蔣 愷,張陸新,姚基偉
(1. 浙江交科交通科技有限公司,浙江 杭州 310005;2. 杭州交投建管項(xiàng)目管理有限公司,浙江 杭州 310008)
隨著杭州城市建設(shè)速度的加快和軌道交通的普及,緊鄰既有運(yùn)營地鐵隧道施工的建設(shè)項(xiàng)目越來越多。為了控制施工過程中地鐵隧道變形和破壞,確保地鐵運(yùn)營安全,往往需要先對(duì)交叉范圍的土體采取固化措施,從而減少后續(xù)其他施工產(chǎn)生的擾動(dòng)[1]。攪拌樁土體加固是利用攪拌樁機(jī)將水泥漿噴入土體并充分?jǐn)嚢?,使水泥漿與土發(fā)生一系列物理化學(xué)反應(yīng),使軟土硬結(jié)而提高土層強(qiáng)度。其中,傳統(tǒng)的三軸攪拌樁和近些年從日本引進(jìn)的新型 MJS(Metro Jet System)工法樁[2-3],是此類土體固化工程中運(yùn)用較多的兩種施工工藝。
根據(jù)現(xiàn)有研究,在緊鄰既有運(yùn)營地鐵隧道的土體固化施工中,兩種工藝單獨(dú)實(shí)施時(shí)均有成功的案例[4-6],但在同一個(gè)工程項(xiàng)目中,兩種工藝的施工機(jī)理和施工效果的差異尚未見報(bào)道。京杭運(yùn)河新開挖航道從運(yùn)營的杭州地鐵1號(hào)線正上方垂直穿過,跨地鐵保護(hù)范圍先后采用了三軸攪拌樁和 MJS工法樁兩種土體固化施工工藝。通過詳細(xì)對(duì)比分析,得出兩種施工工藝在保護(hù)運(yùn)營地鐵隧道安全方面的差異,為以后類似工程的設(shè)計(jì)、施工和監(jiān)管提供參考。
京杭運(yùn)河浙江段三級(jí)航道整治工程杭州段(新開挖航道段)從運(yùn)營的杭州地鐵1號(hào)線正上方垂直穿過,新航道底面與地鐵隧道頂面的最小距離僅4.9 m,航道基坑開挖對(duì)地鐵隧道1 137~987號(hào)管片有很大的影響。為控制航道基坑開挖過程中的地鐵隧道變形和破壞,確保地鐵運(yùn)營安全,需對(duì)交叉范圍采取專項(xiàng)保護(hù)措施。
新航道跨地跌 1號(hào)線保護(hù)工程設(shè)計(jì)樁號(hào)為K'36+490~K'36+643,全長 153 m。其中 K'36+538~K'36+582段從地鐵1號(hào)線正上方穿過,為核心保護(hù)區(qū)范圍,K'36+490~K'36+538段和 K'36+582~K'36+643段為非核心保護(hù)區(qū)范圍(見圖1)。核心保護(hù)區(qū)航道基坑平面尺度為44 m×70 m,基坑設(shè)計(jì)底標(biāo)高-4.4 m,原地面標(biāo)高平均約+6.2 m,基坑最大開挖深度約10.6 m?;?xùn)|西側(cè)采用永臨結(jié)合的直立式水泥土擋墻聯(lián)合雙排灌注樁方案,南北兩側(cè)采用鉆孔灌注樁+止水帷幕方案,與東西閉合,基坑中部設(shè)置 3排立柱樁+格構(gòu)柱。核心保護(hù)區(qū)主要施工內(nèi)容包括了攪拌樁土體加固施工、鉆孔灌注樁施工(支擋樁、立柱樁、抗拔樁)、降排水施工和航道基坑開挖支護(hù)及底板施工等。
圖1 核心保護(hù)區(qū)基坑與杭州地鐵1號(hào)線平面位置關(guān)系Fig. 1 Plane position relationship between foundation pit of protection area and Hangzhou Metro line 1
由于航道基坑影響深度范圍地層中大部分為粉砂土層,含水量高,強(qiáng)度及密實(shí)度離散性較大,且局部存在液化的可能,若前期土體加固不當(dāng),在后期基坑開挖過程中極易發(fā)生流土、管涌和坑底隧道隆起等現(xiàn)象,從而導(dǎo)致地鐵隧道變形和破壞,造成嚴(yán)重的后果。因此,前期攪拌樁土體加固是極其重要的一個(gè)施工環(huán)節(jié)。核心保護(hù)區(qū)攪拌樁土體加固范圍如表1所示。
