寧波軟土地區MJS工法樁施工對臨近既有建筑物的影響分析

葉 琪， 王國權， 楊蘭強， 金增選

(1. 寧波市市政工程前期辦公室， 浙江 寧波 315000； 2. 寧波市城建設計研究院有限公司，浙江 寧波 315000； 3．浙江省工程勘察院， 浙江 寧波 315000)

寧波軟土地區MJS工法樁施工對臨近既有建筑物的影響分析

葉 琪1， 王國權2， 楊蘭強3， *， 金增選1

(1. 寧波市市政工程前期辦公室， 浙江 寧波 315000； 2. 寧波市城建設計研究院有限公司，浙江 寧波 315000； 3．浙江省工程勘察院， 浙江 寧波 315000)

為解決圍護樁施工時的擠土效應對臨近既有建筑物變形的影響，基于寧波地區首例MJS工法樁應用實例，詳細介紹了MJS工法樁的施工原理，并提出了一套適合寧波軟土地區的施工和設計參數。最后，采用建筑物沉降位移、建筑物傾斜、地表沉降和深層土體位移等動態跟蹤監測手段得到了MJS工法樁施工期間臨近既有建筑物的沉降和傾斜變化規律、周邊地表的沉降變化規律以及深層土體的變形規律,并進行了MJS工法成樁質量情況分析。結果表明： 1)MJS工法樁施工期間對周圍環境影響很小，基本上可以忽略不計； 2)MJS工法樁的水泥摻量大于50%時，其單軸抗壓強度大于1.49 MPa； 3)在淤泥質土中MJS工法的成樁質量會隨著加固深度的增大而降低。

MJS工法樁； 單軸抗壓強度； 軟土地區； 臨近既有建筑物

0 引言

目前地下空間開發力度不斷加大，在地下空間開發過程中經常面臨復雜的周邊環境影響問題。寧波軟土地區以淤泥質土為主，土質較差，土體成流塑狀，易受擾動。與基坑工程相鄰的市政管線、古建筑以及危房等的保護是比較棘手的工程問題。

對建(構)筑物周圍的土體進行加固或者施工1道隔離樁是目前較常見、可行的解決方式[1]。李新星等[2]針對盾構近距離穿越樁基的施工影響問題，采用在高架樁基兩側施工全方位高壓噴射工法(metro jet system, MJS)隔離樁進行防護，取得了較好的效果；張登雨等[3]針對盾構側穿臨近古建筑的影響問題，通過布置1道MJS工法隔離樁，降低了盾構施工對古建筑變形的影響；吳昌將等[4]為了降低盾構施工對古建筑的影響，在盾構區間與古建筑之間施工了1道MJS工法隔離墻，并采用數值模擬與現場監測相結合的方法得出了MJS工法隔離墻的抗變形效果，但其未考慮MJS工法施工時的擠土效應問題；梁利等[5]在既有輕軌車站下部施工輕軌車站換乘通道的基坑支護設計中，為了降低基坑開挖對既有車站的變形影響，在既有車站周圍進行了MJS工法樁地基加固，取得了良好的效果；張志勇等[6]采用MJS工法樁對上海地鐵工程超深地基進行加固，取得了良好的效果。

大部分學者主要通過數值模擬和現場監測的方式討論與研究MJS工法樁作為隔離樁在抗變形問題上的有效性，但MJS工法樁施工時會對周圍土體產生擾動，尤其在淤泥質土中更為明顯。周立波等[7]研究發現即使是非擠土的鉆孔灌注樁在軟土中施工也會引起臨近電力頂管隧道變形，變形量達6.97 mm；李志高等[8]對水泥攪拌樁的擠土效應進行了專門的現場試驗研究，結果表明: 對于透水性較差的土層，水泥攪拌樁施工產生的注漿壓力使土中產生的超靜孔隙水壓力積聚快、消散慢，擠土效應較明顯；王育興等[9]針對打樁施工引起的擠土效應，依據孔穴擴張理論，建立了相應的解析方法；鄧永鋒[10]針對水泥攪拌樁施工擾動評價也提出了相應的定量解析方法。

目前，針對MJS工法樁施工期間的擠土效應問題僅有少量的文獻做了報道，例如：鄧指軍等[11]在地鐵隧道施工時專門開展了MJS工法樁施工的現場試驗，采用跟蹤監測手段初步總結了MJS工法樁的擠土特征；趙香山等[12]通過數值模擬手段討論了軟土中MJS工法樁施工時的環境效應。對于MJS工法在寧波軟土地區的適用性以及MJS工法施工對周圍環境的擠土效應和MJS工法擠土效應的定量描述等問題還需要進一步的研究與討論。根據寧波地區首例MJS工法保護實例，在MJS工法樁施工過程中進行動態跟蹤監測，并從成樁質量角度評估MJS工法在寧波地區的應用效果。

