MJS工法在杭州地铁盾构下穿工程中的应用
2021-06-15


浙江省轨道交通建设与管理协会副秘书长      高级工程师     周章海

浙江省杭州市地铁集团有限责任公司运营分公司      工程师      周晓南 


摘要 软土地区盾构近距离下穿施工时常需采取预加固措施以减小对既有隧道的扰动影响,MJS工法(Metro Jet System)改良了传统土体加固工艺在环境影响及加固深度等方面的不足,能够适用于环境控制要求高的场地。本文以杭州地铁5号线滨康路站~青年路站区间盾构隧道近距离下穿既有地铁1号线工程为背景,对MJS工法在盾构下穿既有线工程中的应用进行研究。通过现场试桩试验和实际施工过程的监测数据分析,得到采用MJS加固后既有隧道的变形规律,并提出适用于杭州软土地层的MJS施工参数及施工工序。结果表明:1)对既有隧道进行MJS加固建议选择“半圆”加固方式,并合理延长相邻桩的施工间隔时间,优化施工工序;2)采用MJS加固后,既有隧道道床沉降、隧道收敛、水平位移累计最大值分别为-4.23mm,3.04mm,1.54mm,既有隧道结构变形得到了有效控制。

关键词 MJS工法;软土地层;盾构下穿;现场实测


近年来,随着轨道交通建设的纵深发展,盾构穿越既有地铁线路的工程案例越来越多,尤其是在高灵敏度软土地层中盾构施工对土体产生的扰动,会造成较大的地层移动,引起既有隧道的不均匀沉降[1]。因此确保软土地层中既有隧道的结构安全和正常使用成为盾构法隧道工程中亟需解决的难题。

为减少盾构近距离下穿施工对既有线的影响,常采取对既有隧道周围土体进行加固或隔离的措施,但地基加固本身对周围土体也是一个扰动的过程[2]。因此,选择对周边环境扰动较小且行之有效的地基处理方法显得十分重要。MJS工法在传统旋喷桩技术的基础上进行改进,采用压力控制和回浆工艺,使其更好地适用于环境控制要求高的场地[3]。目前已有部分学者对MJS工法在盾构穿越工程中的应用进行了研究[4-8],文献[9]采用数值计算和现场实测相结合的方法,对MJS桩基施工预加固与新建隧道侧穿引起邻近建筑物的沉降规律进行研究,得出由于隔离桩的保护,盾构掘进对地表以及建筑物沉降的影响大大减少;文献[10]采用数值方法分别模拟了MJS 工法桩与传统旋喷桩在施工过程中对周围环境的影响,结果表明MJS工法施工对周围土体的扰动和位移影响均较小,相较于传统旋喷桩优势更为明显。可以看出,采用MJS工法作为盾构近接工程中的预加固方案越来越普遍,对于MJS工法在杭州软土地层盾构下穿工程中的适用性以及MJS工法加固方式和施工参数的合理选取问题还需要进一步的研究和讨论。

本文依托杭州地铁5号线滨康路站~青年路站区间盾构隧道近距离下穿既有地铁1号线工程,通过现场试桩试验和实际施工过程的监测数据分析,分别研究MJS预加固阶段和盾构下穿施工阶段对既有地铁隧道扰动的影响,分析MJS工法在杭州软土地层中的应用效果,研究成果可为类似工程提供借鉴。

1 工程概况

5号线滨~青区间左线于里程ZDK40+983.084-ZDK41+013.089、右线于里程YDK40+993.725-YDK41+022.693范围下穿已运营地铁1号线滨康路站~湘湖站区间,两区间隧道平面上以58°斜交,1号线埋深约8.8m5号线隧道埋深约18.3m,下穿段5号线隧道距离1号线隧道最小净距为3.258m5号线和1号线的平面位置关系及地质纵剖面图分别如图1、图2所示。此外1号线隧道距5号线滨康路站左线、右线盾构接收洞门最近分别为19.9m30.5m5号线盾构隧道中心线向两侧各外延10米的区域为1号线隧道关键影响区域。