表1 核心保護(hù)區(qū)攪拌樁土體加固范圍Table 1 Soil reinforcement scope of mixing pile in core protection area
其中,位于地鐵隧道正上方和兩側(cè)的攪拌樁樁體與隧道距離近(最小間隔不足1.5 m,見圖2),施工周期長,在施工過程中會(huì)不斷擾動(dòng)土體,影響地鐵隧道安全。
圖2 地鐵隧道正上方和兩側(cè)的樁體與隧道距離剖面圖Fig. 2 Section of distance between pile and tunnel above and on both sides of metro tunnel
下面以核心保護(hù)區(qū)攪拌樁施工為例,分別闡述三軸攪拌樁和MJS工法樁兩種土體加固施工工藝。通過對(duì)比兩者的施工工藝機(jī)理和實(shí)際施工效果,來分析比較兩種施工工藝在保護(hù)運(yùn)營地鐵隧道安全方面的差異。
三軸攪拌樁是采用三軸型鉆掘攪拌機(jī)在現(xiàn)場(chǎng)向設(shè)計(jì)深度進(jìn)行旋轉(zhuǎn)掘進(jìn),同時(shí)在灰漿系統(tǒng)及高壓風(fēng)系統(tǒng)的配合作用下,在鉆頭處噴射出水泥漿液,鉆頭及螺旋鉆桿將水泥漿與原位土體反復(fù)混合攪拌,在各樁單元之間采取重疊搭接咬合方式施工,使土體的均勻性、自立性、密實(shí)度、抗壓強(qiáng)度等性能參數(shù)指標(biāo)提高,從而滿足設(shè)計(jì)需求的一種施工工藝[7]。其土體改良的機(jī)理是:用水泥作為固化劑加固軟土,水泥和軟土將產(chǎn)生一系列物理和化學(xué)反應(yīng),從而增加了顆粒之間的黏結(jié)力,增加了土體的強(qiáng)度和密實(shí)度,形成具有一定強(qiáng)度和穩(wěn)定性的水泥加固土。改良后的土體在抗壓強(qiáng)度指標(biāo)上遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于原天然軟土強(qiáng)度,土體壓實(shí)度及抗?jié)B性比天然軟土也大大提高。在加固軟土?xí)r,由于水泥的摻量較小,一般僅占被加固土重的5%~18%,水泥的水化反應(yīng)完全是在具有一定活性的土體顆粒的圍繞下進(jìn)行,所以硬化速度較為緩慢。
MJS工法是從綜合角度出發(fā),將硬化材料泥漿的配料直至加壓輸送、噴射、地層切削、混合、強(qiáng)制排泥、集中泥漿這一系列工序作為監(jiān)控對(duì)象。是一種能進(jìn)行水平地基加固和360°全方位地基加固的施工工法,對(duì)于周邊環(huán)境及地基擾動(dòng)影響極其微小,能實(shí)施大深度地基加固及水面下的施工,并且可以選擇排泥場(chǎng)所。
MJS工法樁加固土體分為兩個(gè)階段:
第一階段為引孔階段,預(yù)鉆孔施工過程中隨時(shí)監(jiān)測(cè)鉆孔垂直度及地層穩(wěn)定情況,并及時(shí)糾偏。成孔后及時(shí)測(cè)孔,垂直度控制在1/150。由于地層被擾動(dòng)后自穩(wěn)定性能較差,預(yù)鉆孔成孔過程中采用膨潤土人工造漿護(hù)壁,泥漿黏度≥20 s。
第二階段為搖擺噴射階段,通過安裝在鉆頭底部側(cè)面的特殊噴嘴,置入土體深度后,用高壓泵等高壓發(fā)生裝置,以40 MPa左右的壓力將硬化材料及空氣從噴嘴噴射出去,并一邊將多孔管抽回。由于高壓噴射流具有強(qiáng)大的切削能力,因此,噴射的漿液一邊切削四邊土體,土體在噴射流的沖擊力、離心力和重力等作用下,與漿液攪拌混合,并按一定的漿土比例及質(zhì)量大小有規(guī)律地重新排列,漿液凝固后,便在土中形成各種形狀的加固體。
MJS工法樁搖擺噴射是采用步進(jìn)噴射,即一步一步向上噴,一步作為一個(gè)步距,通常每一個(gè)步距為25 mm,每一個(gè)步距來回噴射一個(gè)單位時(shí)間,單位時(shí)間根據(jù)搖擺角度確定。
