MJS工法与高压旋喷桩(双重管)挤土效应对比试验研究

毛祖夏， 杨兰强， 李佳明

(1. 宁波市鄞城集团有限责任公司， 浙江 宁波 315010； 2. 宁波市城建设计研究院有限公司， 浙江 宁波 315000)

0 引言

土体加固已逐渐成为深基坑支护工程、地基处理工程的主要手段。高压喷射注浆[1]是一种非常有效的土体加固方式。高压旋喷桩(文中未注明的均为双重管法)主要是通过喷射很高的水泥浆压力(一般>20 MPa)联合空气压力切割土体，使得水泥与土体充分混合形成具有一定强度的水泥土加强体。高压旋喷桩施工为孔口自然返浆，无法对排浆量及孔内压力进行控制。在深厚软土地基施工时，如果排浆不畅，会使得加固区域瞬间产生很高的超静孔隙水压力，并引起周边土体侧向变形和隆起变形[2-3]。在软土地区，由于高压旋喷桩施工过程中对周围环境影响较大，尤其是邻近敏感性建(构)筑物(地铁、文物保护建筑、浅基础建筑等)，故其应用受到了限制。

MJS(metro jet system)工法[4]是基于高压旋喷桩改进的新型工艺，不仅具备了传统高压旋喷桩切割土体、加固土体的功能，而且还通过地内压力的监测以及孔内强制排浆措施控制地内压力，起到控制超静孔隙水压力的目的，进而减少对周边环境的影响。目前，MJS工法在邻近敏感建(构)筑物工程施工中的成功应用已有一定报道。吴昌将等[5]针对盾构侧穿邻近古建筑物，采用MJS工法进行加固，加固效果较好，邻近古建筑物沉降较小。宋玉芹等[6]借助三维有限元方法，研究了上海长江西路越江隧道通过MJS工法土体加固，近距离穿越逸仙路高架桩基，取得了较好结果。

国内外专家学者主要针对具体工程实例，借助数值模拟方法、现场监测手段间接评估MJS工法和高压旋喷桩挤土影响问题。赵香山等[7]借助有限元方法对比研究了MJS工法和高压旋喷桩施工对周边环境的影响。梁利等[8]在轻轨车站换乘通道工程中采用MJS工法成功解决了复杂环境下施工扰动控制难题。张品等[9]基于长沙地铁4号线下穿2号线运营隧道MJS水平桩加固工程，通过获取的监测数据研究了MJS工法施工对盾构的影响。张滔[10]详细介绍了某工程采用MJS工法门式加固成功解决明挖基坑与轨道交通隧道呈小角度斜交上跨的安全难题。邓开鸿[11]借助DEM和FEM方法，分别研究了高压旋喷桩在黏性土和砂土的挤土效应情况。MJS工法在软土地区的应用逐渐增多[12-15]，但鲜有关于MJS工法和高压旋喷桩在软土地区的挤土效应对比性试验的报道。本文通过MJS工法和高压旋喷桩现场试桩试验，实时采集MJS工法和高压旋喷桩施工期间的土压力、孔隙水压力、深层土体位移等数据，分析和研究MJS工法和高压旋喷桩施工对周边环境的影响。

1 试验方案

1.1 试验地点

试验地点位于浙江省宁波市鄞州区，基于滨江北路(惠风西路—鄞县大道、三江桥—四明西路)工程开展了MJS工法和高压旋喷桩的现场试验研究。主要涉及土层以①0素填土、①1黏土、①2淤泥、②1淤泥质黏土、②2淤泥质黏土、③2粉质黏土、④1-1粉质黏土为主。土层物理力学参数见表1。

表1 土层物理力学参数

1.2 施工参数

高压旋喷桩、MJS工法施工参数及边界条件见表2。其中，MJS工法试验由1根直径2.4 m半圆摆喷、1根直径3 m全圆加固的水泥土桩组成，钻孔深度6 m，有效桩长5 m，MJS工法搭接厚度为0.6 m。高压旋喷桩试桩试验由3根桩径0.6 m的全圆加固的水泥土桩组成，钻孔深度6 m，有效桩长5 m，桩间距1.5 m。

表2 高压旋喷桩、MJS工法施工参数及边界条件

1.3 监测平面图布置

MJS工法和高压旋喷桩施工期间，分别在其周围布置了土压力传感器、孔隙水压力传感器、深层土体位移监测点。MJS工法和高压旋喷桩试桩监测布置示意分别如图1和图2所示。

1.4 传感器埋设及数据采集

孔隙水压力传感器、土压传感器、深层土体位移监测设备提前1个月埋设完毕，随后进行为期半个月的传感器初始值采集，待数据稳定后正式开展试验。经试验前初始值观测，不同位置同一深度的初始值差异控制在5%以内。MJS工法试桩期间实时监测数据采集见图3，高压旋喷桩试桩期间实时监测数据采集见图4。