穿越区域1号线隧道主要位于④1淤泥及淤泥质粉质粘土层,5号线隧道主要位于⑥1淤泥质粘土夹粉土层。④、⑥层淤泥质土层呈灰色,流塑状,富含有机质残骸,该层土具低强度、高压缩性,有较明显的蠕变、触变特性,为软土层。软土层的物理力学参数见表1

考虑到既有1号线滨康路站~湘湖站区间隧道已经产生不少了裂缝,且穿越段水平收敛值达到27.34mm1号线既有结构已处在部分损伤阶段。为了提高1 号线隧道“抗扰动”能力,故采用MJS工法对1号线隧道做预加固处理。



1 5号线和1号线平面位置关系示意图



1 滨青区间地层主要力学参数

土层

含水量%

孔隙比

湿重度

KN/cm3

塑性指数

液性指数

竖向渗透系数

10-6cm/s

水平渗透系数

10-6cm/s

标准贯入试验锤击数击/30cm

静止侧压力系数

1

45.3

1.27

17.8

18.4

1.21

0.12

0.13

1.8

0.75

2

39.5

1.12

17.5

12.6

1.6

0.1

0.19

1.6

0.7

1

42.9

1.24

17.4

16.4

1.34

0.08

0.5

2.5

0.7


2 下穿段地层分布图

2  MJS工法现场试桩试验

2.1 MJS工法施工参数

MJS是一种能进行水平地基加固和垂直360°全方位地基加固的施工工法,对于周边环境及地基扰动影响微小;能实施大深度地基加固及水面下的施工,并且可以选择排泥场所,通过集中排泥与控制地内压力,保证水泥浆在加固范围内扩散,避免对地下水与土体的污染及对周边建筑物的影响。

通过现场试桩试验获取的MJS工法主要技术参数见表2,并与宁波软土地层[11]和上海软土地层[12]中的MJS工法主要技术参数进行对比。

2 MJS工法的主要技术参数

参数

杭州软土地层

宁波软土地层

上海软土地层

浆压力/MPa

40(±2

38

38

空气压力

0.75~0.85

0.8~1.05

0.7

空气流量/Nm3/min

1.0~2.0

1.0~3.0

1.0~2.0

地内压力系数

1.3~1.6

1.4~1.6

1.3~1.8

成桩垂直度误差

1/200

1/100

1/100

提升速度/min/m

20~54

37.9~75.8

20~40

浆液流量/L/min

85~100

160~180

90~100

2中浆压力、空气压力和空气流量3 个参数主要用来实现土体的切割和形成桩体;地内压力系数主要根据地区地应力测试进行控制。可以看出,杭州软土地层MJS工法主要技术参数与上海地区非常接近,仅成桩垂直度误差要求更为严格;而宁波软土地层中MJS工法的空气压力、提升速度和浆液流量3个参数的取值要明显大于杭州和上海地区。

2.2试桩试验工况

为评估MJS工法对盾构隧道的影响,同时掌握相关经验以指导后续施工。预先在对1号线隧道实施加固前在5号线隧道位置进行MJS试桩试验。试验场地选择5号线青年路站西端头已建右线隧道处,试桩位置处5号线隧道埋深约10.2m,位于④1淤泥及淤泥质粉质粘土、④2淤泥质粉质粘土层,如图3所示。试验加固地层与加固深度均与实际施工工况接近。

由于MJS工法具有可以“全方位”进行高压喷射注浆施工的特点,试验分别对“半圆”、“半圆+全圆”两种加固方式进行比较。“半圆”加固方式:在隧道南侧1m处施做3根Φ2.8m MJS桩(其中隧道同一深度进行“半圆”加固,隧道底以下3m进行“全圆”加固,有效桩长9.2m);“半圆+全圆” 加固方式:在隧道北侧1m处施做3根Φ2.4m“半圆”MJS桩、北侧2.8m处施做3根Φ2.4m“全圆”MJS桩(有效桩长9.2m)。5号线隧道两侧MJS试桩平、剖面图分别如图45所示。此外为了避免相邻桩之间的影响,调整试桩顺序为:N1N3N4S1S3N2S2N6N5