1 問題提出

1.1工程背景

擬建的過街地道位于寧波核心城區。擬建地道的位置及監測平面圖如圖1所示。場地東側為新華聯商廈，西側為東方商廈，南側為中山東路。中山東路路面以下為地鐵1號線天一廣場站。

擬建過街地道的挖深為10.06～15.6 m, 采用咬合樁+多道支撐的支護形式。場地內的土層主要以淤泥質土為主，土層的物理力學參數見表1。

DZCX、GX、FW和QX分別代表測斜監測點、地表沉降監測點、建筑物沉降監測點和建筑物傾斜監測點。

圖1擬建地道的位置及監測平面圖

Fig. 1 Plan of location and monitoring of underground passage to be built

表1 土層的物理力學參數Table 1 Physico-mechanical parameters of soils

1.2臨近既有建筑物現狀

擬建地道西側緊鄰東方商廈。東方商廈分3期建造完成，其中臨近地道的是1985年建造的1期工程及1994年建造的1期擴建工程。東方商廈建造情況如圖2所示。

圖2 東方商廈建造情況

1985年建造的1期工程為地上9層框架結構+預應力空心板，基礎為400 mm×400 mm的預制方樁，工程樁樁長27.4 m，樁底位于⑤1黏土層。1994年建造的1期擴建工程為地上9層框架結構+現澆板，基礎采用鉆孔灌注樁，樁徑為800 mm，樁的長度為30 m，樁底位于⑤1黏土層，與1期工程之間設置了沉降縫。

受南側地鐵車站施工的影響，東方商廈1期工程以及1期擴建工程產生了明顯的不均勻沉降。根據2011年12月至2014年4月的監測結果顯示： 1)東方商廈的最大總沉降量為90.58 mm，位于建筑物的西南角； 2)建筑物整體發生了南北傾斜，北側沉降量小、南側沉降量大，南北向傾斜率為3.21‰～3.54‰，大于規范[13]要求的建筑地基變形允許傾斜率(3‰)； 3)西側沉降大、東側沉降小，東西向傾斜率為0.149‰～0.89‰。由于傾斜率是通過監測點的沉降差與水平距離的比值反算出來的，且所監測的建筑結構之間設有沉降縫，因此實際建筑的傾斜率比計算值小。

考慮到目前東方商廈的不均勻沉降較大，且后期地道的施工容易造成東方商廈進一步變形，在地道施工前對東方商廈進行了基礎預加固處理，即在1期工程的西側、南側和東側以及1期擴建工程東南角處的基礎外側進行了補樁(補樁采用21根φ800 mm的鉆孔灌注樁，全套筒施工)，并對建筑物進行了糾偏處理，使得加固后的南北傾斜率為0.359‰～1.991‰，東西向傾斜率保持不變。

2 臨近既有建筑物保護及監測方案

2.1影響臨近既有建筑物安全性的因素

由于東方商廈已產生不均勻沉降，為了保證東方商廈在臨近地道施工期間的安全性，需采取一系列有效的保護措施。影響東方商廈安全性的因素主要集中在地道施工期間。地道施工期間影響東方商廈安全性的因素主要體現在2個方面： 1)圍護樁施工期間的擠土效應； 2)基坑開挖期間的變形影響。影響東方商廈安全性的因素如圖3所示。

圖3 影響東方商廈安全性的因素

本文主要討論MJS工法樁施工對周圍環境的影響問題，而后續基坑開挖變形問題可通過整個圍護體系以及MJS工法樁的隔離作用共同控制，其屬于另一個討論問題，本文的討論不涉及基坑開挖期間的變形影響。

2.2 MJS工法樁施工參數

為了最大可能地避免地道施工對西側東方商廈的影響，在地道與東方商廈之間布置1道隔離樁保護墻是一種較為普遍、可行的方法[14-15]，其主要用于隔離打樁和挖土對西側東方商廈的影響。

隔離樁加固的方法有三軸水泥土攪拌樁法、雙軸水泥土攪拌樁法、高壓旋噴樁法和壓密注漿法等。擬建地道與東方商廈的最小距離僅為6.3 m，所以無法采用常規的三軸水泥土攪拌樁和雙軸水泥土攪拌樁。水泥土攪拌樁、高壓旋噴樁和壓密注漿法的擠土效應非常嚴重，在已發生不均勻沉降的建筑旁施工可能會造成不利影響(例如圖4所示的該項目附近工地高壓旋噴樁施工導致圍墻開裂的情況)，如果不考慮圍護樁施工的擠土影響，很有可能對東方商廈造成嚴重的影響。