(a) 监测平面图

(b) 监测竖向布置图

(a) 监测平面图

(b) 监测竖向布置图

图3 MJS工法试桩实时监测数据采集

图4 高压旋喷桩试桩实时监测数据采集

1.5 各传感器类型及规格

各传感器类型及规格见表3。

2 试验结果与分析

2.1 土压力实时变化特点分析

MJS工法试桩期间，深层土压力随时间变化的监测曲线如图5所示。高压旋喷桩试桩期间，深层土压力随时间变化的监测曲线如图6所示。图中的B表示土压力传感器与MJS工法(高压旋喷桩)的桩中心水平距离，H表示传感器埋置深度。由图5和图6可知，高压旋喷桩与MJS工法均随着距离B增大，对应同深度的土压力逐渐降低，说明MJS工法、高压旋喷桩的挤土效应随着水平距离增大影响也越来越小。

表3 各传感器类型及规格

(a) B=2.2 m

(b) B=3.2 m

(c) B=5.2 m

(d) B=7.2 m

2.2 MJS工法与高压旋喷桩最大土压力对比

不同水平距离B处MJS工法、高压旋喷桩最大土压力值统计(H=6 m)见表4。高压旋喷桩试桩的时间跨度相对于MJS工法要长一些，目的是尽可能减缓高压旋喷桩密集施工导致的挤土效应。尽管如此，以埋深H=6 m处土压力传感器为例，对于同一水平距离B，高压旋喷桩引起的最大土压力值均大于MJS工法引起的最大土压力值； 高压旋喷桩最大土压力值与MJS工法最大土压力值之比均大于2.0，说明高压旋喷桩挤土效应更明显。

(a) B=2.2 m(高压旋喷桩)

(b) B=3.2 m

(c) B=5.2 m

(d) B=7.2 m

表4 不同水平距离B处的MJS工法与高压旋喷桩最大土压力值统计(H=6 m)

当B=2.2 m，埋深H=4～6 m时，MJS工法测试数值跳跃性较大。而本次MJS工法的钻孔深度为6 m，有效桩长5 m，说明在有效桩长范围内，近距离测试MJS工法周围土压力时，受施工影响较明显，但随着深度H和水平距离B增大而逐渐消失。

2.3 土压力随深度变化分析

MJS工法、高压旋喷桩施工期间，不同深度处土压力随水平距离B的变化曲线如图7所示。由图可知，不同深度处的初始压力均小于静止土压力理论值。

对于MJS工法，不同深度处测试的土压力值介于静止土压力理论值与初始压力值之间。其中，当B=7.2 m时，不同深度的土压力与初始土压力基本重合； 随着水平距离B的增大逐渐增大，同一深度土压力逐渐减小。说明MJS工法施工的挤土效应随着水平距离的增大影响也逐渐减小。

而高压旋喷桩施工期间，测试的土压力值均大于同深度静止土压力理论值。可见，高压旋喷桩的挤土效应相比于MJS工法更为明显。但高压旋喷桩也具备MJS工法相同特征，即高压旋喷桩的挤土效应随着水平距离B的增大影响逐渐减小。

图7 不同深度处土压力随水平距离B的变化曲线

2.4 孔隙水压力实时变化特点分析

根据有效应力原理可知，MJS工法和高压旋喷桩施工期间的挤土效应实际为超静孔隙水压力。当MJS工法、高压旋喷桩在喷射水泥浆液时，会导致附近孔隙水压力骤增，而淤泥质土渗透系数较低，导致孔隙水压力来不及消散，故造成明显的“挤土效应”特点。

MJS工法施工期间，深层孔隙水压力随时间变化的监测曲线如图8所示。高压旋喷桩试桩期间，深层孔隙水压力随时间变化的监测曲线如图9所示。图中的C表示孔隙水压力传感器与MJS工法(高压旋喷桩)桩中心的水平距离，H表示传感器埋置深度。由图可知，MJS工法和高压旋喷桩施工期间，随着水平距离C逐渐增大，同一埋深的孔隙水压力均呈现逐渐下降的特点，同样说明MJS工法和高压旋喷桩的挤土效应影响均随着水平距离C的增大而逐渐减小。

(a) C=2.2 m

(b) C=3.2 m

(c) C=5.2 m

(d) C=7.2 m

(a) C=2.2 m

(b) C=3.2 m

(c) C=5.2 m

(d) C=7.2 m

2.5 MJS工法与高压旋喷桩最大孔隙水压力对比

MJS工法、高压旋喷桩施工期间，不同水平距离C处的最大孔隙水压力统计(H=6 m)见表5。以传感器埋深H=6 m为例，同一埋深H的孔隙水压力计随着水平距离C越远，对应的孔隙水压力呈现逐渐下降的特点； 对于同一水平距离C，高压旋喷桩施工导致的孔隙水压力均大于MJS工法施工导致的孔隙水压力。高压旋喷桩最大孔隙水压力值与MJS工法最大孔隙水压力值之比均大于1.33，说明高压旋喷桩挤土效应更明显。