 

3 5号线试桩段地层分布图

 

4 5号线隧道两侧MJS试桩平面图

 

5 5号线隧道两侧MJS试桩剖面图

2.3试验结果分析

试桩试验过程中对5号线隧道竖向位移、水平位移及水平收敛值进行监测。为了更直观的反映数据的变化情况,选取距试桩位置最近的隧道监测断面绘制隧道结构累计沉降、本次试验沉降、累计水平位移以及累计水平收敛的变化曲线图,如图6~9所示。

 

6 隧道结构“累计沉降”与MJS施工关系图

由图6可知, N1N2N4S1S3五根桩施工时,隧道先后发生了隆起和沉降变化,其中累计隆起最大值为0.77mm,累计沉降最大值为0.85mm,隧道结构变形均能控制在±1mm以内;但在S3桩完成后隧道沉降急剧增加,累计沉降量增加约2mm,后续N2S2N6N5四根桩施工时隧道累计沉降持续增大,直至20181018日,隧道累计沉降基本稳定在4mm以内。

 

7 隧道结构“本次沉降变化”与MJS施工关系图

由图7可知,MJS单根桩施工过程中,隧道结构可能发生沉降或隆起变化,但整体变形幅度均较小,变形基本能控制在1mm以内,因此MJS单根桩施工对隧道的扰动较小。最后N6N5两根桩施工完成后,隧道每日沉降变化最大仅为0.25mm,说明MJS加固工后沉降稳定较快。此外,“半圆”、“全圆+半圆”两种加固方式对隧道沉降的影响程度均较小,因此从经济性角度来看建议选择“半圆”加固方式。

 

8 隧道结构“累计水平位移”与MJS施工关系图

 

9 隧道结构“累计水平收敛”与MJS施工关系图

由图8、图9可知,隧道累计水平位移最大值为-1.8mm,累计水平收敛最大值为1.9mm,说明MJS施工对隧道有一定的挤压作用。

综合以上试验结果分析可得,MJS单桩施工期间,隧道沉降变化较小,而桩基施工间隔期间,隧道沉降变化较大,这是由于本次试桩数量少,相邻桩施工的间隔时间短、距离近,导致MJS施工时对邻近已完成的桩体造成二次扰动,使得周围土体进一步发生沉降,因此建议在实际加固时要加长相邻桩的施工间隔时间,例如采取“隔五打一”的方式。

3  盾构近距离下穿既有隧道MJS加固方案

3.1 MJS加固实施方案

根据MJS试桩试验结论,对既有隧道采取“半圆”加固方式,并优化MJS施工顺序。本工程MJS加固平面范围为5号线滨~青区间盾构与既有1号线隧道穿越节点区外扩6m,沿既有1号线隧道设置7MJS旋喷桩;MJS加固方式采用桩径2800mm@2000mm,加固深度为1号线隧道顶至隧道底以下2.7m(桩底距5号线隧道0.5m),水泥掺量建议不宜小于40%28d无侧限抗压强度不小于1.0Mpa,盾构穿越前要求加固土体强度不小于0.5MPaMJS加固范围平、剖面示意图如图10、图11所示。

本工程MJS桩在既有线边施工,为减少对隧道扰动的影响,对MJS施工顺序进行优化:施工宜采用跳桩施工,同条隧道一侧不同时施工,且相邻桩施工间隔时间需控制不少于3天。

MJS加固完成且加固体达到0.5MPa后方能进行穿越1号线施工,穿越期间盾构推进速度不宜过快,应控制在2-3cm/min(一天完成6-8环),尽量做到均衡、匀速施工,减少对周围土体的扰动。

 

10 5号线穿越1号线MJS加固平面布置图

 