圖4 高壓旋噴樁施工導致圍墻開裂

Fig. 4 Wall cracks induced by construction of high pressure jet grouting pile

MJS工法樁與傳統高壓旋噴樁施工原理對比示意圖如圖5所示。由圖5可知，傳統高壓旋噴樁主要通過噴射高壓(一般大于20 MPa)水泥漿并聯合空氣壓力切割土體，使得水泥與土體充分混合形成具有一定強度的水泥土加強體。傳統高壓旋噴樁施工一般為孔口自然返漿，無法對排漿量及孔內壓力進行控制。在深厚軟土地基施工時，如果排漿不暢，會使得加固區域瞬間產生很大的超靜孔隙水壓力，并引起周邊土體產生側向變形和隆起變形。所以，在高壓旋噴樁施工時，其周圍20 m范圍內常常會出現明顯的土體隆起或如圖4所示的建(構)筑物結構開裂。

(a) MJS工法樁

(b) 傳統高壓旋噴樁

Fig. 5 Sketch diagrams of comparison between MJS pile and high pressure jet grouting pile in terms of working principle

MJS工法樁是在傳統高壓旋噴樁施工工藝的基礎上改進而成的，不僅具備傳統高壓旋噴樁切割土體和加固土體的功能，而且其采用獨特的多孔管和前端裝置(Monitor)實現了強制排漿，將多余的泥漿通過排泥孔排出，并通過前端地內壓力監測裝置對地內泥漿壓力進行監測，保持泥漿壓力的穩定，從而減少了對周圍環境的影響。MJS工法樁具有良好的施工性能，不僅可以垂直施工，還可以傾斜施工和水平施工，具有可控角度搖擺噴漿的功能。該法與常規旋噴樁相比，還具有處理深度大、樁徑大、強度高以及對周圍環境影響小的特點。另外，MJS工法具有專門的廢漿排放管路，對環境污染小。

高壓噴射端口和地內壓力感應器分別如圖6和圖7所示。由高壓噴射端口和地內壓力感應器組成的前端裝置上分布有壓力傳感器、排泥口和噴漿口等。鉆桿端部的多孔管剖面圖如圖8所示。多孔管由排泥管、水泥漿管、排泥用水管、排泥用空氣管、噴射主氣管、排泥閘門控制油路管、削孔水管、鉆桿對接螺栓孔、數據線通道和預留孔等組成。

MJS工法的關鍵技術主要為： 1)提供足夠的水泥漿壓力和空氣壓力切割土體； 2)準確評估施工區域不同深度處的地應力值； 3)及時進行強制排漿，控制地應力，避免產生過大的超靜孔隙水壓力。

MJS工法的主要技術參數見表2。表2中的參數是通過現場試樁試驗獲取的，并與文獻[3]和文獻[7]中提供的MJS工法主要技術參數進行了對比。

圖6 高壓噴射端口

圖7 地內壓力感應器

圖8 多孔管剖面圖

表2 MJS工法的主要技術參數Table 2 Main technical parameters of MJS

由表2可知，影響MJS工法施工質量的主要參數有7個。漿壓力、空氣壓力和空氣流量3個參數主要用來實現土體的切割和形成樁體；地內壓力系數主要根據地區地應力測試進行控制。

土層側向壓力

(1)

式中：hi為各土層厚度，m；γi為土體重度，kN/m3；K0為靜止土壓力系數，一般取1-sinφ。

如果定義一個地內壓力系數ξi的概念，則地內壓力系數

ξi=K0γi/γw。

(2)

式中γw為水的重度，kN/m3，一般取10 kN/m3。

則式(1)所描述的土層側向壓力可采用式(3)的形式表示:

(3)

施工現場20 m范圍內的土層主要以淤泥質土為主，根據相關測試，地內壓力系數ξi可取1.4～1.6。

MJS工法隔離樁設計樁長為21 m，樁型為180°半圓，樁徑為1 800 mm，搭接長度為600 mm，采用P·O42.5普通硅酸鹽水泥，水灰質量比為1∶1。

2.3監測方案的制定

為研究MJS工法樁在施工期間對周圍環境的影響，尤其是對西側東方商廈的變形影響，在東方商廈及其附近布置了一些監測點。

東方商廈與MJS工法樁之間共布置了4類監測點，如圖1所示，即：

1)測斜監測點(DZCX01、DZCX02、DZCX03和DZCX04)，用于監測MJS工法樁施工期間深層土體的水平位移情況；

2)地表沉降監測點(GX01、GX02、GX03、GX04、GX05、GX06、GX07、GX08和GX09)，用于監測打樁期間臨近東方商廈一側的地表沉降情況，地表沉降監測點的水平間距為10 m；

