富水砂土地層中水平全方位高壓噴射(MJS)樁施工環境影響的數值分析*

趙寶華 譚 鑫 王光輝 黃明華 黎騰龍

(1.中鐵隧道勘察設計研究院有限公司，511458，廣州；2.廣東省隧道結構智能監控與維護企業重點實驗室，511458，廣州；3.湖南大學土木工程學院，410082，長沙∥第一作者，高級工程師)

在建筑密集區施工地下工程時，為保證鄰近建構筑物的安全，往往需要采用有效的超前支護手段進行預加固。其中水平旋噴樁預支護施工方法，可在隧道開挖區域上方及周邊形成相互搭接且具有較高強度的水平固結體拱棚，從而保證開挖面及地層的穩定性[1-2]。但水平旋噴樁施工的注漿壓力及注漿量較大，易引起地層變形，在變形控制要求嚴格的工程中其應用受到了限制。日本率先在旋噴樁施工方法的基礎上，發明了全方位高壓噴射(MJS)施工方法，改進了傳統高壓噴射注漿的不足。MJS法通過獨特的多孔管工藝，增大了噴射壓力，增加了排泥裝置，并在鉆頭部位設置土壓力監測裝置，通過調整排漿量來控制土壓力，使施工處于有效控制狀態，能有效減少對環境的影響[3]。國內大多采用MJS法施作豎向加固體來加固基坑工程，并取得較多的研究成果[4-5]。但水平MJS樁應用案例尚不多見，其施工過程并非對地層沒有影響，仍有可能引起上覆地層隆起或沉陷[6]。理論上可采用研究擠土效應的圓柱形孔穴擴張模型來描述MJS樁施工影響[7-8]。但MJS樁體截面并非圓形，加之地層也不是無限彈性空間，因此解析方法的適用性不強。部分學者也傾向于通過數值分析方法研究MJS樁施工誘發的環境效應[5,9]。

長沙地鐵2號線某區間下新建地鐵4號線區間隧道，2條區間線路呈60°相交。其中，已運營的2號線區間段埋深為9 m；新建4號線區間段埋深為18 m，其與上覆2號線最小豎向凈距僅為2.857 m。該新建地鐵隧道位于富水砂層，設計采用水平MJS樁支護。此施工方法在湖南地區應用尚屬首次[10-11]。為確保工藝安全，特在施工前進行了試驗樁施工，監測試驗樁施工過程中的孔隙水壓力及地層變形。本文結合該試驗樁結果，通過數值模擬方法研究富水砂土地層中水平MJS樁施工對環境的擾動影響，研究成果可為類似工程提供借鑒。

1 MJS試驗樁參數及地層概況

水平MJS樁施工成樁原理見圖1。其施工過程主要包括成孔、噴漿和成樁。噴漿階段，通過多孔管噴嘴以40 MPa左右的壓應力噴射水泥漿液，泥土則從多孔管排泥口排出。土體在高壓射流切削作用下，和水泥漿液攪拌混合并凝結硬化成具有一定強度的固結體[12]。通過多孔管可以實時監測噴射點附近地層壓力變化，反饋控制特有的排漿管閥門泄壓或保壓，以減小對地層的影響從而控制地面隆起或沉降。

圖1 水平MJS樁成樁工作原理

該工程對一根試驗樁的施工過程進行了孔壓監測，其MJS成樁為半圓形，直徑為2 m，樁長為42 m，埋深為17 m，主要施工技術參數見表1。

表1 水平MJS試驗樁施工技術參數

試樁場地地層大致可分為3層：第1層為厚2m的雜填土，主要由砂、卵石及粉質黏土組成；第2層為厚約2.8 m的圓礫，其粒徑以10～20 mm為主；水平MJS樁設在第3層的粗砂中，其粒徑為0.5～1.0 mm，局部含少許圓礫、卵石，成份主要為石英質，黏粒含量約為15%，細砂充填約為15%。室內試驗測得中粗砂的不均勻系數為17.5，其級配良好。其中粒徑大于0.25 mm 的砂土顆粒占55%，大于0.50 mm的砂土顆粒占23%。測得的中粗砂滲透系數為1.56 m/d。通過室內試驗獲得了主要土層的物理力學參數，見表2。施工區域內地下水位變化主要受氣候的控制：每年4～9月份為雨季，大氣降水豐沛，是地下水的補給期，其水位會明顯上升；而10月至次年3月為地下水的消耗期，地下水位也隨之下降；年變化幅度為2～4 m。試樁施工期間穩定水位埋深為地表以下3 m左右。