11 5号线穿越1号线MJS加固剖面图

3.2 既有隧道监测数据分析

为研究MJS工法在施工期间对既有隧道的变形影响,对1号线上、下行线隧道结构道床水平位移、竖向位移及净空收敛进行了监测,并分别从MJS加固施工和盾构下穿既有线施工两个阶段对监测数据进行分析。

1MJS加固施工阶段

12MJS加固期间1号线隧道累计变形沿时间分布曲线图。20181030日至20181225日,分别对5号线左线和右线下穿1号线影响区域进行MJS加固施工,截止20181225日,MJS加固施工期间1号线隧道道床沉降、隧道收敛、水平位移累计最大值分别为-2.32mm1.13mm0.74mm。可以看出MJS加固施工过程对既有隧道影响较小,相比于试桩试验结果,隧道道床沉降、隧道收敛、水平位移累计最大值分别减小了35.6%40.5%58.9%,说明延长相邻桩的施工间隔时间,优化MJS施工顺序可以有效限制对既有隧道的扰动影响

 

1)道床沉降

 

2)隧道收敛

 

3)水平位移

12 MJS加固期间1号线隧道累计变形沿时间分布曲线图

2)盾构下穿施工阶段

13为盾构下穿既有线期间1号线隧道道床沉降累计值的时程曲线。20181226日至2019120日,5号线滨康路站-青年路站区间隧道左右线分别下穿1号线,在左、右线盾构依次穿越过程中,1号线隧道产生的变形值较为接近,变形趋势亦基本一致,即1号线隧道在盾构下穿阶段均产生了一定幅度的隆起,待盾构穿越完成后,1号线隧道开始逐渐下沉。表3为盾构下穿期间1号线隧道变形累计最大值统计表。其中盾构后穿的下行线隧道变形要稍大于盾构先穿的上行线隧道,相比于MJS加固阶段盾构下穿施工过程中1号线隧道道床沉降、隧道收敛、水平位移分别增大了1.91mm1.91mm0.80mm

 

1)上行线

 

2)下行线

13 盾构下穿期间1号线隧道道床沉降累计值的时程曲线

3 盾构下穿期间1号线隧道变形累计最大值统计表

1号线隧道

工后沉降(mm

隧道收敛(mm

水平位移(mm

上行线

3.21

2.86

1.13

下行线

4.23

3.04

1.54

根据以上实测数据分析可知,在合理的MJS施工参数及施工工序前提下,MJS加固施工对既有隧道扰动较小,且采取了MJS预加固保护措施后,既有隧道在盾构下穿过程中变形可控。因此,MJS工法在杭州软土地层盾构下穿工程中能对既有隧道起到较明显的变形控制作用。

4  结论

本文结合杭州地铁5号线滨康路站~青年路站区间盾构隧道近距离下穿既有地铁1号线工程,对现场试桩试验和实际施工过程的监测数据进行分析,研究MJS工法在杭州软土地层盾构下穿中的应用效果,得出主要结论如下:

1)“半圆”、“全圆+半圆”两种MJS加固方式对既有隧道扰动的影响均较小,从经济性角度建议选择“半圆”加固方式。

2MJS单桩施工对既有隧道的变形扰动基本可以控制在1mm以内,但相邻桩施工间隔时间短会导致MJS施工时对邻近已完成的桩体造成二次扰动,因此建议实际加固时延长相邻桩的施工间隔时间,优化施工工序。

3)既有隧道在盾构下穿阶段会产生一定幅度的隆起,待盾构穿越完成后,既有隧道开始逐渐下沉。MJS加固阶段和盾构下穿施工阶段,既有隧道道床沉降、隧道收敛、水平位移分别为-2.32mm1.13mm0.74mm-4.23mm3.04mm1.54mm

4)在合理的施工参数及施工工序前提下,预先在既有线隧道两侧进行MJS加固,可有效限制软土地层盾构下穿过程中对既有线的影响,为解决软土地区盾构下穿工程中既有隧道沉降量大的问题开辟了一条新的道路。

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