加固體的半徑和許多因素有關(guān),其中包括噴射壓力P、提升速度S、現(xiàn)場(chǎng)土的剪切強(qiáng)度τ、噴嘴直徑D和漿液稠度B等。
加固范圍與噴射壓力P、噴嘴直徑D成正比,而與提升速度S、土的剪切強(qiáng)度τ和漿液稠度B成反比。
加固強(qiáng)度與單位加固體中的水泥含量、水泥漿稠度和土質(zhì)有關(guān)。單位加固體中的水泥漿含量愈高、噴射的漿液愈稠,則加固強(qiáng)度愈高。此外,在砂性土中的加固強(qiáng)度顯然比在軟弱黏性土中的加固強(qiáng)度高。
三軸攪拌樁和MJS工法樁工藝機(jī)理對(duì)比如表2所示。
表2 三軸攪拌樁和MJS工法樁工藝機(jī)理對(duì)比Table 2 Comparison of mechanism between triaxial mixing pile and MJS method pile
三軸攪拌樁和MJS工法樁優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比如表3所示。
表3 三軸攪拌樁和MJS工法樁優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比Table 3 Comparison of advantages and disadvantages between triaxial mixing pile and MJS method pile
項(xiàng)目初始,根據(jù)設(shè)計(jì)要求,核心保護(hù)區(qū)土體加固采用Ф850三軸攪拌樁施工。根據(jù)三軸攪拌樁所處位置與地鐵1號(hào)線的關(guān)系,將施工區(qū)域分為6個(gè)大區(qū)塊。1區(qū)為地鐵正上方土體滿堂加固部分;2區(qū)為地鐵隧道邊緣止水帷幕;3區(qū)為地鐵側(cè)上方土體滿堂加固部分;4區(qū)為東西側(cè)地鐵正上方直立式水泥土擋墻;5區(qū)為東西側(cè)地鐵側(cè)上方直立式水泥土擋墻及南北側(cè)基坑止水帷幕;6區(qū)為地鐵隧道邊緣止水帷幕延伸至核心區(qū)基坑外部分。具體如圖 3所示。
圖3 三軸攪拌樁施工分區(qū)Fig. 3 Construction zone of triaxial mixing pile
三軸攪拌樁施工分試樁和全面施工兩個(gè)階段:
(1)前期選定1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)3個(gè)小區(qū)域進(jìn)行三軸攪拌樁試樁施工,后期增加4號(hào)、5號(hào)兩個(gè)小區(qū)域。1號(hào)試樁區(qū)為地鐵隧道側(cè)邊,樁體距地鐵隧道最小距離1.495 m;2號(hào)試樁區(qū)為地鐵隧道正上方,樁體距地鐵隧道最小距離1.5 m;3號(hào)試樁區(qū)為上下行線地鐵隧道中間,距地鐵隧道最小距離1.552 m;4號(hào)試樁區(qū)為地鐵隧道側(cè)邊,樁體距地鐵隧道最小距離2.38 m;5號(hào)試樁區(qū)為上下行線地鐵隧道中間,樁體距地鐵隧道最小距離1.435 m。具體如圖4所示。
圖4 試樁區(qū)域及部分監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置示意圖Fig. 4 Layout diagram of test pile area and monitoring points
(2)1號(hào)、3號(hào)試樁區(qū)攪拌樁采用順序咬合法搭接施工,搭接長度為250 mm,幅向與地鐵隧道呈平行關(guān)系。2號(hào)試樁區(qū)攪拌樁采用全斷面套打法施工。4號(hào)、5號(hào)試樁區(qū)采用順序咬合法搭接施工,幅向改為與地鐵隧道垂直關(guān)系。具體如圖5所示。
圖5 三軸攪拌樁試樁區(qū)搭接及幅向示意圖Fig. 5 Schematic diagram of overlapping and amplitude direction of triaxial mixing pile test area
