m以内为主影响区,离桩位1.5～3.0 m为中影响区,离桩位3.0 m以外为微影响区。因此,在实际工程实践中,要结合变形控制标准通过试桩试验严密监控施工影响区内结构物变形,并合理控制施工进度。

4.2 孔隙水压力变化

在埋深2,5,7,11,20 m处设置了孔隙水压力测点,在为期3 d的试桩施工过程中各点位的孔压变化情况如图8所示,正值代表此次监测压力值比上一次增大,否则为负。监测结果显示:K6孔水压力在试桩施工全过程中波动最频繁且变化幅度最明显,这是由于K1～K5测孔紧邻污水管道改迁一侧,原状土层结构已受到较大扰动,土层透水性增强,孔压消散较快,对喷浆压力不敏感。而K6～K10测孔受管线迁改扰动影响相对较小,试桩过程中离桩侧较近的K6测点孔压出现了明显波动,孔压变化率沿着深度出现先增大后减小现象,可见深处结构性扰动较小的软土层对于喷浆压力较敏感。最大变化速率出现在7月24日下午K6孔11 m深度处(即K6-11处),为-13.6 kPa/d,此时的孔压为133.1 kPa,变化率为10%。随着试桩施工接近尾声,孔压变化率最大值有从土体深处向浅层转移的趋势,紧邻K6测孔的5号桩位施工临近结束时,孔压最大变化率出现于7月26日上午K6孔的2 m深度处(即K6-2处),为14.6 kPa/d,此时孔压为62.3 kPa,变化率为23%,这是由于此时喷头回旋上提、喷浆压力正逐渐往浅层土体转移,而其引起的孔隙水压力未及时消散所致,可见土体内孔隙水压力变化情况和工法桩成桩过程密切相关。结果显示,MJS工法桩对喷浆压力的控制总体良好,整个施工过程中并未出现孔压急剧增长的现象,随着工法桩施工结束,孔压也平稳消散。可见试桩施工工艺及主控参数的控制比较合理,表1的成套工艺参数是可行的,能较好适应工程现场土层,对周边环境影响小。

4.3 既有桥台桥墩位移变化

邻近高铁桥新建工程施工对桥墩影响一直是一个重要的研究问题[19],这关乎高铁桥梁基础稳定性及安全运营。在此进行试桩施工对既有墩台影响的探讨,可为施工优化及保护性措施的提出提供依据。图9给出了MJS工法桩施工期间16号台、17号墩监测点编号详情。

图9 16号台及17号墩监测点布置

4.3.1竖向位移

MJS工法桩施工过程中对应的16号台、17号墩竖向位移变化曲线如图10所示。位移为正表示抬升,为负表示下沉。结果表明:MJS试桩过程中16号台、17号墩竖向位移基本呈无规律的振荡状态,变化范围在-0.16～0.21 mm之间。试桩施工中,16号台C1、C2点基本呈微小的上抬、下沉交替变化趋势,这是试桩施工扰动所致,试桩结束后随着软土结构重组,离施工区域较近的C1点微小下沉,下沉值为-0.04 mm;离施工区域较远的C2点微小上抬,上抬值为0.07 mm,差异沉降值为0.11 mm。试桩施工中,比较靠近施工区域的17号墩C3点总体呈振荡的上抬现象,试桩结束后其上抬值为0.16 mm;相对远离施工区域的C4点总体呈振荡的下沉现象,试桩结束后其下沉值为-0.13 mm,差异沉降为0.29 mm。可见,邻近桥墩受MJS试桩施工影响微小,变形值远小于规定值,桥梁结构稳定,可确保高铁的安全运营。

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4.3.2水平位移

图11为MJS工法桩施工过程中16号台、17号墩水平位移变化情况。水平位移为正表示位移向施工区域,即靠近试桩方向,为负表示位移远离施工区域。结果表明,试桩施工中16号台的3个测点(S1～S3)总体产生了向施工区域方向的水平位移,位移变化范围为-0.10～0.41 mm。17号墩3个测点(S4～S6)位移呈无规律振荡状态,位移变化范围为-0.30～0.30 mm。最终S1～S6各测点位移稳定在0.21,0.30,0.10,0.10,0,-0.20 mm。可见MJS工法桩施工对墩影响微小,变形值远小于规定值,可确保高铁安全运营。

图11 水平位移变化曲线

综合监测结果,墩台竖向位移变化范围在-0.16～0.21 mm,水平位移变化范围在-0.30～0.41 mm,可见MJS工法桩施工扰动小,不会对高铁桥梁稳定性造成影响。

5 结 论

结合福建省滨海地区首例MJS工法桩在涉铁软基加固工程中的应用实例,通过试桩试验提出了一套适应滨海软土敏感区的MJS工法桩工艺参数,并分析了试桩施工中桩侧土体水平位移、土体孔隙水压力及邻近高铁桥墩台的变形规律,探讨了MJS工法桩施工对邻近结构影响情况并评价其安全性,得到以下主要结论。

(1) 周边土体累计侧移总体上呈“上大下小”趋势,最大位移值所处深度约0.5～4.0 m。桩位土体卸载引起的土体回移效应比浆液喷射引起的挤土效应更为显著,侧移变形在邻近桩位施工1～2 d后就基本达到稳定。单桩施工对周边土体的影响不显著,属于微扰动施工,而多桩施工对土体扰动产生的累积效应较为明显。结合该工程情况,界定离桩位1.5 m以内为主影响区,1.5～3.0 m为中影响区,3.0 m以外为微影响区。

(2) 试桩过程中离桩侧较近土体孔压出现明显波动,表现出随深度增加,孔压变化率略微增大的现象,最大变化速率为-13.6 kPa/d。随着试桩施工接近尾声,孔压变化率最大值有从土体深处向浅层转移的趋势,可见土体孔压变化情况和成桩过程密切相关。整个施工过程中并未出现孔压突变现象,孔压平稳消散。表明MJS工法桩喷浆压力控制总体良好,试桩工艺及主控参数合理。

(3) 试桩施工过程中临近高铁桥墩台变形总体呈无规律的振荡状态,这是试桩施工扰动所致。试桩结束后,随着软土结构重组,墩台竖向位移变化范围为-0.16～0.21 mm,水平位移变化范围为-0.30～0.41 mm,变形值远小于规定值,可确保高铁安全运营。下一步可开展工法桩施工顺序及桩长、桩径、间距等参数对环境的影响研究,进一步优化涉铁深厚软基MJS工法桩加固技术。