浅谈MJS工法在盾构下穿既有铁路框架桥地层补强加固中的应用

浅谈MJS工法在盾构下穿既有铁路框架桥地层补强加固中的应用

摘要：本文以长沙地铁3号线营盘东路-德雅路区间盾构下穿京广铁路框架桥地层补强加固工程实践为基础，探讨一种全方位的高压喷射工艺MJS注浆工法，此工程案例可为同类加固工程提供实践参考。

关键词：MJS工法；地层加固；盾构隧道；注浆

Abstract: this article with the changsha metro line 3 east road, road’s camp-interval shield down through the beijing-guangzhou railway frame bridge reinforcement reinforcement engineering practice strata basis to investigate a full range of high pressure jet grouting method MJS process, the project cases for the similar reinforcement project to provide practical reference.

Keywords: MJS method; Formation reinforcement; Shield tunnel; grouting

中图分类号：U455.43 文献标识码：文章编号：

前言

由于城市建筑物密集，道路交通设施交错纵横，在城市地铁修建过程中，常会遇到盾构隧道下穿既有建（构）筑物的情形[1~2。盾构隧道近距离下穿既有建（构）筑物时，为确保建（构）筑物的正常使用安全，常在盾构隧道穿越前对受影响区域内建（构）筑物地基土层进行补强加固[3]。目前，地基补强加固措施通常有以下几种：袖阀管注浆、二重管无收缩双液注浆工法（WSS工法）、锚杆静压桩法等，每种工法适用不同的工程环境及土层。因此，在地基补强加固中选用何种工法直接关系到加固效果。

本文以长沙地铁3号线营盘东路-德雅路区间盾构下穿京广铁路框架桥地层补强加固工程实践为基础，探讨一种全方位的高压喷射工艺MJS注浆工法，此工程案例可为同类加固工程提供实践参考。

1 工程概况及地层沉降分析

1.1 工程概况

长沙轨道交通3号线一期工程营盘东路~德雅路区间隧道在出营盘东路站约1.1km后下穿京广铁路框架桥，该桥为四孔钢筋混凝土框架结构，主洞身长30m，框架桥中心线与京广铁路中心线斜交42.59°，地铁隧道下穿段线间距为13.0m，隧道顶距京广铁路框架桥底部约10.8m。框架桥采用顶进施工工艺，共分六块施工，块与块之间无任何连接，且框架桥为碎石换填基础，下部无桩基。

地层自上而下大致依次为填土、粉土、细砂、砂卵石、强风化岩及中风化岩。

1.2 盾构下穿时地层沉降分析

结合京广铁路框架桥的设计特点，利用有限元程序MIDAS/GTS对盾构隧道下穿框架桥时桥梁的变形以及铁路道床沉降进行三维模拟分析。

分析时，地层自上而下分别为：填土层厚10m，粉土层厚1.5 m，细砂层厚3.5 m，卵石层厚1.5 m，强风化板岩厚4.5 m，下层为中风化板岩。

通过三维数值模拟分析，得到以下结果：

（1）盾构完全穿越框架桥时，框架桥最大水平位移量为1.83mm，最大竖向沉降量为2.34mm，最大总变形量为2.77mm。

（2）盾构完全穿越框架桥时，铁路道床最大沉降量为5.20mm。

根据《铁路线路维修规则》，京广铁路轨道沉降限值定为：

1）轨面沉降值不得超过6mm；

2）相邻两股钢轨水平高差不得超过8mm；

3）相邻两股钢轨三角坑不得超过6 mm；

4）前后高低（纵向水平）8mm。

将上述铁路限值与三维数值模拟分析结果对比可知，盾构下穿时轨面最大沉降值5.20 mm虽小于轨面沉降限制6mm，但是数值非常接近。鉴于京广铁路行车密度高，关系重大，且三维数值模拟分析时忽略地下水因素影响，为确保盾构施工时铁路的正常、安全运营，有必要在盾构下穿前对框架桥地基进行地层补强加固。

2 地层补强加固传统方法

在盾构隧道近距离下穿既有建（构）筑物时，为确保建（构）筑物的正常使用安全，常用的地层补强加固措施有以下几种：

（1）袖阀管注浆加固

袖阀管注浆工法是在浆液经过注浆泵加压后，通过连通管进入注浆管，聚集到袖阀管注浆管段，然后通过泄浆孔的PVC管，在内压力的作用下，将包裹在PVC外的橡胶圈胀开和套壳料挤碎。当压力逐渐增大到一定程度，被加压的浆液沿着地层结构产生充填、渗透、压密、劈裂流动。