3)建筑物沉降監測點(FW07、FW08、FW09和FW10)，用于監測打樁期間東方商廈(樁基礎建筑物)的沉降情況；

4)建筑物傾斜監測點(QX04和QX05)，用于監測打樁期間東方商廈(樁基礎建筑物)的傾斜情況。

3 MJS工法樁施工期間對周圍環境的影響分析

MJS工法樁施工階段為2016年4月18日至2016年6月3日，在施工前期及施工期間開展了同步跟蹤監測。

3.1東方商廈沉降情況

MJS工法樁施工期間東方商廈的沉降位移時程曲線如圖9所示。由圖9可知，MJS工法樁施工期間，西側東方商廈的沉降量普遍在2 mm以內，最大隆起量為2.65 mm，最大沉降量為2.5 mm，由此可見，采用MJS工法樁施工對西側東方商廈的沉降影響較小，基本上可忽略不計。

圖9 東方商廈的沉降位移時程曲線

3.2東方商廈傾斜情況

MJS工法樁施工期間東方商廈南北向傾斜率增量時程曲線如圖10所示。東方商廈通過結構加固后的南北向初始傾斜率為0.359‰～1.991‰。由圖10可知，MJS工法樁施工對東方商廈南北向傾斜的影響非常小，傾斜率最大增量僅為0.065‰。

MJS工法樁施工期間東方商廈東西向傾斜率增量時程曲線如圖11所示。東方商廈通過結構加固后的東西向初始傾斜率為0.149‰～0.890‰。由圖11可知，采用MJS工法樁施工對東方商廈東西向傾斜的影響非常小，傾斜率最大增量僅為0.128‰。

由圖10和圖11可知，采用MJS工法樁施工對東方商廈的傾斜幾乎無影響。

初始傾斜率： 1)QX04： 0.359‰，向南傾斜； 2)QX05： 1.991‰，向南傾斜。

圖10東方商廈南北向傾斜率增量時程曲線

Fig. 10 Time-history increment curves of inclination towards north and south of Dongfang Mansion

初始傾斜率： 1)QX04： 0.149‰，向東傾斜； 2)QX05： 0.890‰，向西傾斜。

圖11東方商廈東西向傾斜率增量時程曲線

Fig. 11 Increment curve of inclination rate between east and west of Dongfang Mansion

3.3周圍地表沉降情況

MJS工法樁施工期間東方商廈一側的地表沉降時程曲線如圖12所示。由圖12可知，地表最大隆起量為11.58 mm，最大沉降量為11.09 mm。大部分地表的沉降量控制在5 mm以內，說明MJS工法樁施工對地表沉降的影響較小；局部地表沉降量出現大于10 mm的現象，經過分析認為是未控制好表層土的排泥量而導致的。MJS工法是通過強制排泥保證地層不出現過大的超靜孔隙水壓力，如果強制排泥速率控制不好，排泥量跟不上，會引起表層土出現較大的超靜孔隙水壓力，進而出現較大的地表隆起變形；如果排泥抽得太快，會產生超負孔隙水壓力，出現地表土體被“吸下去”的情況，即出現過大的地表沉降現象。因此，在施工前一定要準確地測試施工區域的地應力情況，尤其是地表的地應力情況，并合理控制排泥速率。

圖12 東方商廈一側的地表沉降時程曲線

Fig. 12 Time-history ground surface settlement curves at side of Dongfang Mansion

3.4深層土體水平位移情況

MJS工法樁施工期間東方商廈一側深層土體的水平位移曲線如圖13所示。由圖13可知，MJS工法樁施工期間，東方商廈附近的深層土體水平位移普遍在5 mm以內，最大水平位移僅為14 mm，且最大水平位移所處深度為1.5～2 m，隨著土層深度增加水平位移逐漸降低。綜合圖12和圖13的情況可知，MJS工法樁在深層位置加固土體時對周圍環境的影響較小； 但當加固淺層土體在1.5～2 m時影響較大，應格外注意其施工影響，稍有不慎就可能造成周圍土體產生過大的變形，進而威脅周圍建(構)筑物的安全。

