MJS工法在中厚砂層超深止水帷幕施工中的應用

王中兵

上海廣聯環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

某下沉式廣場位于南京市江東中路與應天大街交匯處，圍護結構最外側與地鐵2號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?；硬捎煤?00 mm的TRD等厚度水泥土攪拌墻結合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墻外側的止水帷幕，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 工程地質條件

本工程所處地層從上至下依次為：①雜填土、②2淤泥質粉質黏土、②3粉砂、②3a淤泥質粉質黏土-粉質黏土、③1細粉砂、③2細粉砂、④中粗砂混卵礫石、⑤1強風化泥質粉砂巖、⑤2中風化泥質粉砂巖。MJS工法半圓樁在③1～⑤1層間成樁。③1～⑤1層均為砂層且細密。導孔施工從地面至⑤1層間。

2 MJS工法示范工程應用可行性

2.1 MJS工法

MJS工法是近十年從日本引進的一種地基處理的重要方法，其主要原理就是利用鉆機將帶有噴嘴的注漿管鉆進至土層預定深度后，高壓設備以20～40 MPa的壓力把漿液或水從噴嘴中噴射出來，形成噴射流沖擊破壞土層，當能量大、速度快和脈動狀的噴射流的動壓超過土層的結構強度，土顆粒便從土層中剝落下來。一部分細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量大小，有規律地重新排列。漿液凝固后，便在土層中形成一個水泥土固結體。MJS工法多為40 m以下的淤泥、淤泥質黏土、黏性土的改良施工。在較厚砂層且超深條件下施工，目前尚無較為成熟的案例[1-2]。

2.2 MJS工法應用存在的問題及解決方案

2.2.1 導孔孔壁不穩定，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、粉細砂、中粗砂層厚約46.8 m。解決導孔孔壁不穩定的最好方法是在導孔內設置護孔套管。針對軟土地層設計有同步對開式鋼套管，但是由于該地層上部砂層非常不穩定，在MJS施工時如果安放鋼套管，會出現比MJS鉆桿更加容易的將鋼套管抱死的現象。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，應用一種能保護導孔不頸縮、不坍塌，且無需拆除的護孔套管來解決套管容易抱死的問題。

為此，我們采用硬PVC管材作為套管，導孔內全深度設置。為確認硬PVC管材可不回收，我們進行了噴射切削試驗。在硬PVC管內，安放水噴裝置，在水壓達到10 MPa時，硬PVC管已碎化成小顆?；蛐∑瑺睿▓D1）。

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，在噴漿過程中水泥漿液中的含砂量高且以細砂為主。拆接噴漿鉆桿一般需要12～15 min間歇時間，而加固深度達到60 m以上孔內的泥漿壓力較大，在拆接噴漿鉆桿時，常規施工方法是將注漿管道內換成清水后再拆卸鉆桿。但由于注漿管內水的相對密度小于導孔內的泥漿相對密度，引起的壓力差使導孔內的水泥漿液通過噴嘴反壓到注漿管內，且導孔內泥漿含砂量過大易沉淀，將注漿管路和噴嘴眼堵住。

為此，我們在不影響拆接鉆桿的前提下，改變原有MJS操作方法，將注漿管路和需要拆卸部分的鉆桿內的漿液換成清水，以保證注漿鉆桿內的壓力與導孔內的漿液壓力處于基本平衡狀態。操作上以控制注漿泵的壓力降和置換時間為目標。

泵出口壓力P與漿液重度γ的關系如式（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度，m。

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

式中：d——膠管或鉆桿的內徑。

由式（3）可推導出部分置換漿液所需的時間，如式（4）所示。

式中：t——部分置換漿液所需的時間，s；

q——注漿泵流量，L/min；

d1——膠管的內通徑，m；

d2——鉆桿漿管的內通徑，m；

l1——膠管長度，m；

l2——注漿鉆桿需要置換部分長度，m。

2.2.3 噴漿鉆桿抱鉆應急措施

較厚砂層地層最大特點是導孔孔壁極不穩定。導孔成孔時為泥漿護壁，一旦噴漿施工，護壁泥漿即在極短的時間內被置換，導孔內漿液的含砂量會急劇升高，一旦停止噴漿即循環停止，砂粒會迅速沉降，MJS鉆桿極易被埋，甚至無法起拔。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MJS鉆桿被埋抱死采取應急預案。為此，我們準備了套筒鉆，一旦鉆桿埋鉆無法起拔，即用套筒鉆鉆進至鉆桿底部，將鉆桿與土體分離后打撈。

3 MJS工法示范工程應用

3.1 導孔護孔套管的放置

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

圖2 PVC護孔管設置

3.2 MJS工法操作參數的改進調整

正常噴漿壓力為40 MPa時，依據式（2）初步計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。實際操作中拆卸鉆桿時先關空壓機而后再關注漿泵，當注漿泵漿液切換成水且大泵壓力下降到38 MPa后立即停泵，如未能及時在38 MPa時停泵，則不要拆卸鉆桿，繼續噴漿30 cm后確保在38 MPa時停泵，改變原工法中直接切換水至低壓的操作。

同時根據式（4）計算連接漿管和拆卸鉆桿長度內置換水所需的時間。實際操作中應降低注漿泵的轉速、減小流量以提高時間控制能力。考慮停泵后的流量慣性，一般根據現場試驗和經驗可提前2 s左右停泵。

實際操作中應加強拆接鉆桿的訓練和配合，盡可能減少拆接鉆桿的次數和時間。最好能把拆接鉆桿的時間控制在10 min以內，可大大減少鉆桿噴嘴堵塞的概率，具體優化內容如下：

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

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管作為導孔護孔套管。

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

3.3 噴漿鉆桿埋鉆后的打撈

本工程地層情況復雜，土質松散，粉細砂厚度達46.5 m。工程初期噴漿過程中，孔口排出的漿液含砂率達到20%以上，在停止噴漿拆卸鉆桿時，砂層沉淀迅速，再次啟動時鉆桿難以提升，孔內返漿量減小異常，鉆桿扭矩達到10 kN·m仍無法轉動，強制提升鉆桿后，發現動力頭下方鉆桿連接螺栓崩斷，造成60.8 m（20節3 m和1節0.8 m的鉆頭）鉆具被埋。

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

3.4 MJS工法應用效果

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

圖3 現場取芯樣品

4 結語

本較厚砂層超深止水帷幕工程，采用MJS工法施工，導孔采用硬PVC管材作為護孔套管，全深度設置，在噴射注漿施工中，能保護導孔不頸縮、不坍塌，且無需拆除，解決了較厚砂層導孔孔壁不穩定、容易埋鉆的施工問題。同時改進了常規的MJS施工工藝，防止注漿噴嘴的堵塞，取得了重要的施工經驗。本文對MJS工法在較厚砂層或超深區域止水帷幕施工中的推廣應用有著重要意義。