袖阀管注浆深度大、可注性好，且可分段注浆。但其加固体直径相对较小。

（2）二重管无收缩双液注浆工法（WSS工法）

二重管无收缩双液注浆技术是采用二重管钻机钻孔至预定深度后注浆。注浆时采用电子监控手段实施定向、定量、定压注浆，使岩土层的空隙或孔隙间充满浆液并固化。

WSS工法能够定量、定压注浆，渗透力强。但注浆施工控制不好时易造成地面隆起开裂，且砂卵石地层对钻头磨损较大。

（3）锚杆静压桩法

锚杆静压桩是利用锚杆将桩分节压入土层中的沉桩工艺。当桩压入深度达到设计要求后，将桩与基础连结在一起，达到提高地基承载力和控制建筑物沉降的目的。

锚杆静压桩法可在保证铁路运营情况下对框架桥基础进行改良加固，但需对框架桥底板进行改造，工程量大。

鉴于框架桥为分块框架结构，且所处地层含较厚的砂卵石层，因此以上三种传统的地层补强措施，对于本工程特定的环境均不适用。

3 MJS注浆加固方案

3.1 MJS工法特点

MJS（Metro Jet System）工法全称为全方位高压喷射工法，采用不同于其它旋喷工艺的钻管及钻头，在高压喷嘴端头设置了排泥吸口，且配有调控和量测地基内压力的自动装置，避免在施工中出现的地表变形，可以运用于水平、倾斜或垂直多方位的旋喷加固施工。

MJS工法有如下特点：

（1）可以“全方位”进行高压喷射注浆施工；

（2）桩径大，桩身质量好；

（3）对周边环境影响小，超深施工有保证；

（4）泥浆污染少。

MJS工法以上特点与本工程地质条件以及场地环境极为匹配，因此本工程盾构隧道下穿京广铁路框架桥将采用MJS水平旋喷桩对京广铁路框架桥地基进行注浆加固。

3.2 MJS注浆加固具体方案

盾构下穿京广铁路框架桥前对隧道拱顶以上砂卵石地层进行加固处理。沿着隧道中心线在京广铁路桥涵北面约10m远距离处设置两个9.6x13.6m施工竖井，采用MJS工法对左右隧道拱顶以上2.5m，隧道外边沿3m范围进行水平注浆加固。竖井围护结构采用0.8m厚连续墙，设两道内支撑。单个水平旋喷桩加固有效直径为2.0m，旋喷桩摆喷区域为下半半圆160°范围，横向桩间距1.7m，咬合0.3m，竖向桩间距为0.7m，咬合0.3m，分别沿着两个施工竖井倒边进行加固，由下至上逐排旋喷注浆。加固横断面图如图1所示。

图1地层补强加固横断面图

4 MJS工法技术要求及施工工艺

4.1 MJS工法施工技术要求

① 注浆浆液材料采用普硅 425#水泥浆，水泥与水重量比为1：1；

② 固化材料喷射压力取40MPa，排出量为130L/min，空气压力0.7MPa，空气排出量1.0N.m3/min，具体参数以现场试验为准。

③ 由于MJS工法加固成本高，在施工开始前宜在竖井位置进行垂直MJS工法加固试验，竖井开挖后，可观测其加固体样式，根据试验及时调整相关注浆参数。

4.2 MJS工法施工工艺

（1）连接电源，数据线，开启油泵，桩机就位；

（2）钻头和地内压力监测显示器连接，确认在钻头无荷载的情况下清零；

（3）对接钻杆和钻头，对接时，认真检查密封圈情况，看是否缺失或损坏。地内压力是否显示正常；

（4）动力头180°旋转，将钻头压入土体，在压入过程中，需时常上下提升钻管，以防土块将钻头堵住。如土质较硬时，可将水龙头接上三号泵，切割土体，然后动力头180°旋转，将钻头压入土体，在压入过程中，需时常前后移动提升钻管，以防土块将钻头堵住；

（5）重复3步骤和4步骤，直到钻头到达预定深度；

（6）钻头到达预定深度后，先开回流气和回流高压泵，再确认排浆正常时，打开排泥阀门，开启高压水泥泵和主空压机。在开启高压水泥泵时，压力不可太高，应逐步增压，直到达到指定压力，在达到指定压力并确认地内压力正常后，才可开始提升；

（7）在施工过程中，如遇较硬土质，压力过高，排浆不畅时，可以将钻头向已施工位置推进，一般推进50cm，压力正常后进行提升；

（8）当提升一根钻杆后，对钻杆进行拆卸，注意在拆卸钻杆的过程中，认真检查密封圈和数据线的情况，看是否损坏，地内压力显示是否正常。如有问题及时排除。拆卸钻杆后，需及时对钻杆进行冲洗及保养；

（9）重复8步骤，直到施工结束。

注浆施工完成后，须对注浆加固区域进行钻孔抽芯检测，以确定砂土层固结效果。

5 结语

本文所述的MJS加固工法，不仅可应用于地层注浆补强加固，还可以用于既有构造物或轨道线路下方的保护，盾构隧道掘进口、到达口的改良加固，与既有构造物的隔断等工程中。MJS工法由于其摆喷方向的灵活性以及能形成大直径的加固体等优点，目前在国内外已取得了瞩目的业绩。

参考文献

[1]刘建航，候学渊. 盾构法隧道[M].北京：中国铁道出版社，1991.

[2] 姜忻良，赵志民.盾构施工引起土体位移的空间计算方法,华中科技大学学报,2005，22(2):14.

[3] 李永盛，黄海鹰，盾构推进对相邻桩体力学影响的实用计算方法，同济大学学报，1997,25(3)： 274-280.

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。