MJS工法在中厚砂層超深止水帷幕施工中的應(yīng)用

王中兵

上海廣聯(lián)環(huán)境巖土工程股份有限公司 上海 200444

1 工程概況

1.1 工程信息

某下沉式廣場(chǎng)位于南京市江東中路與應(yīng)天大街交匯處，圍護(hù)結(jié)構(gòu)最外側(cè)與地鐵2號(hào)線的最小水平距離為65 m。主體為地下1層，基坑挖深約6.85 m。局部為地下2層，基坑挖深約12.85 m。基坑采用厚700 mm的TRD等厚度水泥土攪拌墻結(jié)合φ2 400 mm的MJS工法（多重管高壓噴射注漿法）半圓樁作為地下連續(xù)墻外側(cè)的止水帷幕，總深度64 m。止水帷幕上部50 m采取TRD工法施工，下部15 m采取MJS工法施工。TRD水泥土攪拌墻與MJS工法半圓樁搭接1 m。

1.2 工程地質(zhì)條件

本工程所處地層從上至下依次為：①雜填土、②2淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、②3粉砂、②3a淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土-粉質(zhì)黏土、③1細(xì)粉砂、③2細(xì)粉砂、④中粗砂混卵礫石、⑤1強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖、⑤2中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖。MJS工法半圓樁在③1～⑤1層間成樁。③1～⑤1層均為砂層且細(xì)密。導(dǎo)孔施工從地面至⑤1層間。

2 MJS工法示范工程應(yīng)用可行性

2.1 MJS工法

MJS工法是近十年從日本引進(jìn)的一種地基處理的重要方法，其主要原理就是利用鉆機(jī)將帶有噴嘴的注漿管鉆進(jìn)至土層預(yù)定深度后，高壓設(shè)備以20～40 MPa的壓力把漿液或水從噴嘴中噴射出來(lái)，形成噴射流沖擊破壞土層，當(dāng)能量大、速度快和脈動(dòng)狀的噴射流的動(dòng)壓超過(guò)土層的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，土顆粒便從土層中剝落下來(lái)。一部分細(xì)小的土粒隨漿液或水冒出地面，其余土粒在噴射流的沖擊力、離心力和重力等的作用下，與漿液攪拌混合，并按一定的漿土比例和質(zhì)量大小，有規(guī)律地重新排列。漿液凝固后，便在土層中形成一個(gè)水泥土固結(jié)體。MJS工法多為40 m以下的淤泥、淤泥質(zhì)黏土、黏性土的改良施工。在較厚砂層且超深條件下施工，目前尚無(wú)較為成熟的案例[1-2]。

2.2 MJS工法應(yīng)用存在的問(wèn)題及解決方案

2.2.1 導(dǎo)孔孔壁不穩(wěn)定，噴漿管易埋抱死

工程上層雜填土層厚約3 m，黏土層厚約5 m，粉砂、粉細(xì)砂、中粗砂層厚約46.8 m。解決導(dǎo)孔孔壁不穩(wěn)定的最好方法是在導(dǎo)孔內(nèi)設(shè)置護(hù)孔套管。針對(duì)軟土地層設(shè)計(jì)有同步對(duì)開(kāi)式鋼套管，但是由于該地層上部砂層非常不穩(wěn)定，在MJS施工時(shí)如果安放鋼套管，會(huì)出現(xiàn)比MJS鉆桿更加容易的將鋼套管抱死的現(xiàn)象。因此使用原有的套管不太適宜。較為理想的是：在噴射注漿施工中，應(yīng)用一種能保護(hù)導(dǎo)孔不頸縮、不坍塌，且無(wú)需拆除的護(hù)孔套管來(lái)解決套管容易抱死的問(wèn)題。

為此，我們采用硬PVC管材作為套管，導(dǎo)孔內(nèi)全深度設(shè)置。為確認(rèn)硬PVC管材可不回收，我們進(jìn)行了噴射切削試驗(yàn)。在硬PVC管內(nèi)，安放水噴裝置，在水壓達(dá)到10 MPa時(shí)，硬PVC管已碎化成小顆粒或小片狀（圖1）。