(3)試樁結(jié)論:
a)2號(hào)試樁區(qū)在隧道正上方施工,施工影響較?。?號(hào)、3號(hào)試樁區(qū)采用平行于隧道的方式施工,1號(hào)試樁區(qū)地鐵隧道管片收斂值+1.6 mm(接近初定報(bào)警值±2 mm);3號(hào)試樁區(qū)下行線地鐵隧道管片收斂值在試樁開始時(shí)不斷增加,區(qū)域施工結(jié)束數(shù)據(jù)維持在+2.5 mm(超過初定報(bào)警值±2 mm)。
b)鑒于1號(hào)、3號(hào)試樁區(qū)的情況,后增加4號(hào)、5號(hào)試樁區(qū)采用垂直于隧道方向跳三幅施打,施工影響得到有效改善,未再發(fā)生報(bào)警。
c)施工對(duì)地鐵隧道拱頂沉降和水平位移影響較小,對(duì)管片收斂有一定影響。
(4)施工技術(shù)參數(shù)
a)根據(jù)試樁情況,確定三軸攪拌樁全面施工階段技術(shù)參數(shù)[8-9]如表4所示。
表4 三軸攪拌樁全面施工階段技術(shù)參數(shù)Table 4 Technical parameters at full construction stage of triaxial mixing pile
b)總體按照“2→6→1→3→4→5”的先后順序進(jìn)行分區(qū)施工(施工分區(qū)見圖3);1、3、4、5區(qū)塊采用平行于隧道軸線方向跳一幅間隔施打;2、6區(qū)塊采用垂直與隧道軸線方向跳三幅間隔施打;區(qū)塊進(jìn)一步分小區(qū)塊跳槽施工;1~3區(qū)采用順序咬合法搭接施工,橫向與縱向搭接長度都為 250 mm,4~6區(qū)采用全斷面套打法施工,每排攪拌樁搭接長度為250 mm(具體參照?qǐng)D5)。
c)調(diào)整地鐵隧道監(jiān)測(cè)預(yù)警及控制指標(biāo):拱頂沉降報(bào)警值-4.0~+3.0,控制值±10 mm;管片收斂報(bào)警值-2.0~+3.5,控制值±5 mm;水平位移報(bào)警值±2.0,控制值±5 mm。(注:拱頂沉降以隆起為“+”,管片收斂以直徑增大為“+”,水平位移以向北側(cè)變形為“+”)。
(5)全面施工階段
全面施工自2020年5月2日從2區(qū)開始實(shí)施,至5月8日完成21幅三軸攪拌樁(地鐵隧道下行線北側(cè)11幅,上下行線中間10幅)后,地鐵隧道變形值發(fā)生1.5~2.1 mm的突變。下行線1個(gè)地鐵管片累計(jì)拱頂沉降達(dá)到報(bào)警值-4.0 mm;下行線5個(gè)地鐵管片累計(jì)收斂超報(bào)警值,1個(gè)地鐵管片累計(jì)收斂超控制值(±5 mm),達(dá)到-5.1 mm,現(xiàn)場(chǎng)三軸攪拌樁被迫暫停施工。通過監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)跟蹤,變形仍有繼續(xù)增大趨勢(shì)。2020年5月1—11日,地鐵隧道部分監(jiān)測(cè)點(diǎn)(布置位置見圖4)拱頂沉降累計(jì)值、管片收斂累計(jì)值時(shí)程曲線如圖6~7所示。經(jīng)原因分析,可能為三軸攪拌樁施工擾動(dòng)較大,無法很好的控制地內(nèi)壓力和地鐵隧道側(cè)方土體應(yīng)力損失。因此,對(duì)地鐵1號(hào)線節(jié)點(diǎn)保護(hù)工程土體加固工藝及相關(guān)施工要求進(jìn)行調(diào)整,將2區(qū)、6區(qū)三軸攪拌樁工藝調(diào)整為MJS工藝。
圖6 拱頂沉降累計(jì)超報(bào)警值監(jiān)測(cè)點(diǎn)時(shí)程曲線圖Fig. 6 Time history curves of arch crown accumulative settlement of exceeding alarm value monitoring points