表2 地層及MJS樁基本物理力學參數

2 數值模型及施工過程模擬

2.1 模型的建立

水平MJS樁施工期間，高壓流體通過不斷旋轉與回拔的噴頭噴入土層內，增大了地內壓力并引起土體膨脹，從而造成上覆地層隆起變形并產生超靜孔隙水壓力。當MJS樁體完成之后，由于水泥土混合物需要一段凝固時間，又會使樁體產生回縮變形并伴隨著超靜孔隙水壓力消散。本文采用FLAC 3D軟件建立巖土體流固耦合數值模型進行數值分析。FLAC 3D軟件基于有限差分方法和多孔介質滲流理論，根據運動方程、平衡方程、本構方程和相容方程建立孔隙壓力、流體滲流速度及土體應力應變之間的關系，從而實現對地層應力場與滲流場的耦合計算[13-14]。流固耦合數值模型應服從下列假定：① 地下水流動服從達西滲透定律；② 不考慮土體的非飽和流動，地層滲透系數采用飽水狀態下的參數；③ 土體在自重作用及初始地下水位狀態下已完成固結[15]。參考長沙地鐵4號線MJS試驗樁及地層條件，將水平MJS樁簡化成平面應變問題，且因對稱性取其一半建立數值模型，如圖2所示。

圖2 水平MJS樁數值模型示意圖

模型側邊及底部均為簡支約束，地表為透水邊界，地下水位于地表以下3 m；模型底部為不透水基層，右側為固定孔壓邊界，左側為自由孔壓邊界。地層土體采用摩爾庫倫本構模型，MJS樁體采用彈性模型，地下水滲流遵循達西滲透定律。模型基本力學參數按地勘試驗結果選取(見表2)，其中MJS樁體彈性模量考慮到水泥硬化需要較長時間，因此選用尚未達到其穩定強度的較低彈性模量。在模型中設置圖2所示的測線，以便于在MJS施工模擬過程中對地層環境的擾動效應進行實時監測。

2.2 施工過程模擬

因為將水平MJS樁簡化為二維平面模型，所以根據施工回抽速度按照40 min/m的樁體施工時間進行模擬。參考水平MJS樁的工作原理及技術參數，將整個施工過程簡化為如下數值模擬步驟：① 生成初始地應力及孔隙水壓力場；② 模擬擴孔并噴漿，開挖樁體并在樁內側施加0.3 MPa地內壓應力；③ 模擬超靜孔壓消散過程，維持地內壓力20 min并開啟滲流計算；④ 模擬成樁，消除地內壓應力，生成樁體，開啟滲流計算20 min。

3 數值模擬結果

3.1 MJS樁施工誘發孔隙水壓的變化

圖3給出了MJS樁不同施工階段沿特定測線監測的孔隙水壓增加值分布。在噴漿作業瞬時，由于樁體處地內壓應力大于原有地層應力，導致了MJS樁體附近孔隙水壓應力產生突變。噴漿瞬時沿著模型對稱軸(見圖3 a)左邊界)孔隙水壓應力增量在MJS樁孔附近突增到50 kPa以上，隨著距離迅速衰減；沿著MJS樁右側豎直測線2(圖3 b))在MJS樁孔附近區域由于受到擴孔引起的拉伸效應，孔隙水壓增量為負10 kPa以上，并隨著水平距離增大而迅速衰減而轉變為正孔壓；MJS上方水平測線1(圖3 c))也表現出類似孔壓增量分布。