2.2.2 泥漿含砂率高，噴漿管拆接間歇噴嘴堵塞

本工程主要以砂層為主，在噴漿過(guò)程中水泥漿液中的含砂量高且以細(xì)砂為主。拆接噴漿鉆桿一般需要12～15 min間歇時(shí)間，而加固深度達(dá)到60 m以上孔內(nèi)的泥漿壓力較大，在拆接噴漿鉆桿時(shí)，常規(guī)施工方法是將注漿管道內(nèi)換成清水后再拆卸鉆桿。但由于注漿管內(nèi)水的相對(duì)密度小于導(dǎo)孔內(nèi)的泥漿相對(duì)密度，引起的壓力差使導(dǎo)孔內(nèi)的水泥漿液通過(guò)噴嘴反壓到注漿管內(nèi)，且導(dǎo)孔內(nèi)泥漿含砂量過(guò)大易沉淀，將注漿管路和噴嘴眼堵住。

為此，我們?cè)诓挥绊懖鸾鱼@桿的前提下，改變?cè)蠱JS操作方法，將注漿管路和需要拆卸部分的鉆桿內(nèi)的漿液換成清水，以保證注漿鉆桿內(nèi)的壓力與導(dǎo)孔內(nèi)的漿液壓力處于基本平衡狀態(tài)。操作上以控制注漿泵的壓力降和置換時(shí)間為目標(biāo)。

泵出口壓力P與漿液重度γ的關(guān)系如式（1）所示。

式中：H——漿液高度，m。

由式（1）不考慮膠管等沿程壓力損失及噴漿鉆桿垂直重度壓降得部分漿液轉(zhuǎn)換的壓力差的近似值如式（2）所示。

式中：ΔP——換液后的壓降，Pa；

P——正常噴漿壓力，Pa；

γ1——漿液的重度，kN/m3；

γ2——水的重度，kN/m3；

h0——換液部分高度，m；

h——注漿鉆桿噴嘴到水龍頭長(zhǎng)度，m。

高壓注漿泵通過(guò)膠管連接到水龍頭再流入注漿鉆桿的注漿管內(nèi)。高壓流體在膠管及鉆桿中的流量q、流速v的關(guān)系如式（3）所示。

式中：d——膠管或鉆桿的內(nèi)徑。

由式（3）可推導(dǎo)出部分置換漿液所需的時(shí)間，如式（4）所示。

式中：t——部分置換漿液所需的時(shí)間，s；

q——注漿泵流量，L/min；

d1——膠管的內(nèi)通徑，m；

d2——鉆桿漿管的內(nèi)通徑，m；

l1——膠管長(zhǎng)度，m；

l2——注漿鉆桿需要置換部分長(zhǎng)度，m。

2.2.3 噴漿鉆桿抱鉆應(yīng)急措施

較厚砂層地層最大特點(diǎn)是導(dǎo)孔孔壁極不穩(wěn)定。導(dǎo)孔成孔時(shí)為泥漿護(hù)壁，一旦噴漿施工，護(hù)壁泥漿即在極短的時(shí)間內(nèi)被置換，導(dǎo)孔內(nèi)漿液的含砂量會(huì)急劇升高，一旦停止噴漿即循環(huán)停止，砂粒會(huì)迅速沉降，MJS鉆桿極易被埋，甚至無(wú)法起拔。而鉆桿噴嘴堵塞，只要不被埋，提鉆后采用高壓沖洗即可。有必要對(duì)MJS鉆桿被埋抱死采取應(yīng)急預(yù)案。為此，我們準(zhǔn)備了套筒鉆，一旦鉆桿埋鉆無(wú)法起拔，即用套筒鉆鉆進(jìn)至鉆桿底部，將鉆桿與土體分離后打撈。

3 MJS工法示范工程應(yīng)用

3.1 導(dǎo)孔護(hù)孔套管的放置

MJS鉆桿直徑為142 mm，根據(jù)導(dǎo)孔施工的垂直度，采用φ200 mm的硬PVC管作為護(hù)孔套管（圖2）。硬PVC管直管間用管接頭套接，套接采用膠粘固接。導(dǎo)孔成孔后，導(dǎo)孔內(nèi)全深度設(shè)置。