圖7 管片收斂累計(jì)超控制值監(jiān)測(cè)點(diǎn)時(shí)程曲線圖Fig. 7 Time history curves of cumulative segment convergences of exceeding control value monitoring points
MJS工法樁具有施工擾動(dòng)小和地內(nèi)壓力可控的優(yōu)點(diǎn),但鑒于MJS工法樁的成本較高,設(shè)計(jì)變更主要針對(duì)成樁對(duì)地鐵隧道變形影響較大、位于地鐵隧道兩側(cè)及之間的2區(qū)及6區(qū)水泥攪拌樁,其余區(qū)域仍采用三軸水泥攪拌樁。具體方案如下:
(1)調(diào)整 2區(qū)土體加固范圍布置,弱加固區(qū)(標(biāo)高-4.4 m以上)仍為三軸攪拌樁,強(qiáng)加固區(qū)(標(biāo)高-30~-4.4 m)調(diào)整為 MJS工法樁,直徑3 000 mm的半圓,搭接長度800 mm,加固體寬度調(diào)整為 2.1 m,使樁體外沿與地鐵隧道外沿距離不小于1.72 m。
(2)調(diào)整6區(qū)土體加固范圍布置,對(duì)6區(qū)除西南側(cè)以外的加固土體由條形改為折形,將折形距隧道外緣6 m以內(nèi)的區(qū)域調(diào)整為MJS工法樁,直徑2 000 mm的半圓,搭接長度800 mm,加固體寬度調(diào)整為1 m。
(3)針對(duì)2、6區(qū)部分已完成水泥攪拌樁施工的區(qū)域,其MJS工法樁根據(jù)不同情況采用不同的布樁方案,如表5所示。
表5 水泥攪拌樁施工完成區(qū)域MJS工法樁布樁方案Table 5 MJS method layout schemes for cement mixing pile construction completion area
MJS工法樁施工大致可分為試樁階段和全面施工1、2、3階段:
(1)MJS試樁從2020年8月8日開始至9月25日結(jié)束,共計(jì)完成28根,試樁區(qū)域?yàn)榈罔F隧道側(cè)邊和上下行線地鐵隧道中間。從施工期間跟蹤監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)看,地鐵隧道變形值增量小,與之前三軸攪拌樁施工相比監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)更加良好,且相比三軸攪拌樁持續(xù)破壞原狀土強(qiáng)度導(dǎo)致收斂累計(jì)值一直增大,MJS試樁施工受前3根影響較大,后期由于MJS成樁強(qiáng)度上來,監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)趨于穩(wěn)定,地鐵隧道變形更加平緩。
(2)施工技術(shù)參數(shù)
a)根據(jù)試樁情況,確定MJS工法樁全面施工階段技術(shù)參數(shù)[10-11]如表6所示。
表6 MJS工法樁全面施工階段技術(shù)參數(shù)Table 6 Technical parameters of MJS method pile at full construction stage
b)采用跳樁施工,跳樁間隔按3倍有效樁徑,相鄰樁施工間隔時(shí)間不小于 72 h。隧道側(cè)壁的 2區(qū)設(shè)計(jì)為兩排MJS工法樁,在施工時(shí),優(yōu)先施工離地鐵隧道管片較近的MJS工法樁,在強(qiáng)度形成后,再進(jìn)行對(duì)側(cè)樁施工,可有效形成隔離墻發(fā)揮效果。
c)重新調(diào)整地鐵隧道監(jiān)測(cè)預(yù)警及控制指標(biāo):
拱頂沉降預(yù)警值±6 mm,報(bào)警值±8 mm,控制值±10 mm;管片收斂預(yù)警值±6 mm,報(bào)警值±8 mm,控制值±10 mm;水平位移預(yù)警值±3 mm,報(bào)警值±4.0,控制值±5 mm。