a)沿對稱軸

3.2 MJS樁施工誘發地層變形分析

圖4給出了MJS樁不同施工階段沿特定測線監測的位移值分布。在噴漿作業瞬時，由于樁體處地內壓應力大于原有地層應力，擠壓土體產生了較大位移。位移表現為MJS樁孔上方土體隆起而下方土體沉降。因此，圖4 a)中豎向位移沿對稱軸分布出現了相反的位移，正負位移最大值出現在樁孔上下邊界，大約為4 mm左右。圖4 c)中豎向位移沿MJS樁上方水平測線均表現為隆起，最大位移2.7 mm出現在樁體正上方，并沿著遠離樁體方向迅速減小，水平距離為5 m后降至0.5 mm以下。圖4 d)中地表豎向位移表現為整體輕微隆起，隆起量僅為0.30～0.45 mm。由于MJS樁半圓形態的影響，噴漿階段地內壓應力引起的土層水平位移要小于豎向位移。圖4 b)中水平位移沿MJS樁右側豎直測線表現為向右側移動，但最大位移值僅為0.4 mm。孔壓消散的過程使上覆地層隆起量增加10%左右，噴漿20 min后樁體上方土層整體繼續產生0.5 mm左右隆起，測線1監測的水平位移則隨著孔壓消散產生回移，最大位移值僅為噴漿瞬時的一半。

a)沿對稱軸

噴漿結束后MJS樁孔內壓應力消除，但樁體尚未完全凝固，因此產生了土體回移。此時MJS樁體上方土體繼隆起后表現為沉降，各測線上隆起量均迅速減小。MJS樁體上方地層隆起量降至1.0 mm，地表隆起則降至0.1 mm。測線1上的水平位移甚至出現了局部相反位移。不同施工階段土體豎向位移分布云圖見圖5。在噴漿施工階段，MJS樁孔擴展引起上覆土層隆起；在噴漿結束成樁階段，MJS樁體受到地層壓力產生壓縮引起上覆土層沉降。

a)噴漿

由此可見，水平MJS樁體施工過程對富水地層孔壓及變形均有一定影響，且誘發的地層變形會隨著施工階段不同出現隆起或沉降。但由于MJS法的主動排泥裝置可使地內壓應力不會過高，在本試驗樁控制的地內壓應力范圍內(0.1～0.3 MPa)誘發的環境影響較小，能滿足后續工程的要求。

4 數值模擬與實測的結果對比分析

試驗樁施工期間通過在地層中埋設孔壓傳感器，記錄了施工過程中誘發的孔隙水壓增加值。本文研究采取平面模型計算40 min的施工過程，而實際施工試驗樁有42 m長，施工周期達到數天。為了便于對比，將施工階段孔壓計測的孔壓波動幅值與施工位置到各傳感器的距離關系列入圖6，并將本文模型中各測線孔壓分布與樁心的距離關系同樣列入圖6中。

圖6 孔壓增量實測值與計算值對比圖

因為實測數據為三維空間的孔壓增量最大值，故相較于本文模型單條測線孔壓分布值整體較高。但對實測孔壓進行回歸分析獲得的趨勢線與本文數值結果變化趨勢線基本一致，這也驗證了本文所建立的數值模型的合理性。實測地層中孔壓增加幅值與噴漿段距離之間呈線性關系，通過延長趨勢線可知，實測地層最大孔壓增加值為40 kPa左右，而數值計算結果為50 kPa。實測和數值結果均顯示，在距離MJS樁噴漿段10 m外孔壓增量基本為0。

5 結語

本文基于富水砂土地層中水平MJS試驗樁施工過程，通過流固耦合數值模擬研究并與現場監測數據進行對比分析，得出如下結論：

1)MJS樁噴漿施工階段將引起樁周孔隙水壓上升，幅值達到50 kPa左右，影響范圍為樁體10 m范圍內；由于試樁地層滲透性較好，孔壓增量將迅速消散，在樁體施工時間段內即能基本消散。

2)水平MJS樁體施工過程對富水地層變形有一定影響，且地層會隨著施工階段不同表現出或隆起或沉降的不同趨勢。在噴漿施工階段，MJS樁孔擴展引起上覆土層隆起；在噴漿結束成樁階段，MJS樁體受到地層壓力產生壓縮而引起上覆土層沉降。

3)通過MJS法的主動排泥裝置將地內壓應力限制在可控范圍內，對環境影響較小；基于本次試樁的施工參數，水平MJS樁誘發地層位移在mm級別，能夠滿足后續工程的要求。