圖2 PVC護(hù)孔管設(shè)置

3.2 MJS工法操作參數(shù)的改進(jìn)調(diào)整

正常噴漿壓力為40 MPa時(shí)，依據(jù)式（2）初步計(jì)算出注漿泵部分置換高壓水的壓差為1.5～2.0 MPa（考慮鉆桿4.5 m為一拆接組），置換控制壓力在38～39 MPa間。實(shí)際操作中拆卸鉆桿時(shí)先關(guān)空壓機(jī)而后再關(guān)注漿泵，當(dāng)注漿泵漿液切換成水且大泵壓力下降到38 MPa后立即停泵，如未能及時(shí)在38 MPa時(shí)停泵，則不要拆卸鉆桿，繼續(xù)噴漿30 cm后確保在38 MPa時(shí)停泵，改變?cè)しㄖ兄苯忧袚Q水至低壓的操作。

同時(shí)根據(jù)式（4）計(jì)算連接漿管和拆卸鉆桿長(zhǎng)度內(nèi)置換水所需的時(shí)間。實(shí)際操作中應(yīng)降低注漿泵的轉(zhuǎn)速、減小流量以提高時(shí)間控制能力。考慮停泵后的流量慣性，一般根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和經(jīng)驗(yàn)可提前2 s左右停泵。

實(shí)際操作中應(yīng)加強(qiáng)拆接鉆桿的訓(xùn)練和配合，盡可能減少拆接鉆桿的次數(shù)和時(shí)間。最好能把拆接鉆桿的時(shí)間控制在10 min以內(nèi)，可大大減少鉆桿噴嘴堵塞的概率，具體優(yōu)化內(nèi)容如下：

1）將引孔直徑由常規(guī)工法中的190～250 mm，增加到300 mm，以方便PVC護(hù)孔管的安放。

2）MJS施工深度為地面以下50～64 m，且地層主要以砂層為主，必須使用套管，因此選用φ200 mm的PVC管作為導(dǎo)孔護(hù)孔套管。

3）噴漿階段，與常規(guī)施工方法不同，需要在每單元鉆桿完成后，先關(guān)閉排泥閥門(mén)，再關(guān)閉倒吸水、倒吸空氣和主空氣閥門(mén)，然后將水泥漿切換成水，當(dāng)注漿泵壓力下降到38 MPa后立即關(guān)閉大泵；且鉆桿以每4.5 m為一個(gè)拆接單元。

3.3 噴漿鉆桿埋鉆后的打撈

本工程地層情況復(fù)雜，土質(zhì)松散，粉細(xì)砂厚度達(dá)46.5 m。工程初期噴漿過(guò)程中，孔口排出的漿液含砂率達(dá)到20%以上，在停止噴漿拆卸鉆桿時(shí)，砂層沉淀迅速，再次啟動(dòng)時(shí)鉆桿難以提升，孔內(nèi)返漿量減小異常，鉆桿扭矩達(dá)到10 kN·m仍無(wú)法轉(zhuǎn)動(dòng)，強(qiáng)制提升鉆桿后，發(fā)現(xiàn)動(dòng)力頭下方鉆桿連接螺栓崩斷，造成60.8 m（20節(jié)3 m和1節(jié)0.8 m的鉆頭）鉆具被埋。

我們迅速移出主機(jī)，采用回轉(zhuǎn)鉆機(jī)將φ315 mm的套管鉆鉆進(jìn)至被埋鉆桿底部，使鉆桿與土體分離，順利將被埋鉆管成功打撈。

3.4 MJS工法應(yīng)用效果

本較厚砂層地層的基坑止水帷幕工程，共完成樁長(zhǎng)15 m、φ2 400 mm的半圓樁80根，樁長(zhǎng)64 m、φ2 000 mm的全圓樁6根。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)取芯等檢驗(yàn)全部合格（圖3）。

圖3 現(xiàn)場(chǎng)取芯樣品

4 結(jié)語(yǔ)

本較厚砂層超深止水帷幕工程，采用MJS工法施工，導(dǎo)孔采用硬PVC管材作為護(hù)孔套管，全深度設(shè)置，在噴射注漿施工中，能保護(hù)導(dǎo)孔不頸縮、不坍塌，且無(wú)需拆除，解決了較厚砂層導(dǎo)孔孔壁不穩(wěn)定、容易埋鉆的施工問(wèn)題。同時(shí)改進(jìn)了常規(guī)的MJS施工工藝，防止注漿噴嘴的堵塞，取得了重要的施工經(jīng)驗(yàn)。本文對(duì)MJS工法在較厚砂層或超深區(qū)域止水帷幕施工中的推廣應(yīng)用有著重要意義。