(3)全面施工階段
a)一階段(2020-09-27—2020-10-28):下行線地鐵隧道2個(gè)管片累計(jì)拱頂沉降超預(yù)警值,1個(gè)管片累計(jì)收斂達(dá)到報(bào)警值。分析原因?yàn)镸JS旋噴施工破壞原狀土強(qiáng)度,且孔內(nèi)地內(nèi)壓力無法保持,造成土體擾動(dòng),土體側(cè)向約束減少,導(dǎo)致拱頂下沉,管片收斂水平橫向擴(kuò)張。項(xiàng)目部對(duì)施工技術(shù)進(jìn)行了局部調(diào)整:先施工背離區(qū)間隧道的MJS樁位且跳樁間距大于10 m;調(diào)整水泥漿稠度及水泥漿硬化時(shí)間,采用 42.5R或 52.5水泥;優(yōu)化施工氣壓及氣量控制;減小引孔孔徑,避免孔口翻漿,確保地內(nèi)壓力可控。
b)二階段(2020-10-29—2020-11-27):上行線地鐵隧道監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可控;下行線地鐵隧道共計(jì)4個(gè)管片拱頂沉降超報(bào)警值,9個(gè)管片累計(jì)收斂超報(bào)警值,最大拱頂沉降-9.4 mm,最大管片收斂9.6 mm。經(jīng)過一階段的施工技術(shù)調(diào)整,在二階段地鐵隧道變形仍然沒有得到很好的控制,項(xiàng)目部對(duì)地鐵隧道進(jìn)行整治后繼續(xù)施工。
c)三階段(2020-11-28—施工結(jié)束):在此后的施工過程中,上下行線地鐵隧道拱頂沉降和管片收斂數(shù)據(jù)仍然在緩慢增大,并且超過了控制值,未能得到有效的控制。
(1)拱頂沉降:自MJS試樁開始至施工結(jié)束,上下行線地鐵隧道拱頂沉降呈下沉趨勢(shì),在施工開始后約5個(gè)月超過控制值-10 mm,至施工結(jié)束最大達(dá)到-20.1 mm。上行線平均沉降-2.215 mm/月,下行線平均沉降-1.925 mm/月。累計(jì)拱頂沉降最值時(shí)程曲線如圖8所示。
圖8 上下行線地鐵隧道累計(jì)拱頂沉降最值時(shí)程曲線圖Fig. 8 Time history curves of maximum cumulative settlements of metro tunnels
(2)管片收斂:自MJS試樁開始至施工結(jié)束,上下行線地鐵隧道管片收斂呈擴(kuò)張趨勢(shì),在施工開始后約5個(gè)月超過控制值10 mm,至施工結(jié)束最大達(dá)到13.3 mm。上行線平均收斂1.275 mm/月,下行線平均收斂0.85 mm/月。累計(jì)管片收斂最值時(shí)程曲線如圖9所示。
圖9 上下行線地鐵隧道累計(jì)管片收斂最值時(shí)程曲線圖Fig. 9 Time history curves of cumulative maximum convergences of subway tunnel segments
(3)水平位移:自MJS試樁開始至施工結(jié)束,地鐵隧道累計(jì)水平位移:上行線從1.6 mm變化到4.7 mm,下行線從2.0 mm變化到4.5 mm,變化較小,總體良好,均在控制值范圍之內(nèi)。
通過對(duì)三軸攪拌樁和MJS工法樁施工工藝在保護(hù)運(yùn)營地鐵隧道安全方面的對(duì)比,可以得出如下結(jié)論:
(1)從施工原理、成樁設(shè)備、成樁方式、成樁深度(樁徑)、排泥(漿)方式、地內(nèi)壓力控制等多方面來看,在不考慮工程造價(jià)的情況下,MJS工法樁要明顯優(yōu)于三軸攪拌樁。
(2)三軸攪拌樁和MJS工法樁對(duì)地鐵隧道水平位移的控制效果較好,對(duì)拱頂沉降和管片收斂的控制效果較差。
(3)MJS工法樁能使地鐵隧道的變形更加平緩,每月的變形值能夠控制在1~2 mm左右,不會(huì)出現(xiàn)三軸攪拌樁施工時(shí)某一天變形2 mm的突發(fā)情況。