2.6 孔隙水压力随深度变化分析

MJS工法、高压旋喷桩施工期间，不同埋深H处孔隙水压力随水平距离C的变化曲线如图10所示。由图可知，对于MJS工法，当C>5.2 m时，测试的孔隙水压力值均小于同深度对应的孔隙水压力理论值； 当C<3.2 m时，测试的孔隙水压力值均大于同深度孔隙水压力理论值。可见，MJS工法的挤土效应随着水平距离C的增大影响也越来越小。

表5 不同水平距离C处的MJS工法与高压旋喷桩的最大孔隙水压力统计(H=6 m)

对于高压旋喷桩，其孔隙水压力均大于同深度孔隙水压力理论值。可见，高压旋喷桩的挤土效应相比于MJS工法更为明显。此外，高压旋喷桩也具备MJS工法相同特点，即高压旋喷桩的挤土效应随着水平距离C增加而影响逐渐降低。

图10 不同埋深H处孔隙水压力随水平距离C的变化曲线

2.7 深层土体位移分析

为了获取施工期间深层土体位移，埋深1根柔性PVC管。埋设的PVC管易受产生的超静孔隙水压力影响，造成PVC管挤压变形。再通过活动式测斜仪量测仪器轴线与铅垂线之间的夹角变化量，计算出土体不同深度的水平位移。

MJS工法、高压旋喷桩试桩期间，不同深度H处土体水平累计位移曲线如图11所示。由图可知，高压旋喷桩施工期间导致的土体水平位移明显比MJS工法施工导致的水平位移大。两者深层土体水平位移特点基本一致，均表现“上大下小”的特征。

图11 深层土体水平累计位移曲线

MJS工法施工时，导致的土体水平位移最大为9.54 mm，而高压旋喷桩导致的土体水平位移最大为207 mm。可见高压旋喷桩比MJS工法的挤土效应更为显著。

此外，高压旋喷桩桩长仅5 m，但地表以下6～12 m区域均有明显的水平位移。分析认为，由于土质主要以淤泥土为主，含水率高，渗透系数小，高压旋喷桩引起的超静孔隙水压力来不及消散，不仅水平向传递，而且向下也有所传递，故地表以下6～12 m也出现明显的水平位移特征； 而MJS工法挤土效应不明显，故对应的地表以下6～12 m水平位移不明显。

3 结论与讨论

为了更好地研究和反映高压旋喷桩、MJS工法两者之间的挤土效应差异，通过现场MJS工法和高压旋喷桩试桩试验，实时监测施工期间的土压力、孔隙水压力和深层土体位移变化情况，得到如下结论：

1)MJS工法和高压旋喷桩在施工期间均表现出不同程度的挤土效应，高压旋喷桩挤土效应更明显。MJS工法虽表现一定程度的挤土效应，但基本可以忽略不计。

2)高压旋喷桩引起最大土压力及最大孔隙水压力均大于MJS工法所引起的最大土压力和最大孔隙水压力。二者最大土压力值之比均大于2.00，最大孔隙水压力值之比均大于1.33。

3)MJS工法施工期间，同深度处测试的土压力介于静止土压力理论值与初始压力值之间，测试的同深度孔隙水压力值位于孔隙水压力理论值两侧。而高压旋喷桩施工期间，同深度处测试的土压力值均大于静止土压力理论值，测试的同深度孔隙水压力值均大于孔隙水压力理论值。

4)随着水平距离逐渐增大，MJS工法、高压旋喷桩施工引起的同深度土压力、孔隙水压力均呈逐渐下降特点。说明MJS工法、高压旋喷桩施工的挤土效应影响随着水平距离增大而逐渐降低。

5)高压旋喷桩施工期间引起的土体水平位移明显大于MJS工法施工导致的土体水平位移。二者深层土体水平位移特点基本一致，均表现“上大下小”的特征。

通过MJS工法和高压旋喷桩现场试验，直接反映出MJS工法与高压旋喷桩挤土效应的异同。但也存在以下不足之处：

1)在有效桩长范围内，近距离测试MJS工法周围土压力时，有明显“跳跃性”。这种“跳跃性”的原因是施工操作不当还是客观存在，还需进一步研究确定。

2)1根桩的实际施工时间只需30～60 min，但监测发现，由于超静孔隙水压力难以快速消散，导致“挤土效应”时间较长，故测试时间也比打桩时间跨度要长，而这种时长可能与打桩数量成正相关。打桩数量与挤土效应时长的关系将是后续研究工作的重点。

3)在制定试验方案前期，计划获取钻杆下沉、提升、旋喷时的数据，但实际监测结果很难与这个过程做到一一对应。故下一步将争取获得一一对应的试验数据。