圖13 東方商廈一側深層土體的水平位移曲線

Fig. 13 Horizontal displacement curves of deep soil at side of Dongfang Mansion

4 MJS工法成樁質量分析

MJS工法樁施工完畢并經過28 d養護后，隨機選取9個點進行通長鉆孔取芯。圖14示出MJS工法施工后的成樁情況。根據測量可知，深度3 m范圍內的樁頭半徑為1.9 m，大于設計樁徑1.8 m，滿足要求。

通過鉆孔取芯取出的MJS工法施工芯樣如圖15所示。MJS工法施工芯樣呈柱狀，較完整、堅硬，說明攪拌較均勻、固結較好。在陽光下晾曬后可以看到“白花花”的色澤，說明水泥摻量合理。

圖14 MJS工法施工后的成樁情況

圖15 MJS工法施工芯樣

圖16示出MJS工法施工試樣的單軸抗壓強度隨地層深度的變化曲線。由圖16可知，不同深度處MJS工法施工試樣的單軸抗壓強度均大于1.49 MPa，大于設計值1.2 MPa。而寧波地區傳統高壓旋噴樁的單軸抗壓強度為0.8～1.0 MPa。另外，試樣的單軸抗壓強度隨深度增加呈逐漸遞減的趨勢，在4～5 m深度處單軸抗壓強度最大，在19～20 m深度處單軸抗壓強度最小。根據地勘資料可知，該場地20 m范圍內以淤泥質土為主(見表1)，在淤泥質土中MJS工法的成樁質量會隨著加固深度的增大而降低。

圖16 MJS工法施工試樣的單軸抗壓強度隨地層深度的變化曲線

Fig. 16 Variation curve of relationship between uniaxial compressive strength of core sample constructed by MJS and soil depth

5 結論與討論

目前，MJS工法樁僅在上海地區應用較多，寧波軟土地區的應用尚屬空白。本文依托寧波地區首例MJS工法保護實例，在MJS工法樁施工期間進行動態跟蹤監測，并從成樁質量角度進行分析，得到如下結論。

1)從MJS工法樁施工期間的建筑物沉降、傾斜、周邊地表沉降以及深層土體水平位移變化情況來看，MJS工法樁施工期間對周圍環境影響很小，基本上可以忽略不計。

2)MJS工法樁水泥摻量為50%時，單軸抗壓強度大于1.49 MPa。另外，在淤泥質土中MJS工法的成樁質量會隨著加固深度的加大而逐漸降低。當加固深度達30 m以上時，由于土層力學性質變化較大，且考慮到MJS自身的機械功率，MJS工法樁的單軸抗壓強度是否滿足要求還需要進一步進行研究。

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AnalysisofInfluenceofMJS(MetroJetSystem)PileConstructiononAdjacentExistingBuildingsinSoftSoilAreainNingbo

YE Qi1, WANG Guoquan2, YANG Lanqiang3, *, JIN Zengxuan1

(1.NingboMunicipalEngineeringProphaseOffice,Ningbo315000,Zhejiang,China; 2.NingboUrbanConstructionDesign&ResearchInstituteCo.,Ltd.,Ningbo315000,Zhejiang,China; 3.ZhejiangEngineeringInvestigationInstitute,Ningbo315000,Zhejiang,China)

The principle of MJS (metro jet system) is introduced in detail and a set of parameters of construction and design for MJS pile used in soft soil area in Ningbo is proposed so as to learn influence of squeezing effect of construction of retaining piles on deformation of adjacent existing buildings. The variation laws of settlement and inclination of adjacent buildings, settlement of surrounding ground surface and deformation of deep soil during MJS pile construction are obtained by dynamic tracking monitoring method; and analysis is made on quality of MJS pile. The results show that: 1) The construction of MJS pile affects the environment little. 2) The uniaxial compressive strength of MJS pile is larger than 1.49 MPa when the cement content of MJS pile is larger than 50%. 3)The quality of the MJS pile decreases with the depth of clay increase.

MJS (metro jet system) pile; uniaxial compressive strength; soft soil area; adjacent existing buildings

2017-06-20;

2017-08-24

葉琪(1975—)，男，浙江寧波人，1997年畢業于華中科技大學，交通土建專業，本科，高級工程師，主要從事隧道工程的設計與管理工作。E-mail： 549098973@qq.com。*通信作者： 楊蘭強， E-mail: 444899040@qq.com。

10.3973/j.issn.2096-4498.2017.11.004

U 455

A

2096-4498(2017)11-1379-08